Происхождение и эволюция фотосинтеза | это… Что такое Происхождение и эволюция фотосинтеза?

        Каким же образом возник процесс фотосинтеза? Что ему предшествовало и к каким последствиям привело появление этого процесса на Земле?

        Согласно общепризнанной в настоящее время эволюционной теории происхождения и развития жизни, которая более 50 лет назад была сформулирована А. И. Опариным, первичные, способные к самовоспроизводству живые образования возникли в результате абиогенной химической эволюции. Будучи окруженными близкими по составу, но еще неживыми органическими соединениями, эти первичные существа могли осуществлять в бескислородной среде анаэробный гетеротрофный тип питания с помощью небольшого набора ферментов. Постепенное истощение и деградация органических веществ, синтезированных абиогенным путем, сопровождались накоплением все более окисленных соединений, вплоть до появления наиболее бедного энергией соединения углерода — углекислоты. Это влекло за собой необходимость все большего и большего совершенствования и усложнения ферментативного аппарата, необходимого для ассимиляции все более окисленных веществ.

В этих условиях, которые все еще характеризовались отсутствием в среде кислорода, вполне вероятно возникновение первичных автотрофных организмов, которые осуществляли восстановление углекислоты за счет химической энергии, полученной из минеральных веществ. Такой тип питания получил название хеморедукции. Среди современных организмов известна группа сульфатредуцирующих микроорганизмов, которые восстанавливают сульфаты до сероводорода, используя для этой цели молекулярный водород.

        Появление в этот период, который характеризовался сильно восстановительными условиями среды, светпоглощающих пигментов фотосенсибилизаторов привело, очевидно, к замене химической энергии в процессах хеморедукции на световую. Возник простейший тип фотоавтотрофного питания, который получил название

фоторедукции и бактериального фотосинтеза. Такой тип питания осуществляют современные фототрофные бактерии — пурпурные серобактерии (Thiorhodaceae) и зеленые серобактерии (Chlorobacteriaceae), у которых роль пигмента-фотосенсибилизатора выполняет бактериохлорофилл и которые являются строгими анаэробами. Пурпурные и зеленые серобактерии восстанавливают углекислоту за счет энергии света, используя в качестве Н-донора сероводород (h3S):


        Представленное итоговое уравнение бактериального фотосинтеза (фоторедукции) очень напоминает, как мы видим, приведенное выше суммарное уравнение фотосинтеза хлорофиллоносных растений. В результате сравнительного анализа Ван-Ниль показал, что оба эти процесса могут быть записаны в общем виде одним итоговым уравнением:


        где Н2А — донор водорода, в качестве которого фотосинтезирующие бактерии используют сероводород, а остальные растения — воду. Вода является более окисленным соединением по сравнению с сероводородом. Использование ее в качестве донора водорода связано с необходимостью дополнительной затраты энергии и стало возможно благодаря дальнейшему совершенствованию фотохимического аппарата, которое состояло в появлении у растений (начиная с сине-зеленых водорослей) хлорофилла (вместо бактериохлорофилла) и дополнительной фотохимической системы, так называемой «фотосистемы П».

        Использование воды в качестве донора водорода привело к тому, что в процессе фотосинтеза стал выделяться кислород, что, в свою очередь, ознаменовало переход от анаэробной к аэробной жизни на нашей планете.

        На эволюциопную связь фото редукции и фотосинтеза может указывать способность ряда сине-зеленых, зеленых, красных и бурых водорослей обратимо переходить к фоторедукции при переводе их в анаэробные условия в атмосферу водорода.

        Таким образом, фотоавтотрофный тип питания и фотосиптез возникли в процессе эволюции как «надстройка» над первичным гетеротрофным типом питания. Появление на Земле фотосинтеза было обусловлено всем ходом предшествовавшей биологической эволюции и явилось поворотпым пунктом в переходе от анаэробного к аэробному типу обмена веществ.

        Рассмотренная схема дает представление лишь об общих чертах эволюции фотосинтеза и является в значительной степени гипотетической. Многие этапы эволюции фотосинтеза и тем более ее детали остаются неясными, ряд моментов по-разному интерпретируется учеными.

        Неясным, например, остается вопрос о происхождении хлоропластов высших растений. Существует точка зрения об эндосимбиотическом их происхождении в результате «захвата» первичных фотосинтезирующих организмов, типа современных сине-зеленых водорослей, гетеротрофным организмом. На такую возможность указывает определенная генетическая автономность хлоропластов, а также подобие их ДНК, ряда важнейших ферментов, свойств рибосом и ряда РНК таковым у прокариотических организмов, в частности сине-зеленых водорослей. Вместе с тем имеется и определенная генетическая подчиненность хлоропласта ядерному геному, что может указывать на «прямую» эволюцию фотосинтетического аппарата современных растений от первичных фотосинтезирующих организмов. Все эти вопросы требуют дальнейшего детального изучения механизмов, молекулярной организации, генетического контроля и физиологических свойств фотосинтеза и его аппарата.

Жизнь растений: в 6-ти томах. — М.: Просвещение. Под редакцией А. Л. Тахтаджяна, главный редактор чл.-кор. АН СССР, проф. А.А. Федоров. 1974.

Тест на тему Возникновение жизни на Земле Вариант 2 онлайн бесплатно с ответами

Тест на тему Возникновение жизни на Земле Вариант 2

Начать прохождение

1 2 3 4 5 6 7 8

Появление фотосинтеза привело:

к возникновению многоклеточности

к возникновению бактерий

к возникновению полового процесса

к возникновению аэробного дыхания

Сравните теории биохимической эволюции и панспермии.

Приведите аргументы, подтверждающие и опровергающие каждую теорию.

В соответствии с гипотезой Рихтера:

жизнь переносится с планеты на планету

жизнь появилась одновременно с появлением Земли

жизнь зародилась на Земле в водах первичного океана

жизнь на Земле существует вечно

Выделяют три этапа возникновения жизни на Земле: Возникновение простых органических веществ (мономеров) из неорганических Образование сложных органических веществ (полимеров) Образование первичных живых организмов (протобионтов) Дайте характеристику второго этапа. Опишите теории происхождения протобиополимеров.

Первыми автотрофными организмами на Земле были:

анаэробные эукариоты

аэробные прокариоты

анаэробные прокариоты

аэробные прокариоты

Согласно представлениям о возникновении живого из неживого первые живые организмы появились:

6 млрд лет назад

4,6 млрд лет назад

3,5 млрд лет назад

2,6 млрд лет назад

Опыты Л. Пастера опровергли теорию:

появления живого из неживого

появления живого только из живого

занесения «семян жизни» из космоса

божественного творения

Расположите события в порядке их возникновения

появление аэробного дыхания

появление многоклеточности

появление полового процесса

появление клеточной мембраны

появление метаболизма

Пропустить вопрос

Проверить ответ

Далее

Завершить тест

Этапы участия:

Тестирование

Пройдите тест по выбранной теме

Результат

Получите оценку своих знаний (количество попыток неограничено)

Сертификат

Введите данные и получите сертификат

На портале Солнечный свет

Более 10000 тестов

10000 тестов олимпиад и викторин на профессиональном портале

97% клиентов

Довольны порталом и становятся постоянными клиентами

Свыше 1 000 000 участий

В наших олимпиадах поучаствовали уже более миллиона раз 352 000 педагогов и учащихся

Лицензии

Лицензия на осуществление образовательной деятельности №9757-л
Проверить лицензию на сайте Обрнадзора

Свидетельство о регистрации СМИ №ЭЛ ФС 77-65391
Проверить свидетельство на сайте Роскомнадзора

Лицензии

Служба поддержки:
org. [email protected]

8 (800) 350-54-64

Участвуйте в тестированиях
круглосуточно

Тестирование и выдача сертификатов в соответствии с ФЗ «Об образовании и ФГОС»

Часто задаваемые вопросы

Лицензии и свидетельства

Международный педагогический портал “Солнечный свет” зарегистрирован в Федеральной службе по надзору в сфере связи, информационных технологий и массовых коммуникаций (свидетельство о регистрации СМИ №ЭЛ ФС 77-65391), деятельность портала лицензирована Министерством образования (лицензия на осуществление образовательной деятельности №9757-л).

Какая информация есть в дипломах и свидетельствах?

Наградные документы участников конкурсов, олимпиад и свидетельства, содержат следующие данные и реквизиты: указание на Организатора мероприятия, результат участия, номер, ФИО Участника, должность, наименование представляемой организации, её местонахождение, название мероприятия, название номинации, название конкурсной работы, ФИО руководителя (если есть), дату проведения мероприятия, печать и подпись Организатора. Дипломы, Свидетельства, выдаваемые международным педагогическим порталом «Солнечный свет», являются подтверждающими документами при аттестации согласно Порядку проведения аттестации педагогических работников организаций, осуществляющих образовательную деятельность, утвержденному приказом Минобрнауки РФ от 07.04.2014 г. № 276, и входят в перечень документов и материалов портфолио воспитателя, учителя и других педагогических работников, необходимых для проведения оценки профессиональной деятельности. С помощью них можно также сформировать портфолио достижений дошкольника, школьника.

Ваши мероприятия соответствуют ФЗ «Об образовании» и ФГОС?

Международный педагогический портал «Солнечный свет» проводит международные и всероссийские мероприятия в соответствии с ч. 2 ст. 77 и п. 22 ст. 34 Федерального закона Российской Федерации «Об образовании в Российской Федерации» № 273-ФЗ от 29.12.2012 г. (в ред. от 31.12.2014) направленные на поддержку творческого потенциала педагогических работников и обучающихся. Конкурсы и олимпиады разработаны с учетом требований Федеральных государственных стандартов образования (ФГОС).

В какой срок и как я получу сертификат?

Сразу же после завершения тестирования Вы увидите результат тестирования. Затем в вашем личном кабинете вы сможете ввести данные для формирования сертификата. После оплаты удобным для вас способом мы сразу же предоставим доступ для скачивания сертификата. Также сертификат будет продублирован на вашу электронную почту.

Участвуйте в тестировании и получайте сертификаты с отличием

Оформить сертификат Выбрать тестирование

×

Спасибо!

Теперь вы будете получать напоминания и специальные предложения на вашу электронную почту

В центре внимания истоки «самого важного эволюционного нововведения» Земли | Новости Массачусетского технологического института

Когда-то в ранней истории Земли планета стала пригодной для жизни, когда группа предприимчивых микробов, известных как цианобактерии, развила оксигенный фотосинтез — способность превращать свет и воду в энергию, высвобождая при этом кислород.

Этот эволюционный момент сделал возможным накопление кислорода в атмосфере и океанах, вызвав эффект домино диверсификации и сформировав уникальную обитаемую планету, которую мы знаем сегодня.

Теперь у ученых Массачусетского технологического института есть точная оценка того, когда впервые возникли цианобактерии и оксигенный фотосинтез. Их результаты опубликованы сегодня в Proceedings of the Royal Society B.

Они разработали новый метод анализа генов, который показывает, что все виды цианобактерий, живущие сегодня, можно проследить до общего предка, который эволюционировал около 2,9 миллиарда лет назад. . Они также обнаружили, что предки цианобактерий отделились от других бактерий около 3,4 миллиарда лет назад, а оксигенный фотосинтез, вероятно, развился в течение промежуточных полумиллиардов лет, во время архейского эона.

Интересно, что эта оценка относит появление оксигенного фотосинтеза по крайней мере за 400 миллионов лет до Великого события окисления, периода, когда в атмосфере и океанах Земли впервые наблюдалось повышение содержания кислорода. Это говорит о том, что цианобактерии, возможно, рано развили способность производить кислород, но потребовалось некоторое время, чтобы этот кислород действительно закрепился в окружающей среде.

«В эволюции все всегда начинается с малого», — говорит ведущий автор Грег Фурнье, доцент кафедры геобиологии на факультете наук о Земле, атмосфере и планетах Массачусетского технологического института. «Несмотря на то, что есть доказательства раннего оксигенного фотосинтеза — единственного наиболее важного и действительно удивительного эволюционного нововведения на Земле — для его развития потребовались сотни миллионов лет».

Соавторами Фурнье из Массачусетского технологического института являются Келси Мур, Луис Тиберио Рангель, Джек Пайетт, Лили Момпер и Таня Босак.

Плавкий предохранитель или лесной пожар?

Оценки происхождения оксигенного фотосинтеза сильно различаются, как и методы отслеживания его эволюции.

Например, ученые могут использовать геохимические инструменты для поиска следов окисленных элементов в древних горных породах. Эти методы обнаружили намеки на то, что кислород присутствовал еще 3,5 миллиарда лет назад — признак того, что источником мог быть оксигенный фотосинтез, хотя возможны и другие источники.

Исследователи также использовали молекулярные часы для датирования, которые используют генетические последовательности современных микробов, чтобы проследить изменения в генах на протяжении истории эволюции. На основе этих последовательностей исследователи затем используют модели для оценки скорости, с которой происходят генетические изменения, чтобы проследить, когда группы организмов впервые эволюционировали. Но датирование молекулярными часами ограничено качеством древних окаменелостей и выбранной моделью скорости, которая может давать разные оценки возраста в зависимости от предполагаемой скорости.

Фурнье говорит, что разные оценки возраста могут подразумевать противоречивые эволюционные нарративы. Например, некоторые анализы предполагают, что оксигенный фотосинтез развился очень рано и развивался «как медленный предохранитель», в то время как другие указывают, что он появился намного позже, а затем «вспыхнул, как лесной пожар», вызвав Великое событие окисления и накопление кислорода в биосфере. .

«Чтобы понять историю обитаемости на Земле, нам важно различать эти гипотезы», — говорит он.

Горизонтальные гены

Для точной датировки происхождения цианобактерий и оксигенного фотосинтеза Фурнье и его коллеги объединили датировку по молекулярным часам с горизонтальным переносом генов — независимый метод, который не полагается полностью на ископаемые или предположения о скорости.

Обычно организм наследует ген «вертикально», когда он передается от родителя организма. В редких случаях ген может также переходить от одного вида к другому, отдаленно родственному виду. Например, одна клетка может съесть другую и при этом включить в свой геном новые гены.

Когда обнаруживается такая история горизонтального переноса генов, становится ясно, что группа организмов, унаследовавшая ген, эволюционно моложе той группы, из которой этот ген произошел. Фурнье рассудил, что такие случаи можно использовать для определения относительного возраста определенных групп бактерий. Затем возраст этих групп можно было бы сравнить с возрастом, предсказываемым различными моделями молекулярных часов. Ближайшая модель, вероятно, будет наиболее точной, и ее можно будет использовать для точной оценки возраста других видов бактерий, в частности, цианобактерий.

Следуя этим рассуждениям, команда искала случаи горизонтального переноса генов в геномах тысяч видов бактерий, включая цианобактерии. Они также использовали новые культуры современных цианобактерий, взятые Босаком и Муром, чтобы более точно использовать ископаемые цианобактерии в качестве калибровок. В конце концов, они выявили 34 явных случая горизонтального переноса генов. Затем они обнаружили, что одна из шести моделей молекулярных часов последовательно соответствовала относительному возрасту, определенному в анализе горизонтального переноса генов.

Фурнье использовал эту модель, чтобы оценить возраст «коронной» группы цианобактерий, которая включает в себя все виды, живущие сегодня и известные своим оксигенным фотосинтезом. Они обнаружили, что во время архейского эона группа кроны возникла около 2,9 миллиарда лет назад, а цианобактерии в целом отделились от других бактерий около 3,4 миллиарда лет назад. Это убедительно свидетельствует о том, что оксигенный фотосинтез уже происходил за 500 миллионов лет до Великого события окисления (GOE) и что цианобактерии производили кислород в течение довольно долгого времени, прежде чем он накопился в атмосфере.

Анализ также показал, что незадолго до GOE, около 2,4 миллиарда лет назад, цианобактерии испытали всплеск разнообразия. Это означает, что быстрое распространение цианобактерий могло привести к тому, что Земля погрузилась в GOE и высвободила кислород в атмосферу.

«Эта новая статья проливает важный новый свет на историю оксигенации Земли, по-новому соединяя летопись окаменелостей с геномными данными, включая горизонтальный перенос генов», — говорит Тимоти Лайонс, профессор биогеохимии Калифорнийского университета в Риверсайде. «Результаты говорят о начале производства биологического кислорода и его экологическом значении способами, которые обеспечивают жизненно важные ограничения на модели и средства контроля за самым ранним насыщением океанов кислородом и более поздним накоплением в атмосфере».

Фурнье планирует применить горизонтальный перенос генов помимо цианобактерий, чтобы определить происхождение других неуловимых видов.

«Эта работа показывает, что молекулярные часы, включающие горизонтальный перенос генов (HGT), обещают надежно определить возраст групп по всему древу жизни, даже для древних микробов, не оставивших летописи окаменелостей… то, что раньше было невозможно», — Фурнье. говорит.

Это исследование было частично поддержано Фондом Саймонса и Национальным научным фондом.

Великое событие окисления: как цианобактерии изменили жизнь

Иллюстрация цианобактерий, Prochlorococcus spp. Источник: Дерек Тан/flickr.com.

Мы настолько привыкли к присутствию кислорода на нашей планете Земля, что воспринимаем его как должное. Однако кислород отсутствовал в земной атмосфере почти половину ее жизни. Когда Земля образовалась около 4,5 миллиардов лет назад, условия на ней были совершенно другими. В то время Земля имела восстановительную атмосферу, состоящую из углекислого газа, метана и водяного пара, в отличие от современной атмосферы, состоящей в основном из азота и кислорода. Хотя солнечный свет расщепил водяной пар в атмосфере на кислород и водород, кислород быстро прореагировал с метаном и заперся в земной коре, почти не оставив следов в атмосфере. Безмолвная таинственная сила работала над постоянным выделением кислорода, пока не изменился сам состав атмосферы. Эта загадочная сущность оказалась микробом: цианобактерией.

Enter Cyanobacteria

По словам известного биохимика Лесли Оргела, который первым исследовал происхождение жизни, самое раннее зарождение жизни на нашей планете произошло около 3,8 миллиарда лет назад. Поскольку предполагалось, что в то время на Земле отсутствовал кислород, обмен веществ в живых организмах был бы анаэробным, предполагающим использование минералов, присутствующих в океане, для выработки энергии. Однако около 2,7 миллиарда лет назад возникла особая группа микробов, известная как цианобактерии. Филогенетический анализ, основанный на 16S и 23s рРНК, реконструкциях генома и свидетельствах окаменелостей, использовался для понимания эволюционных характеристик этих ранних живых организмов. Эти микробы обладали замечательной способностью к фотосинтезу (то есть они могли генерировать энергию из солнечного света). Цианобактерии обладали механизмами для использования воды в качестве источника топлива путем ее окисления. Что еще более важно, побочным продуктом фотосинтеза оказался кислород.

Строматолиты представляют собой крупные слоистые структуры, образованные матами цианобактерий. Источник: Джеймс Сент-Джон/flickr.com.

Как крошечные цианобактерии могли быть предвестниками столь масштабных изменений? Среди всех биохимических изобретений, которые могла придумать жизнь, способность цианобактерий использовать воду в качестве топлива для производства кислорода должна считаться одной из самых гениальных. Исследователи предполагают, что уровень кислорода, выделяемого цианобактериями в морскую воду, со временем постепенно увеличивался, и что в течение 200–300 миллионов лет кислород производился быстрее, чем он мог реагировать с другими элементами или поглощаться минералами. Кислород, выделяемый цианобактериями, неуклонно накапливался на обширных участках океана и насыщал воду кислородом. Постепенно накопленный кислород стал уходить в атмосферу, где вступал в реакцию с метаном. По мере утечки кислорода метан в конечном итоге был вытеснен, и кислород стал основным компонентом атмосферы. Это событие, известное как «Великое событие окисления», произошло где-то между 2,4–2,1 миллиарда лет назад.

Изменение химии Земли

Великое событие окисления стало эпохальным моментом на линии эволюции и имело несколько серьезных последствий не только для климата Земли (косвенно), но также для адаптации и эволюции живых организмов. Исследователи выдвинули гипотезу о влиянии великого события окисления на климат Земли, тщательно оценивая геохимические и изотопные характеристики молекул в ранней атмосфере Земли, используя массовое моделирование и проводя исследования с участием чувствительных к окислительно-восстановительному потенциалу изотопов переходных металлов.

Эти исследования показывают, что химический состав земной атмосферы резко изменился по мере повышения уровня кислорода и замены метана (метан присутствует и сегодня, но в очень незначительных количествах). Кроме того, предполагается, что накопление кислорода в атмосфере привело к одному из самых ранних ледниковых периодов на Земле. Метан является парниковым газом, так как он улавливает тепло солнечного света и нагревает планету. Когда метан был вытеснен кислородом, глобальные температуры понизились настолько, что образовались ледяные щиты, которые простирались от полюсов до тропиков.

Кислород также был ответственен за формирование озонового слоя в атмосфере. УФ-излучение солнца расщепляет молекулы кислорода (O 2 ) на 2 атома кислорода, которые затем реагируют с другой молекулой кислорода с образованием озона (O 3 ). Озон действует как естественный солнцезащитный фильтр, предотвращая попадание вредного ультрафиолетового излучения на землю.

Великое событие окисления и появление аэробного метаболизма

Поскольку 2,7 миллиарда лет назад, когда появились цианобактерии, жизнь была полностью анаэробной, считается, что кислород действовал как яд и уничтожил большую часть анаэробной жизни, что привело к вымиранию. Исследователям оказалось сложной задачей оценить конкретные исчезнувшие линии из-за отсутствия конкретных ископаемых свидетельств и сложности оценки утраты видов. Однако созрели условия для следующего большого шага в эволюции: аэробного метаболизма.

Жизнь нашла способ выжить в ядовитой кислородной среде, используя богатый потенциал кислорода для дыхания. Поскольку кислород имеет высокий окислительно-восстановительный потенциал, он действовал как идеальный конечный акцептор электронов для выработки энергии после распада питательных веществ. Кислород вскоре стал незаменимым для метаболической деятельности. Организмы также разработали стратегии детоксикации реактивных окислительных соединений, образующихся в результате аэробного метаболизма. Хотя секвенирование и филогенетический анализ оценивают эволюцию детоксицирующих АФК ферментов еще до появления аэробных микробов, Великое событие окисления послужило катализатором для формирования направленной эволюции ферментов, таких как супероксиддисмутаза и каталаза.