Доказательства эволюции. Основные направления эволюционного процесса

Дисциплина: Биология

Группа: ­­­­­­­­­­­­­­­­__________ Дата: ____________

Тема: Доказательства эволюции. Основные направления эволюционного процесса.

Цель: познакомиться с доказательствами и основными направлениями эволюции.

Процесс образования из видов новых родов, из родов — новых семейств и так далее называют макроэволюцией. Принципиальных различий между микро- и макроэволюцией нет: и там и там действуют одни и те же факторы.

Макроэволюция органического мира — это надвидовая эволюция, процесс формирования крупных систематических единиц: родов, семейств, отрядов и т. д.

Макроэволюция— это очень длительный исторический процесс, который невозможно непосредственно наблюдать на протяжении ограниченного времени. Жизнь одного человека и существование человечества в целом несоизмеримы по временному масштабу с эволюционными преобразованиями на нашей планете. Процессы формирования крупных таксонов могут продолжаться миллионы лет.

Реальное существование эволюционных процессов подтверждают факты, полученные разными естественными науками: палеонтологией, морфологией, систематикой, эмбриологией и многими другими.

Рассмотрим основные существующие на сегодняшний день доказательства эволюции живой природы.

Цитология и молекулярная биология.

Все живые организмы — растения, грибы, животные, бактерии — состоят из клеток, имеющих общий план строения и сходный химический состав. Универсальность генетического кода, единые принципы хранения, реализации и передачи генетической информации — это подтверждение того, что всё живое имеет единое происхождение.

Сравнительная морфология. Сходство во внешнем и внутреннем строении организмов, принадлежащих к одной систематической группе, свидетельствует об их родстве и общем происхождении.

Конечность у всех наземных позвоночных, от земноводных до млекопитающих, построена по единому плану— пятипалая конечность рычажного типа. У каждого вида скелет конечности модифицирован в зависимости от способа передвижения и приспособлен к конкретным условиям обитания, но принципиальнаясхема строения остаётся неизменной (см. рис.6). Такие органы, развивающиеся из одних и тех же зачатков в процессе эмбрионального развития и выполняющие разные или сходные функции, называют гомологичными органами. Существование гомологии органов внутри крупной группы организмов свидетельствует об их происхождении от общего предка.

В систематических группах, далеко отстоящих друг от друга, мы тоже можем обнаружить структуры, выполняющие одинаковые функции и имеющие внешнее сходство, например крылья насекомых и птиц (рис.43).

Однако, в отличие от гомологичных органов, эти структуры имеют разное происхождение и строение, их называют аналогичными органами. Наличие у разных видов похожих, но не гомологичных органов подтверждает отсутствие у этих видов близкого родства.

Важным анатомическим доказательством эволюции служат рудименты и атавизмы.

Атавизмы — это появляющиеся у отдельных особей данного вида признаки, которые существовали у отдалённых предков, но были утрачены в процессе эволюции, например появление трёхпалой конечности у современных лошадей, развитие дополнительных пар молочных желёз, хвоста или сплошного волосяного покрова у человека. Возникновение атавизмов объясняется тем, что гены, отвечающие за развитие этих признаков, в процессе эволюции сохранились, но при нормальном развитии их действие блокируется.

Рудименты— это органы, утратившие в процессе эволюции своё значение. Они закладываются во время эмбриогенеза, но полностью не развиваются. Когда-то у далёких предковых форм эти органы имели важное значение, но в дальнейшем в связи с изменениями условий существования перестали быть необходимыми. Примеры рудиментов: неразвитые кости задних конечностей и остатки тазового пояса у китообразных, хвостовые позвонки и ушные мышцы у человека (рис. 44).

В отличие от атавизмов, рудименты присутствуют у всех представителей вида.

Иногда в процессе эволюции в определённых условиях среды получает преимущество и сохраняется некая переходная форма, соединяющая в себе признаки разных классов. Например, утконос и ехидна относятся к млекопитающим, но откладывают

яйца и имеют клоаку, как пресмыкающиеся, а у кистепёрой рыбы латимерии кроме жабр есть примитивные лёгкие, а её парные плавники обладают мускулатурой и напоминают по строению конечности наземных позвоночных.

Палеонтология. Изучение ископаемых остатков живых организмов, их следов и отпечатков, обнаруженных в разных геологических слоях, позволяет проследить историческое развитие живой природы. В наиболее древних породах разнообразие организмов невелико, и все они имеют относительно простое строение. В более молодых отложениях остатки имеют всё более сложное строение, и их видовое разнообразие гораздо шире. Учёные обнаружили много переходных форм между ныне живущими и ископаемыми организмами, например зверозубые ящеры, напоминающие по строению зубов и скелета млекопитающих, археоптерикс, сочетающий признаки птиц (общий вид, строение конечностей, перья на теле) и пресмыкающихся (наличие зубов, брюшных рёбер) (рис.45).

В некоторых случаях по ископаемым остаткам учёным удалось установить, как проходил филогенез (историческое развитие) определённой группы организмов. Владимиру Онуфриевичу Ковалевскому удалось проследить эволюцию лошади с начала кайнозойской эры (рис.46). Предки лошадей произошли от невысоких всеядных животных с пятипалыми конечностями. Первый представитель семейства лошадей эогиппус, или гиракотерий, был размером с лисицу и имел четырёхпалые передние и трёхпалые задние конечности. В дальнейшем, когда тропические леса уступили место степям, основным средством защиты стал быстрый бег. Естественный отбор у древних лошадей шёл в направлении удлинения конечностей, уменьшения площади опоры, усиления мускулатуры и позвоночника. Найденные ископаемые формы, позволившие реконструировать последовательный эволюционный ряд лошади, подтверждают эволюционную теорию.

Интересно, что лошади, жившие в Северной Америке в течение миллионов лет, вымерли несколько тысяч лет назад, как раз в тот период, когда на этом континенте появился человек. Существуют данные о том, что древние люди использовали лошадей в пищу. Повторно лошади были завезены в Северную Америку не более 500лет назад.

Эмбриология. В пользу эволюционного развития органического мира свидетельствует то, что все многоклеточные организмы, способные к половому размножению, развиваются из одной оплодотворённой яйцеклетки (зиготы).

Легко обнаружить родство между организмами при сравнении их эмбриональных стадий развития. Ещё в первой половине XIX в. Карл Бэр установил закон зародышевого сходства: эмбрионы различных классов и видов позвоночных животных обнаруживают в пределах типа большое сходство (рис. 47).

Причём наиболее похожи эмбрионы на ранних стадиях развития. Позднее немецкие учёные Фриц Мюллер и Эрнст Геккель сформулировали биогенетический закон: онтогенез особи есть краткое повторение филогенеза данного вида. Позднее этот закон уточнил российский учёный Алексей Николаевич Северцов. Он установил, что любой организм в своём индивидуальном развитии повторяет не взрослые формы предков, а эмбриональные стадии развития предковых форм. В эмбриогенезе у всех позвоночных закладывается хорда, которая у ланцетника остаётся на всю жизнь, а у высших позвоночных в дальнейшем замещается позвоночником. На ранних стадиях развития у зародышей птиц и млекопитающих (включая человека) сердце состоит всего из двух отделов: предсердия и желудочка, а в глотке закладываются жаберные щели и перегородки, что объясняется происхождением этих классов от предков, дышащих жабрами.

Биогеография. Наука о закономерностях распространения на Земле живых организмов— биогеография тоже располагает данными в пользу эволюционных преобразований живой природы. Распределение животных и растений на планете имеет неравномерный, прерывистый характер, который нельзя объяснить только климатическими особенностями. Дрейф континентов, который приводил к возникновению географической изоляции, объясняет особенности развития и распространения видов.

Раннее отделение Австралии, Океании и Южной Америки привело к тому, что на этих территориях сохранилась древняя фауна (сумчатые и яйцекладущие млекопитающие), эволюция которой шла независимо от фауны других материков. Очень похож животный и растительный мир Евразии и Северной Америки— континентов, которые сравнительно недавно ещё были связаны друг с другом сушей в районе Берингова пролива. Напротив, природа Южной и Северной Америки значительно различается, потому что эти континенты в недалёком прошлом были самостоятельными участками суши и лишь позднее соединились Панамским перешейком.

Здесь приведен далеко не полный перечень доказательств в пользу существования эволюционного процесса, но даже этого достаточно, чтобы убедиться в том, что эволюция живых организмов — это реальный процесс, существующий во времени и пространстве.

Направления эволюции.

Основными направлениями эволюционного процесса являются биологический прогресс и биологический регресс.

Б иологический прогресс проявляется в повышении уровня приспособленности группы живых организмов к условиям среды, означающем успех данной группы в борьбе за существование. Биологический прогресс сопровождается повышением численности особей этой группы, расширением её ареала и разделением таксона на более мелкие систематические единицы: отрядов на семейства, семейств на роды и т. д.

Все эти признаки взаимосвязаны, так как увеличение численности требует расширения ареала, а в результате заселения новых мест обитания возникают приспособления к их освоению, что приводит к образованию новых подвидов, видов, родов и т. д.

Биологический регресс возникает если темпы эволюции группы организмов отстают от темпов изменения окружающей среды. Он проявляется в снижении уровня приспособленности группы организмов к условиям среды. Регресс вызывает упадок

данной группы из-за того, что она не смогла приспособиться к изменениям условий среды или была вытеснена более удачливыми конкурентами.

Для регресса характерно уменьшение числа особей в этой группе, сужение её ареала и сокращение количества входящих в неё более мелких систематических единиц.

Регресс в конце концов может привести к полному вымиранию данной группы организмов.

Как показывают данные палеонтологии, на протяжении многих миллионов лет одни господствующие группы организмов сменяются другими, имеющими более сложную организацию по сравнению со своими предшественниками (табл. 1).

Таблица 1. Некоторые группы растений и позвоночных животных, господствовавшие в разное время на протяжении последних 500млн лет

Возникновение новых господствующих жизненных форм не связано с частными адаптациями к условиям среды, а основано на приспособлениях более широкого характера, позволяющих успешно вести борьбу за существование при переходе из одной среды в другую. Можно сказать, что прогрессивная эволюция накапливает приспособления общего характера. Именно они являются признаками прогресса и определяют уровень организации группы. Примерами прогрессивных приспособлений могут служить семя у семенных растений или цветок и плод у покрытосеменных; крылья у насекомых и птиц; челюсти у позвоночных и т. д.

Накопление таких общих приспособлений приводит к повышению общего уровня организации и к прогрессивному развитию группы.

Пути эволюции.

Большой вклад в изучение прогрессивной эволюции внёс русский учёный А.Н. Северцов. Он выделил несколько способов достижения биологического прогресса, к которым относятся ароморфоз, идиоадаптация и общая дегенерация, рассматриваемые как главные пути эволюции.

Ароморфоз (морфофизиологическим прогресс) – это эволюционное преобразование строения и функций организма, повышающее общий уровень его организации, но не имеющее значения узкого приспособления к условиям окружающей среды. Ароморфозы позволяют получать преимущества в борьбе за существование и открывают широкие возможности для освоения новых, ранее недоступных сред обитания. Так, появление дыхания, позволяющего дышать атмосферным воздухом, не изменило существенно ни образ жизни древних двоякодышащих рыб, ни уровень их организации. Но появление лёгких привело в дальнейшей эволюции животного мира к освоению наземной среды земноводными, пресмыкающимися и другими разнообразными формами позвоночных.

Ароморфозы приводят к появлению крупных систематических групп организмов (типов, классов). В основе появления класса млекопитающих лежит несколько ароморфозов. Общий подъём жизнедеятельности связан с приобретением постоянной температуры, прогрессивным развитием лёгких и кровеносной системы. Животные стали активно передвигаться, охотиться, у них значительно усовершенствовались органы чувств и головной мозг, в котором существенно увеличилась кора больших полушарий, отвечающая за высшую нервную деятельность.

Более сложное поведение обеспечило лучшую адаптацию к меняющимся условиям среды, а приобретение живорождения и выкармливание детёнышей молоком способствовали освоению территорий с холодным климатом.

Появление ароморфоза — процесс длительный. На начальных этапах ароморфозы практически неотличимы от обычных адаптаций. Так, в основе эволюционного пути, приведшего к появлению млекопитающих, лежит такое, казалось бы, незначительное приобретение, как появление волосяного покрова. Это обусловило уменьшение потерь тепла и повысило интенсивность обмена веществ.

Наиболее крупными ароморфозами, произошедшими ещё на заре появления жизни, были возникновение фотосинтеза, появление ядра клетки, полового размножения и многоклеточных организмов.

Идиоадаптация – это частное приспособление организмов к определённому образу жизни в конкретных условиях внешней среды. В отличие от ароморфоза, идиоадаптация существенно не сказывается на общем уровне морфофизиологической организации данной биологической группы, т. е. в строении и жизнедеятельности организмов не наблюдается ни значительного усложнения, ни упрощения. Благодаря формированию различных идиоадаптаций организмы близких видов специализируются и могут жить в самых различных географических зонах. Например, такая специализация привела к обособлению различных жизненных форм у грызунов и зайцеобразных — прыгающих, бегающих, роющих, плавающих и даже летающих (рис.).

Многие идиоадаптации покрытосеменных, позволившие им освоить самые разнообразные места обитания, связаны с различными способами опыления цветков, распространения семян и плодов. Идиоадаптации приводят к возникновению мелких систематических групп организмов (родов, видов).

Общая дегенерация. В некоторых случаях переход организмов в новые условия существования сопровождается упрощением их строения, дегенерацией (морфофизиологическим регрессом). При этом могут исчезать органы и даже целые системы органов и связанные с ними функции или же развитие либо недоразвитие органа может останавливаться на ранней стадии онтогенеза.

Часто это обусловлено переходом организмов к сидячему или паразитическому образу жизни. Так, у некоторых растений-паразитов (например, у повилики) нет типичного для растений корня, его заменяют присоски, позволяющие питаться соками растения-хозяина, а также нет главного вегетативного органа — листа. Другое растение — раффлезия, будучи паразитом, утратило способность к фотосинтезу (рис. 41, А).

Упрощение организации животных-паразитов чаще всего касается органов, необходимых для жизни в открытой среде, но не столь важных в организме хозяина, — органов движения, органов чувств и т. д.

У паразитических ленточных червей (бычий и свиной цепни) исчезла пищеварительная система, хорошо развитая у других представителей плоских червей; они практически не способны передвигаться. Наряду с этим у паразитов развиваются специальные органы, позволяющие успешно существовать в организме хозяина, значительное развитие получают органы размножения, максимально приспособленные к продуцированию огромного количества яиц (рис. 41, Б).

У цепней, например, есть разнообразные органы прикрепления — присоски, крючья; матка, наполненная оплодотворёнными яйцами, занимает в зрелых члениках практически весь объём.

Иногда общую дегенерацию рассматривают как частный случай идиоадаптации к условиям обитания.

Все рассмотренные пути эволюции — ароморфоз, идиоадаптация и общая дегенерация — ведут к биологическому прогрессу определённой группы организмов.

У многих крупных таксонов (типов, классов) в процессе их филогенеза не раз происходила смена одного пути эволюции другим. Ароморфозы возникают в ходе исторического развития органического мира значительно реже, чем идиоадаптации или общая дегенерация, они определяют крупные вехи в истории живой природы. Соотношение путей эволюции прекрасно иллюстрирует схема, предложенная А.Н. Северцовым (рис. 42)

Поднимая систематическую группу на более высокий уровень организации, ароморфозы открывают для неё новые возможности освоения окружающей среды. После ароморфоза развитие продолжается путём идиоадаптаций, когда новая, имеющая более высокую организацию группа осваивает всю доступную для неё среду обитания. В некоторых случаях переход организмов в новые, обычно более стабильные условия существования сопровождается упрощением их строения, т. е. общей дегенерацией.

Задания для самостоятельного выполнения:

1) Соедините линиями органы с характеристикой

4)