Исследовательский проект "Прогрессивная эволюция в классе птиц"

VII Республиканский конкурс молодых исследователей

«Ступень в науку»

Направление: «Общая биология»

Название работы:

«Прогрессивная эволюция в классе птиц.

Обоснование положения, занимаемого человеком в классе млекопитающих».

Авторы работы:

Баракаева Лейла, Константинова Алина

СЮН, 10 класс, СОШ№3 г. Моздока

Научный руководитель: Штарк К.А., педагог

дополнительного образования

Моздок,

2010-2011

Оглавление.

I Введение – стр.3

II Основная часть.

1. Обзор литературы по изучаемому вопросу – стр. 4

2.Наша трактовка особенностей прогрессивной эволюции в классах теплокровных животных – стр.5

3.Наше обоснование особого положения, занимаемого человеком в классе млекопитающих - стр.9

4.Практическая часть - стр.10

III Заключение – стр.13

IV Библиографический список – стр.14

Введение.

Прогресс в живой природе- совершенствование и усложнение организмов в процессе эволюции. В связи с использованием в биологии данного термина, А.Н. Северцов, в 1925 году, предложил различать биологический и морфофизиологический прогресс.

Биологический прогресс- результат успеха данной группы организмов, характеризующийся повышением численности особей данного таксона, расширением его ареала и распадением на подчинённые систематические группы.

Морфофизиологический прогресс (арогенез)- эволюция организмов по пути усложнения и совершенствования их организации. Эволюционные преобразования, повышающие уровень адаптивности организма и ведущие к морфофизиологическому прогрессу,

А.Н. Северцов называл ароморфозами. Иногда этот термин используют как синоним морфофизиологического прогресса.

Актуальность данной работы состоит в том, что в ней предпринимается попытка показать уровень адаптации и прогрессивной эволюции птиц, не уступающий таковому в классе млекопитающих. При этом приспособленность птиц к среде обитания практически на всех уровнях их организации, не имеет равных в мире наземных позвоночных, и возможно, хордовых в

гический прогресс (арогенез) 0000000000000000000000000000000000000целом.

Новизна нашего исследования видится в том, что мы предлагаем нестандартный взгляд на вопрос прогрессивной эволюции в классах теплокровных животных.

Объектом настоящего исследования являются представители теплокровных животных, а также человек разумный.

Предмет исследования- теоретическое и практическое изучение прогрессных особенностей организации теплокровных животных, а также актуализация тезиса И.И Шмальгаузена о мегаароморфной эволюции человека.

В этой связи, целью данного исследования можно считать изучение уровня адаптации, прогрессивных особенностей организации систем органов, развития у теплокровных животных способности к обучению, а также теоретическое обоснование особого места, занимаемого человеком в классе млекопитающих.

В соответствии с данной целью выделим следующие задачи:

1. Сопоставить, на основе изученной нами литературы, уровень адаптации, прогрессивные особенности организации и поведения в классах теплокровных животных.

2. Теоретически обосновать особое место, занимаемое человеком в классе млекопитающих.

3. Провести серию экспериментов, демонстрирующих способность к обучению представителей теплокровных животных.

Обзор литературы по изучаемому вопросу.

Птицы - класс позвоночных животных, представители которого в первую очередь характеризуются тем, что тело их покрыто перьями и передние конечности видоизменены в органы для обеспечения полёта- крылья. За редкими исключениями, птицы- летающие животные, а те виды, которые не летают, имеют недоразвитые крылья. Для передвижения по твёрдому субстрату птицам служат задние конечности- ноги. Таким образом, птицы, в отличие от всех других наземных позвоночных,- животные двуногие.

У птиц весьма энергичный обмен веществ, температура тела постоянная и высокая, сердце четырёхкамерное, артериальная кровь отделена от венозной. Хорошо развиты большие полушария мозга и органы чувств, в особенности зрения и слуха. С биологической точки зрения наиболее характерными чертами птиц являются интенсивность хода жизненных процессов и передвижение по воздуху, благодаря способности к полёту. Эти две основные черты в значительной мере определяют их биологию. Именно эти свойства птиц коренным

образом отличают их от других групп позвоночных. Несмотря на общность эволюционного происхождения птиц и пресмыкающихся, биологические различия между этими двумя группами животных громадны. Птицы характеризуются высоким уровнем развития высшей нервной деятельности, подвижностью и экологической адаптивностью нервных процессов, зачатками рассудочной деятельности (способность к счету, экстраполяции движущихся объектов, запечатлению и распознанию сложных объектов). Высокоразвитые анализаторные системы, в первую очередь зрение и слух, позволяют птицам точно и надёжно воспринимать предметы и явления окружающего мира, использовать их в качестве ориентиров, определять их местоположение в пространстве относительно себя и своих партнёров по популяции и биоценозу (2,3,4).

Птицам свойственны сложные формы группового поведения, групповой ориентации и сигнализации, обеспечивающие высокую эффективность размножения, успешное кормодобывание, защиту от врагов особенно в период миграции и зимовок. Высокая экологическая пластичность птиц облегает их контакты с человеком, быструю и эффективную приспособляемость в результате его деятельности в прошлом и, особенно в настоящее время, в значительной степени способствует управлению поведением массовых контингентов птиц со стороны человека, их хозяйственному использованию (в том числе и в птицеводстве) (4).

Наша трактовка особенностей прогрессивной эволюции в классах

теплокровных животных.

Итак, рассмотрев наиболее доступные, распространенные сведения об отличительных особенностях птиц, определивших их прогрессивную эволюцию, попытаемся показать, что эти прогрессивные «отличия», по общим средним количественным показателям, не уступают прогрессивным признакам более сложноустроенных млекопитающих, а иногда, и превосходят их.

К слову, в литературе редко сопоставляются признаки прогрессивной организации птиц и млекопитающих. И тех, и других принято сравнивать с пресмыкающимися, отмечая менее совершенную организацию последних. Этому сравнению не мешает прописная истина биологии об относительном характере приспособлений.

Мы тоже решили, не забывая эту истину, тем не менее, постараться, аргументировано сопоставить прогрессивные признаки двух классов теплокровных позвоночных. Известно, что активно летающие веерохвостые птицы появились в меловом периоде (80-90 млн. лет назад), т.е. позднее, чем первые плацентарные млекопитающие (начало мела 110-120 млн. лет назад). Как это обстоятельство сочетается с общепринятой точкой зрения о том, что последующие этапы развития организмов характеризуются более совершенной организацией по отношению к предыдущим? С другой стороны, показателем успешности биологического прогресса таксономической группы, не в последнюю очередь может служить её видовое разнообразие. Очевидно, что птицы по числу видов, более, чем в 2,5 раза, превосходят млекопитающих, заселяя воздушную, наземную и водную среды обитания. Можно возразить, сказав, что некоторые млекопитающие приспособились к жизни под землей, а летучие мыши активно летают. Но, во-первых, некоторые птицы используют норы и подземные ходы, в качестве убежища, в темное время суток. А, во-вторых, к активному полёту способно подавляющее большинство видов птиц, и конкурентов (в первую очередь пищевых) в воздухе у них нет. По скорости же освоения пространства на земле, птицы, благодаря полёту, оставляют далеко позади остальных наземных хордовых, в том числе млекопитающих.

В настоящее время существует концепция эволюции, согласно которой, в ходе прогрессивной эволюции происходит увеличение адаптации к среде обитания в результате усиления энергетического обмена животных, измеряемого по скорости потребления

кислорода (6). Оказывается, что уровень энергетического обмена не воробьиных птиц (исключая стрижеобразных) составляет 25-28 мВт/г, а у воробьиных- более 40 мВт/г. У млекопитающих энергообмен состовляет менее 20 мВт/г. У первобытного человека, не использовавшего огонь-23-24 мВт/г. Человек использующий огонь перешел естественный тепловой барьер (около 50мВт/г.) и его энергообмен- около 60 мВт/г.

В то же время, удельная масса мозга в расчете на 1 грамм массы тела- коэффициент энцефализации - в отрядах приматов и китообразных несколько выше, чем в отрядах попугаев и врановых. Известно, что люди и дельфины считаются самыми разумными существами на Земле. Однако, разница между коэффициентами энцефализации человека- (0,77) и дельфина- (0,54), такая же, как у дельфина и попугая- (0,34) (6).

Не имеет равных в мире животных разнообразие сигнальной коммуникации у птиц (в первую очередь с помощью голоса). Только некоторые птицы и человек способны к звуковой имитации. Врановые и попугаи способны и к воспроизведению (иногда осмысленному - метод треугольника) человеческой речи- второй сигнальной системы. Поведение птиц (пение, постройка гнезд), связанное с размножением и заботой о потомстве так же бесприцидентны в мире животных(1,2,4,5).

Как же обстоит дело с развитием систем общей регуляции: гуморальной и нервной, а так же органов чувств, у представителей птиц и млекопитающих? Здесь нужно отметить, что основная важнейшая реакция организма - реакция на фотопериод у птиц, опять таки развита лучше. Причём, восприятие ими света и ответный каскад гуморальных реакций у птиц соединены, поскольку древняя функция эпифиза - световосприятие для птиц актуальна, в связи со значительным развитием данного органа.

Известно, что разумное поведение и способность к адаптации в новых условиях зависит от степени развития центральной нервной системы а, особенно головного мозга. По сравнению с мозгом млекопитающих мозг птиц выглядит весьма жалко. Он не только невелик по размерам, но и значительно отстает в развитии коры больших полушарий- органа, связанного с рассудочной деятельностью у высших млекопитающих. И всё же сравнительные исследования поведения животных разных таксономических групп показывают, что функциональные свойства мозга птиц заслуживают внимания. В процессе решения огромного числа задач птицы показали, что они способны к разумным формам поведения, иногда превосходя в этом млекопитающих, со значительно более развитой корой головного мозга. (7)…

Предковые формы пресмыкающихся, давшие начало млекопитающим и птицам имели в переднем мозге кору больших полушарий и большие по величине подкорковые ядра, то есть стриарные образования. Дальнейшая прогрессивная эволюция переднего мозга пошла двумя путями. У млекопитающих преимущественное развитие получает кора - как орган обеспечивающий элементарную рассудочную деятельность, а количество и размер подкорковых ядер уменьшается. У птиц, напротив, сильно уменьшается кора (её основная функция- обоняние), зато стриарные ядра увеличиваются, занимая почти весь передний мозг- образуя так называемые полосатые тела. Появляются два новых стриарных образования- wulst и гиперстриатум, которых нет ни в одном классе позвоночных и с которыми учёные связывают элементарную рассудочную деятельность у птиц. Считают, что последняя у птиц не уступает таковой млекопитающих животных (7).

Что можно сказать о темпах эволюции в классах теплокровных животных, как показателя их биологического прогресса? Класс млекопитающих развивался в конкурентной борьбе с динозаврами, которые вымерли примерно 70 млн. лет назад. Спустя некоторое время, начинается активное развитие и расселение млекопитающих. 55 млн.лет назад существовало 64 семейства- преимущественно сумчатые. Активное развитие плацентарных млекопитающих продолжалось до олигоцена. На пике многообразия существовало 140

семейств млекопитающих, уже преимущественно плацентарных. Именно в это время появляются дельфины (самые разумные среди млекопитающих животных). После этого начался постепенный биологический регресс и снижение темпов эволюции. Два миллиона лет назад существовало 119 семейств, сегодня 95 семейств. Парадоксально, что биологический регресс обычно связывают с жесткой конкуренцией, которая в данном случае не наблюдается. Веерохвостые птицы появляются несколько позже плацентарных млекопитающих. Однако в начале эоцена птицы составили около 70 семейств, затем продолжалось увеличение темпов эволюции птиц. И в плиоцене птицы образуют около 170 семейств. Приблизительно 55 млн.лет назад количество видов млекопитающих составляло около 2300 видов. На пике многообразия млекопитающих насчитывалось около 6 тысяч видов. Сегодня - около 4 тысяч. Нам неизвестно сколько видов веерохвостых птиц существовало в конце палеоцена- начале эоцена. Однако, мы знаем, что начиная с этого времени, количество видов птиц постоянно увеличивалось и к плиоцену составило около 4 тысяч. 13 млн. лет назад появляется отряд воробьинообразные, который знаменует резкое увеличение темпов эволюции, «взрывную» эволюцию в классе птиц. Сегодня - около 9 тысяч видов птиц. (1) Таким образом, темпы эволюции в классе птиц количественно значительно выше, чем в классе млекопитающих.

Согласно исследованию американского учёного- эволюциониста Ф. Айала, процент разнородных локусов ДНК на одну особь в классе птиц составляет не более 4%, а воробьинообразные самые генетические однородные из всех птиц, но фенотипические самые разнообразные- это парадокс (8).

Наше обоснование особого положения, занимаемого человеком в классе млекопитающих.

В завершение нашего анализа литературных данных приведём теоретическое обоснование особого места человека в классе млекопитающих животных. Мы считаем, что человек не может быть отнесён к отряду приматов, как это принято большинством современных систематиков, а образуют как минимум свой, отдельный отряд в классе млекопитающих. Постараемся это доказать.

Исходя из вышеописанного биологического регресса в классе млекопитающих, возникает вопрос «Как же в таких условиях мог появиться человек?». В большинстве случаев биологический регресс не может сопровождаться морфофизиологическим прогрессом, который мы наблюдаем у человека. Известно, что объём мозга самой «интеллектуальной» обезьяны- шимпанзе- 600см3. Средний объём мозга современного человека 1700- 1800 см3. У человека значительно, по сравнению с млекопитающими животными возрастает масса и гормональная активность эпифиза.

Коэффициент энцефализации, более чем в три раз превосходит таковой у шимпанзе. Наконец, человек активно формирует вторую сигнальную систему- речь. Это ли не признаки морфофизиологического прогресса? Однако, морфофизиологический прогресс, при биологическом регрессе какого-либо предкового таксона организмов, возможен, пожалуй, только при ароморфозе. Является ли возникновение человека ароморфозом? Для того, чтобы ответить на этот вопрос, нужно вспомнить признаки, характеризующие ароморфоз. Первый признак- морфофизиологический прогресс, второй- освоение принципиально новой среды обитания и увеличение энергетического и информационного обмена со средой. Действительно, человек активно формировал свою, новую среду обитания, информационный обмен и потребление энергии современным человеком (например, энергии АЭС) возросли многократно. Человек мало отдаёт окружающей природе, но это уже вопрос того цивилизационного пути развития, по которому идёт человеческое общество.

Таким образом, мы думаем, что и второй признак ароморфоза при возникновении и развитии человека наблюдается. В литературе мы встречаем, что в результате ароморфоза самым мелким появляющимся таксоном будет отряд, тогда как при идиоадаптации- это новый вид, род, семейство (9). Следовательно, если человек появляется в результате ароморфоза, то возникает, как минимум новый отряд- люди, в классе млекопитающих.

Практическая часть.

Идеи наших экспериментов появились, когда мы в одном из номеров журнала «Наука и жизнь» прочли статью знаменитого знатока птичьих историй- Л.Л. Семаго… (Леонид Леонидович однажды описал наблюдавшуюся им реакцию на отражение в зеркале заднего вида автобуса пары воробьёв- самца и самки. Самка, увидев своё отражение и отражение партнера, не узнала себя в зеркале и принялась клевать именно своё отражение. Происходит это потому, что животные не способны распознать себя в своём отражении). Рабочая гипотеза, которой мы руководствовались: «Выяснить, кто ведет себя более эмоционально- птицы или млекопитающие?». Поскольку, эмоции имеют свои представительства в головном мозге: в передних отделах новой коры, в лимбической системе, гипоталамусе, то по результатам экспериментов можно предположить, что степень развития ядер или зон ответственных за появление и силу эмоций, с учётом двух путей прогрессивной эволюции головного мозга, будет различна. А так как эмоциям принадлежит «решающая роль в процессе обучения» (7), можно попытаться ответить на вопрос «Кто более способен к обучению: представители птиц или млекопитающих животных?»

В эксперименте, проводившемся нами с 5 марта по 1июня, нами изучена реакция на отражение 50 пар волнистых попугайчиков и 30 пар джунгарских хомячков. И те, и другие животные являются моногамами. Опыт с каждой парой проводился три раза. Во всех экспериментах реакция птиц развивалась быстрее и была сильнее «острее» и длительнее, чем у хомячков. Причём нужно отметить, что длительность реакции у попугайчиков имела максимальную продолжительность в первом из трёх опытов,- от 7 до 10 минут, а затем её продолжительность снижалась от 3 минут 25 секунд до 5 минут. Большую активность проявляли самки. В первом и втором опытах они сразу замечали своё отражение в зеркале и начинали клевать его, принимая за незнакомую соперницу. В «азарте» могли переключиться на рамку, обрамлявшую зеркало, Некоторые самцы, во втором или третьем повторах опыта, усаживались напротив зеркала и начинали разглядывать своё отражение, в то время как самка, продолжала «отчаянно» клевать её отражение в зеркале. В третьем опыте реакция большинства птиц ослабевала. После установки зеркала, они начинали реагировать на него не сразу, а лишь спустя 5-10с. Продолжительность реакции также уменьшилась. Эксперименты с птицами проводились днём, обычно, с 12 до 15 часов. Особое внимание нужно уделить описанию опытов проводимых с хомячками. Реакция на отражение у первых пяти, из 30 пар, животных изучалась днём. Реакция отсутствовала. Спустя некоторое время после установки зеркала (до 3 минут), хомячки подходили к нему и принимались его обследовать (обнюхивать, трогать лапками) как любой новый для них предмет. Внимание на своё отражение в зеркале никто из животных не обращал. После нескольких минут, интерес к новому объекту исчезал. Затем случайно, в литературном источнике («Наука и жизнь», д.м.н.В.Гриневич) мы прочитали, что для восстановления биоритмов хомячков их нужно кормить ночью, потому что они- ночные животные. Принимать им пищу днём, всё- равно, что человеку ночью. Происходит рассогласование биоритмов мозга (супрахиазматического ядра гипоталамуса) с биоритмами органов и тканей. Последующие пять экспериментов с зеркалом мы провели в 9-10 часов вечера. Однако животных продолжали кормить днём. Через 1-2 минуты, после установки зеркала хомячки принималась его обследовать. Обнюхивание предмета продолжалось 15-30с. Затем, один из хомячков (им мог быть и самец, и самка) обращал внимание на своё отражение. Хомячок, в течение 20-30сек отталкивал его лапками и убегал. В двух опытах животное после реакции на своё отражение, обращало внимание на отражение партнёра и, сначала, обнюхивало его, а после принималось пытаться кормить это отражение. По истечении 2 недель, мы снова возобновили эксперимент с зеркалом. Однако принципиальных отличий получено не было. Хомячки стали лишь осторожнее. Была изучена реакция на отражение 30 пар грызунов. В первом опыте, в 8 из 20 случаев, самец при появлении зеркала убегал в домик. В большинстве случаев, самки подходили к зеркалу, быстро отталкивали отражение (от 1 до 5 с., не обнюхивая) и, либо убегали, либо принимались обнюхивать зеркало, как новый предмет (до 1 минуты) и убегали. Реакция самцов, (если они сразу не прятались) в первом и втором опытах была сходна: они моментально отталкивали своё отражение лапками и убегали. В третьем опыте грызуны были менее пугливы. В большинстве случаев и самец, и самка отталкивали отражение в течение 5-15с., а затем, убегали или, отбегая от зеркала, принимались за своё прежнее занятие.

Заключение.

1. Птицы, в процессе эволюции, появились позднее млекопитающих и имеют наивысший энергообмен, приближающийся, в количественном выражении, к естественному тепловому барьеру.

2. Мы показали, что нервная система птиц устроена не менее совершенно, чем у млекопитающих животных.

3. В экспериментах с зеркалом, попугайчики продемонстрировали высокую эмоциональность. Максимальная сила и продолжительность реакции наблюдалась в первом из трёх опытов.

4. Хомячки продемонстрировали большую тревожность и нерешительность в решении предложенной задачи. Они менее эмоциональны и в отличие от попугайчиков максимальная сила и продолжительность реакции наблюдалась в третьем опыте.

5. Исходя из проведённых экспериментов, можно, на основе изученной литературы, сделать вывод о большей обучаемости попугайчиков.

6. Мы предлагаем учёным-специалистам внимательнее подходить к определению признаков прогрессивной эволюции организмов.

Библиографический список.

1. Биологический энциклопедический словарь. Главный редактор: М.С. Гиляров, М. «Советская энциклопедия».

2. Энциклопедия для детей. Птицы и звери/ред. Коллегия: В.Володин, Г.Вильчек и др.- м.: Мир энциклопедий, 2006. – 448с.: ил.

3. Н.Грин, У.Стаут, Д.Тейлор. Биология, Т.3, М «Мир», 1990.

4. Жизнь животных, Т.6, Птицы. Под редакцией В.Д.Ильичёва, М. «Просвещение», 1986.

5. Фауна мира. Птицы. Под редакцией В.Д.Ильечёва, М. «Агропромиздат»,1991.

6. А.И.Зотин, А.А.Зотин. // «Наука и жизнь», №6,1998.

7. Птицы. Под редакцией Л.С.Степаняна и С.Н.Хаютина, М., «Мир», 1983.

8. Эволюция. Под редакцией М.В.Мины, М., «Мир», 1981.

9. Общая биология, 10-11 класс. Под редакцией Ю.И.Полянского, М. «Просвещение», 1992.