Что понимают под эволюцией природы в современной биологии что является фундаментом
Обновлено: 17.05.2024
Эволюционное учение (теория эволюции) — наука, изучающая историческое развитие жизни: причины, закономерности и механизмы. Различают микро- и макроэволюцию.
Микроэволюция — эволюционные процессы на уровне популяций, приводящие к образованию новых видов.
Макроэволюция — эволюция надвидовых таксонов, в результате которой формируются более крупные систематические группы. В их основе лежат одинаковые принципы и механизмы.
Развитие эволюционных идей
Гераклит, Эмпидокл, Демокрит, Лукреций, Гиппократ, Аристотель и другие античные философы сформулировали первые представления о развитии живой природы.
Карл Линней верил в сотворение природы богом и постоянство видов, но допускал возможность возникновения новых видов путём скрещивания или под влиянием условий среды. В книге «Система природы» К. Линней обосновал вид как универсальную единицу и основную форму существования живого; каждому виду животных и растений присвоил двойное обозначение, где существительное — название рода, прилагательное — наименование вида (например, Человек разумный); описал огромное количество растений и животных; разработал основные принципы систематики растений и животных и создал их первую классификацию.
Жан Батист Ламарк создал первое целостное эволюционное учение. В работе «Философия зоологии» (1809) он выделил основное направление эволюционного процесса — постепенное усложнение организации от низших форм к высшим. Также он развивал гипотезу о естественном происхождении человека от обезьяноподобных предков, перешедших к наземному образу жизни. Ламарк считал движущей силой эволюции стремление организмов к совершенству и утверждал наследование благоприобретённых признаков. То есть органы, необходимые в новых условиях, в результате упражнения развиваются (шея у жирафа), а ненужные органы вследствие неупражнения атрофируются (глаза у крота). Однако Ламарк не смог вскрыть механизмы эволюционного процесса. Его гипотеза о наследовании приобретённых признаков оказалась несостоятельной, а утверждение о внутреннем стремлении организмов к усовершенствованию — ненаучным.
Чарлз Дарвин создал эволюционную теорию, основанную на понятиях борьбы за существование и естественного отбора. Предпосылка- ми возникновения учения Ч. Дарвина были следующие: накопление к тому времени богатого материала по палеонтологии, географии, геологии, биологии; развитие селекции; успехи систематики; появление клеточной теории; собственные наблюдения учёного во время кругосветного плавания на корабле «Бигль». Свои эволюционные идеи Ч. Дарвин изложил в ряде работ: «Происхождение видов путём естественного отбора», «Изменение домашних животных и культурных растений под влиянием одомашнивания», «Происхождение человека и половой подбор» и др.
Учение Дарвина сводится к следующему:
- каждая особь того или иного вида обладает индивидуальностью (изменчивость);
- черты индивидуальности (хотя и не все) могут передаваться по наследству (наследственность);
- особи производят большее количество потомков, чем доживает до половой зрелости и начала размножения, то есть в природе существует борьба за существование;
- преимущество в борьбе за существование остаётся за наиболее приспособленными особями, которые имеют больше шансов оставить после себя потомство (естественный отбор);
- в результате естественного отбора происходит постепенное усложнение уровней организации жизни и возникновение видов.
Факторы эволюции по Ч. Дарвину — это
- наследственность,
- изменчивость,
- борьба за существование,
- естественный отбор.
Наследственность — способность организмов передавать из поколения в поколение свои признаки (особенности строения, развития, функции).
Изменчивость — способность организмов приобретать новые признаки.
Борьба за существование — весь комплекс взаимоотношений организмов с условиями окружающей среды: с неживой природой (абиотическими факторами) и с другими организмами (биотическими факторами). Борьба за существование не является «борьбой» в прямом смысле слова, фактически это стратегия выживания и способ существования организма. Различают внутривидовую борьбу, межвидовую борьбу и борьбу с неблагоприятными факторами окружающей среды. Внутривидовая борьба — борьба между особями одной популяции. Всегда идёт очень напряжённо, так как особи одного вида нуждаются в одних и тех же ресурсах. Межвидовая борьба — борьба между особями популяций разных видов. Идёт, когда виды конкурируют за одни и те же ресурсы либо когда они связаны отношениями типа «хищник – жертва». Борьба с неблагоприятными абиотическими факторами среды особенно проявляется при ухудшении условий среды; усиливает внутривидовую борьбу. В борьбе за существование выявляются наиболее приспособленные к данным условиям обитания особи. Борьба за существование ведёт к естественному отбору.
Естественный отбор — процесс, в результате которого выживают и оставляют после себя потомство преимущественно особи с полезными в данных условиях наследственными изменениями.
На основе дарвинизма перестроились все биологические и многие другие естественные науки.
В настоящее время наиболее общепризнанной является синтетическая теория эволюции (СТЭ). Сравнительная характеристика основных положений эволюционного учения Ч. Дарвина и СТЭ дана в таблице.
Сравнительная характеристика основных положений эволюционного учения Ч. Дарвина и синтетической теории эволюции (СТЭ)
| Признаки | Эволюционная теория Ч. Дарвина | Синтетическая теория эволюции (СТЭ) |
| Основные результаты эволюции | 1) Повышение приспособленности организмов к условиям среды; 2) повышение уровня организации живых существ; 3) увеличение многообразия организмов | |
| Единица эволюции | Вид | Популяция |
| Факторы эволюции | Наследственность, изменчивость, борьба за существование, естественный отбор | Мутационная и комбинативная изменчивость, популяционные волны и дрейф генов, изоляция, естественный отбор |
| Движущий фактор | Естественный отбор | |
| Трактовка термина естественный отбор | Выживание более приспособленных и гибель менее приспособленных форм | Избирательное воспроизводство генотипов |
| Формы естественного отбора | Движущий (и половой как его разновидность) | Движущий, стабилизирующий, дизруптивный |
Возникновение приспособлений. Каждое приспособление вырабатывается на основе наследственной изменчивости в процессе борьбы за существование и отбора в ряду поколений. Естественный отбор поддерживает только целесообразные приспособления, которые помогают организму выживать и оставлять потомство.
Приспособленность организмов к среде не абсолютна, а относительна, так как условия среды обитания могут изменяться. Доказательством этого служат многие факты. Например, рыбы прекрасно приспособлены к водной среде обитания, но все эти адаптации совершенно непригодны для других сред обитания. Ночные бабочки собирают нектар со светлых цветков, хорошо заметных ночью, но часто летят на огонь и гибнут.
Элементарные факторы эволюции — факторы, изменяющие частоту аллелей и генотипов в популяции (генетическую структуру популяции).
Выделяют несколько основных элементарных факторов эволюции:
• мутационный процесс;
• популяционные волны и дрейф генов;
• изоляция;
• естественный отбор.
Мутационная и комбинативная изменчивость.
Мутационный процесс приводит к возникновению новых аллелей (или генов) и их сочетаний в результате мутаций. В результате мутации возможен переход гена из одного аллельного состояния в другое (А→а) или изменение гена вообще (А→С). Мутационный процесс, в силу случайности мутаций, не обладает направленностью и без участия других факторов эволюции не может направлять изменение природной популяции. Он лишь поставляет элементарный эволюционный материал для естественного отбора. Рецессивные мутации в гетерозиготном состоянии составляют скрытый резерв изменчивости, который может быть использован естественным отбором при изменении условий существования.
Комбинативная изменчивость возникает в результате образования у потомков новых комбинаций уже существующих генов, унаследованных от родителей. Источниками комбинативной изменчивости являются перекрёст хромосом (рекомбинация), случайное расхождение гомологичных хромосом в мейозе, случайное сочетание гамет при оплодотворении.
Популяционные волны и дрейф генов.
Популяционные волны (волны жизни) — периодические и непериодические колебания численности популяции как в сторону увеличения, так и в сторону уменьшения. Причинами популяционных волн могут быть периодические изменения экологических факторов среды (сезонные колебания температуры, влажности и т. д.), непериодические изменения (природные катастрофы), заселение видом новых территорий (сопровождается резкой вспышкой численности).
В качестве эволюционного фактора популяционные волны выступают в малочисленных популяциях, где возможно проявление дрейфа генов. Дрейф генов — случайное ненаправленное изменение частот аллелей и генотипов в популяциях. В малых популяциях действие случайных процессов приводит к заметным последствиям. Если популяция мала по численности, то в результате случайных событий некоторые особи независимо от своей генетической конституции могут оставить или не оставить потомство, вследствие этого частоты некоторых аллелей могут резко меняться за одно или несколько поколений. Так, при резком сокращении численности популяции (например, вследствие сезонных колебаний, сокращения кормовых ресурсов, пожара и т. д.) среди оставшихся в живых немногочисленных особей могут быть редкие генотипы. Если в дальнейшем численность восстановится за счёт этих особей, то это приведёт к случайному изменению частот аллелей в генофонде популяции. Таким образом, популяционные волны являются поставщиком эволюционного материала.
Изоляция обусловлена возникновением разнообразных факторов, препятствующих свободному скрещиванию. Между образовавшимися популяциями прекращается обмен генетической информацией, в результате чего начальные различия генофондов этих популяций увеличиваются и закрепляются. Изолированные популяции могут подвергаться различным эволюционным изменениям, постепенно превращаться в разные виды.
Различают пространственную и биологическую изоляцию. Пространственная (географическая) изоляция связана с географическими препятствиями (водные преграды, горы, пустыни и др.), а для малоподвижных популяций и просто с большими расстояниями. Биологическая изоляция обусловлена невозможностью спаривания и оплодотворения (в связи с изменением сроков размножения, строения или других факторов, препятствующих скрещиванию), гибелью зигот (вследствие биохимических различий гамет), стерильностью потомства (в результате нарушения конъюгации хромосом при гаметогенезе).
Эволюционное значение изоляции состоит в том, что она закрепляет и усиливает генетические различия между популяциями.
Естественный отбор. Изменения частот генов и генотипов, вызванные рассмотренными выше факторами эволюции, носят случайный, ненаправленный характер. Направляющим фактором эволюции является естественный отбор.
Естественный отбор — процесс, в результате которого выживают и оставляют после себя потомство преимущественно особи с полезными для популяции свойствами.
Отбор действует в популяциях, его объектами являются фенотипы отдельных особей. Однако отбор по фенотипам является отбором генотипов, так как потомкам передаются не признаки, а гены. В результате в популяции происходит увеличение относительного числа особей, обладающих определённым свойством или качеством. Таким образом, естественный отбор — это процесс дифференциального (выборочного) воспроизводства генотипов.
Действию отбора подвергаются не только свойства, повышающие вероятность оставления потомства, но и признаки, которые не имеют прямого отношения к воспроизводству. В ряде случаев отбор может быть направлен на создание взаимоприспособлений видов друг к другу (цветки растений и посещающие их насекомые). Также могут создаваться признаки, вредные для отдельной особи, но обеспечивающие выживание вида в целом (ужалившая пчела гибнет, но, нападая на врага, она сохраняет семью). В целом отбор играет творческую роль в природе, поскольку из ненаправленных наследственных изменений закрепляются те, которые могут привести к образованию новых групп особей, более совершенных в данных условиях существования.
Различают три основные формы естественного отбора: стабилизирующий, движущий и разрывающий (дизруптивный) (табл.).
Формы естественного отбора
Краткая история эволюции органического мира
Возраст Земли около 4,6 млрд лет. Жизнь на Земле возникла в океане более 3,5 млрд лет назад.
Краткая история развития органического мира представлена в таблице. Филогенез основных групп организмов отражен на рисунке.
Историю развития жизни на Земле изучают по ископаемым останкам организмов или следам их жизнедеятельности. Они встречаются в горных породах разного возраста.
Геохронологическая шкала истории Земли разделена на эры и периоды.
Растения и животные имеют общее происхождение. И те и другие возникли в процессе длительной эволюции, т. е. в процессе длительного исторического развития, от общих предков - примитивных форм жизни. Появление на Земле растений и животных относится к далёким временам, исчисляемым миллионами лет. Имея общих предков, растения и животные обладают многими сходными чертами и одновременно значительно отличаются между собой. Растительным и животным организмам свойственны обмен веществ, питание, рост, движение, раздражимость и др. Особенно много сходных черт наблюдается у низших растений и животных.
2. Что такое эволюция? Какие доказательства её существования вам известны?
Эволюция - непрерывный и необратимый процесс исторического развития природы.
Об эволюционном развитии органического мира свидетельствуют многие факты, накопленные разными науками о природе, в первую очередь палеонтологией, морфологией и анатомией, цитологией, эмбриологией, биогеографией и др.
Рассмотрим некоторые из этих доказательств.
К данным эмбриологии, являющимися доказательствами эволюции, относят:
1. Закон зародышевого сходства Карла Бэра, который гласит: "Эмбрионы обнаруживают, уже начиная с самых ранних стадий, известное общее сходство в пределах типа".
2.Биогенетический закон Геккеля-Мюллера, указывающий на связь индивидуального (онтогенеза) и исторического (филогенеза) развития.
Морфологические доказательства. К доказательствам эволюции этой группы относятся:
1) Сравнительно-анатомические исследования показали наличие в современной флоре и фауне переходных форм организмов, сочетающих в себе признаки нескольких крупных систематических единиц.
2) Наличие в пределах класса, типа гомологичных органов, образований, сходных друг с другом по общему плану строения, положению в теле и возникновению в процессе онтогенеза.
3) Наличие рудиментов (от лат. rudimentum - зачаток, первооснова) - сравнительно упрощенных, недоразвитых, по сравнению с гомологичными структурами предков, органов, утративших свое основное значение в организме в ходе эволюционного развития.
4) Наличие атавизмов (от лат. atavus - предок), признаков, появляющихся у отдельных особей данного вида, которые существовали у отдаленных предков, но были утрачены в процессе эволюции.
Палеонтология предоставляет следующие данные в пользу эволюции:
1) Сведения о филогенетических (эволюционных) рядах.
2) Сведения об ископаемых переходных формах.
К данным биогеографии, являющимися доказательствами эволюции относятся следующие:
1. Особенности распространения животных и растений по разным континентам, как яркое свидетельство эволюционного процесса.
2. Особенности фауны и флоры островов также свидетельствуют в пользу эволюции. Органический мир материковых островов близок к материковому, если отделение острова произошло недавно.
Вопросы
1. Что понимают под эволюцией природы в современной биологии?
В современной биологии эволюция рассматривается как сила, ведущая к образованию новых форм организмов, как процесс, благодаря которому доклеточные формы жизни, возникшие более 3 млрд лет назад, дали начало исключительно сложным многоклеточным организмам нашего времени.
2. Что является фундаментальным следствием признания существования эволюции?
Следствием признания существования эволюции стало дальнейшее развитие биологии. Это послужило стимулом для развития разных биологических дисциплин — сравнительной анатомии и эмбриологии, палеонтологии, генетики, биохимии и многих других наук. Идеи эволюционизма распространились далеко за пределы биологии, проникнув в другие области естествознания.
3. Как Ж. Б. Ламарк объяснял многообразие видов и приспособленность организмов к конкретным условиям среды?
Ж. Б. Ламарк полагал, что определённые органы или системы органов у животных и растений по мере упражнения должны совершенствоваться, а затем закрепляться в следующих поколениях. Он ошибочно выводил факторы эволюции из будто бы присущего всему живому стремления к совершенствованию.
4. В чём заключаются основные положения учения Ч. Дарвина?
Теорию Дарвина можно сформулировать в виде следующих принципиальных положений.
1. Все организмы, населяющие нашу планету, изменчивы. Невозможно найти двух полностью тождественных кроликов, волков, ящериц или иных принадлежащих к одному виду животных или растений.
2. В природе рождается особей каждого вида больше, чем позволяют прокормить ресурсы среды. Это ведёт к борьбе за существование между ними. В результате выживают особи, обладающие наиболее выгодными в данных условиях среды признаками, т. е. происходит естественный отбор.
3. Сохранённые естественным отбором особи оставляют потомство, передавая свои признаки по наследству. Это обеспечивает существование того или иного вида на протяжении длительного времени.
4. Так как условия среды в разных участках ареала могут различаться, то и приспособления формируются разные, т. е. идёт расхождение признаков организмов, ведущее к появлению новых видов - видообразованию.
5. Почему учение Дарвина не потеряло своей актуальности в настоящее время?
Идеи Дарвина убедительно обоснованы и до сих пор нет достоверных данных, которые полностью их опровергали бы.
Задания
1. Изучив основной текст параграфа и познакомившись с дополнительным текстом (см. ниже), сделайте вывод о том, каковы были взгляды большинства учёных-биологов в отношении происхождения видов и их многообразия на Земле до публикации Ч. Дарвином своих фундаментальных работ.
Весь исторический период, вплоть до середины XIX века, шло накопление экспериментального материала, подтверждающего реальное направление в эволюции органического мира, что и подготовило почву под формирование материалистического учения Дарвина, перевернувшего многое в развитии теоретических воззрений на развитие природы, существовавших до появления эовлюционного учения Чарльза Роберта Дарвина.
Чарльз Роберт Дарвин - выдающийся английский натуралист, естествоиспытатель, основатель дарвинизма. Его труды, посвященные эволюции живых организмов, оказали огромное влияние на историю человеческой мысли, ознаменовали собой новую эпоху в развитии биологии и других наук.
Дарвин появился на свет в Шрусбери (графство Шропшир) 12 февраля 1809 г. в достаточно обеспеченной многодетной семье врача. Членам этого семейства были присущи высокий культурный уровень, интеллект, широкий кругозор. В частности, Эразм Дарвин, дед Чарльза, снискал известность как врач, философ, литератор.
Искренний интерес к жизни природы, склонность к собирательству у мальчика пробудился еще в детстве. В 1817 г. умирает мать, и в 1818 г. Чарльза и Эразма, старшего брата, отдают в местный пансион. С 1825 г. Чарльз Дарвин изучает медицину в Эдинбургском университете. Не чувствуя расположенности к этой профессии, он забросил учебу и по настоянию рассерженного отца поступил учиться на богослова в Кембридж, хотя не был полностью убежден в истинности христианских постулатов. Природные склонности, участие в жизни научных обществ, знакомство с ботаниками, зоологами, геологами, экскурсии естественноисторической направленности сделали свое дело: из стен христианского колледжа Чарльз Дарвин в 1831 г. вышел натуралистом-коллектором.
В этом качестве он на протяжении пяти лет (1831-1836) принимал участие в кругосветном путешествии на корабле, куда попал по рекомендации друзей. В ходе плавания им были собраны замечательные коллекции, а свои впечатления и наблюдения он изложил в двухтомнике под названием «Путешествие вокруг света на корабле «Бигль», который сделал его известным в научном сообществе. Из этого плавания Чарльз вернулся сформированным ученым, который в науке видел единственное призвание и смысл жизни.
Жизнь на лоне природы - размеренная и уединенная, почти отшельническая - была посвящена научным трудам, разрабатывавшим теорию эволюции органических форм. Основные эволюционные факторы были отражены в главном труде Дарвина (1859) «Происхождение видов путем естественного отбора, или Сохранение благоприятствуемых пород в борьбе за жизнь». В 1868 г. увидел свет дополняющий его фактическим материалом двухтомник «Изменение домашних животных и культурных растений». Третьей книгой об эволюции стало «Происхождение человека и половой отбор» (1871) и последовавшее за ней дополнение «Выражение эмоций у человека и животных» (1872), и именно здесь Дарвин рассматривал происхождение человека от обезьяновидных пращуров.
Своей теорией эволюции органического мира Земли, которую назвали дарвинизмом, ученый произвел настоящий фурор, расколов научное сообщество на два противоборствующих лагеря. Его учение было очень тщательно разработано, имело в своей основе огромное количество фактического материала, растолковывало явления, которым до тех пор не существовало объяснения, открывало огромные исследовательские перспективы, и все эти факторы способствовали тому, что дарвинизм быстро укреплял позиции.
Способствовала этому и сама личность его создателя. По свидетельству современников, Дарвин был не просто исключительно авторитетным ученым, а простым, скромным, дружелюбным, тактичным человеком, корректно относившимся даже к непримиримым оппонентам. Пока в мире бушевали нешуточные страсти по поводу теории эволюции, главный возмутитель спокойствия следил за перипетиями, ведя уединенную жизнь, и по-прежнему занимался научными исследованиями, несмотря на крайне слабое здоровье.
Параллельно с победоносным шествием дарвинизма его автор становился обладателем все большего количества всевозможных регалий от научных сообществ, начало которым положила коплеевская золотая медаль от Лондонского королевского общества в 1864 г. В 1882 г. ученый, совершивший беспрецедентный научный переворот, тихо скончался в Дауне. Тело Чарльза Дарвина перенесли в Вестминстерское аббатство, где похоронили возле Ньютона.
Развитие живой природы идет от низших форм к высшим, от простого к сложному и имеет прогрессивный характер.
Среди основных этапов эволюции растительного мира можно выделить выход на сушу, переход от наружного оплодотворения к внутреннему, возникновение семян и совершенствование способов их распространения; в эволюции животного мира — специализацию тканей и систем органов, возникновение твердого скелета, прогрессивное развитие нервной системы и возможность вести свободный образ жизни.
2. Что такое таксономические группы?Какие таксоны вы знаете?
Таксономические группы (таксоны, систематические единицы) - применяемые в систематике категории для обозначения соподчинённых групп организмов, отличающихся различной степенью родства.
Систематические единицы (таксоны) в порядке уменьшения:
Типы и отряды используются в классификации животных, а отделы и порядки – в классификации растений и грибов.
Вопросы
1. Что понимают под макроэволюцией?
Макроэволюцией называется процесс изменения состава жизненных форм на Земле в течение очень длительных промежутков времени, когда старые формы сменили новые.
Под макроэволюцией понимают также процесс образования из видов новых родов, из родов - новых семейств и т. д. в восходящем порядке.
2. Какие выделяют главные направления эволюции? Приведите примеры групп организмов, эволюционное развитие которых идёт по названным вами направлениям.
Биологический прогресс - успешное эволюционное развитие систематической группы, связанное с увеличение числа входящих в неё видов, подвидов и других таксонов, расширение ареала, повышение численности особей и т. д. Наряду с этим происходит приспособление видов к конкретным условиям жизни, осуществляется их специализация. Результатом макроэволюционных процессов становятся существенные изменения внешнего строения и физиологии организмов. В настоящее время в состоянии биологического прогресса находятся цветковые растения, насекомые, брюхоногие моллюски, костные млекопитающие.
В природе встречается и биологический регресс. Он характеризуется чертами, противоположными биологическому прогрессу: сужением ареала, уменьшением числа видов, популяций, численности особей. В итоге он часто ведет к вымиранию видов. Например, из многочисленных ветвей древнейших земноводных остались только те, которые привели к образованию современных классов земноводных и пресмыкающихся, в то время как некогда процветавшие динозавры практически полностью вымерли. В настоящее время в состоянии регресса находятся почти все реликтовые группы организмов - древовидные папоротники, двоякодышащие рыбы, яйцекладущие млекопитающие и др.
3. Каковы основные пути достижения биологического прогресса? Приведите соответствующие примеры.
Выделяют три основных пути достижения биологического прогресса.
1. Ароморфоз - крупное, принципиально новое, существенное макроэволюционное изменение, повышающее общий уровень организации группы организмов, вследствие чего жизнедеятельность организмов усиливается. Ароморфозы дают значительные преимущества в борьбе за существование, делают возможным переход в новую среду обитания. К ароморфозам у животных можно отнести появление живорождения, способности к поддержанию постоянной температуры тела, возникновение замкнутой системы кровообращения, а у растений - появление цветка, сосудистой системы, способности к поддержанию и регулированию газообмена в листьях.
2. Идиоадаптация - это прогрессивные, но мелкие эволюционные изменения, которые повышают приспособленность организмов к условиям среды обитания. Идиоадаптация не сопровождается изменением основных черт организации, общим подъёмом её уровня и повышением интенсивности жизнедеятельности организма. Примером идиоадаптаций является защитная окраска животных или приспособления некоторых рыб (камбала, сом) к жизни у дна - уплощение тела, окраска под цвет фунта, развитие усиков и пр. Другой пример - приспособления к полёту у некоторых видов млекопитающих (летучие мыши, белки-летяги). Примеры идиоадаптации у растений - многообразные приспособления к перекрёстному опылению цветка насекомыми или ветром, приспособления к рассеиванию семян. Идиоадаптации приводят к возникновению низших таксономических групп (виды, роды, семейства).
3. Дегенерация ведёт к упрощению организации, утрате ряда систем и органов и часто связана с переходом к паразитическому образу жизни. Упрощение организации паразита затрагивает прежде всего системы, необходимые для жизни в открытой среде, но лишние внутри хозяина, - органы ориентации, пищеварения, движения и т. п.
При общем упрощении организации у паразитов возникают специфические приспособления (часто весьма изощрённые) к условиям жизни внутри хозяина. У паразитических червей появляются присоски, крючки, получают значительное развитие органы размножения.
Задания
1. Объясните, что общего и в чём состоит различие между макро- и микроэволюцией.
Нет принципиальных различий между процессами образования новых видов (микроэволюцией) и процессами формирования более высоких таксономических групп (макроэволюцией). В макроэволюции действуют те же процессы: возникновение фенотипических изменений, борьба за существование, естественный отбор, вымирание наименее приспособленных форм.
Отличие состоит в том, что микроэволюция - это эволюционные процессы, протекающих внутри вида, в пределах популяций. Макроэволюцией же называется историческое развитие групп организмов (таксонов) надвидового ранга.
2. Подумайте, какой характер носят изменения, происходящие с организмами при различных направлениях биологического прогресса.
Ароморфозы дают значительные преимущества в борьбе за существование, делают возможным переход в новую среду обитания.
Идиоадаптации повышают приспособленность организмов к условиям среды обитания.
Дегенерация сильно повышает приспособленность организмов к условиям среды обитания, но также уменьшает шансы выжить в других условиях.
Это дополнительно иллюстрирует тот факт, что эволюция в живой природе носит приспособительный характер, который достигается тремя путями: 1) общим повышением организации и активизацией жизнедеятельности, 2) узкой специализацией, 3) упрощением строения и функций.
3. Обсудите с одноклассниками вопрос о том, какие направления биологического прогресса сопровождали эволюцию человека вплоть до появления человека разумного.
Эволюцию человека сопровождали следующие важнейшие ароморфозы: развитие прямохождения, формирование членораздельной речи, возникновение мышления, сознания, сложение социальной организации и появление материальной культуры.
Решающим фактором антропогенеза явилась трудовая деятельность, которая определила особое направление биологической эволюции человека, не известное в мире живых существ.
Дальнейшая эволюция шла по пути идиоадаптаций, то есть по пути возникновения разнообразных приспособлений к различным условиям обитания. Например, формирование кисти у человека
Об эволюционном развитии органического мира свидетельствуют многие факты, накопленные разными науками о природе, в первую очередь палеонтологией, морфологией и анатомией, цитологией, эмбриологией, биогеографией и др.
Рассмотрим некоторые из этих доказательств.
Цитология — наука о строении и функциях клетки. Она дала доказательства единого клеточного строения всех организмов на земле — от одноклеточных растений и животных до многоклеточных организмов. Это свидетельствует об общности происхождения органического мира.
Морфология и анатомия — две близко связанные науки, изучающие внешнее и внутреннее строение организмов (растений и животных). Было установлено определенное сходство строения разных групп организмов и выявлены переходные формы между ними.
Большую роль для понимания процессов и направлений эволюции сыграло обнаружение рудиментов и атавизмов.
Атавизмы — возврат к признакам или появление органов, которые существовали у отдаленных предков, но были полностью утрачены в процессе эволюции. Например, появление хвоста, нескольких сосков на груди и животе или густого волосяного покрова у человека. Случаи появления атавизмов свидетельствуют о том, что гены, кодирующие их образование, не исчезли из генома, а находятся в нем в заблокированном состоянии. Если этот блок по каким-то причинам не срабатывает, то появляются атавизмы.
Рудиментами называются органы, имеющиеся у организмов, но давно утратившие свое исходное значение и поэтому находящиеся в недоразвитом состоянии. Эти органы были в активном состоянии у предков, но в связи с изменением условий жизни перестали быть необходимыми у потомков. Они закладываются на стадии эмбриогенеза, но не получают полного развития у взрослых форм растений и животных. Примерами могут быть ушные мышцы, отросток слепой кишки (аппендикс) и «третье веко»у человека (всего у человека более 90 рудиментарных органов). Рудиментами являются неразвитые кости задних конечностей у китообразных, глаза у пещерных и роющих животных (слепышей, кротов и др.) и т. п. В отличие от атавизмов, рудиментарные органы всегда присутствуют у организмов.
Изучение жизненных форм (или биоморф) растений и животных убедительно доказало возможность перехода от одних из них к другим. Например, у близких видов растений древесные формы могут заменяться на кустарниковые или стелющиеся в зависимости от условий обитания.
Палеонтология — наука, изучающая ископаемые остатки разных групп организмов или их отпечатки, следы и т. п., а также целые палеоценозы территорий. Изучение этих остатков обнаружило факты безусловного изменения растительного и животного мира во времени — в разных геологических пластах, различающихся по времени образования, присутствуют неодинаковые формы вымерших организмов. Показано, что и сами природные ландшафты целых регионов сильно изменялись во времени: моря наступали на сушу и отступали на обширных территориях, равнины сменялись горами, леса — степями или наоборот, и т. п. Ученым удалось также найти большое число переходных форм между ныне живущими и ископаемыми организмами (например, археоптерикс, сочетающий признаки птиц и рептилий; зверозубые ящеры, имеющие признаки млекопитающих; группа семенных папоротников, давшая начало голосеменным и т. д.).
Палеонтологам удалось установить ряд филогенетических рядов некоторых животных (например, прослежена эволюция лошади от мелкого по размерам эогиппуса с четырехпалыми передними и трехпалыми задними конечностями до современной лошади с однопалыми конечностями).
Эмбриология — наука о зародышевом (или эмбриональном) развитии организмов. Установлено, что все многоклеточные организмы, способные к половому размножению, развиваются из одного оплодотворенного яйца (яйцеклетки). При этом К. Бэром в 1825-1828 гг. было обнаружено большое сходство развития зародышей (эмбрионов) у животных, относящихся к одному типу, описанное им как закон зародышевого сходства. Дальнейшие исследования подтвердили справедливость наблюдений К. Бэра. Сходство развития зародышей у животных разных систематических групп безусловно свидетельствует об общности их происхождения. При этом сначала проявляются признаки более древних предков (у хордовых — это зачатки хорды, наличие жаберных щелей), а затем — черты более поздних прародителей. По мере развития зародыша он приобретает все более заметные черты строения, характерные для класса, отряда, рода и, наконец, вида, к которому он принадлежит.
Обобщая эти данные, немецкие ученые Ф. Мюллер и Э. Геккель (1864-1866 гг.) сформулировали биогенетический закон: индивидуальное развитие (онтогенез) всякого организма есть краткое и сжатое повторение пути исторического развития (филогенеза) того вида, к которому данный организм относится.
В целом соотношение между онтогенезом и филогенезом носит значительно более сложный характер, чем это постулировали Ф. Мюллер и Э. Геккель. Филогенез следует рассматривать как исторический ряд отобранных в процессе естественного отбора онтогенезов.
Биогенетический закон применим не только к хордовым, но и к другим группам животных и к растениям. Например, у многих насекомых личиночные стадии похожи на червей (гусеницы бабочек, личинки мух и т. д.), что свидетельствует о возможной близости предков этих животных. У ряда мохообразных (например, кукушкин лен) спора при прорастании образует нитчатое образование — протонему, похожую на нитчатые водоросли. В целом биогенетический закон сыграл огромную роль в выяснении филогенетических связей между разными группами организмов.
Биогеография — наука о закономерностях распространения растений, животных, грибов, бактерий на нашей планете. Она изучает пути и последствия распределения в природе и миграций организмов на формирование современных флор и фаун регионов. В путях расселения могут возникать различные препятствия или же новые связи между регионами (островами, материками и т. п.). Это отражается на сходстве или непохожести флор и фаун друг с другом. Например, раннее отделение Австралии, Океании и Южной Америки привело к формированию уникальных форм растительного и животного мира этих регионов (сохранение многих форм сумчатых и яйцекладущих млекопитающих, реликтовых растений, исчезнувших на других материках). Напротив, длительно существовавшая связь Северной Америки и Евразии привела к высокой степени сходства их живого мира.
Доказательства из области генетики и молекулярной биологии
Генетика и молекулярная биология — науки о молекулярных основах наследственности и закономерностях их проявления в популяциях организмов. Эти науки позволяют уточнить филогенетическую близость или отдаленность разных групп растений и животных и таким образом дополнить данные, получаемые другими науками. Сведения, подтверждающие современные представления об эволюции живого мира, имеются и во многих других биологических науках — селекции растений, животных, микроорганизмов, сравнительной физиологии и биохимии разных групп организмов, систематике и др.
Состав биосферы и её основные свойства определяются взаимодействием её биотического (живого) и абиотического (неживого) компонентов.
2. Какова роль живого вещества в эволюции биосферы?
Биосфера - не только сфера распространения жизни, но и результат деятельности живых организмов. С возникновением жизни вначале медленно и слабо, затем всё быстрее и значительнее стало проявляться влияние живой материи на геологические процессы Земли. И в данный момент живые организмы не только испытывают влияния со стороны окружающей их среды, но сами активно на неё влияют, изменяя её физические и химические свойства.
3. Как происходило развитие (эволюция) биосферы?
Эволюция биосферы шла по пути усложнения структуры биологических сообществ, умножения числа видов и совершенствования их приспособленности. Эволюционный процесс сопровождался увеличением эффективности преобразования энергии и вещества биологическими системами: организмами, популяциями, сообществами.
Вершиной эволюции живого на Земле явился человек, который как биологический вид отличается от всех остальных наличием мышления, способностью к осознанной деятельности и умением изготавливать и использовать орудия труда.
Человек, в отличие от всех других живых организмов, не приспосабливался к окружающей его среде, а приспосабливал её к своим потребностям.
Процесс формирования биосферы нельзя считать законченным. Биосфера — сложная, саморегулирующаяся система, существование которой сопряжено с ее постоянным развитием.
4. Какова роль человека в биосфере?
В начале своей истории человек ещё вписывался в естественный круговорот веществ в природе. После появления земледелия, скотоводства, начала добычи и использования полезных ископаемых он сам стал активно вмешиваться в его формирование, вовлекая в круговорот новые вещества - углеводороды, железо и другие полезные ископаемые.
В XVIII в. началось бурное развитие промышленного производства. С тех пор и до сего дня влияние человечества на биосферу возрастает с каждым годом. Человек наступает на природу, не задумываясь о неизбежных последствиях своей деятельности.
Строятся города, огромные площади в сельской местности заняты техническими монокультурами, уничтожаются леса и болота, бесполезные с точки зрения современного человека. Всё больше сокращается разнообразие видов живых организмов в средах, эксплуатируемых человеком. Уменьшение биологического разнообразия естественной среды приводит к нарушению равновесия в природе.
Редуценты уже не в состоянии полностью переработать отходы, оставляемые человеческим обществом. Положение усугубляется тем, что в процессе промышленного производства создаётся большое количество веществ, которые невозможно разрушить биологическим путём (например, многие пластмассы).
Загрязнение среды приобретает всё большие размеры. Происходит быстрое истощение невозобновимых природных ресурсов биосферы.
Теперь мы всё отчётливее понимаем, что представление о неисчерпаемости природных ресурсов ведёт человечество к экологической катастрофе.
Вопросы
1. С какого момента человек выделился из остальной природы? В чём его жизнь стала отличаться от жизни других живых существ?
В XVIII в. началось бурное развитие промышленного производства. С тех пор и до сего дня влияние человечества на биосферу возрастает с каждым годом. Человек наступает на природу, не задумываясь о неизбежных последствиях своей деятельности.
Человек, в отличие от всех других живых организмов, не приспосабливался к окружающей его среде, а приспосабливал её к своим потребностям.
2. Чем вызван экологический кризис на нашей планете?
Биосфера находится на грани нового экологического кризиса, который является результатом деятельности человека, т.к. с появлением промышленности процессы разрушения в атмосфере стали преобладать над процессами созидания, причём эти тенденции становятся всё более выраженными.
3. Существуют ли пути преодоления этого экологического кризиса?
В данной ситуации перед человечеством возможны лишь два пути.
Первый - положиться на волю стихии: в этом случае наступающий кризис приведёт, скорее всего, к уничтожению человечества.
Следовательно, возможен лишь второй путь, при котором стихии развития должна быть противопоставлена разумная стратегия, общая для всего человечества. Она должна быть направлена на преобразование биосферы Земли, по определению В. И. Вернадского, в ноосферу - сферу разума.
4. Что В. И. Вернадский понимал под ноосферой?
В. И. Вернадский считал ноосферу сферой разума. Он писал: «Человечество, взятое в целом, становится мощной геологической силой. И перед ним, перед его мыслью и трудом ставится вопрос о перестройке биосферы в интересах свободно мыслящего человечества как единого целого. Это новое состояние биосферы, к которому мы, не замечая этого, приближаемся, и есть ноосфера».
Термин «эволюция» был введен швейцарским натуралистом Шарлем Бонне в 18 веке.
Под эволюцией в биологии понимают необратимое историческое развитие живой природы. Процесс эволюции живых организмов происходит на всех уровнях организации от молекулярного до биосферного, затрагивая все процессы жизнедеятельности. Эволюция – это сила, которая ведет к образованию новых форм организмов, это процесс, за счет которого миллиарды лет назад возникли формы жизни, давшие начало другим более сложным, которые, множественно изменяясь в течение времени, привели к образованию современных форм.
Живые существа невообразимо многообразны, что было замечено еще в древности. Уже тогда люди делали попытки сгруппировать и систематизировать знания о живых организмах. Так древнегреческий философ Аристотель смог описать около 500 видов животных и растений, которых попытался систематизировать, расположив их в определенном порядке от примитивных к более сложным.
В эпоху Великих географических открытий внимание к биологии возросло, так как из-за открытия Америки на евроазиатский материк было завезено много новых видов животных и растений, которые быстро нашли применение и стали играть важную роль в экономике многих стран. Ученые активно занимались описанием новых видов, пытались привести к системе разнообразие всех живых организмов, задумывались о родстве между разными группами организмов.
Первая значительная попытка систематизации живой природы принадлежит шведскому естествоиспытателю Карлу Линнею. В царствах природы, которых, по его мнению, три – Растения, Животные, Минералы, он выделил таксоны – соподчиненные группы: классы, отряды, роды и виды. Вид – совокупность особей, которые сходны по строению, Линней принял за единицу классификации. В царстве Растения Линнеем было выделено 24 класса и 116 отрядов, за критерий для классификации он брал строение органов размножения. Царство Животные было разделено на 6 классов: Млекопитающие, Птицы, Амфибии, Рыбы, Черви, Насекомые. Человек был отнесен к классу Млекопитающие, отряд Приматы. Поставив человека в один ряд с животными, Линней очень сильно рисковал, так как в то время человек считался обособленным объектом живой природы. Огромная заслуга Линнея в том, что им был установлен принцип соподчиненности систематических групп, соседние из которых связаны не только сходством, но и некоторой степенью родства: чем ближе расположены группы друг к другу, тем больше степень родства.
Французский естествоиспытатель Жан Батист Ламарк, занимаясь систематикой животных, пришел к эволюционной идее, создал первую эволюционную теорию. Ламарк заметил, что животные, не относящиеся к одному виду, имеют ряд сходных черт в строении. Это заставило его задуматься о причинах сходства и различия у животных. Ламарк предположил, что природа последовательно создавала различные существа, от примитивных к все более сложным. Свои наблюдения, гипотезы и теории Ламарк высказал в книге «Философия зоологии». В данном труде Ламарк привел ряд доказательств изменяемости видов, он считал, что изменения происходят очень медленно и поэтому незаметны. Одной из главных причин образования новых видов, по его мнению, является постепенное изменение условий окружающей среды. У растений изменения происходят за счет непосредственного обмена веществ с внешней средой. Например, если семя лесного растения случайно попадет на влажную болотистую почву, то потомство этого семени превратится в новую разновидность вследствие приспособления к новым условиям обитания. Однако на самом деле это не так. Механизм изменения у животных, по представлениям Ламарка, это более сложный процесс, происходящий в несколько этапов: 1. любое изменение условий обитания влечет за собой изменения в потребностях животных; 2. это приводит к новым действиям животных и появлению новых «привычек»; 3. по итогу животные начинают чаще пользоваться органами, которые раньше практически не использовали, что приводит к развитию и увеличению этих органов, а при необходимости появляются новые органы, возникающие «усилиями внутреннего чувства». Таким образом, в эволюционном учении Ламарка главным фактором эволюции считалось прямое влияние среды. Ламарк делал большой акцент на «упражнение» и «неупражнение» органов, результаты которого передаются по наследству. Он думал, что большое желание и стремление животного приводит к усиленному притоку крови и «других флюидов» к определенному органу, в результате чего происходит его усиленный рост, что по итогу передается потомкам по наследству. Эволюционное учение Ламарка считается первым последовательным и полноценным в истории. Но у этого учения не было убедительной фактологической базы, основополагающие аспекты не были доказаны с научной точки зрения. Движущей силой эволюции Ламарк считал «стремление организмов к прогрессу», но он не мог объяснить: почему оно возникает, а также почему следует полагать, что изменения под действием окружающей среды передаются по наследству. Не смотря на множество вопросов по поводу достоверности учения, Ламарк сделал огромный шаг на пути к раскрытию сущности эволюции природы.
Первая половина 19 века ознаменована большим количеством открытий в области новых ветвей биологии – палеонтологии, эмбриологии, сравнительной анатомии. Изучая строение органов позвоночных животных, французский ученый Жорж Кювье пришел к выводу, что каждый орган является частью одной целостной системы. Каждый орган по своему строению пропорционально соотносится со всеми другими, изменение одной части тела влечет за собой изменение других частей. Вследствие, зная строение одной части тела, можно предположить: как построен целый организм. Основываясь на общности плана строения, Кювье разделил животных на четыре типа. По сохранившимся фрагментам ископаемых форм Кювье на основе общего плана строения реконструировал внешний вид некоторых древних животных. При дальнейшем изучении ископаемых организмов он пришел к идее теории катастроф. Кювье предполагал, что вымирание древних групп животных и растений могло происходить в результате крупных геологических катастроф, после чего опустевшие территории заселялись новыми видами животных и растений, которые приходили с соседних регионов.
Большое значение в истории развития теории эволюции имеет открытый российским ученым Карлом Бэром закон зародышевого сходства. Закон зародышевого сходства гласит: «Эмбрионы обнаруживают, уже начиная с самых ранних стадий, известное общее сходство в пределах типа». Сходство в строении зародышей разных систематических групп говорит о том, что они имеют общее происхождение. Таким образом, учение о типе Кювье было подкреплено фактами из эмбриологии. Бэром было установлено, что общие свойства каждой группы животных в зародыше образуются раньше, нежели специальные.
Английский ученый Чарлз Лайель смог расшифровать и датировать геологическую историю Земли. Ему удалось доказать, что изменения земной поверхности происходят вследствие действия таких факторов, как оледенение, вулканизм, горообразование, приливы и отливы, ветер, дождь, различного рода потоки и т.п. Следовательно, изменения земной поверхности влекут за собой изменения в составе органического мира. Данный факт стал отправным пунктом для создания научной теории эволюции органического мира для Чарлза Дарвина.
Английский биолог Чарлз Дарвин является основоположником современной теории эволюции биологических видов. Наблюдение за живой природой, сбор коллекций, проведение химических опытов с раннего детства увлекали Дарвина. В возрасте 22 лет он окончил университет в Кембридже, за время обучения в котором он активно изучал научную литературу, познавал методики полевых исследований. По окончании учебы в университете Дарвин отправился в пятилетнее кругосветное путешествие в качестве натуралиста на корабле «Бигль». Тридцатилетние наблюдения и изучения живой природы были изложены и опубликованы пятидесятилетним Дарвином в величайшем труде за всю историю человечества «О происхождении видов путем естественного отбора или Сохранении благоприятствуемых пород в борьбе за жизнь». Книга вышла в свет в 1859 году и произвела фурор. Идеи, изложенные Дарвином в данной книге, оказали огромное влияние на развитие науки. Стоит отметить, что научный взгляд на развитие мира не мешал Дарвину верить в существование Творца.
При изучении животного и растительного мира сравнительно молодых вулканических островов Галапагосского архипелага Дарвин обратил внимание на то, что растения и животные с острова отличаются от тех же видов с южноамериканского континента, откуда они изначально переселились. Дарвином были обнаружены огромные черепахи и особый вид игуаны. Игуана на острове кормилась в море и питалась водорослями, в то время как материковая игуана является сухопутной ящерицей, проживающей в засушливых районах. Также Дарвином были найдены ископаемые формы ленивца и броненосца, которые своими размерами существенно превосходили родственников, населяющих Центральную и Южную Америку. Данные наблюдения и находки натолкнули Дарвина на мысль о том, что животные и растения, попав в новые условия обитания, видоизменились. Уверенности в данном предположении добавило изучение сумчатых и яйцекладущих животных в Австралии, которые вымерли на других материках.
Хорошо зная принципы селекции домашних животных, Дарвин отмечал, что отличия между породами одного вида одомашненных животных бывают более выражены, чем между разными видами диких животных. Это связано с тем, что человек сам отбирает особей с полезными ему качествами и создает условия для дальнейшего их развития и закрепления. Такой отбор называется искусственным. Дарвин объяснял возможность такого отбора неопределенной изменчивостью – уклонение признаков отдельных организмов, которые передаются по наследству. В современной терминологии такая изменчивость носит название наследственной. Наследственная изменчивость и искусственный отбор являются движущими силами эволюции пород животных и сортов растений.
В дикой природе выживают особи, которые смогли лучше всех приспособиться к условиям внешней среды, то есть те, которые обладают наибольшей выживаемостью. В данной ситуации осуществляется естественный отбор, который определяется способностью выжить в тех или иных условиях.
Большое значение в развитии взглядов Дарвина сыграли работы Томаса Роберта Мальтуса, в которых он доказывал, что популяции животных и растений размножаются в геометрической прогрессии, а, значит, теоретически быстро могут заполнить всю Землю, но под действием внешних факторов и постоянной борьбы численность вида остается практически неизменной во времени.
Разнообразие признаков и степень их проявления являются результатом способности организмов к изменчивости. Популяция обладает (теоретически) способностью к размножению в геометрической прогрессии, но на практике ее численность остается более или менее постоянной. Результатом борьбы за существование является естественный отбор, который содействует закреплению полезных и исключению вредных признаков у организмов. Естественный отбор постепенно приводит к изменению в облике и привычках организмов, что в итоге видоизменяет саму популяцию. Популяции одного и того же вида или близкие виды могут постепенно приобретать ряд различий ввиду отличий в условиях обитания, что объясняется действием естественного отбора.
Вклад Дарвина в науку главным образом состоит в том, что он определил вид как единицу эволюции, с научной точки зрения объяснил изменчивость организмов, определил движущие силы и нашел причины биологической эволюции. Механизмы эволюции, с точки зрения Дарвина, определяются тремя главными факторами: изменчивостью организмов, борьбой за существование и естественным отбором; естественный отбор является движущей, направляющей силой эволюции.
Положения теории Чарлза Дарвина: 1. Организмы обладают способностью к изменчивости. В природе не существует свойств или признаков, которые полностью тождественны у особей одного вида. 2. Различия между организмами передаются по наследству, по крайней мере, частично. 3. Любые организмы теоретически при благоприятных условиях могут размножаться в геометрической прогрессии и способны быстро заполнить всю Землю, однако этого не происходит ввиду ограниченности жизненных ресурсов, что приводит к борьбе за существование, результатом которой является частичное выживание особей. 4. Результатом борьбы за существование является естественный отбор, суть которого в способности к выживанию наиболее приспособленных к данным условиям организмов. Выжившие передают свои свойства по наследству, что приводит к сохранению и закреплению этих свойств в последующих поколениях организмов.
Адаптивные изменения организмов к определенным условиям существования, а также многообразие видов и общее повышение уровня организации организмов на Земле осуществляются благодаря наследственной изменчивости, борьбе за существование и естественному отбору.
Эволюционное учение Дарвина стало переворотным моментом в науке. Дарвин построил свою теорию на основе большой доказательной базы. Благодаря его учению удалось объединить многие накопленные ранее разрозненные знания и факты. Из-за активно развивающихся новых областей и методов в науке в 20 веке эволюционное учение Дарвина было развито и конкретизировано.
Читайте также: