Следствия эволюционной теории - ЭВОЛЮЦИЯ ОРГАНИЧЕСКОГО МИРА. ПРОИСХОЖДЕНИЕ И РАЗВИТИЕ ЖИЗНИ НА ЗЕМЛЕ

Постановка проблемы урока

Знаменитый натуралист Луи Агассис:Как можно судить о происхождении одних организмов от других, если его невозможно наблюдать?

Ч. Дарвин (возможный ответ):Судить о процессе можно по его последствиям. Строение и функции организма возникли не вдруг. Большинство их особенностей - наследие предков.

• На какие вопросы эволюционная теория помогла дать ответ?

Предложите основной вопрос урока и сравните его с вариантом авторов на с. 397.

Необходимые базовые знания

• Что такое гомология и аналогия? (9 класс)

• Какие факторы эволюции выделял Дарвин? (§ 40)

• Какое сходство между организмами в их строении и эмбриональном развитии обнаружили биологи в додарвиновский период? (§ 39)

• Составьте перечень фактов и закономерностей, которые в свете теории Дарвина получили объяснение и стали косвенными доказательствами эволюции.

Решение проблемы

Единство прошлого и настоящего

• Почему крупные шаги эволюции могут иметь только косвенные доказательства? Какой познавательный принцип лежит в основе этих доказательств?

Крупномасштабная эволюция жизни на Земле неповторима и ненаблюдаема ввиду краткости не только человеческой жизни, но даже существования человечества, а потому и не может быть проверена опытным путём.

Судить о макроэволюции мы можем только косвенно, по её последствиям в современном органическом мире, а также по данным палеонтологической летописи, всегда неполным. В основе таких реконструкций всегда лежитпринцип актуализма.Мы считаем, что естественный отбор всегда был основным направляющим фактором эволюции. Косвенным доказательством этого служит адаптивная направленность тех ветвей эволюции, которые хорошо документированы ископаемыми находками.

Сравнительная анатомия и морфология

• Какие доказательства эволюции получены с помощью сравнения организмов?

Самые яркие примеры фундаментального сходства организмов во времена Ч. Дарвина давала сравнительная анатомия и морфология. Главным ее обобщением стало учение о гомологичных и аналогичных органах.

Гомология— это существенное сходство органов, построенных по одному плану и развивающихся из одинаковых зачатков у разных видов животных или растений. Ярко выраженной гомологией обладают передние ласты тюленей, крылья птиц и летучих мышей и руки человека (см. также рис. 2.1, § 2, с. 14). Единый план строения, общий для крупных ветвей эволюции, включает определённый набор гомологичных органов. Причину существования гомологичных органов Ч. Дарвин видел в родстве и происхождении обширных групп организмов от общей предковой формы.

Аналогия— это, напротив, поверхностное сходство, обусловленное особенностями образа жизни: снаружи “чудо-юдо рыба-кит”, а внутри - зверь. Анализ строения, расположения и особенностей развития аналогичных органов позволяет убедиться в том, что они развились независимо, как сходные приспособления неродственных видов организмов в сходных условиях обитания. Пример: крыло птицы и крыло насекомого (рис. 41.1).

41.1. Аналогичные органы: А — крылья птицы; Б — крылья стрекозы

Палеонтологические данные

• В чём ценность палеонтологических находок, снабжённых датировкой?

Палеонтологические данные обладают особой убедительностью. Они документально показывают, какие стадии исторического развития проходили отдельные эволюционные ветви. Одним из самых изученных является палеонтологический ряд лошадей.

Древние предки современных лошадей жили в лесу, питались мягкими листьями растений нижних ярусов, прятались в зарослях от хищников и передвигались по мягкой влажной почве (рис. 41.2 — 41.3).

41.2. Мелкие листоядные формы

41.3. Зубы листоядной лошади с низкими коронками и коротким временем роста

• Как с этими условиями жизни были связаны их опора на многопалую конечность, невысокая скорость передвижения и низкие зубы с бугорчатой коронкой?

Дальнейшая эволюция лошадей была связана с освоением открытых засушливых пространств. В пищу в новых условиях использовалась жёсткая злаковая растительность, нередко с частицами пыли и песка. Животные спасались от хищников бегством, передвигались по плотной сухой почве (рис. 41.4 — 41.5).

41.4. Крупные травоядные формы

41.5. Зубы травоядной лошади с высокими коронками и постоянным ростом

• С чем связан переход в засушливых пространствах к однопалой конечности, скоростному бегу, высоким зубам с постоянным ростом и гребенчатой поверхностью коронки?

Среди палеонтологических находок есть и переходные формы между крупными систематическими группами (рис. 41.6). Благодаря палеонтологии мы узнаём о “живых ископаемых”, т.е. современных организмах, почти не менявшихся на протяжении огромных отрезков геологической истории (рис. 41.7).

41.6. Зверозубая рептилия - переходная форма между рептилиями и млекопитающими

41.7. Утконос — “живое ископаемое”

Естественная система организмов

• Что отражает естественная система и каким образом она построена?

Биологический смыслестественной системы,по Ч. Дарвину, состоит в том, что она отражает родственные отношения между организмами, восстановленные по сходству существенных признаков. В наше время, это представление стало общепризнанным, а сама система стала называтьсяфилогенетической(от греч.phyle- род, племя - и лат.genesis- происхождение).

Сходство видов организмов напоминает расположение веток на дереве: ближайшие веточки тянутся от одной ветки, дальние — от другой. Между группами заметны промежутки, сухие и обломанные сучья, но все они отходят от нескольких разветвлённых стволов, имеющих общий корень.

41.8. Эволюционное древо живых организмов

• Сравните эту схему со схемой систематических категорий К. Линнея (§ 39, с. 225) и схемой дивергенции Ч. Дарвина (§ 40, с. 237).

Именно так, путём роста и многократного ветвления, шла эволюция организмов. Филогенетическое древо, предсказанное эволюционной теорией, вполне соответствует как иерархии систематических категорий К. Линнея, так и схеме дивергенции Ч. Дарвина. Главным элементом такого древа является узел, символизирующий общего предка некой группы организмов, и расходящиеся от него ветви — родственные связи, пути эволюционного изменения его потомков.

Между крупными систематическими группами найденыпромежуточные формы,некоторые из них встречаются среди современных организмов (рис. 41.9). Они с очевидностью иллюстрируют собой узловые точки эволюционного процесса.

41.9. Тупайя - промежуточная форма между насекомоядными млекопитающими и приматами

Эмбриологические доказательства

• В чём состоит и чем объясняется сходство развития организмов?

Ещё в додарвиновский период К. Бэр сформулировалзакон зародышевого сходства:ранние этапы эмбрионального развития разных групп животных сходны, а на более поздних стадиях приобретают различия, причём тем большие, чем дальше в систематическом отношении расположены соответствующие виды (рис. 41.10). Сходство эмбрионов свидетельствует в пользу наличия общего предка, а последующее расхождение — в пользу дивергенции его потомков.

41.10. Сходство эмбрионов позвоночных

• Рассмотрите иллюстрацию. Опишите признаки сходства зародышей на первой (верхний ряд), второй и третьей стадиях развития (нижний ряд). Каким образом эволюционная теория объясняет природу обнаруженного сходства?

У зародышей отмечено не только сходство стадий, но и появление таких бесполезных черт строения, как, например, хвост и жабры у эмбриона человека. Эволюционное объяснение этому феномену дал Эрнст Геккель, сформулировавбиогенетический закон:онтогенез организма есть сокращённое и видоизменённое повторение эволюции, пройденной его предками.

В самом деле, в соответствии с законом Бэра, чем ближе родство организмов, тем больше сходных стадий онтогенеза они имеют. К. Бэр писал, что зародыши одних организмов могут походить на зародыши других, но никогда не повторяют строение взрослых форм. Таким образом, закон Геккеля надо понимать, как закон эволюции онтогенеза: признаки зародышей предков воспроизводятся в онтогенезе их потомков. С этой точки зрениябиогенетический законесть не что иное, как правило наследования признаков индивидуального развития. Признаки зародышей, как и всякие другие, передаются по наследству и воспроизводятся в ряду поколений потомков.

Биогеографические следствия эволюции

• Чем объясняется общность фаун смежных географических областей?

Ч. Дарвин приводил в пользу эволюции немало примеров из области биогеографии. В их числе уже известные нам слоновые черепахи и вьюрки Галапагосского архипелага, давние предки которых попали на острова из континентальной Америки и образовали целый веер родственных форм.

• Какая группа приматов в наше время сохранилась только на Мадагаскаре?

Крупнейший вклад в изучение истории фаун, несомненно, принадлежит Альфреду Уоллесу. Он исследовал современное распространение животных и предложил глобальное зоогеографическое подразделение суши (рис. 41.11).

41.11. Карта зоогеографических областей мира (по А. Уоллесу)

Северные материки Уоллес отнёс к одной зоогеографической области. Они сохраняют значительное сходство фаун, так как до недавнего времени (с геологической точки зрения) соединялись сухопутными мостами. Длительно изолированные фауны Австралии, Южной Америки, Мадагаскара доныне сохранили множество древних реликтовых (вымерших в других странах) видов животных. Про сумчатых в Австралии знают все, но реже вспоминают, что сумчатые есть и в Южной Америке. Эти реликты — память о сухопутной связи Южной Америки с Австралией через Антарктиду, когда она была ещё пригодной для их жизни. Однако одинаковых плацентарных млекопитающих на этих материках нет.

Таким образом, эволюция животных на северных материках имела общую историю, а на южных шла различными путями с тех пор, как они оказались в изоляции. Очевидно, что зоогеографическое деление согласуется с давностью изоляции материков потому, что своеобразная эволюция жизни на них продолжалась всё это время. Следовательно, различия фаун доказывают эволюцию.

Сходство микроструктуры организмов

• О чём говорит единство микроскопического строения и общность биохимических процессов всех организмов?

Дарвин считал, что существенное сходство организмов, которое обнаружили его предшественники и которое не объяснялось гипотезой о независимом творении, — это сходство косвенно подтверждает их родство и происхождение от общих предков.

Во времена Дарвина самым общим аргументом в пользу единства организмов была клеточная теория: все живое состоит из клеток, все клетки происходят друг от друга. Позднее к числу общих черт живых организмов добавились новые. Обнаружено, что основные способы деления соматических (митоз) и половых (мейоз) клеток принципиально одинаковы у всех ядерных организмов. В XX веке самые сильные аргументы в пользу общего происхождения организмов дали биохимия и молекулярная биология. Важнейшие компоненты клеток всех живых организмов — белки и нуклеиновые кислоты. При этом белки всегда главные строительные и регулирующие макромолекулы, а нуклеиновые кислоты — главные информационные макромолекулы, осуществляющие преемственную связь между поколениями клеток и организмов. Все организмы на Земле имеют общую структуру генетического кода. Почти все организмы в качестве главных молекулярных аккумуляторов энергии имеют АТФ. Обширные группы организмов имеют сходные белки, выполняющие сходные функции.

Совершенно невероятно, чтобы такое глубокое сходство могло быть случайным совпадением особенностей независимо возникших организмов.

Сравнение нуклеотидных последовательностей (особенно полных геномов), начавшееся в конце прошлого века, уже внесло колоссальный вклад в современное понимание эволюции живого на планете Земля, в том числе уточнило классические филогенетические деревья. Определение структуры новых геномов идёт полным ходом — и скоро мы совершенно точно будем знать тончайшие детали родства всех основных живых форм — детали, о которых Дарвин и Уоллес не могли и мечтать. Эволюционное учение вступило в новый золотой век.

Обобщение новых знаний

Факты, выходящие за пределы гипотезы Сотворения мира, смогла объяснить эволюционная теория Дарвина - Уоллеса. Опираясь на принципы актуализма и гомологии, учёные доказали, что эти факты являются следствиями эволюции. С ней согласуется постепенное усложнение строения и приспособительное изменение ископаемых форм. Она определяет сходство родственных форм жизни. Ей соответствует иерархическая соподчинённость естественной системы организмов. Эволюционный путь в сокращённом виде повторяется индивидуальным развитием организмов. Своеобразие эволюции органического мира географических областей зависит от того, как долго они находятся в изоляции. Глубокое сходство всех организмов на микроскопическом уровне организации связано с единством их происхождения. Все эти факты являются косвенными доказательствами эволюции несмотря на то, что крупные эволюционные изменения из-за их длительности недоступны для прямого наблюдения.

Гомология. Аналогия. Закон зародышевого сходства.

Биогенетический закон

Применение знаний

1. Каков смысл принципа актуализма?

2. Чем гомология отличается от аналогии?

3. В чём состоит особенность доказательств эволюции со стороны наук, изучающих микроскопическое строение организмов?

4. Как интерпретирует сходство эволюционная теория? Как она отличает родство от поверхностного сходства?

5. Какие данные систематики косвенно свидетельствуют в пользу эволюции?

6. Как эволюционная теория способствовала развитию каждой из биологических наук?

7. Почему не существует прямых доказательств макроэволюции?

8. Поработайте в паре с одноклассником: один приводит примеры гомологичных органов, другой - аналогичных.

9. Чем различаются вклады палеонтологии и сравнительной анатомии в эволюционную теорию?