Peatükk 1.1 (Биология для гимн., IV)

Теория эволюции

Жившие 150 миллионов лет назад археоптериксы были переходным звеном между динозав­рами и современными птицами. Первая окаменелость археоптерикса была найдена спустя несколько лет после опубликова­ния теории эволюции. На сегодняшний день найдено 11 довольно хорошо сохранившихся окаменелостей этих древних птиц.

Возникновение теории эволюции

На сегодняшний день известно, что все живые организмы на Земле произошли от общего предка, первой формы жизни, существовавшей примерно 3,7 миллиарда лет назад. Однако примерно до конца XIX века большинство людей верили, что все живое на Земле создано Богом. Считалось, что виды не находятся в родстве друг с другом, их признаки неизменны и постоянны, а сходство между различными видами является ничем иным, как волей Творца.

Мысли об изменчивости видов зародились уже в античные времена. Некоторые философы античной Греции, например, Анаксимандр и Эмпедокл, полагали, что определенные виды животных (в том числе и люди) могли произойти от других видов. Однако эти идеи померкли на фоне учений других влиятельных философов – Аристотеля и Платона. Платоновское учение об идеях, согласно которому все существующее является лишь несовершенной копией некоей совершенной формы, было популярно не только среди его современников, но и среди многих последователей возникшего позднее христианского учения. Именно по этой причине для сторонников теории эволюции Платон стал своеобразным "антигероем научного мира". Детальные наблюдения Аристотеля за природой, а также многие их довольно современные толкования были большим шагом на пути развития естественных наук. Однако и Аристотель в своих работах исходил прежде всего из того, что все живое создано с некоей высшей целью, и в мире нет места случайности. 

До середины XIX века главной оставалась христианская картина мира: возраст Земли составляет 6000 лет, а фоссилии являются доказательством Всемирного потопа, во время которого спаслись только те животные, которые находились в ноевом ковчеге.

Поскольку христианская картина мира основывалась на вере, а церковь не допускала никаких сомнений относительно библейских писаний, то учение об эволюции долгое время оставалось в тени. Однако были и ученые-естествоиспыта­тели, чьи труды указывали на противоречия между природой и главенствую­щими в обществе теориями. Так, французский натуралист Жорж-Луи Леклерк де Бюффон составил энциклопедию по естественной истории в 44 томах, в которой, в том числе, поставил под сомнение библейское утверждение о том, что возраст Земли составляет всего 6000 лет. Бюффон полагал, что все существующие виды произошли от небольшого числа общих предков, но не смог убедительно обосновать ни механизм изменчивости видов, ни свои сомнения в возрасте Земли. Современник Бюффона, шведский естествоиспыта­тель Карл Линней, внесший огромный вклад в развитие биологической систематики, хоть и упоминал возможность межвидового скрещивания (он заметил это при изучении растений), но при этом считал, что изменчивость видов и ее пределы предопределены свыше. 

Жорж-Луи Леклерк де Бюффон усомнился в том, что возраст Земли составляет 6000 лет.
Карл Линней заметил, что различные виды могут скрещиваться между собой, но полагал, что все изменения предопределены свыше и не выходят за определенные Богом рамки.

В начале XIX века Жан-Батист Ламарк представил обществу революционную теорию об изменчивости видов. До сих пор полагалось, что все живое неизменно с момента своего создания. Ламарк полагал, что простейшие формы жизни возникают в природе постоянно и сами по себе, а из них со временем развиваются новые, более сложные. Он пришел к понимаю того, что живые организмы приспосаб­ливаются к условиям окружающей среды. В качестве механизма адаптации Ламарк предложил идею, что приобретенные родителями в течение жизни свойства передаются их потомкам. В его честь эта теория получила название ламаркизма.

Идея об изменчивости видов подверглась резкой критике со стороны влиятельного французского натуралиста Жоржа Кювье. На основе найденных фоссилий он доказал, что в прошлом имело место вымирание видов. Однако, являясь сторонником теории постоянства видов, Кювье обосновал это тем, что вначале было создано огромное множество различных живых организмов, часть из которых позже вымерла в результате катастроф. Английские геологи Джеймс Геттон (Хаттон) и Чарлз Лайель высказали предположение, что возраст Земли значительно больше указанного в Библии, а формирующие планету силы действуют постоянно и очень медленно. По их мнению, для вымирания видов не требовалось никаких катастроф, и оно с тем же успехом могло произойти под влиянием происходя­щих на Земле процессов.

Жан-Батист Ламарк полагал, что виды не являются неизменными, а приобретенные родителями в течение жизни признаки передаются потомкам.
Жорж Кювье доказал вымирание видов, однако являлся сторонником теории их постоянства.
Джеймс Геттон (слева) и Чарлз Лайель (справа) полагали, что возраст Земли намного больше указанного в Библии.

Таким образом, в XIX веке общество было готово к рождению теории эволюции: идея об изменчивости видов витала в воздухе; стало известно, что Земля достаточно стара и что в прошлом имело место вымирание видов. У молодых ученых появлялось все больше возможностей для путешествий и изучения видового разнообразия планеты. Поэтому неудивительно, что теорию эволюции сформулировали почти одновременно и независимо друг от друга сразу двое ученых: Чарлз Дарвин и Альфред Уоллес.

В 1858 году на заседании общества натуралистов в Лондоне был представлен доклад, содержащий основные положения теории Дарвина и Уоллеса об изменчивости и возникновении новых видов в результате естественного отбора. Этот доклад и изданная годом позже книга Дарвина "О происхождении видов" (The Origin of Species) изменили представления биологов о развитии жизни на Земле. Теория эволюции и принципы естественного отбора, сформулиро­ван­ные Дарвином, на сегодняшний день дополнены множеством установленных современными биологами фактов. Такие науки, как генетика, палеонтология, экология и другие отрасли биологии, помогли лучше понять ход эволюции и основы теории наследственности.

Чарлз Дарвин и Альфред Уоллес – основатели теории эволюции.

Подумайте

  • Почему теория эволюции была сформулирована только в XIX веке, хотя идеи об изменчивости видов возникли уже в античные времена? 

∘ Изменчивость видов предусмотрена свыше и может происходить лишь до определенных пределов, однако некоторые виды могут скрещиваться между собой –
∘ Новые виды возникают постоянно сами по себе, существующие виды изменяются с течением времени – 
∘ Новые виды возникают, а имеющиеся изменяются вследствие естественного отбора – 
∘ Возраст Земли составляет более 6000 лет, современные виды произошли от небольшого количества общих предков, но механизм их эволюции неизвестен – 
∘ Вначале было создано множество различных видов, но часть из них впоследствии вымерла – 

  • Платоновское учение об идеях
  • Мифы о сотворении мира
  • Сомнения Бюффона в возрасте Земли
  • Доказанное Кювье вымирание видов
  • Утверждение Кювье о неизменности видов
  • Предложенный Геттоном и Лайелем возраст Земли

Дополнительное чтение. Так ли уж неверна теория Ламарка?

Жан-Батист Ламарк (1744–1829) полагал, что виды приспосабливаются к условиям окружающей среды и изменяются в ходе передачи приобретенных родителями в течение жизни признаков потомкам. Например, если жираф всю жизнь будет сильно вытягивать шею, чтобы достать листья с верхних веток, то у него родятся более длинношеие потомки. Дарвин тоже полагал, что передача приобретен­ных признаков потомкам является одной из движущих сил эволюции, ведь о генетической подоплеке механизмов наследования в тот момент еще никто не знал. Лишь повторное изучение трудов Грегора Менделя в начале ХХ века позволило раскрыть тайны наследственности. Ламаркизм как один из механизмов эволюции на сегодняшний день полностью опровергнут, однако не стоит забывать, что возникшие под влиянием среды генетические изменения и в самом деле могут передаваться по наследству. Также доказано существование эпигенетических механизмов, влияющих на проявление того или иного признака у потомков. Поэтому нельзя сказать, что теория Ламарка неверна во всех отношениях.

Жан-Батист Пьер Антуан де Моне, шевалье де Ламарк​

Дополнительное чтение. Дарвин или Уоллес – кто является создателем теории эволюции?

Чарлз Роберт Дарвин

Чарлз Дарвин (1809–1882) изучал в университете сначала медицину, а затем богословие, но живой интерес к естественным наукам не позволил ему сосредо­точить­ся на учебе. В 1831 году его пригласили принять участие в кругосветном путешествии в качестве натуралиста. Путешествие на парусном судне "Бигль" длилось пять лет. Большую часть этого времени экспедиция провела в Южной Америке, большое впечатление на Дарвина произвели и путешествия в Австралию и на Галапагосские острова. Наряду с изучением флоры и фауны разных стран он также занимался исследованием фоссилий. На основании собранных за время путешествия данных Дарвин пришел к выводу, что современные организмы были не созданы таковыми, а развились из существовавших ранее видов. Фактически он почти полностью сформулировал основные принципы возникнове­ния и изменчивости видов уже к 1839 году. Но чтобы опубликовать теорию, противоречившую всем догмам того времени, Дарвину требовалось больше доказательств. Их сбору он посвятил еще около двадцати лет. 

Альфред Рассел Уоллес

Альфред Уоллес (1823–1913) провел немало времени, путешествуя по свету, коллекционируя экзотических животных для продажи и изучая разнообразие видов на планете. Как и Дарвин, он пришел к выводу, что господствующие в обществе представления о возникновении видов находятся в разногласии с природой. По мнению Уоллеса, виды изменяются в ходе естественного отбора. В 1858 году он отправил статью, излагающую основы его теории, Дарвину, на ту пору уже бывшему известным натуралистом. Дарвин понял, что в случае опубликования этой статьи его столь долго разрабатывавшаяся теория – работа всей его жизни – потеряет свою новизну и оригинальность. В качестве компромисса теорию эволюции было решено представить как плод совместной работы Уоллеса и Дарвина. И хотя именно Дарвин вошел в историю как создатель теории эволюции, некоторые историки науки считают, что Дарвин должен был сразу опубликовать статью Уоллеса, и честь открытия теории эволюции должна принадлежать именно последнему.

Основные положения теории эволюции

Эволюция – это изменение наследственных признаков организмов в течение поколений. Именно эволюция лежит в основе изменчивости и постоянного развития живой природы.

Основные положения теории эволюции заключаются в следующем.

  1. Плодовитость видов настолько велика, что количество особей должно было бы расти в геометрической прогрессии, однако в реальности численность популяций относительно стабильна.
  2. Жизненные ресурсы (пища, места обитания) в природе ограничены.
  3. С учетом размножения особей среди них должна возникать борьба за имеющиеся ресурсы – борьба за существование.
  4. Особи одного вида отличаются друг от друга, т. е. популяции разнородны. Различия между особями одного вида называются изменчивостью.
  5. Большая часть наследственных изменений не зависит от окружающей среды, т. е. имеет случайный характер.
  6. Часть изменений является более подходящими к условиям среды, т. е. делает некоторых особей более приспособленными. Благодаря этому может увеличиться продолжительность жизни или численность потомства данных особей. Подобный процесс преимущественного размножения помогает распространению "нужных" изменений среди потомков, а неподходящие признаки со временем исчезают. Это называется естественным отбором.
  7. Естественный отбор – медленный процесс, способствующий адаптации популяций к условиям окружающей среды. Естественный отбор может, в конечном итоге, привести к возникновению нового вида.

1. Независимо от плодовитости вида численность популяций .
2. В природе жизненные ресурсы .
3. Поскольку ресурсов не хватает на всех, между особями возникает конкуренция, или .
4. Популяции свойственна, т. е. все особи отличаются друг от друга.
5. Большинство наследственных изменений .
6. Особи, лучше подходящие для данных условий среды, т. е. , живут дольше и дают больше потомков. Благодаря  потомкам передается больше "полезных" генов. Это и есть .
7. Естественным отбором обусловлена  популяций к условиям окружающей среды. Это может привести к образованию нового вида.

Фоссилии – основа изучения эволюции

Палеонтология это наука, занимающаяся изучением древних организмов на основе фоссилий. Фоссилии, или окаменелости – это ископаемые остатки живших в далекие времена организмов. Часть организмов даже сохранилась целиком, например, насекомые внутри янтаря или найденные в Сибири в вечной мерзлоте мамонты. Однако основанные на фоссилиях исследования имеют и свои недостатки, поскольку не все обитавшие на Земле организмы дошли до наших дней в виде окаменелостей. Например, фоссилий доисторических грибов и морских организмов, состоящих преимущественно из мягких тканей, найдено очень мало. 

Оса, застывшая в янтаре 16–20 миллионов лет назад

Если не установить возраст фоссилий, то для изучения истории развития организмов пользы от них будет немного. Относительный возраст рассчитывается при помощи содержащихся в тех же слоях пород часто встречающихся фоссилий, возраст которых уже известен – так называемых индексных окаменелостей. Например, аммониты (Ammonoidea), относящиеся к головоногим моллюскам, обитали во всех морях Мирового океана в период 400–65 миллионов лет назад. Многие из видов аммонитов являются важными индексными окаменелостями. Поскольку возраст пород, как правило, увеличивается вместе с глубиной их залегания, то при помощи индексных окаменелостей найденные фоссилии можно расположить в хронологическом порядке. Для точного определения возраста используются методы радиоизотопного датирования на основе содержащихся в небольших количествах во всех организмах радиоактивных элементов и продуктов их распада.

Список наиболее часто используемых индексных окаменелостей и соответствующие им геологические периоды (протяженность последних вы можете посмотреть в следующей главе). При помощи индексных окаменелостей можно определить относительный возраст найденных вместе с ними фоссилий.

Фоссилии позволяют проследить историю развития вида или же группы организмов. Так, на основании найденных окаменелостей была сделана серия рисунков, показывающих развитие лошади: за 55 миллионов лет из пятипалого млекопитающего размером примерно с лисицу она превратилась в крупное парнокопытное животное.

Среди фоссилий встречаются и находки организмов, у которых есть признаки как давно вымерших, так и живущих в наши дни животных. Так, доисторические птицы археоптериксы (Arhaeopteryx) представляют собой нечто среднее между пресмыкающимися и птицами: у них есть характерные для пресмыкающихся зубы и хвост, а вот строение пальцев на лапах и наличие перьев делают их похожими на птиц. Окаменелости таких организмов наглядно демонстрируют существование эволюции.

Формирование размеров и внешнего вида лошади происходило в течение миллионов лет. Изменилась и среда обитания этих животных: пятипалый предок лошади жил в лесу, а современные парнокопытные животные обитают в степях.
Археоптериксы жили примерно 150 миллионов лет назад.
  • Палеонтология – это наука, изучающая остатки доисторических организмов.
  • Ни один организм, живший около миллиона лет назад, не сохранился целиком.
  • Найдено очень мало фоссилий грибов и морских организмов с мягкой оболочкой.
  • Определение возраста фоссилий очень важно для составления правильного представления о древних организмах.
  • Фоссилии позволяют проследить историю развития различных видов организмов.
  • Доисторическая птица Archaeopteryx является промежуточным звеном между динозаврами и современными птицами. У нее есть признаки, характерные для обеих групп.
  • По возрасту найденных в тех же слоях пород индексных окаменелостей.
  • На основании содержащихся в них радиоактивных изотопов.
  • По уровню развития окаменевшего организма.
  • По дате их обнаружения.

Дополнительное чтение. Живые ископаемые

Живыми ископаемыми называют виды ныне живущих организмов, сохранившиеся до наших дней в практически не изменившемся за последние тысячи и даже миллионы лет виде. Фоссилии данных организмов имеют точно такое же строение, а ныне живущих родственных видов у таких организмов нет. 

Hõlmikpuu
Деревья гинкго в диком виде произрастают в Китае и находятся под охраной природы. Гинкго двулопастный относится к голосеменным растениям, остальные виды класса гинкговых вымерли еще во времена динозавров.
Latimeeria
Латимерии находятся в большем родстве с пресмыкающимися и млекопитающими, чем с обычными лучепёрыми рыбами. Считалось, что все латимерии вымерли около 150 миллионов лет назад. Однако в некоторых регионах рыбакам удалось поймать несколько живых экземпляров. 

Другие доказательства эволюции

Поскольку изучение фоссилий не дает полного представ­ления об эволюции организмов, то ученые часто прибегают к другим методам исследования. В основном это методы, используемые в биологической систематике.

Сравнительная анатомия занимается изучением сходств и различий в строении организмов. Чем больше сходства в строении двух видов, тем в большем родстве они состоят друг с другом и тем позже произошло разделение эволюционных ветвей их предков. Например, анатомическое строение слонов и вымерших мамонтов очень похоже, и у них был общий предок. Гомологичные органы при всей своей схожести имеют, однако, различия в функциях. Это видно, например, по конечностям позвоночных. Но крыло птицы состоит из тех же костей, что и передние конечности млекопитающих, хотя и видоизменилось в ходе эволюции. Это доказывает общность их происхождения. Аналогичные органы могут иметь разное происхождение, но выполняют одни и те же функции. Например, и мухи, и птицы пользуются крыльями для полета, но по строению эти крылья кардинально различаются. У этих видов нет общего предка, и поэтому в строении их крыльев нет ничего общего. Аналогичные органы не могут служить доказательством эволюции.

Конечности позвоночных животных являются гомологичными органами. Их строение доказывает общее происхождение, хотя они и выполняют разные функции.

Важным свидетельством эволюции являются также рудиментарные органы (рудименты) – остаточные органы, утратившие у какого-либо вида свое первоначальное предназначение, но которые, однако, могут быть развиты и функционировать у других видов. Так, у змей и китов есть зачатки неразвитых задних конечностей. У человека тоже имеется много рудиментов, например, копчик, частичный волосяной покров на теле, зубы мудрости, ушные мышцы и аппендикс.

Зубы мудрости у человека являются рудиментарными органами, поскольку утратили свои первоначальные функции.

Эмбриональное развитие плода (эмбриогенез) помогает выяснить общность происхождения животных. В 1866 году немецкий ученый Эрнст Геккель впервые озвучил биогенетический закон, согласно которому в ходе эмбриогенеза каждое живое существо повторяет основные этапы развития своих предков. Например, у всех позвоночных в самом раннем эмбриогенезе имеется характерный для всех первичных хордовых спинной хрящ, который позднее заменяется на позвоночник.

Самые точные доказательства эволюции заключены в клетке, их помогает понять молекулярная биология. На основе структуры ДНК и последовательности аминокислот в белках можно составить генеалогическое древо животного царства. Чем больше у двух видов сходств в последовательностях нуклеотидов ДНК и аминокислот в белках, тем в более близком родстве они находятся.

Биогеография – наука о временных и пространственных закономерностях распространения организмов и распределения по земному шару различных биологических сообществ. Распространение видов на Земле связано с их родством и географическим развитием планеты. Относящиеся к одной таксономической группе (например, отряду или семейству) виды, распространенные в граничащих между собой областях, схожи в большей степени, чем обитающие в отдаленных областях виды той же группы.

Еще одним доказательством эволюции служит селекция культурных растений и домашних животных. Еще Дарвин отмечал некоторое сходство между искусственным разведением и естественным отбором. Первым процессом руководит человек, а второй происходит естественным путем, но результат в обоих случаях сводится к многообразию. Результаты селекции доказывают, что виды способны эволюционировать, что приводит к увеличению их многообразия. Используя различные способы (например, скрещивание, искусственный отбор), человек смог изменить внешний вид и род деятельности многих организмов. Хорошим примером здесь являются породы собак, которые во многих случаях до неузнаваемости отличаются от их природного предка – волка.

Многообразие пород собак показывает, насколько велика потенциальная изменчивость вида. 

Подумайте

  • Каким образом гомологичные и рудиментарные органы доказывают эволюцию организмов? 
  • Сравнительная анатомия изучает сходства и различия в строении организмов.
  • Аналогичные органы выполняют одинаковые функции, но в ходе эволюции они сформировались независимо друг от друга.
  • Гомологичные органы являются родственными. Они могут выполнять разные функции, но их строение сходно.
  • Аналогичные органы являются доказательством эволюции.
  • Крыло бабочки
  • Крыло мухи
  • Рука человека
  • Передняя конечность лошади
  • Плавник рыбы
  • Ласт тюленя
  • Крыло бабочки
  • Крыло мухи
  • Рука человека
  • Передняя конечность лошади
  • Плавник рыбы
  • Ласт тюленя
  • Фоссилии
  • Селекция
  • Рудименты
  • Мутации
  • Сходства ДНК
  • Аналогичные органы
  • Гомологичные органы
  • Атрофированные органы
  • Эмбриональное развитие организма
  • Распространение видов на Земле

∘ Организмы, возникшие в давние времена и дожившие в том же виде до наших дней – 
∘ Различия особей в популяции – 
∘ Органы, которые не имеют на сегодняшний день никаких функций, но могут иметь их у организмов со схожим строением – 
∘ Остатки древних организмов – 
∘ Изменение наследственных признаков организма во времени; изменение организма во времени – 

Словарь терминов

  • аналогичные органы – органы различных организмов, выполняющие одинаковые функции, но имеющие различное происхождение
  • гомологичные органы – органы различных организмов, которые имеют единое происхождение и сходное строение, но могут выполнять при этом различные функции
  • живые ископаемые – современные живые организмы, существующие в неизменном виде уже очень долгий период времени
  • изменчивость – различия между особями одной популяции
  • ламаркизм – теория, согласно которой изменения, приобретенные организмом в течение жизни, передаются потомкам
  • рудиментарный орган, или рудимент – орган, утративший свои первоначальные функции у данного организма, будучи нормально развитым у сходных видов
  • фоссилии – ископаемые остатки организмов, живших в далекие времена
  • эволюция совокупность всех изменений в популяции организмов в течение поколений
Palun oota