§ 52. Развитие эволюционного учения Ч. Дарвина

1. Что вам известно о происхождении растений и животных?

Ответ. Растения и животные произошли от одного примитивного предка в ходе длительной эволюции. Случилось это несколько миллиардов лет назад. Растениям, в отличие от животных, свойственно наличие хлорофилла, придающего им зеленую окраску. Благодаря хлорофиллу растения, по способу питания, являются автотрофными, то есть способными питаться неорганическими веществами и за счет энергии солнца создавать из них нужную им органику (белки, углеводы, сахар, крахмал и прочее). Происхождение растений и их развитие шло по пути постоянного увеличения уровней сложности от простейших одноклеточных организмов до современных цветковых растений.

Сине-зеленые водоросли или цианобактерии являются одними из первых и самых примитивных обитателей нашей планеты, отмеченных еще 3.5 млрд. лет назад. 3.3 млрд. лет назад появляются нитчатые формы. Сообщество цианобактерий способно создавать строматолиты — минеральные структуры, хорошо известные из докембрия и образующиеся и сегодня в определенных условиях (Австралия).

Появившиеся несколько позже (3 млрд. лет назад) водоросли были представлены уже и многоклеточными формами. С этого же возраста известны геологические следы процесса фотосинтеза. 1.25 млрд. лет известны красные водоросли, уже сходные с современными формами. 1.2 млрд. лет назад появляются зеленые водоросли, которые широко распространены в биотах венда и кембрия. Произошли от зеленых жгутиковых организмов. В венде отмечены отпечатки бурых водорослей. В силуре возникают высокоорганизованные формы водорослей. 1200 млн. лет назад водоросли уже распространились по суше, обитая во влажных местах. Однако возникновение развитых наземных форм не могло произойти до тех пор, пока озоновый слой не достиг достаточной мощности, чтобы защитить наземных обитателей от ультрафиолетового излучения.

От водорослей хлорофитов, а возможно от бурых, независимо от высших растений, произошли мхи, которые еще не имели сосудов, но уже заселяли сушу. Их остатки найдены в карбоне, но понятно, что группа развилась намного раньше, будучи среди первых наземных растений. Споры, похожие на споры печеночных мхов, найдены в ордовике (Llanvirn). Однако дальнейшего развития эта группа не получила. Существует также версия происхождения мхов от риниофитов.

Следующим этапом в эволюции растений стало возникновение трахеофитов — сосудистых растений (450 млн. лет назад), которые сначала размножались спорами (споры известны с позднего ордовика), а затем и семенами. Первые наземные растения, очевидно, появились в форме крошечных растений, напоминающих печеночные мхи, в среднем ордовике. Они еще не имели сосудистых тканей, что строго ограничивало их размеры и жестко привязывало к влажным наземным условиям. С ордовика до конца девона существовали первые наземные растения — риниофиты. Они имели кутикулу, защищающие их от высыхания, ползучее корневище и вертикальные дихотомические стебли не более 20 см высотой, но настоящих листьев еще не было. С позднего силура они широко распространились по полузатопленным берегам мелководных лагун и рек.

В позднем силуре от псилофитовых форм происходят плауны, которые в карбоне достигают своего максимального развития. Их представители, лепидодендроны и сигиллярии были уже высокими деревьями до 30–40 м. Росли, в основном, в болотистых районах. Ветвление было еще дихотомическим, а листья имели шиловидную форму. Все ранние растения еще были споровыми.

Девонский период стал временем развития основных групп растений. В начале или середине девона из тримерофитовых развиваются членистостебельные растения — хвощи. Они расселялись уже по берегам озер и рек, в том числе и на песчаных почвах. Их расцвет также пришелся на каменноугольный период, когда возникли уже настоящие леса. В начале мезозойской эры стали угасать и еще до начала палеогена остался только один существующий сейчас род.

В позднем девоне произошли папоротникообразные растения, широко распространившиеся в мезозойскую эру, когда существовали крупные древовидные формы, сейчас уже вымершие. Многие современные семейства появились в меловом периоде. Оледенения вытеснили их в южные широты.

Со среднего девона по ранний карбон существовали праголосемянные растения, имевшие кустистые или древовидные формы, но размножавшиеся еще при помощи спор. В перми растения расселились по внутриматериковым и горным районам.

В позднем девоне от праголосемянных возникают голосеменные растения. Первыми их них произошли семенные папоротники, существовавшие с девона до юрского периода. Позже появились кордаиты (ранний карбон), саговники (пермь), гинкговые (пермь) и хвойные (поздний карбон). В мезозойскую эру они господствовали в растительном покрове на всей Земле.

На границе юры и мела появляются покрытосеменные или цветковые растения, которые в наше время являются самыми многочисленными. Сначала развилась группа двудольных, которая уже в раннем мелу дала начало однодольным растениям, являющимся, в основном, травянистыми. Вот так происходило происхождение растений.

Считается, что животные произошли от жгутиковых одноклеточных, а их ближайшие известные живые родственники — хоанофлагеллаты, воротничковые жгутиконосцы, морфологически сходные с хоаноцитами некоторых губок. Молекулярные исследования определили место животных в надгруппе Opisthokonta, куда также включают хоанофлагеллат, грибы и небольшое количество паразитических протист. Название Opisthokonta обозначает заднее расположение жгутика в подвижной клетке, как у большинства сперматозоидов животных, в то время как другие эукариоты, как правило, имеют передний жгутик.

Первые ископаемые остатки животных относятся к концу докембрия (около 610 миллионов лет назад) и известны как эдиакарская или вендская фауна. Их, однако, сложно соотнести с более поздними ископаемыми. Они могут быть предками современных ветвей животных, независимыми группами или не животными вовсе. Большинство известных типов животных более или менее одновременно появились в кембрийском периоде, около 542 миллионов лет назад. Это событие — кембрийский взрыв — было вызвано либо быстрой дивергенцией групп, либо таким изменением условий, которое сделало возможным окаменение. Однако некоторые палеонтологи и геологи предполагают, что животные появились значительно раньше, чем считалось ранее, возможно, даже 1 миллиард лет назад — в начале тония. На это указывает сокращение разнообразия строматолитов примерно в это время. Кроме того, из тонийских отложений известны отпечатки и норы, которые свидетельствуют о наличии крупных (около 5 мм в ширину) трёхслойных червей, сложных, как земляные черви.

2. Как вы понимаете, что такое эволюция?

Ответ. Биологическая эволюция (от лат. evolutio — «развёртывание») - естественный процесс развития живой природы, сопровождающийся изменением генетического состава популяций, формированием адаптаций, видообразованием и вымиранием видов, преобразованием экосистем и биосферы в целом.

Существует несколько эволюционных теорий, объясняющих механизмы, лежащие в основе эволюционных процессов. В данный момент наиболее общепринятой является синтетическая теория эволюции, являющаяся синтезом классического дарвинизма и популяционной генетики. Она позволяет объяснить связь материала эволюции (генетические мутации) и механизма эволюции (естественный отбор). В рамках теории эволюция определяется как процесс изменения частот аллелей генов в популяциях организмов в течение времени, превышающего продолжительность жизни одного поколения.

Чарлз Дарвин первым сформулировал теорию эволюции путём естественного отбора. Эволюция путём естественного отбора — это процесс, который следует из трёх фактов о популяциях: 1) рождается больше потомства, чем может выжить; 2) у разных организмов разные черты, что приводит к различиям в выживаемости и вероятности оставить потомство; 3) эти черты — наследуемые. Эти условия приводят к появлению внутривидовой конкуренции и избирательной элиминации наименее приспособленных к среде особей, что ведёт к увеличению в следующем поколении доли особей, черты которых способствуют выживанию и размножению в этой среде. Естественный отбор — единственная известная причина адаптаций, но не единственная причина эволюции. К числу неадаптивных причин относятся генетический дрейф, поток генов и мутации.

Несмотря на неоднозначное восприятие в обществе, эволюция как естественный процесс является твёрдо установленным научным фактом, имеет огромное количество доказательств и не вызывает сомнений в научном сообществе. В то же время отдельные аспекты теорий, объясняющих механизмы эволюции, являются предметом научных дискуссий. Открытия в эволюционной биологии оказали огромное влияние не только на традиционные области биологии, но и на другие академические дисциплины, например, антропологию, психологию. Представления об эволюции стали основой современных концепций сельского хозяйства, охраны окружающей среды, широко используются в медицине, биотехнологии и многих других социально значимых областях человеческой деятельности

Вопросы после § 52

1. Как Ж. Б. Ламарк объяснял ход эволюции у растений и животных?

Ответ. Согласно Ламарку, изменения у животных и растений под действием внешних условий происходят по-разному. Так, растения воспринимают изменения условий непосредственно через обмен веществ с внешней средой. Если семя какого-либо лугового растения, растущего в низинах, будет случайно занесено на сухую каменистую возвышенность, то, приспосабливаясь к новым условиям, потомство этого семени превратится в новую разновидность. У лютика, растущего в воде, подводные листья рассечены на тонкие волосовидные доли, а листья, находящиеся на поверхности воды, широкие и округлые, разделены на простые лопасти. У родственного вида лютика, растущего на влажной почве, листья не разделены на тонкие доли. Ламарк считал, что при попадании семян первого вида лютика не в воду, а на влажную почву из них вырастут растения второго вида. Однако в действительности этого не бывает.

Для животных Ламарк разработал более сложный механизм преобразований, осуществляющийся в следующей последовательности:

• всякая значительная перемена во внешних условиях вызывает изменения в потребностях животных;

• это влечёт за собой новые действия животных и возникновение новых «привычек»;

• в результате животные начинают чаще употреблять органы, которыми они раньше мало пользовались; эти органы значительно развиваются и увеличиваются, а если требуются новые органы, то они под влиянием потребностей возникают «усилиями внутреннего чувства».

Таким образом, главным фактором эволюции Ламарк считал прямое влияние среды. Он придавал большое значение «упражнению» и «неупражнению» органов, считая, что упражнение ведёт к их усилению и результаты такой тренировки передаются потомству. Ламарк допускал, что стремление, желание животного ведёт к усиленному притоку крови и «других флюидов» к той части тела, к которой направлено это стремление, вызывая её усиленный рост, передаваемый затем по наследству потомству.

Как первая последовательная и цельная попытка создания эволюционного учения, теория Ламарка была прогрессивной для своего времени. Однако представленные Ламарком доказательства причин изменяемости видов не были убедительными. Основные положения его теории не были выведены и доказаны исходя из научных фактов, а являлись лишь умозрительным построением. Он не объяснил, откуда возникает «стремление организмов к прогрессу», которое, по Ламарку, присуще всему живому и является движущей силой эволюции, и почему следует считать наследственным свойство организмов целесообразно реагировать на внешние воздействия.

2. Что принято за единицу классификации в системе природы Линнея?

Ответ. Решающий вклад в создание системы природы внёс в XVIII в. выдающийся шведский естествоиспытатель Карл Линней (1707–1778). Линней разделил каждое из царств природы (он выделил три царства: Растения, Животные и Минералы) на соподчинённые группы: классы, отряды, роды и виды. За единицу классификации он принял вид – совокупность особей, сходных по строению. Растения были разделены на 24 класса и 116 отрядов на основе анализа строения органов размножения. Отряды включали в себя роды, роды – виды, которые, в свою очередь, подразделялись на подвиды. Животные были разделены на 6 классов (Млекопитающие, Птицы, Амфибии, Рыбы, Черви и Насекомые). К. Линней отнёс человека к классу млекопитающих и отряду приматов. Отнесение человека к миру животных, помещение его в один отряд с обезьянами потребовало от Линнея большой гражданской смелости, так как отвергало представление о человеке как о центральном обособленном объекте живой природы.

Линней установил принцип соподчинённости систематических категорий, считая, что соседние категории связаны не только сходством, но и родством: чем дальше расположены категории друг от друга, тем меньше степень их родства.

3. В чём состоят основные положения учения Ч. Дарвина?

Ответ. В основу своего объяснения механизмов эволюции Ч. Дарвин положил три главных фактора: изменчивость организмов, борьбу за существование и естественный отбор, среди которых естественный отбор является направляющей, движущей силой.

Теорию Дарвина можно сформулировать в виде довольно простых положений:

1. Организмы изменчивы. Трудно найти такое свойство или признак, по которому особи, принадлежащие к данному виду, были бы полностью тождественны.

2. Различия между организмами, хотя бы частично, передаются по наследству.

3. Теоретически при благоприятных условиях любые организмы могут размножаться в геометрической прогрессии и в состоянии заполнить Землю, однако такого не случается, так как жизненные ресурсы ограниченны, что приводит к борьбе за существование, в которой выживают не все.

4. В результате борьбы за существование происходит естественный отбор – выживают те особи, которые располагают полезными в данных условиях свойствами. Выжившие передают эти свойства своему потомству. Следовательно, эти свойства закрепляются в череде последующих поколений.

Индивидуальные наследственные уклонения (наследственная изменчивость), борьба за существование и естественный отбор в длинном ряду поколений обеспечивают приспособительные изменения организмов к конкретным условиям существования. Этими же процессами определяется многообразие видов и общее повышение уровня организации организмов, населяющих Землю.

4. Какие факты позволяют говорить о борьбе за существование? Как проявляется эта борьба в природе?

Ответ. Живые организмы стремятся размножиться в геометрической прогрессии и теоретически любой организм может заполнить Землю очень быстро. Фактически этого никогда не случается, так как жизненные ресурсы ограничены и достаются лишь немногим — тем, кто может одержать победу в борьбе за жизнь, или борьбе за существование. Внутривидовая борьба за существование проявляется у разных видов, прежде всего, в конкуренции за кормовые ресурсы и полового партнера. Как правило, прямому столкновению особей препятствуют различные приспособления, среди которых следует выделить метки, обозначающие индивидуальный участок: пение певчих птиц, оставление пахучих выделений и т. п. Нарушение границ индивидуального участка нередко сопровождается боями. Реже встречается прямое взаимодействие, например каннибализм. Межвидовая борьба наиболее ярко проявляется в конкурентных отношениях между видами, занимающими сходную нишу жизни. Типичный пример — взаимоотношения черной и серой крыс. Кроме того, иногда к межвидовой борьбе от­носят взаимоотношения между хищником и жертвой, паразитом и хозяином. Причем такого рода взаимодействия, как правило, идут на пользу обоим видам, и чем древнее связь, тем более эффективным является взаимное приспособление и, как следствие, происходит сопряженное эволюционное развитие.

►Понаблюдайте за окружающими вас животными и растениями. Отметьте, чем они различаются, составьте списки различий.

Развитие живой природы на земле привело к образованию двух основных групп организмов — растений и животных.

Между животными и растениями, несмотря на внешние различия, существует много общего.

Сходство растительных и животных клеток обнаруживается на элементарном химическом уровне. Современными методами химического анализа в составе живых организмов обнаружено около 90 элементов периодической системы. На молекулярном уровне сходство проявляется в том, что во всех клетках найдены белки, жиры, углеводы, нуклеиновые кислоты, витамины и т. д.

Особенность молекулярной организации растительных клеток состоит в том, что в них находится фотосинтезирующий пигмент - хлорофилл. Благодаря фотосинтезу в атмосфере Земли накапливается - кислород и ежегодно образуются сотни миллиардов тонн органических веществ.

Растениям, как и животным, присущи такие свойства живого, как рост, развитие, обмен веществ, раздражимость, движение, размножение, причем половые клетки животных и растений формируются путем мейоза и в отличие от соматических имеют гаплоидный (n) набор хромосом.

Клетки и растений, и животных окружены тонкой цитоплазматической мембраной. Однако у растений имеется еще толстая целлюлозная клеточная стенка. Клетки, окруженные твердой оболочкой, могут воспринимать из окружающей среды необходимые им вещества только в растворенном состоянии. Поэтому растения питаются осмотически. Интенсивность же питания зависит от величины поверхности тела растения, соприкасающейся с окружающей средой. Вследствие этого у большинства растений наблюдается значительно более высокая степень расчлененности, чем у животных, за счет ветвления побегов и корней.

Существование у растений твердых клеточных оболочек обусловливает еще одну особенность растительных организмов — их неподвижность, в то время как у животных мало форм, ведущих прикрепленный образ жизни. Именно поэтому распространение животных и растений происходит в разные периоды онтогенеза: животные расселяются в личиночном или во взрослом состоянии; растения осваивают новые местообитания путем переноса ветром или животными зачатков (спор, семян), находящихся в состоянии покоя.

Растительные клетки отличаются от клеток животных особыми органоидами-пластидами, а также развитой сетью вакуолей, в значительной мере обусловливающих осмотические свойства клеток. Животные клетки изолированы друг от друга, а у клеток растений каналы эндоплазматической сети через поры в клеточной стенке сообщаются друг с другом. В качестве запасных питательных веществ в клетках животных накапливается гликоген, а в растительных — крахмал.

Форма раздражимости у многоклеточных животных - рефлекс, у растений – тропизмы и настии. У растений встречается как половое, так и бесполое размножение и у подавляющего большинства их существует чередование полового и бесполого поколений. У животных определяющей формой воспроизводства потомков служит половое размножение.

Низшие одноклеточные растения и одноклеточные простейшие животные трудно различимы не только внешне. Например, у эвглены зеленой – организма, стоящего как бы на границе растительного и животного мира, питание смешанное: на свету она синтезирует органические вещества с помощью хлоропластов, а в темноте питается гетеротрофно, как животное. Рост растений почти непрерывен, а у большинства животных он ограничен определенным периодом онтогенеза, после прохождения которого рост прекращается. Бесспорно то, что у современных растений и животных были общие предки. Именно они и послужили общим корнем для эволюционного развития и дивергенции растений и животных.

Различия в строении клеток растений и животных

В процессе эволюции, в связи с неодинаковыми условиями существования клеток представителей различных царств живых существ, возникло множество отличий. Сравним строение и жизнедеятельность клеток растений и животных.

Главное отличие между клетками этих двух царств заключается в способе их питания. Клетки растений, содержащие хлоропласты, являются автотрофами, т. е. сами синтезируют необходимые для жизнедеятельности органические вещества за счет энергии света в процессе фотосинтеза. Клетки животных — гетеротрофы, т. е. источником углерода для синтеза собственных органических веществ для них являются органические вещества, поступающие с пищей. Эти же пищевые вещества, например углеводы, служат для животных источником энергии.

Есть и исключения, такие как зеленые жгутиконосцы, которые на свету способны к фотосинтезу, а в темноте питаются готовыми органическими веществами. Для обеспечения фотосинтеза в клетках растений содержатся пластиды, несущие хлорофилл и другие пигменты.

Так как растительная клетка имеет клеточную стенку, защищающую ее содержимое и обеспечивающую постоянную ее форму, то при делении между дочерними клетками образуется перегородка, а животная клетка, не имеющая такой стенки, делится с образованием перетяжки.

Резкую границу между животными и растениями провести нельзя. Если высшие, сложно организованные животные и растения всегда резко отличаются друг от друга многими признаками, то их низшие формы, особенно одноклеточные животные и растения, нередко имеют черты сходства. Это свидетельствует об общности происхождения животных и растений.