§ 41. Макроэволюция

1. В каком направлении происходит эволюция растений и животных?

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:

• надцарство

• царство

• подцарство

• тип/отдел

• класс

• отряд/порядок

• семейство

• род

• вид

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

4. Подготовьте сообщения и/или мультимедийные презентации о доказательствах эволюции.

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.

Цитологические доказательства

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.

Морфологические доказательства

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.

Палеонтологические доказательства

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).

Эмбриологические доказательства

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.

Доказательства биогеографии

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.