Эволюция в биологии

Эволюция в биологии

Начальные этапы биологической эволюции

Первыми и наиболее важными событиями биологической эволюции после возникновения фотосинтеза и аэробного типа обмена следует считать появление эукариот и многоклеточности.

В результате взаимополезного сожительства — симбиогенеза — различных прокариотических клеток возникли ядерные, или эукариотические, организмы. Сущность гипотезы симбиоза заключается в следующем. Основной «базой» для симбиоза была, по-видимому, гетеротрофная амебоподобная клетка. Пищей ей служили более мелкие клетки. Одним из объектов питания такой клетки могли стать дышащие кислородом аэробные бактерии, способные функционировать и внутри клетки-хозяина, производя энергию. Те крупные амебовидные клетки, в теле которых аэробные бактерии оставались невредимыми, оказались в более выгодном положении, чем клетки, продолжавшие получать энергию анаэробным путем — брожением. В дальнейшем бактерии-симбионты превратились в митохондрии. Когда к поверхности клетки-хозяина прикрепилась вторая группа симбионтов — жгутикоподобных бактерий, сходных с современными спирохетами, возникли жгутики и реснички. В результате подвижность и способность к нахождению пищи такого организма резко возросли. Так возникли примитивные животные клетки — предшественники ныне живущих жгутиковых простейших.

Образовавшиеся подвижные эукариоты путем симбиоза с фотосинтезирующими (возможно, цианобактериями) организмами дали водоросль, или растение. Очень важно то обстоятельство, что строение пигментного комплекса у фотосинтезирующих анаэробных бактерий поразительно сходно с пигментами зеленых растений. Такое сходство не случайно и указывает на возможность эволюционного преобразования фотосинтезирующего аппарата анаэробных бактерий в аналогичный аппарат зеленых растений. Изложенная гипотеза о возникновении эукариотических клеток через ряд последовательных симбиозов хорошо обоснована, и ее приняли многие ученые. Во-первых, одноклеточные водоросли и сейчас легко вступают в союз с животными-эукариотами. Например, в теле инфузории-туфельки может обитать водоросль хлорелла. Во-вторых, некоторые органоиды клетки, такие как митохондрии и пластиды, по строению своей ДНК удивительно похожи на прокариотические клетки — бактерии и цианобактерии. Кроме этого обнаружено сходство в организации наследственного аппарата прокариотических клеток и кольцевых молекул ДНК, входящих в состав митохондрий и пластид.

Возможности эукариот по использованию среды еще больше. Связано это с тем, что организмы, обладающие ядром, имеют диплоидный набор всех наследственных задатков — генов, т.е. каждый из них представлен в двух вариантах. Появление двойного набора генов сделало возможным обмен копиями генов между разными организмами, принадлежащими к одному виду, — появился половой процесс. На рубеже архейской и протерозойской эр половой процесс привел к значительному увеличению разнообразия живых организмов благодаря созданию новых многочисленных комбинаций генов. Одноклеточные организмы быстро распространились на планете.

Однако их возможности в освоении среды обитания ограничены. Одноклеточные организмы не могут расти беспредельно. Объясняется это тем, что дыхание простейших организмов осуществляется через поверхность тела. При увеличении размеров клетки одноклеточного организма его поверхность возрастает в квадратичной зависимости, а объем — в кубической, в связи с чем биологическая мембрана, окружающая клетку, неспособна обеспечить потребности в обмене веществ слишком большого организма. Иной эволюционный путь возник позже, около 2,6 млрд лет назад, когда появились организмы, эволюционные возможности которых значительно шире, — многоклеточные организмы.

Первая попытка разрешения вопроса о происхождении многоклеточных организмов принадлежит немецкому биологу Э. Геккелю

(1874). В построении своей гипотезы он исходил из исследований эмбрионального развития ланцетника, проведенных к тому времени А.О. Ковалевским и другими зоологами. Основываясь на биогенетическом законе, Э. Геккель полагал, что каждая стадия онтогенеза повторяет какую-то стадию, пройденную предками данного вида во время филогенетического развития. По его представлениям, стадия зиготы соответствует одноклеточным предкам, стадия бластулы — шарообразной колонии жгутиковых.

В дальнейшем в соответствии с этой гипотезой произошло впя- чивание (инвагинация) одной из сторон шарообразной колонии (как при гаструляции у ланцетника) и образовался гипотетический двухслойный организм, названный Геккелем гастреей, поскольку он похож на гаструлу.

Представления Э. Геккеля получили название теории гастреи. Несмотря на механистичность рассуждений Геккеля, отождествлявшего стадии онтогенеза со стадиями эволюции органического мира, теория гастреи сыграла важную роль в истории науки, так как способствовала утверждению монофилетических (из одного корня) представлений о происхождении многоклеточных.

Основу современных представлений о возникновении многоклеточных организмов составляет гипотеза И.И. Мечникова (1886) — гипотеза фагоцителлы. По предположению ученого, многоклеточные произошли от колониальных простейших — жгутиковых. Пример такой организации — ныне существующие колониальные жгутиковые типа вольвокс (рис. 21.6).

Среди клеток колонии выделяются локомоторные, снабженные жгутиками; питающие, фагоцитирующие добычу и уносящие ее внутрь колонии; половые, функцией которых является размножение. Первичным способом питания таких примитивных колоний был фагоцитоз. Клетки, захватившие добычу, перемещались внутрь колонии. Затем из них образовалась ткань — энтодерма, выполняющая пищеварительную функцию. Клетки, оставшиеся снаружи, выполняли функции восприятия внешних раздражений, защиты и движения. Из подобных клеток развивалась покровная ткань — эктодерма. Часть клеток специализировалась на выполнении функции размножения. Они стали половыми клетками. Так колония превратилась в примитивный, но целостный многоклеточный организм.

Потребность в увеличении скорости передвижения, необходимого для захвата пищи, благоприятствовала дальнейшей дифференциров- ке, что обеспечило эволюцию многоклеточных — животных и растений — и привело к увеличению многообразия форм живого.

Рис. 21.6. Вольвокс — колониальный организм, для которого характерна временная

специализация клеток

На схеме (рис. 21.7) изображены основные этапы химической и биологической эволюции.

Рис. 21.7. Схема перехода химической эволюции в биологическую

Таким образом, возникновение жизни на Земле носит закономерный характер, и ее появление связано с длительным процессом химической эволюции, происходившей на нашей планете. Формирование структуры, отграничивающей организм от окружающей среды, — мембраны с присущими ей свойствами — способствовало появлению живых организмов и ознаменовало начало биологической эволюции. Как простейшие живые организмы, возникшие более 3 млрд лет назад, так и более сложно устроенные в основе своей структурной организации имеют клетку.

Опорные точки

  • • Первыми живыми организмами на нашей планете были гетеротрофные прокариотические организмы.
  • • Истощение органических запасов первичного океана вызвало появление автотрофного типа питания, в частности фотосинтеза.
  • • Появление эукариотических организмов сопровождалось возникновением диплоидности и ограниченного оболочкой ядра.
  • • Симбиотическое происхождение эукариот подтверждается сходством генетического аппарата прокариот и кольцевых молекул ДНК митохондрий и пластид эукариотических клеток.
  • • На рубеже архейской и протерозойской эры произошли первые многоклеточные. В основе их происхождения лежат представления о специализации клеток колониальных одноклеточных организмов.

>Понятие об эволюции

Развитие эволюционных взглядов в науке

С самого начала развития человеческого познания сформировался комплекс тесно связанных между собой наук, которые занимались изучением природы. Этот комплекс получил название естествознание.

Уже в античные времена естествоиспытатели (тогда их называли натурфилософами) занимались описанием растений и животных. Длительное время в науке преобладал описательный метод познания. Но зачастую он приводил лишь к бессистемному, хаотическому накоплению научных фактов. Еще Аристотель и Тэофраст попытались систематизировать знания о живых организмах, разделив их на растения и животных. Карл Линней попытался создать стройную систему органического мира. Но длительное время ученые не могли объяснить причины видового многообразия живых организмов, механизм появления изменений в живых организмах.

Метафизические взгляды отрицают изменения в органическом мире. А креационизм предполагает вмешательство некоей силы – «Творца» в создание жизни и живых организмов. Обе теории не могут объяснить наличие ископаемых форм и причины их вымирания.

Теория трансформизма, возникшая на гребне промышленного переворота и социальных преобразований $XVIII – XIX$ веков, уже признавала возможность изменения видов и пыталась объяснить механизм этих изменений.

Идеи трансформизма нашли свое дальнейшее развитие в трудах знаменитого французского ученого Жана-Батиста Ламарка. Он впервые создал целостную теорию исторического развития флоры и фауны. Он активно выступал против метафизического постулата неизменности форм живого.

Ламарк допускал возможность самозарождения жизни из неживой природы. Усложнение организации живых организмов от низшей ступени к высшей в процессе эволюции Ламарк называл градацией. Но во взглядах Ламарка отражалось и идеалистическое мировоззрение. Так, например, эволюцию высших животных он объяснял стремлением к совершенствованию.

Замечание 1

Идеи ламаркизма, открытия в цитологии, достижения палеонтологии и личные наблюдения позволили выдающемуся британскому исследователю Чарльзу Дарвину разработать свою эволюционную теорию. Дарвиновская теория происхождения видов на долгие годы обеспечила биологическую науку надежным теоретическим фундаментом для дальнейших исследований.

Но человеческое познание не стоит на месте. Теория Дарвина уже не может объяснить новые факты. Поэтому в настоящее время общепризнанной является синтетическая теория эволюции (СТЭ). Она представляет собой, синтез классического дарвинизма и популяционной генетики. СТЭ позволяет объяснить связь материала эволюции (генетические мутации) и механизма эволюции (естественный отбор).

Эволюция

Эволюция в биологии — необратимое историческое развитие живой природы. Можно рассматривать эволюцию всей биосферы и отдельных сообществ, состоящих из животных, растений и микроорганизмов, эволюцию отдельных систематических групп и даже частей организмов — органов (например, развитие однопалой конечности лошади), тканей (например, мышечной, нервной), функций (дыхания, пищеварения) и даже отдельных белков (например, гемоглобина). Но в строгом смысле слова эволюционировать могут только организмы, совместно образующие популяции отдельных видов.

Эволюцию раньше часто противопоставляли революции — быстрым и значительным по масштабу изменениям. Но теперь стало ясно, что процесс развития живой природы слагается из изменений как постепенных, так и резких; как быстрых, так и длящихся миллионы лет.

Каковы характерные черты биологической эволюции?

Прежде всего — преемственность. С момента возникновения жизни новое возникает в живой природе не на пустом месте, не из ничего, а из старого. Нас и первые примитивные микроорганизмы, возникшие около 4 млрд. лет назад, связывает непрерывная цепочка поколений.


Гоминиды произошли от общего предка

Вторая особенность — возникновение в эволюционном процессе целесообразности. Все организмы, населяющие Землю, приспособлены к условиям, в которых они существуют. Все структуры их тел таковы, что они обеспечивают существование организма и воспроизводство потомства, чтобы продлить еще на одно звено цепочку поколений в будущее. Микроорганизмы могут, например, жить в кипящих вулканических источниках, в растворе серной кислоты и нефти, есть водоросли и насекомые, встречающиеся на снегу и поверхности ледников, крот так же хорошо приспособлен к жизни под землей, как стриж и ласточка — к быстрому полету. Сильные ноги, чуткие уши и острое обоняние оленя позволяют спастись от тигра, но и строение тела тигра дает ему возможность схватить неосторожного, или менее чуткого, или менее быстроногого оленя. И так же целесообразно строение паразита, цепляющегося своими коготками за шерсть тигра или же присосками за стенку его кишечника. Целесообразностью проникнута вся живая природа, и в этом ее отличие от неживой.
Не менее характерная черта эволюции — усложнение и совершенствование структур организмов от одной геологической эпохи к другой. Первое время на Земле существовали только микроорганизмы, затем появились одноклеточные — простейшие, потом многоклеточные беспозвоночные животные. За «веком рыб» наступил «век земноводных», потом «век пресмыкающихся», в основном динозавров, и, наконец, «век млекопитающих и птиц». Последние тысячелетия главенствующее место в биосфере стал завоевывать человек.
Это правило не абсолютно. Есть случаи, когда структура организмов не менялась в сторону усложнения миллионы, если не миллиарды, лет, как у бактерий, или же упрощалась, как у паразитов. И, тем не менее, явление усложнения существует и нуждается в объяснении, потому что оно на первый взгляд нарушает один из законов физики — второе начало термодинамики. Согласно ему все самостоятельно совершающиеся в природе процессы идут в сторону разрушения структур, снижения уровня сложности, увеличения доли беспорядка (энтропии) во всех системах. А эволюция идет наоборот — ведь человек устроен сложнее бактерии. Законы физики при этом, однако, не нарушаются, в эволюции происходит лишь местное усложнение системы, которое достигается ценой лишней затраты энергии на развитие организма. И больше всех живых организмов энергию расходует как раз человек.


Четыре способа видообразования: аллопатрическое, перипатрическое, парапатрическое и симпатрическо

Эволюция нам уже не представляется чем-то удивительным. Но так было далеко не всегда. Хотя еще древнегреческий мудрец Гераклит сказал: «Все течет», для людей средних веков, да и более близких к нашему времени живая природа казалась чем-то застывшим, неподвижным, раз и навсегда созданным господом богом в дни творения. Одиночки-бунтари подвергались гонениям, да и почти никого не убеждали. Тогда сильным доводом против эволюции казался, например, обнаруженный зоологами факт: кошки, мумии которых находились в египетских гробницах, ничем не отличались от современных. Так, ребенок, одну минуту глядящий на часы, утверждает, что часовая стрелка неподвижна. Ведь те немногие тысячи лет, отделяющие нас от строителей пирамид, в эволюции кошек не более чем одна секунда.

Не убеждали никого и остатки ископаемых животных, уже не существующих на Земле. В лучшем случае вполне серьезные ученые полагали, что мамонтов библейский Ной не взял в свой ковчег по недостатку места. Поэтому и был распространен термин «допотопные животные». Можно было чисто теоретически рассуждать о возможном изменении животных и растений из поколения в поколение. Но каковы механизмы этих изменений? В чем суть движущих сил эволюции? Этого никто не знал.

Французский натуралист Ж. Б. Ламарк в 1809 г. впервые изложил обстоятельно первую целостную эволюционную концепцию в труде «Философия зоологии». Однако он объяснил природу эволюции и ее движущие силы неудовлетворительно даже для того времени, и успеха его концепция (ламаркизм) не имела. Правда, в том или ином виде представления ламаркизма об эволюции то и дело всплывают, хотя настоящие ученые не принимают их всерьез.

Со времени Ламарка биология накопила огромное количество новых фактов, которые подтверждают существование эволюционного процесса. В 1859 г. английский натуралист Ч. Дарвин сформулировал первую научную теорию эволюции. Учение об эволюции продолжало развиваться. Разгадка законов наследственности и изменчивости и сочетание их с дарвинизмом дали современную теорию эволюции.

Источник: Энциклопедический словарь юного биолога. Составитель Аспиз М. Е. Издательство «Педагогика», Москва, 1985

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *