Термины и понятия: палеонтология; последовательность ископаемых форм; биостратиграфия; реликты; рудименты; атавизмы; закон зародышевого сходства; биогенетический закон; молекулярная филогения.
Нужно ли доказывать реальность биологической эволюции. Многочисленные исследования учёных разных областей биологии, а также смежных наук с неизбежностью приводят к мысли о реальности эволюции и признании её таким же научным фактом, как и любых других биологических процессов: индивидуального развития, полового размножения, фотосинтеза или мышечного сокращения. Именно объективность феномена эволюции обусловливает необходимость его такого же детального изучения, как и любого другого экспериментально доказанного биологического явления.
Исторические изменения организмов, экосистем и биосферы в целом являются предметом исследований учёных всех экономически развитых стран мира вне зависимости от государственного устройства и религии. Ежегодно в мировой периодике появляются тысячи статей, в которых проясняются детали исторического развития живой природы.
Если история естествознания насчитывает не менее 2,5 тыс. лет, то идее исторического развития природы не более 300. Впервые идею развития материального мира высказал немецкий философ Иммануил Кант (1724-1804), распространив её на становление Вселенной. Рациональное обоснование идеи развития дал другой немецкий философ - Георг Вильгельм Фридрих Гегель (1770-1831), сформулировавший законы диалектической логики. Тем не менее, дискуссия о реальности биологической эволюции ведётся и сегодня, хотя этот вопрос давно перешёл из рамок биологии в область общественного сознания. Поэтому необходимо чётко знать доказательства объективности исторического развития живой природы и методы изучения эволюционных процессов.
Доказательства эволюции. Данные палеонтологии — науки о вымершей фауне (от лат. Фауна — богиня лесов, полей, покровительница животных) и флоре (от лат. Флора — богиня цветов и весны) и об ископаемых останках животных и растений, следует считать самыми весомыми аргументами в доказательстве реальности эволюционного процесса. Факты этой науки убедительны ещё и потому, что смены древних флор и фаун происходили в соответствии с геологическими эпохами (от греч. еnохе — остановка), каждая из которых отражала определённый период истории Земли. Как известно, проблемой определения возраста Земли занимается не биология, а геология. Поэтому доказательства исторического развития жизни на Земле, полученные к тому же специалистами совершенно иной области естествознания, особенно убедительны.
Главным палеонтологическим доказательством реальности эволюции являются не просто находки древних вымерших животных или растений, а то, что эти ископаемые остатки образуют последовательность ископаемых форм, соответствующую процессу эволюционных преобразований определённой группы организмов (рис. 164).
К примеру, если конечность древнего предка лошади, возраст которого оценивают в 100 млн лет, сравнить с конечностью современной лошади, то найти в них общее трудно: в первом случае — типичная конечность пятипалого типа, свойственная большинству современных млекопитающих, во втором — конечность с одним третьим пальцем (рис. 165). Тем не менее, находки на обширных пространствах Северной Евразии множества промежуточных по своему строению ископаемых форм показывают, что на самом деле мы видим два крайних варианта одного и того же эволюционного ряда.
Рис. 164. Последовательность ископаемых форм, соответствующая процессу последовательных эволюционных преобразований ископаемого рода брюхоногих моллюсков.
Чем древнее ископаемые остатки, тем глубже они залегают в слоях Земли. Именно эта последовательность залегания позволяет отследить, как одни виды сменяли другие. Поэтому при палеонтологических раскопках землю снимают слой за слоем. При этом чётко фиксируют, в каком слое и в какой последовательности найдены те или иные остатки. Самыми подходящими объектами для изучения эволюционного ряда вымерших форм служат остатки животных с твёрдым скелетом, в котором обычно хорошо отражаются признаки вида. Чаще всего это моллюски или млекопитающие. Зная геологический возраст слоёв земли, можно в миллионах лет определить период, в котором жил вид. По мере накопления данных и восстановления последовательности ископаемых форм появляется возможность решить обратную задачу — определить возраст слоёв земли по фрагментам костей ископаемых форм. Это направление исследования истории Земли оказалось настолько плодотворным, что на стыке геологии и биологии возникла отдельная наука — биостратиграфия (от греч. биос, лат. стратум — слой, настил и греч. графо — пишу, рисую).
Современная палеонтология обладает арсеналом и других методов, с помощью которых можно строго доказать наличие последовательных рядов ископаемых форм. Одним из самых точных является метод радиоавтографии, основанный на периодах полураспада радиоактивного изотопа С14.
«Живые ископаемые». За миллионы лет от некогда живых существ в лучшем случае остаются только окаменевшие фрагменты останков, поэтому перед палеонтологами стоит сложная задача воссоздать облик целого организма, зачастую по единственной детали. Такие реконструкции во многом зависят от подготовки, знаний и воображения исследователя, потому отчасти субъективны и вызывают сомнения у скептиков. Поэтому особую ценность в качестве доказательства правильности палеонтологических реконструкций представляют «живые ископаемые», или реликты (от лат. реликтум — остаток) — дожившие до наших дней виды или группы близких видов древнего происхождения, которые характеризуются рядом признаков вымерших животных или растений прошлых геологических эпох.
Рис. 165. Историческая последовательность развития однопалой конечности лошадей от древних до современных.
Реликтами в царстве животных (рис. 166) являются мечехвосты — гигантские морские членистоногие, достигающие 60 см в длину; кистепёрая рыба латимерия (вспомните: кистепёрые рыбы считаются предками земноводных); рептилия гаттерия, внешне напоминающая ящерицу (она сохранилась на нескольких мелких островах недалеко от Новой Зеландии); яйцекладущие млекопитающие (утконос и ехидна), объединяющие признаки рептилий и млекопитающих (вспомните, что это за признаки).
В царстве растений реликтом считается гинкго двулопастный (рис. 167). Его ещё называют священным деревом. Этому представителю реликтовой флоры голосеменных около 300 млн лет.
Данные о строении организмов. Одним из ключевых положений сравнительной анатомии — науки, изучающей строения тел разных видов организмов и их закономерности, является принцип: чем ближе родство организмов, тем выше их сходство по гомологичным (от греч. гомология — соответствие) признакам. Какие органы или структуры тела называют гомологичными?
Прежде всего те, которые имеют общий план строения, развиваются в эмбриогенезе из одних зачатков и обычно выполняют одну и ту же функцию.
Гомологичными, например, являются парные конечности всех позвоночных (рис. 168), развивающиеся из одних и тех же зачатков, а у наземных позвоночных (амфибий, рептилий, птиц и млекопитающих) — состоящие из одних и тех же костей, которые крепятся к осевому скелету при помощи поясов конечностей. Конечности членистоногих (ракообразных, пауков, насекомых) только аналогичны (от греч. аналогия — схожесть) лапам наземных позвоночных. Они выполняют ту же функцию, будучи органами локомоции, но являются производными наружного скелета — кутикулы. Аналогичными органами также являются крылья птиц и бабочек, глаза головоногих моллюсков и млекопитающих (рис. 169).
Примером внешне совсем не похожих гомологичных органов растений, выполняющих разные функции, являются многочисленные случаи видоизменений листовых пластинок: усики гороха, стеблевые чешуйки хвоща, колючки барбариса, чешуйки на корневище и почечные чешуйки, характерные для большинства цветковых растений. Удивительный переходный ряд от лепестков к тычинкам кувшинки наглядно доказывает, каким образом в процессе эволюции возникли тычинки. У растений также можно найти множество аналогичных органов. Например, колючки барбариса возникают из листьев, белой акации — из прилистников, боярышника — из побегов, а у ежевики — это производные коры.
Рис. 166. «Живые ископаемые» — реликты среди животных; а — мечехвост; б — латимерия; в — гаттерия; г — утконос.
Рис. 167. Реликтовый вид гинкго двулопастный относят к голосеменным растениям.
Рис. 168. Конечности позвоночных животных — типичный пример гомологичного признака. Передние конечности: а — амфибии; б — черепахи; в — фазана; г — морского льва.
Принцип «чем большее сходство гомологичных органов, тем сильнее родство» легко продемонстрировать на примере бабочки капустницы. Особи этого представителя типа членистоногих имеют две пары крыльев, значит вид связан родственными узами со всеми крылатыми членистоногими - насекомыми. Крылья покрыты чешуйками - капустница ближе к чешуекрылым собратьям. Крылья большие, заметные, бабочка складывает их вместе, следовательно, неоспоримо её родство с дневными бабочками. Жилки крыльев вздутые, а чешуйки белые - понятно, что это член семейства белянок. А близкородственность капустницы с репницей или бркжвенницей следует из того, что эти виды отличаются только деталями окраски - количеством и размещением пятен на крыльях.
Рис. 169. Аналогичные органы: а — глаз кальмара; б — глаз коровы.
Убедительными доказательствами процесса эволюции являются рудименты (от лат. рудиментум — зачаток) и атавизмы (от лат. атавус — предок) — недоразвитые органы или структуры тела, утратившие своё функциональное значение. Отличие рудиментарных органов от атавизмов заключается в том, что первые встречаются у всех особей данного вида без исключения, тогда как вторые — у единичных экземпляров. Типичными примерами рудиментарных органов животных являются редукция таза у китообразных или крыльев у нелетающей птицы киви, живущей в Новой Зеландии (рис. 170).
Рис. 170. Новозеландская птица киви, у которой крылья являются рудиментами.
Рудиментарные органы и атавизмы есть и у человека. Их наличие доказывает изменяемость человека как биологического вида и указывает на его родственную связь с остальными млекопитающими. Рудиментами являются ушные мышцы и подкожная мускулатура (вспомните: с помощью подкожной мускулатуры ежи сворачиваются в клубок, а у кошек и собак шерсть встает «дыбом», тогда как у человека сохранилась только способность образовывать «гусиную кожу»). Примерами атавизма можно назвать случаи появления у людей рудиментарного хвоста, мощного волосяного покрова на теле и наличие не двух, а нескольких пар сосков.
На первый взгляд, наличие рудиментарных органов - это ничто иное, как подтверждение теории Ламарка об упражнении органов и наследовании приобретённых при жизни свойств. Действительно, если организм перестаёт использовать какую-то часть своего тела, то в ряду поколений она постепенно утрачивается. Современная генетика даёт следующее объяснение этому интересному эволюционному феномену. Оказывается, в генах, отвечающих за развитие неработающего органа, накапливаются рецессивные мутации, что приводит к его недоразвитию. Если же без активной работы органа жизнедеятельность невозможна, то особи с любыми мутациями в этих генах будут иметь низкую приспособленность и соответственно отсекаться естественным отбором. В результате мутации генов, отвечающих за развитие жизненно важных органов, не накапливаются.
Данные эмбриологии также относятся к прямым доказательствам реальности эволюционного процесса.
Прежде всего, его доказывает закон зародышевого сходства, сформулированный выдающимся натуралистом Карлом Максимовичем (Ернестом) Бэром (1792—1876) в первой половине XIX ст. следующим образом: «Чем более ранние стадии индивидуального развития исследуются, тем больше сходства обнаруживается между разными организмами». Основаниями послужили следующие факты. Известно, что на ранних стадиях развития эмбрионы позвоночных не отличаются друг от друга. Только со средины эмбриогенеза у зародышей появляются признаки, характерные для рыб и амфибий, а ещё позже — признаки, характерные для рептилий, птиц и млекопитающих. Очевидно, в данном случае зародышевое сходство свидетельствует об общности происхождения и единстве начальных этапов эволюции позвоночных, в том числе и человека.
Рис. 171. Зародыши разных видов позвоночных на разных (I—III) стадиях развития: 1 —рыба; 2 — саламандра; 3 — черепаха; 4 — курица; 5 — свинья; 6 — корова; 7 — кролик; 8 — человек.
Основываясь на приведённых выше фактах, уже во второй половине того же столетия немецкие учёные Фриц Мюллер (1822—1897) и Эрнст Геккель (1834—1919) сформулировали биогенетический закон, согласно которому каждая особь в своём индивидуальном развитии повторяет историю развития своего вида. Обычно этот закон формулируют очень кратко: «онтогенез — это быстрое повторение филогенеза».
Например, все многоклеточные животные проходят в своём развитии одноклеточную стадию, что может рассматриваться как свидетельство происхождения многоклеточных от одноклеточных, затем стадию одного слоя — бластулы. Так устроены самые примитивные многоклеточные — колониальные организмы (вспомните вольвокс). Следующий этап развития — двухслойный мешок (гаструла). Этой стадии соответствует организация двухслойных животных — кишечнополостных. Повторение черт строения предковых форм можно отметить и в других случаях (рис. 171).
Наглядной иллюстрацией правильности биогенетического закона является жизненный цикл бесхвостых амфибий. Оказывается, совсем не обязательно изучать ископаемые останки древних рыб, чтобы понять — земноводные произошли от рыб. Для этого достаточно изучить строение личинок лягушек — головастиков. Они, так же, как и рыбы, имеют хвост, непарные плавники, жабры, двухкамерное сердце, один круг кровообращения и даже особый орган чувств — боковую линию.
Молекулярно-генетические данные. Одним из главных в биологии является принцип единства химического состава живых организмов. Причём в основе биохимической универсальности живого лежат две группы веществ: белки и нуклеиновые кислоты. Проведённые в последние десятилетия исследования показали, что родственность видов чётко отражается в их сходстве на уровне первичной структуры ДНК и белков. Получается следующая тенденция: чем родственнее виды друг другу и чем выше их анатомическое сходство, тем более гомологичными у них являются первичная структура белков и последовательность ДНК. Оказывается, ДНК человека одинакова с ДНК шимпанзе на 98 %.
Различия между видами на уровне первичной структуры ДНК и белков вызваны точковыми мутациями и чётко соответствуют родственности сравниваемых видов. Это позволяет однозначно определить генетические (родственные) взаимоотношения между сравниваемыми видами и таким образом воссоздавать эволюцию и реконструировать филогению групп организмов, обходясь при этом без палеонтологического материала. Это направление исследований названо молекулярной филогенией. Молекулярные данные, как известно, получают экспериментальным путём. Их легко формализовать, а результаты выразить в виде чётких и понятных цифр, отражающих процент одинаковых последовательностей нуклеотидов или аминокислот двух сравниваемых видов (чем больше' одинаковых последовательностей — тем виды генетически ближе друг к другу).
Важным итогом применения молекулярных данных стало совпадение в большинстве случаев родственных связей, полученных при помощи молекулярной филогениии методами сравнительной анатомии, эмбриологии и палеонтологии, а это, в конечном счёте, подтверждает объективность эволюционных событий.
Методы эволюционных исследований. Современная биологическая наука обладает арсеналом методов изучения эволюции.
Геологические и палеонтологические методы исследования связаны с изучением истории Земли, сменами флор и фаун в разные геологические эпохи. Как никакие другие, они позволяют произвести реконструкцию исторического развития живого на Земле.
Анатомические и эмбриологические методы до самого недавнего времени оставались главными средствами, благодаря которым удавалось установить механизмы и факторы эволюции организмов, определить эволюционные связи между ними.
Молекулярно-генетические методы являются ключевыми в современных эволюционных исследованиях. Считается, что развитие эволюционной теории определяется насыщением её генетическими идеями и методами. Кроме того, эти методы дают возможность чётко и однозначно определить родственные связи между организмами, изучить эволюционные процессы на молекулярном уровне.
Биогеографические методы основаны на изучении закономерностей географического распределения животных и растений на Земле, которые определяются историческими факторами. Например, зоологам давно известно, что в южной части Австралии и в Южной Америке обитают самые древние виды млекопитающих из ныне живущих (подумайте, о каких видах зверей идёт речь), эволюционно молодые населяют Северную Евразию и Северную Америку, а в тропических экваториальных зонах Земли представлена средняя по возрасту фауна млекопитающих.
Поскольку любые процессы протекают не только во времени, но и в пространстве, то исследования биогеографов (возникновение биогеографических областей, распределение видов по поверхности Земли, формирование островных фаун) дают очень ценную информацию и эволюционнистам.
Трудно переоценить значение экологических методов исследований в понимании эволюционных процессов. Ведь согласно дарвинизму, эволюция — процесс возникновения различных приспособлений, которые вырабатываются в процессе взаимодействия организмов с окружающей средой и закрепляются генетически. Кроме того, биологическая эволюция — не только историческое развитие организмов: образование новых видов, родов, семейств и таксонов ещё более высокого уровня, но и эволюция экосистем и биосферы. Изучать эти процессы можно только методами экологии.
Эволюция — историческое развитие живого на Земле — не гипотеза, а неопровержимый научный факт. Его подтверждают непосредственные наблюдения и методы разных наук.
Проверьте себя
1. Почему палеонтологические данные являются одними из самых надёжных доказательств эволюции? 2. Какие организмы называют реликтовыми? 3, Какие органы называют аналогичными, а какие гомологичными? 4. В чём состоит суть биогенетического закона? 5 Что это за направление - молекулярная филогения?
Как вы считаете?
1. Почему большинство видов древних фаун и флор вымерли, а некоторые виды сохранились, став реликтами? 2 Назовите рудиментарные органы растений, животных и человека, не указанные в тексте учебника. £. Как можно изучить эволюционные явления во время летних каникул, отдыхая, например, на даче?