Термины и понятия: антидарвинизм.
Прокариоты как иллюстрация эволюции, происходящей в наши дни.
Главной методической проблемой эволюционных исследований является косвенный характер получаемых результатов и доказательств высказываемых гипотез. Действительно, проанализировать элементарное эволюционное явление — отследить изменение частот аллельных генов ряда локусов в популяциях — не проблема. Достаточно нескольких лет, в крайнем случае — одного десятилетия, чтобы при исследовании, например, популяций дрозофилы, получить убедительные результаты, доказывающие, что частота аллеля а, определяющего красный цвет глаз, снижается, а ген б, отвечающий за розовый цвет глаз, встречается всё чаще. Однако они не дают прямых доказательств того, что это — эволюционное событие, начальный этап видообразования и что через значительное время вместо дрозофил с красными глазами данную местность заселят особи нового вида, ключевым признаком которых станет розовый цвет глаз.
Чтобы доказать, что динамика генов — это реальное эволюционное событие, необходимо изучить изменения генетической структуры десятков тысяч поколений. Такое исследование растянется на тысячелетия. Очевидно, что современная генетика, которой едва исполнилось 100 лет, не может располагать данными за такой период. Поэтому актуальными становятся исследования эволюционных процессов, протекающих в «наши дни».
В этой связи особое значение имеют исследования существ с очень коротким жизненным циклом, размножающихся с огромной скоростью. Эволюционные преобразования у них протекают буквально «на глазах». Такими организмами являются бактерии (рис. 191). За сутки в оптимальных условиях одна бактерия может дать начало нескольким десяткам поколений (как вы помните, деление у бактерий в благоприятных условиях происходит каждые 20 минут). За неделю в идеальных для жизни условиях сменятся уже сотни, за месяц — тысячи поколений бактерий. Считают, что именно столько поколений необходимо видам многоклеточных существ для возникновения хотя бы первичных необратимых микроэволюционных изменений. Если это так, то в специально спланированных экспериментах с прокариотическими организмами можно доказать, что эволюция продолжается и сейчас.
Один из таких экспериментов был проведён с колониями кишечной палочки (бактерией-сапрофитом, обитающей в кишечнике человека).
Сначала на специальной среде в отдельных колбах основали 12 колоний. Питательным веществом в этой среде были глюкоза и соединения лимонной кислоты, которую в аэробных условиях кишечная палочка не усваивает. Эксперимент длился 20 лет. За это время сменилось 44 тысячи поколений. До 30-тысячного поколения никаких изменений в колониях не наблюдали, но с 31-го в одной из популяций пошёл бурный рост, обусловленный тем, что местные бактерии обрели способность усваивать цитрат. Расчёты показали, что где-то на уровне 20-тысячного поколения, вероятно, у одной особи произошла мутация, которая позволила этой бактерии и её потомству питаться не только глюкозой, но и цитратом. Это дало им селективное преимущество по сравнению с обычными членами колонии.
Рис. 191. Бактерии размножаются быстрее любого другого организма, а потому являются идеальным объектом доказательства существования эволюции в наше время.
Постепенно таких мутантов становилось всё больше и больше и к 31-тысячному поколению они полностью вытеснили остальные бактерии. Очевидно, если подобная мутация произойдёт в природе и отдельные бактерии получат возможность усваивать новый субстрат, это даст им и их потомкам преимущество в борьбе за существование с другими особями и в конечном счёте приведёт к образованию нового вида.
Ещё одним доказательством наблюдаемой эволюции бактерий является выработка ими устойчивости к антибиотикам. Особенно опасными для здоровья людей стали устойчивые к антибиотикам штаммы (от нем. штамм — основа, ствол) туберкулёзной палочки и золотистого стафилококка, появление которых явилось прямым результатом действия естественного отбора, при котором выживают наиболее устойчивые к антибиотикам бактерии.
Удивительную способность к эволюции под действием отбора на устойчивость к различным пестицидам демонстрируют насекомые. За последние 50 лет зарегистрировано 2500 случаев таких эволюционных адаптаций, за которыми стоят генетические изменения - мутации, вызвавшие резистентность насекомых к ядам, подхваченные естественным отбором.
Другие случаи наблюдаемой эволюции видов. Если проводить наблюдения за популяциями видов, находящимися под сильным антропогенным прессом, на протяжении 50—70 лет, можно отметить существенные изменения не только в численности и структуре популяций, скорости роста, темпах созревания и т. д. слагающих их особей, но и в их фенотипах. Например, исследования, проведённые в речных системах Украины, показали, что особи черноморско-азовской сельди, заходящие на нерест в Дунай, за вторую половину XX ст. и первое десятилетие XXI ст. резко увеличились в размерах, у них изменилась форма тела, удлинились плавники, произошли изменения ряда других признаков. В Днепре, где нарушения экосистем выражены в гораздо большей степени, чем в Дунае, сельди изменились ещё больше и стали совсем не похожи на тех небольших селёдочек, которых добывали здесь в 30-х годах XX столетия, когда они были массовым видом. Подобные изменения касаются не только сельдей, но и других видов рыб Черноморско-Азовского региона, ставшего зоной негативного влияния человека.
Эволюционные изменения очень часто наблюдаются у организмов, переселённых в новые места обитания. Широко известен случай, когда у стенной ящерицы (рис. 192), обитающей в Средиземноморье, при переселении с одного соседнего острова на другой всего за несколько десятилетий изменились форма и размер головы, увеличилась сила укуса, а в кишечнике появился особый клапан, не характерный для этого вида вообще.
Рис. 192. Так выглядит ящерица стенная, способная быстро эволюционировать.
Очень часто переселившиеся организмы начинают гибридизировать с местными близкими видами. Как следствие генетические преобразования в гибридных популяциях ускоряются во много раз и нередко завершаются мгновенным видообразованием (вспомните, как размножаются виды, возникшие в результате такого способа видообразования). Такая ситуация сложилась с обычными рыбами наших водоёмов — карасями. В 60-х годах XX ст. в водоёмы Украины завезли карася китайского, который стал легко гибридизировать с местным видом — карасём золотым. Образующиеся гибриды имели свой особый генотип и ряд внешних признаков, зачастую были полиплоидами и характеризовались особой формой мейоза. Нередко они образовывали изолированные популяции. В настоящее время карась китайский стал одним из массовых пресноводных видов рыб, а карась золотой — исчезающим видом, занесённым в Красную книгу. Причиной угнетения последнего вида, как считают специалисты, могла стать и гибридизация (рис. 193).
Рис. 193. Естественная гибридизация двух видов карасей привела к почти полному уничтожению популяций одного из них: а — карась золотой — вид, внесённый в Красную книгу Украины; б — карась китайский — вид, чужеродный для фауны Украины; в — межвидовой гибрид.
Приведённый случай не является исключительным. В настоящее время в Европе известно порядка 10 тыс. чужеродных видов животных, растений и грибов, завезённых человеком, многие гибридизируют со своими европейскими сородичами, что ведёт к существенным необратимым изменениям генофонда их популяций.
Таким образом, научный опыт свидетельствует, что найти и доказать наличие эволюционных преобразований, происходящих прямо сейчас, не составляет труда: необходимо поставить перед собой такую задачу, выбрать подходящий объект и методы исследования, а затем провести на протяжении определённого периода детальные наблюдения. Результаты таких научных изысканий особенно актуальны ныне, когда влияние человека на природу с каждым годом становится всё сильнее, и многие виды организмов должны приспосабливаться к совершенно новой для них обстановке.
Дискуссионные вопросы в современной эволюционной биологии. В любой науке всегда остаются нерешённые вопросы, ни одна теория не поясняет абсолютно все случаи, законы и правила обязательно имеют исключения. Похожая ситуация постепенно сложилась и в синтетической теории эволюции. Многие учёные получили факты, противоречащие теории естественного отбора. В результате в эволюционной биологии даже возникла группа научных течений, общим для которых является отрицание ведущей роли естественного отбора в эволюции. Эти направления эволюционной биологии принято называть антидарвинизмом. Вот некоторые из положений СТЭ, вызывающие наибольшую дискуссию.
1. Многочисленные эксперименты подтвердили, что в природе на самом деле может происходить отбор: при сильном воздействии каких-либо факторов в популяции действительно чаще выживают особи определённого генотипа. Однако более детальные исследования показали, что, тем не менее, в природе не существует самых приспособленных особей. Дело в том, что условия окружающей среды динамичны, и на один организм действует множество разнонаправленных факторов. Поэтому получается, что к одному фактору (например, зимней стуже) особь конкретного генотипа действительно может быть приспособлена лучше остальных, что обеспечивает ей повышенные шансы на выживание, зато к другому (например, засухе), наоборот, хуже. Причём, чем сильнее выражено преимущество организма в одном случае, тем уязвимее он в другом. В результате все нормально развитые особи в популяции в среднем оказываются одинаково приспособленными и имеют равные шансы и на выживание, и на то, чтобы оставить потомство. Как показывает практика, чаще выживают самые обычные особи, не имеющие каких-либо заметных селективных преимуществ перед остальными.
2. Ещё один дискуссионный вопрос синтетической теории эволюции: могут ли мутации вызывать благоприятные изменения в организме. Мутация — такая же поломка генома, как, например, прокол колеса в автомобиле. А могут ли поломки быть материалом для прогресса? Многие исследователи считают, что реально в эволюции имеют смысл только так называемые нейтральные мутации, не приводящие к каким-либо изменениям в свойствах белка, функционировании генома или всего организма. Любые другие мутации, полагают они, в конечном счёте только снижают приспособленность особи, а потому не могут быть исходным материалом для прогрессивной эволюции. Некоторые учёные пошли ещё дальше. Они считают, что материалом для эволюции служат не мутации структурных генов, а изменения генных регуляций, включения одних генов и выключения других в процессе онтогенеза.
3. Ключевое место в дискуссиях эволюционистов занимает вопрос «взаимоотношений» микроэволюции и макроэволюций. Многие исследователи считают, что макроэволюция происходит совсем не по тем же правилам, что и микроэволюция. Как главный механизм макроэволюции они рассматривают не накопление мутаций, несущих позитивные изменения, а нарушения обычного хода онтогенеза, сопровождающиеся изменениями срока или места закладки органа или структуры. Причём эти изменения в зависимости от стадии онтогенеза могут приводить к эволюционным последствиям разного масштаба. Особенно ценный материал для создания новых направлений филогенеза дают изменения на начальных стадиях формообразования, что может привести к коренной перестройке всего организма. Одним из таких случаев раннего изменения онтогенеза является превращение двудольного зародыша в однодольный, что привело к формированию целого класса.
Важным механизмом макроэволюции на уровне таксонов высокой иерархии считают неотению (вспомните: так называется размножение организмов на личиночных стадиях). Именно с неотенией связывают редукцию гаметофита, что привело к возникновению семенных растений. Есть все основания считать, что хордовые произошли от неотенических личинок асцидий — неподвижных морских животных, внешне напоминающих губок (рис. 194). Асцидии широко известны бесцветной гемолимфой, в которой содержатся ионы ванадия.
Рис. 194. Асцидия — примитивный представитель типа Хордовые. Во взрослом состоянии существо неподвижное (а), тогда как личинка (б) ведёт плавающий образ жизни. Считается, что именно из личинок асцидий путём неотении пошла дальнейшая эволюция всех остальных хордовых.
4. Биологическая эволюция — не только эволюция организмов, но и эволюция экосистем и биосферы, а теория естественного отбора вообще не затрагивает эти вопросы. Особенности экосистем во многом определяются видовым составом и уровнем организации живых существ. Например, можно догадываться, что представляли собой экосистемы и биосфера до возникновения многоклеточных организмов и как они с тех пор изменились. В современной экологии чётко определены некоторые закономерности и механизмы исторических изменений группировок организмов. Эти знания особенно актуальны в наши дни, когда влияние человека на природу приобрело биосферный характер.
Ни одно естественнонаучное обобщение (закон, теория, принцип) не является вечной истиной. Его следует рассматривать только как определённый этап, ступеньку познания живой природы. Научная значимость таких обобщений определяется тем, насколько они в своё время стимулировали развитие науки. В этой связи значение теории Дарвина трудно переоценить. Она, без сомнения, дала один из самых сильных толчков развитию современной биологии.
Эволюционные процессы продолжаются и в наше время. Они представляют собой различные преобразования, в том числе и генетические, которые можно отследить и доказать при специальных наблюдениях на протяжении нескольких десятилетий.
Ныне теория Дарвина, несмотря на ряд дискуссионных положений, является основной эволюционной теорией, правильность которой признаёт большинство учёных-биологов.
Проверьте себя
1. Почему прокариотические организмы являются удачным объектом эволюционных экспериментов? 2. Какие наблюдения за многоклеточными организмами доказывают, что эволюция продолжается и в наше время? 3. Какие положения СТЭ вызывают наибольшие споры? 4. Каких учёных называют антидарвинистами?
Как вы считаете?
1. Почему факт элементарного эволюционного явления не может считаться доказательством эволюции? 2. Может ли происходить эволюция биосферы без изменения разнообразия видов или обязательным является возникновение новых таксонов?