Вспомните, с именами каких ученых связано становление и развитие эволюционной идеи об историческом развитии органического мира на Земле.
Рис. 1. Шарль Бонне (1720-1793)
Людей всегда поражати «целесообразность» строения организмов. Согласно идеалистическим воззрениям причина этого заключается в акте божественного творения и изначально заложенном Творцом в организмах совершенном плане строения. Материалистические теории считают сложность строения организмов результатом действия существующих в природе эволюционных факторов. С совершенствованием методов исследования природы материалистические представления о строении и развитии организмов получали все больше доказательств. Постепенно оформилась эволюционная теория - основа современной биологии.
Эволюционная теория и ее место в биологии. Термин «эволюция» (от лат. evolutio - развертывание, развитие) впервые был использован в 1762 г. швейцарским натуралистом Шарлем Бонне для описания всеобщей непрерывной связи живой и неживой природы (рис. 1). Под эволюцией ученый подразумевал постепенное усложнение составных частей природы, переход от неживой материи к живой, от растений к животным, далее к человеку и бесплотным духам, что нашло отражение в предложенной им «лестнице существ». Позднее эволюцией стали обозначать процесс исторического развития живой природы.
Основной задачей эволюционной теории является познание причин и общих закономерностей развития органического мира. Идеи эволюции позволяют составить научную картину мира, предположить этапы развития живой природы на Земле. Сущность и возникновение жизни - вечные проблемы, которые не ограничиваются только рамками биологии, а рассматриваются всеми естественными науками.
В биологии эволюционная теория занимает особое место. Пройдя сложный путь развития от идеи трансформизма Ж. Бюффона, теорий Ж.Б. Ламарка и Ч. Дарвина до современных научных представлений о возникновении жизни, появлении приспособлений у организмов и видообразовании, эволюционная теория основывается на многочисленных данных, полученных различными методами исследования исторического развития органического мира на Земле.
Палеонтологические методы. Палеонтология изучает ископаемые организмы. К основным палеонтологическим методам изучения эволюции относят исследование переходных форм организмов и восстановление филогенетических рядов.
Переходные формы сочетают в себе признаки как древних, так и молодых систематических групп организмов. Их исследование позволяет восстановить историческое развитие организмов. Филогенетические ряды составляют из ископаемых форм, связанных эволюционным происхождением. Они отражают ход филогенеза, т.е. исторического развитие того или иного вида. Так, отечественный ученый-палеонтолог Владимир Онуфриевич Ковалевский воссоздал филогенетический ряд семейства Лошадиные (рис. 2). Согласно ему, предки современных лошадей обитали в лесах, имели небольшие размеры тела, четырехпалые конечности и однотипные зубы. В ходе эволюции увеличились размеры тела, конечности постепенно стали однопалыми, видоизменились зубы. Лошади перешли к жизни на открытых пространствах степей, приспособились к бегу и питанию грубой растительной пищей.
Рис. 2. Филогенетический ряд семейства Лошадиные
Биогеографические методы. Биогеография изучает закономерности распространения видов организмов на планете. Так, сравнение фаун и флор разных континентов позволяет выделить биогеографические области Земли (рис. 3). Для каждой области характерны определенные виды-эндемики (от греч. endemos - местный), не встречающиеся в других областях. Степень сходства и различий между видовыми составами разных биогеографических областей Земли объясняется историей формирования материков и временем их изоляции. Так, согласно теории дрейфа континентов значительное сходство фауны и флоры Евразии и Северной Америки обусловлено долгой связью между ними через сухопутный мост - Берингию. Своеобразие и уникальность фауны и флоры Австралийской области свидетельствует о раннем обособлении Австралии от материка Гондваны, образовавшейся в результате разделения древнего суперконтинента Пангеи.
Рис. 3. Биогеографические области Земли: 1 — Голарктическая; 2 — Неотропическая; 3 — Эфиопская; 4 — Мадагаскарская; о — Индо-Малайская; 6 — Австралийская
О животном и растительном мире прошлых эпох свидетельствуют также реликты - виды животных и растений с примитивными признаками, сохранившимися от вымерших групп (рис. 4).
Рис. 4. Виды-реликты: 1 — латимерия — кистеперая рыба; 2 — гинкго двулопастной — примитивное растение из голосеменных
Эмбриологические методы. В первой половине XIX в., изучая эмбриональное развитие различных позвоночных животных, отечественный ученый Карл Максимович Бэр установил закон зародышевого сходства. Этот закон гласит, что на ранних стадиях зародышевого развития организмы сходны с соответствующими стадиями развития предковых и родственных форм. Так, признаки типа образуются у зародышей, например, хордовых, раньше, чем специальные признаки классов (рис. 5). На первой стадии все зародыши имеют жаберные щели, хорду и двухкамерное сердце. На второй стадии появляются особенности, характерные для каждого класса, и лишь на третьей стадии формируются признаки отрядов, родов и видов.
Рис. 5. Зародыши разных классов позвоночных животных: 1 — костные рыбы (треска); 2 — земноводные (саламандра); 3 — пресмыкающиеся (черепаха); 4 — птицы (голубь); 5,6 — млекопитающие (крыса и человек)
Эмбриологические методы изучения эволюции позволили установить связи между индивидуальным развитием организмов - онтогенезом и историческим развитием систематических групп - филогенезом. Так, в середине XIX в. немецкий ученый Фриц Мюллер, проведя ряд наблюдений за развитием ракообразных, предположил, что их предки могли быть похожи на личинок современных форм. Позднее другой немецкий биолог - Эрнст Геккель - на основании открытий, сделанных Мюллером, составил первое филогенетическое древо животного мира и сформулировал биогенетический закон: онтогенез особи есть краткое и быстрое повторение ее филогенеза.
Согласно биогенетическому закону Геккеля-Мюллера в индивидуальном развитии любого вида на ранних стадиях обнаруживаются черты древних предковых форм, а на более поздних стадиях - эволюционно молодые. Например, головастик лягушки повторяет стадию рыб в развитии земноводных, а гусеница бабочки - червеобразную стадию предков насекомых.
Сравнительно-анатомические и морфологические методы. Эти методы основаны на принципе «чем ближе родство, тем больше сходство». Например, общий план строения всех позвоночных животных обнаруживает наличие у них двусторонней симметрии тела, осевого скелета, трубчатой нервной системы и т.п. Доказательства эволюции можно получить, изучая гомологичные, аналогичные, рудиментарные органы и атавизмы у организмов.
Гомологичные органы (от греч. homologia - согласие) имеют сходный план строения, развиваются из одинаковых зародышевых зачатков, выполняют у организмов как сходные, так и различные функции. Примером гомологичных органов служат конечности представителей различных отрядов млекопитающих, развившихся в процессе эволюции из одинаковых зародышевых зачатков и приспособленных к выполнению различных функций (рис. 6).
Рис. 6. Гомологичные органы: 1 — рука человека; 2 — ласт кита; 3— крыло летучей мыши; 4 - роющая конечность крота
Аналогичные органы (от греч. analogia - подобие) выполняют одинаковые функции, но не имеют единого плана строения и развиваются из разных зародышевых зачатков. Так, органы защиты от поедания - колючки барбариса являются видоизмененными листьями, а аналогичные им колючки боярышника - видоизменными побегами (рис. 7).
Рис. 7. Аналогичные органы: 1 - бегательные конечности млекопитающего (а — собака) и насекомого (б — жужелица); 2 — колючки барбариса (листья, слева) и колючки боярышника (побеги, справа)
Рудиментарные органы (от лат. rudimentum - зачаток) утратили в процессе эволюции свое первоначальное значение. Они закладываются в период эмбрионального развития, но полностью не развиваются. Например, рудименты тазовых костей в скелете кита (рис. 8) подтверждают факт происхождения этого животного от предков с конечностями.
Атавизмы (от лат. atavus - предок) - появление у организмов признаков предков, утраченных в ходе эволюции. Причина развития атавизмов кроется в наличие у особей генов предков, отвечающих за развитие атавистических признаков. В норме их функции блокируют гены-подавители. Если этого не происходит, гены предков активизируются, в результате чего у организмов и развиваются атавизмы.
В отличие от рудиментов, которые встречаются у всех особей какого-либо вида, атавизмы появляются только у единичных его представителей.
Рис. 8. Рудименты тазовых костей в скелете кита
Молекулярно-биохические методы. Молекулярный анализ клеток различных организмов показал, что все они имеют сходный химический состав. В них встречаются одни и те же органические вещества - белки, углеводы, липиды, нуклеиновые кислоты. В состав белков тел организмов входят 20 обязательных аминокислот. У представителей разных систематических групп встречаются сходные по строению и составу белки. Так, белки- ферменты дыхательной цепи митохондрий одинаковы у бактерий, грибов, растений и животных. Универсальность генетического кода также доказывает эволюционное родство организмов, существующих на Земле.
Молекулярно-биохимические методы изучения эволюции по сравнению с другими методами имеют два преимущества. Во-первых, полученная на молекулярном уровне информация легко поддается количественной оценке. Во-вторых, с помощью этих методов можно сравнивать очень далеких в эволюционном родстве организмы, например, бабочку и обезьяну.
Универсальных методов изучения эволюции нет. Для получения наиболее точной картины необходимо использовать все имеющиеся в арсенале современной науки методы, т.е. подходить комплексно к изучению исторического развития органического мира на Земле.
Эволюционная теория, методы изучения эволюции: палеонтологические, биогеографические, эмбриологические, сравнительно-анатомические, морфологические, молекулярно-биохимические, переходные формы, филогенетические ряды, виды-эндемики, виды-реликты, закон зародышевого сходства, биогенетический закон, органы: гомологичные, аналогичные, рудиментарные, атавизмы.
1. Каково значение эволюционной теории для биологии? 2. В чем заключается сущность палеонтологических методов изучения эволюции? Что такое переходные формы и филогенетические ряды? 3. Какие данные дает биогеография для изучения эволюции? 4. Что такое виды-эндемики и виды-реликты? 5. Какие данные дает эмбриология для изучения эволюции? В чем сущность закона зародышевого сходства и биогенетического закона? 6. Какие органы называют гомологичными, аналогичными и рудиментарными? Приведите их примеры. 7. Что такое атавизмы? Что доказывают случаи появления у организмов атавизмов? На чем основаны молекулярно-биохимические методы изучения эволюции?