МЕХАНИЗМЫ ЭВОЛЮЦИОННОГО ПРОЦЕССА

РАЗВИТИЕ ЭВОЛЮЦИОННЫХ ПРЕДСТАВЛЕНИЙ

 

     Ученые разных времен и народов всегда волновали проблемы происхождения человека, возникновения жизни на земле, многообразия живых существ и их удивительной приспособленности к окружающей среде.

      Первые идеи об единстве живой и неживой природы появились на Древнем Востоке. Их разделяли некоторые философы Древней Греции и Рима (о превращении одних организмов в другие, развитие высших форм от низших). Но эти идеи противоречили существовавшим философиям иудаизма и христианства (о едином акте творения - ……и сказал Бог, да будет…..). Все существующие точки зрения о эволюции, можно объединить в две группы:

 

- ТРАНСФОРМИСТЫ- допускали возможность превращения одного вида в другой.

- КРЕАЦИОНИСТЫ – утверждали, что « все от Бога», говорили о неизменности видов.

 

    Споры шли на протяжении многих веков, вплоть до второй трети ХIХ века. Почему? Спорящие стороны в спорах не привлекали нового фактического материала и их дискуссии носили схоластический характер. Эпоха великих географических открытий познакомила европейцев с поразительным многообразием жизни в тропиках и привела к возникновению гербариев (Рим, Флоренция, Болонья) в ХVI веке; ботанических садов (Англия, Франция); кунсткамер и зоологических музеев (Нидерланды, Англия, Швеция) и позволила привлечь для доказательств много фактического материала.

     К концу ХVII века многообразие описанных форм было настолько велико, что в мире естественных наук началась путаница. Возникла необходимость систематизировать полученные данные.

 Различных «классификаций», «систем» было предложено множество, но только одна была относительно удачной. Автором первой системы органического мира был шведский натуралист Карл Линней. Он разделил все живые организмы на систематические группы. Выделил самую элементарную систематическую группу – ВИД. Близкие виды объединил в РОДЫ, схожие роды - в ОТРЯДЫ, отряды – в КЛАССЫ. В построении системы органического мира К. Линнея прослеживается принцип иерархичности (соподчинения): мелкие группы объединяются в крупные, крупные группы объединяются в еще более крупные. И второй важный момент: для обозначения вида (его названия) Линней использовал два латинских слова. Первое слово – название рода (имя существительное), второе – название вида (имя прилагательное). Такой принцип описания называется принципом «двойной номенклатуры».

 

         Например:       Род    Капуста

                                       Вид    Капуста белокачанная

 

     Кроме этого К. Линней поместил человека в отряд приматов, нанеся удар об исключительности человека, «высшем существе». Это все положительные стороны в работе шведского ученого К. Линнея, но есть и отрицательные (ошибки): при систематизации живых организмов он использовал всего 1-2 признака, чтобы отнести этот организм в ту или иную группу ; сам ученый был сторонником креационисткого учения о эволюции и считал, что видов столько, сколько их «…создало Бесконечное существо…».

     На этом период развития эволюционных представлений, который по праву считают Линнеевским - закончился.

     Первая концепция эволюции была высказана французским испытателем Ж.Б. Ламарком в вводных лекциях по курсу зоологии в 1802-1806 годах. А в 1809 он изложил свою теорию в известном труде «Философия зоологии».

     Положительные стороны теории Ламарка : особое внимание он обращал на изменяемости видов во времени. Ламарк считал, что существующие виды должны со временем превращаться в новые, более совершенные. Это развитие шло от простых форм к сложным (как по ступенькам). Даже известна «лестница Ламарка» на которой он отразил это развитие.

 

Ошибки французского естествоиспытателя: Ламарк утверждал, что изменения среды всегда вызывают у организмов полезные изменения; эти полезные признаки всегда передаются по наследству; а также, внутренне организм всегда стремится к самосовершенствованию («…желание животного ведет к усиленному притоку крови к органу и других флюидов к той части тела, к которой направлено желание….». Такие высказывания Ламарка вызывали довольно таки сильную критику, но несмотря ни на что, этот период в развитии представлений о эволюции называется Ламарковским.

 

        В России того времени также находились сторонники идеи эволюции органического мира. М.В. Ломоносов утверждал, что изменения неживой природы ведет к изменению растений и животных. А.Н. Радищев поддерживал предположение, что природа развивается от простых существ к сложным. К.Ф. Рулье разделял взгляды Ламарка и для доказательства эволюции привел описание вымерших и ныне живущих организмов.

  

       Революционный переворот в естествознании произвела подлинно научная теория эволюции, разработанная Ч. Дарвином. Уже свыше 100 лет это учение остается наиболее верным и получает подтверждение и развитие. Что же способствовало развитию этой теории? Социально-экономические (1) и научные (2) предпосылки возникновения эволюционного учения.

1. В первой половине XIX в странах Западной Европы, особенно в Англии, интенсивно развивался капитализм, которых стимулировал развитие науки. Спрос промышленности на сырье и населения растущих городов на продукты питания способствовал развитию селекции. Впечатляющие успехи практической деятельности человека по преобразованию домашних растений и животных, косвенно, но убедительно свидетельствовали против представления о неизменности видов в природе.

 

2. Большую роль в подготовке дарвинизма сыграли конкретные исследования и ряд теоретических обобщений, разработанных в XVIII – начале XIX века:

- Кювье создал палеонтологию, заложил основы геохронологии;

- Гете и Бронн представили данные сравнительной морфологии и анатомии, которые свидетельствовали о едином плане строения позвоночных животных;

- К. фон Бэр провел исследования сравнительной эмбриологии, которые приводили к мысли о единстве происхождения хордовых животных.

- Т. Шван и Шлейден заложили клеточную теорию, которая убеждала в единстве происхождения растительного и животного мира;

- И. Кант заложил основы представлений о возможности эволюции космических тел;

- Ч. Лайель разработал теорию эволюции Земли.

-

Эти и другие факты никак не согласовывались с учением о неизменности мира и ждали научного объяснения. Гениальный ум Ч. Дарвина сумел обобщить огромный фактический материал, связать стройной системой рассуждений. Далее наступает Дарвиновский период в развитии представлений об эволюции органического мира.

Чарльз Дарвин. Родился в 1809 году. Английский естествоиспытатель, внук натурфилософа, врача и поэта Эразма Дарвина (автора трансформистких сочинений «Зоология, или Законы органической жизни» и «храм природы или происхождение общества»).

1824-1827 годы Ч. Дарвин изучает медицину в университете Эдинбурга.

1827-1831 годы он изучает теологию в Кембридже (где получает степень бакалавра)

1826-1827 годы - первые научные доклады в Плиниевском обществе. Натуралистическое образование получает под руководством ботаника Генсло и геолога Сержвика. Ч. Лайель оказывал большое внимание на взгляды Дарвина.

 

1831-1836 голы Дарвин совершает кругосветное путешествие на корабле «Бигль» в составе группы английских ученых. В Ю. Америке сравнивает остатки вымерших ленивцев и броненосцев с ныне живущими и предполагает их родство. На Галапагосских островах, вулканического происхождения, обнаруживает нигде больше не встречающихся, но очень похожих на южноамериканские виды птиц, черепах, ящериц. Возникает вопрос: «Господь сотворил для каждого острова свой вид?». Чарльз Дарвин делает вывод: животные попали на острова с материка и изменились в результате приспособления к новым условиям обитания - принцип дивергенции.

   Дивергенция - расхождение признаков у потомков общего предка

 

    1837 год Ч. Дарвин становится убежденным эволюционистом и начинает искать движущие факторы эволюции.

    1939 год публикует описание кругосветного путешествия.

    1839-46 издает 5-ти томный труд, где отражает зоологические и геологические результаты своего кругосветного путешествия.

    1842 год делает первый набросок «Происхождения видов»

    1844 год начинает рукопись книги «Происхождения видов», кроме этого ведет огромную научную работу, ведет занятия и т.п.

 

    Лето 1858 года готово 10 глав сочинения «Происхождения видов», но 18 июня 1858 года Ч. Дарвин получает рукопись Альфреда Уоллеса, в которой тот независимо от              Дарвина формулирует принцип естественного отбора. Дарвин решает представить рукопись Уоллеса в печать, умолчав о своей работе. Но по настоянию друзей и соратников Ч. Дарвин и А. Уоллес   вместе делают доклады на заседании Лондонского зоологического общества и публикую их в 1858 году.

     1858 год – год рождения эволюционной теории!

 

     1859 году издается первый труд Ч. Дарвина «Происхождение видов путем естественного отбора или сохранение благоприятствующих рас (форм, пород) в борьбе за жизнь»

      1866 год – издается второй труд «Изменение домашних животных и культурных растений» (теоретические основы селекции).

      1871 год выходит третья книга «Происхождение человека и половой отбор»

      19 апреля 1882 года Чарльз Дарвин умер. Он похоронен в Вестминстерском аббатстве.

 

         Основные положения учения Ч. Дарвина (движущие силы эволюции)

 

1. Наследственная изменчивость.

2. Борьба за существование.

3. Естественный отбор.

 

Результаты действия движущих сил эволюции:

 

1. Приспособленность видов

2. Многообразие видов.

 

Учение Дарвина не нуждается в нематериальных факторах и, следовательно, живой природе присущи самодвижение и саморазвитие.

 

Начало XX века – зарождается новая наука – генетика, она изучает наследственную изменчивость и подводит генетическую основу под эволюционное учение Ч. Дарвина.

20-е годы XX столетия происходит объединение генетики и эволюционной теории.

30-40 годы XX века – период становления синтетической теории эволюции (СТЭ).

1942 год вводится термин СТЭ (синтетическая теория эволюции) по названию одноименной книги Хаксли.

 

   Современная наука обладает очень многими фактами, доказывающими существование эволюционного процесса. Это данные биохимии, генетики, эмбриологии, анатомии, систематики и многих других дисциплин.

 

                                        Цитологические доказательства эволюции

 

    Цитология - наука о клетке, показывает, что все организмы (от вирусов до человека) имеют близкий элементарный химический состав. Белки и нуклеиновые кислоты построены по единому принципу и из сходных компонентов, а также выполняют схожие функции. Единый принцип генетического кодирования, биосинтеза белков и нуклеиновых кислот наблюдается у всех организмов. У большинства АТФ – аккумулятор энергии. Един также принцип расщепления сахаров и энергетический цикл клетки. Большинство организмов имеют клеточное строение. Строение клеток всех организмов сходно. Процессы жизнедеятельности клеток также сходны. Деление клеток – митоз, а в половых клетках- мейоз наблюдается у всех эукариот. Возникает вопрос: случайное это совпадение? Ответ: это результат общности происхождения.

 

                                      Эмбриологические доказательства эволюции

 

    Эмбриологические доказательства эволюционного процесса представляет эмбриология – наука,   изучающая зародышевое развитие организмов.

    Процесс образования половых клеток (гаметогенез) сходен у всех многоклеточных организмов. Все организмы развиваются из одной диплоидной клетки – зиготы. Все многоклеточные животные проходят в ходе индивидуального развития стадии бластулы и гаструлы. Сходство зародышей на ранних стадиях развития у позвоночных животных тоже говорит о единстве происхождения. Они имеют вначале хорду, потом позвоночник. Жаберные щели и одинаковые отделы тела (голову, туловище, хвост). Различия появляются по мере развития. Кроме этого можно добавить закладку зубов у беззубых китов, закладку крыльев у новозеландской птицы без крыльев – киви. Вопрос: зачем они закладываются, если во взрослом состоянии их нет? Ответ: они были у предков, сейчас не нужны.

 

  Связь между индивидуальным развитием (онтогенез) и историческим развитием (филогенезом) выявили немецкие зоологи Ф. Мюллер (1864) и Э. Геккель (1866) и выразили в биогенетическом законе: ОНТОГЕНЕЗ КРАТКО ПОВТОРЯЕТ ФИЛОГЕНЕЗ. Позднее А.Н. Северцов (1866-1936) уточнил и дополнил положения биогенетического закона: в онтогенезе обычно повторяется строение не взрослых предков, а их зародышей, при этом отдельные этапы исторического развития.

 

                    Сравнительно-анатомические доказательства эволюции

 

   Сравнительная анатомия – наука о сравнительном строении живых организмов показывает общность строения и происхождения живых организмов.

 

   Позвоночные животные:

- имеют двухстроннюю симметрию;

- общий план строения скелета, черепа, передних и задних конечностей;

- общий план строения головного мозга и всех основных систем.

 

   Единство происхождения и эволюция подтверждаются строением гомологичных органов, рудиментов, атавизмов и переходных форм.

   ГОМОЛОГИЧНЫЕ ОРГАНЫ – сходны по строению и происхождению независимо от выполняемых функций (передние конечности некоторых позвоночных животных).

 

 

  

 

 

Гомологичные органы развиваются из одних и тех же зачатков и имеют единую основу строения. Гомологичные органы образуются в результате дивергенции.

 

     АНАЛОГИЧНЫЕ ОРГАНЫ – органы, выполняющие одинаковые функции и внешне похожие, но имеющие разное происхождение (крыло птицы и бабочки, жабры рыбы и речного рака; роющие конечности крота и медведки). Аналогичные органы возникли в результате конвергенции – схождения признаков в более или менее одинаковых условиях.

      

 

          

 

 

                                                                                                    

 

      

 

           

РУДИМЕНТЫ – недоразвитые органы, утратившие в процессе эволюции свое значение и находящиеся в стадии исчезновения ( хвостовые позвонки у человека, задние конечности у кита, третье веко у человека, аппендикс у человека).

 

           

 

             

 

 

 

     АТАВИЗМЫ – появление у отдельных организмов признаков предков (хвостатость и многососковость у человека, волосатость на лицевой части головы у человека)

 

          

 

    ПЕРЕХОДНЫЕ ФОРМЫ помогают понять степень родства крупных систематических групп. Они соединяют в своем строении признаки разных классов Например, ехидна и утконос – температура непостоянная, откладывают яйца как пресмыкающиеся; выкармливают детенышей молоком как млекопитающие. Например, эвглена зеленая – питается в темноте как животное, а на свету фотосинтезирует, так как имеет зеленый пигмент – хлорофилл.

 

         

 

   

 

 

                                  Палеонтологические доказательства эволюции

 

Палеонтология – наука, занимающаяся изучением ископаемых остатков вымерших и ныне живущих организмов.

Основатель этой науки – Ж. Кювье (1769-1832). На данный момент обнаружены последовательные ряды ископаемых форм различных животных. Такие ряды видов, последовательно сменяющихся, называют филогенетическими. Они свидетельствуют о существовании эволюционного процесса. Палеонтология дает много фактического материала в виде ископаемых останков и отпечатки.

 

                               Биогеографические доказательства эволюции

 

    Сравнение флоры и фауны разных континентов представило следующие доказательства в пользу эволюции. Во время путешествий все ученые были поражены сходством фауны некоторых материков (С. Америки и Евразии). Уоллес привел все сведения в систему и выделил 6 зоогеографических зон (областей).

 

                 

 

 

    В чем причины сходства? Очевидно, они связаны с историей формирования материков и временем их изоляции. Чем теснее связь континентов, тем более родственные формы там обитают. Чем древнее изоляция частей света друг от друга, тем больше отличия.

     Для понимания эволюционного процесса интерес представляют фауна и флора островов. Они полностью зависят от истории происхождения островов (материковые или океанические) Материковые острова близки по составу с материком, однако чем древнее остров, тем больше отличий (Британские острова – молодые, поэтому флора и фауна на них совсем не отличается от материка; о. Мадагаскар – старый, там нет типичных для Африки животных, но много лемуров, которые жили в Африке очень давно).

    Океанические острова бедны растительным и животным разнообразием. Их флора и фауна – результат случайного занесения и почти все виды эндемичны (т.е. нигде больше не встречаются).

 

                               

 

       В основе эволюционной теории Ч.Дарвина лежит представление о виде – как элементарной структурной единице всего живого и механизмах превращения одного вида в другой. Так что же такое вид и насколько реально его существование в природе?

       ВИД – совокупность особей, обладающих наследственным сходством морфологических и физиологических особенностей, свободно скрещивающихся и дающих плодовитое потомство, имеющих единое происхождение, приспособленных к определенным условиям жизни и занимающих в природе определенный ареал.

 

Вид существует во времени:

- он возникает

- распространяется (в период расцвета)

- он может сохраняться неопределенно долгое время в устойчивом, почти неизменном состоянии (реликтовые виды) или непрерывно изменяться

 

 

 Конечная судьба вида различна:

- одни со временем исчезают не оставляя новых ветвей

- другие дают начало новым видам

 

     Вид – основная категория (таксонометрическая единица – таксон) в биологической классификации. К. Линней, заложивший основы систематики растений и животных, ввел для обозначения вида двойную (бинарную) номенклатуру. (см. предыдущий материал). Кроме этого обязательно сокращенно указывается фамилия автора, впервые описавшего этот вид. Например:

 

                  Род - собственно собаки (Canis)

                  Виды - Волк обыкновенный (Canis lupus L.)

                                    Собака домашняя ( Canis familiaris L.)

               

 

    Отношения разных ученых к виду:

 

К. Линней – отмечал, что число видов постоянно, виды неизменны.

Ж.Б. Ламарк – утверждал, что все преобразования идут в этой группе (внутри вида).

Ч. Дарвин был согласен с точкой зрения Ламарка.

 

       В природе одни виды отличаются от других группами признаков, называемых критериями вида. Ни один из критериев не является абсолютным, поэтому для правильного выделения вида надо использовать максимально возможное их число.

1. Морфологический критерий определят сходство внешнего и внутреннего строения особей. Это самый древний критерий, был основным до ХХ века. Однако существует множество фактического материала о видах-двойниках. Внешне они очень схожи, но в природе не скрещиваются из-за разных хромосомных наборов. Например: существуют два вида «крыса черная». У одного 38 хромосом – обитают к западу от Индии. У другого вида – 42 хромосомы – обитает к востоку от Индии. Другой пример: малярийный комар. Под этим термином известная целая группа внешне неразличимых видов-двойников.

 

           

 

2. Генетический критерий – характерный набор хромосом (число, размеры, форма), обеспечивающий возможность полового размножения и плодовитого потомства. Особи разных видов с неодинаковым набором хромосом не скрещиваются, что создает репродуктивную изоляцию вида и поддерживает его целостность. Механизм репродуктивной изоляции защищает генофонд вида от вредных комбинаций генов. Генофонд – совокупность всех генов данного вида.

3. Географический критерий – каждый вид занимает определенный ареал (пространство).

Одни вида могут быть широко распространены, а другие эндемичны (с ограниченным ареалом). Виды,  возникшие в одном ареале могут его расширить или изменить. Секвойя вечнозеленая в меловом периоде произрастала по всему Северному полушарию, а сейчас вид-эндемик, произрастает на Калифорнийском побережье Северной Америки. Существуют виды с совпадающими ареалами (совместно живущими на одной территории). Виды-космополиты занимают огромные пространства, но,  правда свободно перемещаться могут не все особи внутри этого ареала. Степень подвижности особей выражается расстоянием, на которое может перемещаться животное, т.е. радиус индивидуальной активности ( у растений – это расстояние рассеивания пыльцы; у виноградной улитки несколько десятков метров; у оленя – более 100 км; у ондатры – несколько сот метров и т.д.).

4. Экологический критерий – отличие в способах питания, места обитания (волки, обитающие в тундре и волки, обитающие в лесостепной зоне,  имеют разные особенности жизни).

5.  Этологический критерий – особенности поведения, особенно в период спаривания, различия в брачных песнях, голосах (дальневосточные зуйки, маленькие птички напоминающие воробья, во время брачных игр дергают хвостиком перед самочкой, завлекая ее. Танец практически одинаковый, но самец одного вида дергает хвостиком 3 раза в танце, а самец другого вида – 2 раза. Для самочек это существенное отличие.

 

 

   

 

 

      

6. Физиологический критерий – сходство процессов жизнедеятельности, один из факторов репродуктивной изоляции.

7. Биохимический критерий – способность образовывать специфичные белки, что связано со специфичностью нуклеиновых кислот.

 

  Некоторые из этих критериев можно назвать более или менее точными (генетический, физиологический, биохимический), а некоторые неточными (морфологический, географический, экологический, этологический). Но только совокупность всех критериев позволяет определить принадлежность организма к тому или иному виду.

 

                                                             Структура вида

 

    В природе виды хорошо изолированы друг от друга. Однако особи каждого вида внутри ареала распространены неравномерно. В его пределах места благоприятные для обитания чередуются с участками неблагоприятными для жизни. Поэтому внутри ареала вид распадается на более мелкие группы – популяции.

    Популяция – естественная совокупность свободно скрещивающихся особей одного вида, занимающих определенную часть ареала.

    Популяция состоит из особей разного возраста и пола, которые скрещиваются чаще, чем с особями другой популяции.

     Особи одной популяции имеют больше сходства, чем особи разных популяций одного вида.

 

 

 Численность особей популяции может колебаться, границы обитания тоже. Малочисленная популяция может исчезнуть. Могут смешиваться популяции? Да. На границах мест обитания. Но это происходит редко (например: когда исчезает географическая изоляция – река высыхает, гора разрушается и т.п.) и может привести к изменению генотипа популяций. Чаще всего смешение популяций невозможно так, как мешает географическая изоляция (леса, гора, река).

 

     Что такое подвид? Существуют крупные популяции вида, занимающие большой ареал и создаются условия (например: сильная отдаленность) в связи с чем, формируются другие условия обитания. Эта группа обособляется, приспосабливаясь к этим условиям и формируется подвид. Например: белка обыкновенная – ареал обитания – территория всей России. Встретиться белке из Подмосковья и Дальнего Востока невозможно. Поэтому существует около 20 подвидов белки обыкновенной. Такой же пример можно привести с лисой, обитающей на территории России.

 

МЕХАНИЗМЫ ЭВОЛЮЦИОННОГО ПРОЦЕССА

 

     Ч. Дарвин в своем классическом труде «Происхождение видов» выделил главные движущие силы (факторы) эволюционного процесса: наследственная изменчивость, борьба за существование; естественный отбор. Кроме того, он указал на важную роль ограничения свободного скрещивания особей вследствие их изоляции друг от друга.

     Современная эволюционная теория исходит из того, что элементарной эволюционной единицей является популяция (минимальная ячейка, способная исторически изменяться – эволюционировать).

     Все вышеперечисленные факторы эволюционного процесса оказывают давление на популяцию и в результате внутри популяции происходят эволюционные изменения.

     Рассмотрим по очереди все факторы эволюционного процесса и результаты действия движущих сил эволюции.

Наследственная изменчивость

          Все особи одного вида животных и растений в большей или меньшей степени отличаются друг от друга.

 

   

 

 

Причиной тому - наследственная изменчивость (изменения признаков организма, которые определяются генотипом и сохраняются в ряду поколений, т. е. передается по наследству). Виды наследственной изменчивости: мутационная и комбинативная.

Мутационная изменчивость

В основе мутационной изменчивости лежат мутации (случайно возникшие изменения генотипа). Мутации могут быть полезными, вредными и нейтральными.

По характеру изменений мутации бывают:

1. Геномные мутации – изменения числа хромосом – больше или меньше на одну хромосому или кратное увеличение числа хромосом (полиплоидия). Хромосомный набор увеличивается в разы: 3n , 4n , 5n , 6n , 7n.

 

                             

 

 

2. Хромосомные мутации – перестройки хромосом, когда отдельные ее части (гены) меняются свою последовательность и т.д.

               

 

3. Генные, или точковые мутации – изменение последовательности нуклеотидов в молекуле ДНК

 

По месту нахождения мутации бывают:

1. Генные мутации – мутации в половых клетках (гаметах)

2. Соматические мутации – мутации в соматических клетках (не половых)

По природе происхождения мутации бывают:

1. Естественные мутации – мутации, возникающие в природе, под воздействием природных (естественных) факторов

2. Искусственные (индуцированные) мутации – мутации, вызываемые искусственно (человеком).

 

Факторы, вызывающие мутации называют мутагенами. Они бывают различной природы: химические (химические вещества), механические (вибрация), физические (радиация) и т.п.

Количество изменений, полученных искусственным путем, полученных естественным путем.

 

Комбинативная изменчивость

В основе комбинативной изменчивости лежит половой процесс. В результате слияния

мужской и женской половых клеток, происходит объединение признаков сразу двух родительских особей,  и следовательно, потомство будет отличаться от  родителей.

 

Различное сочетание генов возникает в результате:

  1. Независимое расхождение гомологичных хромосом, в результате которого появляются различные типы гамет, и следовательно, различные генотипы.

Родительские особи: желтые семена               х      зеленые семена

(растение - горох)   гладкая форма                           морщинистая форма

Потомство: желтые           желтые             зеленые             зеленые

                                    гладкие        морщинистые        гладкие       морщинистые

  1. Рекомбинация генов (перекрест хромосом – кроссинговер) также обеспечивает различное сочетание генов и получение различных сочетаний в гаметах.

 

                      

  1. Случайная встреча гамет при оплодотворении обеспечивает происхождение разных генотипов.

                                   

 

Все три явления действуют независимо или совместно.

          Громадное генотипическое и, следовательно, фенотипическое разнообразие в природных популяциях является тем исходным эволюционным материалом, с которого начинается эволюционный процесс. Следовательно, наследственная изменчивость – основа разнообразия всех живых организмов.

                       

Борьба за существование

       Все живые существа, потенциально,  способны производить большое количество себе подобных.

Например: за 10 лет потомство одной особи одуванчика покрыло бы землю толщиной 20 см; осетр живет 50 лет и каждый год мечет почти 300000 икринок, выметывая за свою жизнь более 15 млн икринок; пара слонов за весь период приносит не более 6 детенышей, но за 750 лет потомство этой пары могло бы дать жизнь 19 млн особей.

        Какой можно сделать вывод?  

        Особей в популяции появляется во много раз больше, чем может существовать на занимаемой ею территории. Возникает несоответствие между численностью и средствами к жизни (кормовой базой) которое приводит к борьбе за существование (БЗС).

        Под выражением «борьба за существование» понимают сложные и многообразные отношения особей внутри видов, между видами и борьбу с неблагоприятными условиями. Дарвин различал три формы БЗС.

 

Формы борьбы за существование (по Ч. Дарвину):

 

  1. Внутривидовая
  2. Межвидовая
  3. Борьба с неблагоприятными условиями жизни

 

 

         Внутривидовая борьба происходит между особями одной популяции любого вида за пищу, убежище и др. Примеры: состязание между хищниками за добычу; соперничество из-за территории, из-за самки; у растений соперничество из-за света, воды.

 

            

 

       

 

 

При большой численности популяции чаек, взрослые чайки уничтожают часть птенцов. Но чтобы у вас не сложилось впечатление, что животные только уничтожают друг друга приведем примеры взаимопомощи: если кит ранен, то его собратья помогают ему долгое время удерживаться на плаву. Это тоже своего рода внутривидовые взаимоотношения. В природе у многих видов выработались приспособления, помогающее избежать конкуренции: самцы метят свою территорию, пингвины живут семьями. Это тоже внутривидовые взаимоотношения.

       Таким образом, внутривидовая борьба сопровождается гибелью части особей вида. Однако в целом это способствует совершенствованию вида в целом. В живых остаются наиболее приспособленные.

 

        Межвидовая борьба происходит между особями разных видов. Например: два вида на одной территории (сорняк и культурное растение, ель и береза). Идет борьба за свет, воду. Или отношения «хищник – жертва» (волк и заяц). Также можно привести пример взаимоотношений «паразит – хозяин» (паразитический червь и человек). Это тоже пример межвидовой борьбы. Возможны и такие взаимоотношения между видами, когда один вид способствует процветанию другого (распространение плодов и семян птицами и животными). Взаимовыгодные отношения (симбиоз) у растений семейства бобовых и азотфиксирующих бактерий. Примеров можно привести много.

        Влияет ли межвидовая борьба на внутривидовую? Да. Усиливает. В погоне за зайцем (межвидовая борьба) кто выигрывает? Самый быстрый волк, с хорошим чутьем. Именно он будет сытый, даст потомство и всех выкормит. А слабый волк либо умрет с голода, но может и принесет потомство, хотя оно тоже будет слабое и не выживет.

              

 

 

 

      Борьба с неблагоприятными условиями жизни также усиливает внутривидовую борьбу. Какие могут быть неблагоприятные условия: недостаток воды, света, холод, ветер,

Избыток воды и др. Как живые организмы ведут с этим борьбу. У растений в пустыне редуцируются листовые пластинки, корни становятся длинные и т.п. Растения в тундре низкорослые. Выживет тот,  у кого корень длиннее, кто меньше ростом.

          Человек может использовать различные взаимоотношения в живой природе:

 

- Метод биологической борьбы с вредителями сельскохозяйственных культур основан на взаимоотношениях «хищник – жертва» (межвидовая борьба);

- Севообороты на полях со сменой культур – бобовые и другие с/х растения;

- При искусственных лесопосадках вносят в почву гифы грибов (симбиотические взаимоотношения между деревьями и грибами);

- Для искусственного разведения рыб, сначала удаляют из водоема хищных и малоценные виды, а затем заполняют водоем высокопродуктивными породами рыб и пополняют кормовую базу таким образом исключают отношения «хищник-жертва» и «конкуренцию»)

- Регулирование хищников при ведении лесного хозяйства;

- Использование антибиотиков (эти вещества вырабатываются низшими грибами для своей защиты, а мы их применяем для защиты от возбудителей болезней)

- Фитонциды ( выделяются растениями для защиты, и мы едим , например лук, для защиты от возбудителей болезней).

 

Естественный отбор

       Естественный отбор – процесс,  происходящий в природе, в результате которого выживают и оставляют потомство в конкретных условиях среды особи с полезными для данного вида признаками и свойствами. Материалом для естественного отбора служат индивидуальные наследственные изменения (мутации и комбинации).

       Творческая роль естественного отбора заключается в том, что в процессе эволюции он сохраняет и накапливает из разноплановых изменений наиболее соответствующие условиям среды и полезные для вида.

                                                Формы естественного отбора.

       Движущая форма отбора. Ее описал Ч. Дарвин, показав, что в изменившихся условиях среды большую возможность выжить и оставить потомство имеют особи, генотипы которых обеспечивают формирование новых, наиболее отвечающих этим условиям признаков. Движущий отбор приводит к образованию новых популяций, а затем видов. Примеры: в Англии в Плимутской бухте живет популяция крабов,  и некоторое время назад ученые заметили, что щели, через которые вода омывает жабры стали узкими. Почему? В связи с замусоренностью бухты, вода содержала много мелких частиц,  и они застревали в жабрах, приводив к гибели крабов. Выжили те особи, у которых жаберные щели были узкими. Другой пример – так называемый индустриальный меланизм. Многие виды бабочек в районах, не подвергнутых индустриализации, имеют светлую окраску тела и крыльев. Развитие промышленности, связанное с этим загрязнение стволов деревьев и гибель лишайников, живущих на коре, привели к резкому возрастанию частоты встречаемости черных (меланистилических) бабочек. В окрестностях некоторых городов черные бабочки за короткое время стали преобладающими, хотя недавно отсутствовали.

 

           

 

      Причина в том, что на потемневших стволах деревьев белые бабочки стали заметнее, а черные, наоборот, менее заметны. Примеров можно привести достаточно много, чтобы убедиться в том, что движущая форма отбора существует. Естественный отбор до тех пор смещает среднее значение признака или меняет частоту встречаемости особей с измененным признаком, пока популяция приспособится к новым условиям. Это движение можно отобразить графически:

 

 

 

 

     Стабилизирующую форму отбора впервые описал И.И. Шмальгаузен. Приспособленность к определенным условиям среды не означает прекращение действия отбора в популяции. Поскольку в популяции всегда осуществляется наследственная изменчивость, то постоянно возникают особи с существенными отклонениями от среднего значения признака. Стабилизирующая форма отбора направлена в пользу установившегося в популяции среднего значения признака. Пример: во время снегопада и шквального ветра в Северной Америке погибло большое количество воробьев. Когда ученые исследовали тушки погибших воробьев то выяснили, что погибло очень  много птиц с длинными крыльями или наоборот короткими, а птиц со средним размером крыла в погибших почти не было. Почему? Среднее крыло было приспособлено к постоянным ветрам в этой области, птиц с большим крылом сносило ветром, а с маленьким крылом они не могли сопротивляться воздушному потоку и погибали. Среднее значение признака оказалось идеальным в тех условиях. Графически эту картину можно отобразить так:

 

          

 

        Таким образом, стабилизирующий отбор фиксирует, закрепляет полезные признаки и формы в относительно постоянных условиях среды. Мутации, отклоняющиеся от установленной нормы, в таких условиях оказываются менее жизнеспособны и уничтожаются отбором.

        Реальность стабилизирующего отбора подтверждается существованием относительно стабильных в определенных условиях древних форм (кистеперые рыбы, реликтовое растение – гинкго, потомок первоящеров – гаттерия).

   

 

       Стабилизирующий отбор ведет к большой фенотипической однородности популяции. Нового вида не образуется, наоборот закрепляются признаки данного вида.

 

       Дестабилизирующая форма отбора. Если стабилизирующий отбор сужает норму реакции, то дестабилизирующий отдает предпочтение особям с широкой нормой реакции.

В природе нередки случаи, когда экологическая ниша, которую занимает данная популяция, со временем может оказаться более широкой. В этом случае преимущество получат особи в общем сохраняющие среднее значение признака и при этом обладающие широкой нормой реакции. Пример: популяция озерных лягушек, живущих в прудах с разнообразной освещенностью. Чередуются заросшие ряской участки и «окна» открытой воды. В такой популяции будут встречаться лягушки различной окраски и более светлые и более темные (на все случаи жизни). Дестабилизирующую форму отбора графически можно изобразить так:

 

       Разрывающий (дизруптивный) отбор. Для многих популяций характерен полиморфизм – существование двух или более форм по тому или иному признаку. Эта форма отбора осуществляется в тех случаях, когда две или более генетические формы обладают преимуществом в разных условиях (например - в разные сезоны года).

При изучении двухточечной божьей коровки выяснилось, что зимой выживают преимущественно «красные» формы двухточечной божьей коровки, а летом – «черные» формы. Графически это выглядит следующим образом:

 

           

      Дизруптивный отбор благоприятствует более чем одному фенотипу и направлен против средних (промежуточных) форм. Он как бы разрывает популяцию по данному признаку на несколько групп, встречающихся на одной территории.

 

                

                   Рис. Две формы бабочки пестрокрыльницы изменчивой (слева-весенняя, справа – летняя)

 

      Кроме перечисленных факторов эволюционного процесса (наследственной изменчивости, борьбы за существование, естественного отбора) в природе осуществляется генетический дрейф и изоляция, которые также могут привести к образованию новых видов, т. Е. Являются факторами эволюционного процесса.

 

          

                                               Дрейф генов – фактор эволюции

  В природных условиях периодические колебания численности различных организмов очень распространены. Вспомните хотя бы периодические нашествия полевок, мышей или саранчи, приносившие человечеству огромные убытки. Раньше это объяснялось наказанием божьим за грехи человеческие. В наши дни такого масштаба     «мышиной напасти» уже не бывает, люди научились регулировать численность грызунов. Но факт остается фактом: периодически численность,   то одного вида, то другого возрастает, потом уменьшается.

    В 1905 году С.С. Четвериков опубликовал работу под заглавием «Волны жизни», в которой раскрыл значение колебаний численности популяций – популяционных волн, или «волн жизни», для эволюции. Причины колебания численности популяций бывают различными:

- Немалую роль играют хищники, численность которых колеблется пропорционально росту и убыли популяции грызунов. Например, чем больше зайцев, тем больше потомства приносят волки, лисы и рыси. Когда популяция зайцев идет на убыль, хищники уходят в поисках пищи в другие места. На старом месте остается ровно столько хищных животных, сколько может прокормиться. Графически такое колебание численности можно отразить следующим образом:

 

  

 

- С связи с благоприятными или неблагоприятными погодными условиями. Пример: в теплое сухое лето бывает большой урожай еловых шишек, сразу же резко возрастает популяция белок, вслед вырастает популяция мелких хищников (норки, горностаи, куницы);

- Резкие колебания численности могут быть связаны и со вспышками эпидемий;

- Стихийные бедствия (пожар, наводнение и др.) Также сильно влияют на численность популяций живых организмов. Пример: в лесу произошел пожар и лес выгорает. На месте пожарища буйно разрастается иван-чай (светолюбивое растение). Затем это растение постепенно вытесняется другими травами и кустарниками;

- Резкие вспышки численности наблюдаются при попадании в новые, пригодные для жизни места. Пример: завоевание кроликами Австралии.

 

Обычно к периодическим или непериодическим, сезонным или годовым изменениям численности любого из известных видов животных и растений приводят не одна, а сразу несколько причин, вместе взятых.

Вслед за небывалым подъемом чаще всего следует     глубокое  падение 

численности вида.

           Так какое значение имеют популяционные волны? В природе 1 мутантная особь встречается на 100.000 нормальных. Это незначительно и большого влияния на изменение генофонда популяции не происходит. Увеличивается численность популяции и соответственно увеличивается количество мутаций ровно во столько же.

 

         

 

 

       Если после этого наступает спад численности, то может произойти следующее:

 

  1. Погибает большое количество особей и в том числе мутантных, прежние соотношения сохраняются и влияние на генофонд популяции ничтожно. Генофонд остается без изменения

 

 

     

 

  1. Погибает большое количество нормальных особей, а количество мутантных особей  

Почти не изменилось. Теперь процентное соотношение мутаций к общему количеству значительное, оставшиеся мутантные особи скрещиваются. Мутации передаются по наследству будущим поколениям. В целом генофонд популяции изменился.

 

 

 

 

    Таким образом: популяционные волны не вызывают наследственную изменчивость,

 а только способствуют изменению генотипа.

    Популяционные волны выводят ряд генотипов, совершенно случайно и ненаправленно, на «эволюционную арену». И то, что это действительно случайность доказывает следующий опыт: несколько пробирок с кормом и в каждой по 2 самца и 2 самочки мушек дрозофил (микропопуляции ). Животные гетерозиготны – Аа,   причем 50 % - составляет мутантный ген и 50 % - нормальный ген. Через несколько поколений частота мутантного гена меняется случайным образом. В одних популяциях он утрачен – гомозигота по нормальному гену (АА), в других все особи гомозиготны по мутантному гену (аа), а часть популяций содержала и мутантный ген и нормальный ген (Аа).

                           

          Таким образом, несмотря на снижение жизнестойкости мутантных особей (вопреки естественному отбору)  в некоторых   популяциях ( особенно в небольших) мутантный ген полностью вытеснил нормальный, это и есть результат случайного процесса – дрейфа генов.

         Случайное ненаправленное изменение генотипов советские ученые Дубинин и Ромашов (1931-32) назвали генетико-автоматическими процессами, а независимо от них зарубежные ученые Райт и Фишер назвали это явление генетическим дрейфом.

 

 

                               Изоляция – эволюционный фактор

       Ч. Дарвин указывал, что изоляция очень важный эволюционный фактор.

       Под изоляцией понимается возникновение любых барьеров при скрещивании особей одного вида. Выделяют несколько способов изоляции.

 

           

Географическая изоляция связана с изменениями в ландшафте (образование рек, горных хребтов, лесных массивов), а также в результате большого расстояния между популяциями одного вида (увеличение ареала). Часто причиной такой изоляции является деятельность человека в биосфере. Например: вид соболя имел сплошной ареал. В 20-30 годы ХХ столетия был интенсивный перепромысел этих животных и ареал приобрел мозаичную структуру – распался на отдельные участки,  между которыми значительные расстояния.

 

 

      Экологическая изоляция бывает в тех случаях, когда популяция одного вида занимает новые места обитания (экологические ниши), расположенные в пределах ареала этого вида. Пример: популяции форели на озере Севан различаются по срокам нереста, местами и глубиной нерестилищ.

 

 

 

      И географическая и экологическая изоляции препятствуют скрещиванию особей из разных популяций одного вида и служат начальным этапом расхождения популяций и образования новых видов.

 

     Что же препятствует скрещиванию особей разных видов растений и животных, живущих на одной территории? Биологическая изоляция. Это несходство в брачных песнях, ритуалах ухаживания, выделяемых запахах; различия в строении половых органов; неспособность пыльцы одних видов прорастать на рыльцах пестиков других видов и др. Все это является препятствием к скрещиванию и ведет к сохранению генетической структуры вида.

 


Дата добавления: 2018-04-05; просмотров: 905; ЗАКАЗАТЬ РАБОТУ