Биохимические доказательства эволюции

1. Все организмы, будь то вирусы, бактерии, растения, животные или грибы, имеют удивительно близкий элементарный химический состав.

2. У всех у них особо важную роль в жизненных явлениях играют белки и нуклеиновые кислоты, которые построены всегда по единому принципу и из сходных компонентов. Высокая степень сходства обнаруживается не только в строении биологических молекул, но и в способе их функционирования. Принципы генетического кодирования, биосинтеза белков и нуклеиновых кислот едины для всего живого.

3. У подавляющего большинства организмов в качестве молекул-аккумуляторов энергии используется АТФ, одинаковы также механизмы расщепления сахаров и основной энергетический цикл клетки.

4. Большинство организмов имеют клеточное строение.

Эмбриологические доказательства эволюции

Факт единства происхождения живых организмов был установлен на основе эмбриологических исследований, в основе которых лежат данные науки эмбриологии.

Эмбриология ― наука, изучающая зародышевое развитие организмов.

Все многоклеточные животные развиваются из одной оплодотворенной яйцеклетки. В процессе индивидуального развития они проходят стадии дробления, образование двух- и трехслойного зародышей, формирования органов из зародышевых листков. Сходство зародышевого развития животных свидетельствует о единстве их происхождения.

С особой отчетливостью сходство эмбриональных стадий выступает в пределах отдельных типов и классов. Так, на ранних стадиях развития у зародышей позвоночных (рыбы, ящерицы, кролика, человека) наблюдается поразительное сходство: все они имеют головной, туловищный и хвостовой отделы, зачатки конечностей, по бокам тела ― зачатки жабр.

По мере развития зародышей черты различия выступают все более явственно. Причем вначале проявляются признаки класса, к которому относятся зародыши, затем признаки отряда и на еще более поздних стадиях ― признаки рода и вида. Эта закономерность в развитии зародышей указывает на их родство, происхождение от одного ствола, который в ходе эволюции распался на множество ветвей.

Основываясь на приведенных выше, а также множестве других фактов, немецкие ученые Ф.Мюллер и Э.Геккель во второй половине XIX в. установили закон соотношения онтогенеза, который получил название биогенетического закона. Согласно этому закону каждая особь в индивидуальном развитии (онтогенезе) повторяет историю развития своего вида (филогенез), или, короче, онтогенез есть краткое повторение филогенеза.

Однако за короткий период индивидуального развития особь не может повторить все этапы эволюции, которая совершалась тысячи или миллионы лет. Поэтому повторение стадий исторического развития вида в зародышевом развитии происходит в сжатой форме, с выпадением ряда этапов. Кроме того, эмбрионы имеют сходство не со взрослыми формами предков, а с их зародышами. Так, в онтогенезе млекопитающих и рыб имеется этап, на котором у зародышей образуются жаберные дуги. У зародыша рыбы на основании этих дуг образуется орган дыхания ― жаберный аппарат. В онтогенезе млекопитающих повторяется не строение жаберного аппарата взрослых рыб, а строение закладок жаберного аппарата зародыша, на основе которых у млекопитающих развиваются совершенно иные органы (хрящи гортани и трахеи). В разработки теории онтогенеза выдающуюся роль сыграли исследования академика А.Н.Северцова. Он доказал, что изменение исторического развития обусловлены изменениями хода зародышевого развития. Наследственные изменения затрагивают все стадии жизненного цикла, в том числе и зародышевый период. Мутации, возникающие в ходе развития зародыша, как правило, нарушают взаимодействие в организме и ведут к его гибели. Однако мелкие мутации могут оказаться полезными и тогда сохранятся естественным отбором. Они передадутся потомству, включатся в историческое развитие, влияя на его ход.

Морфологические доказательства эволюции

В основе морфологических доказательств лежат данные науки сравнительной анатомии.

Сравнительная анатомия ― наука, изучающая и сравнивающая внутреннее и внешнее строение живых организмов.

Сравнительно-анатомические исследования показали, что строение передних конечностей некоторых позвоночных, например ласты кита, лапы крота, крокодила, крылья птицы, летучей мыши, руки человека, несмотря на выполнение совершенно разных функций, в принципиальных чертах строение сходны. Некоторые кости в скелете конечностей могут отсутствовать, другие срастаться, относительные размеры костей могут меняться, но их гомология, т. е. сходство, основанное на общности происхождения, совершенно очевидна. Гомологичными называются такие органы, которые развиваются из одинаковых эмбриональных зачатков сходным образом.

Пример гомологичных органов у животных

Примеры гомологичных органов у растений

Наличие у организмов разных групп (классов, семейств и т.д.) гомологичных органов дает возможность установить степень родства между ними, проследить их эволюцию. Видоизменение органов, имеющих общее происхождение, объясняется дивергенцией по признаку строения данного органа в связи с приспособлением к среде обитания.

Дивергенция ― расхождение признаков в пределах популяции вида, возникающее под действием естественного отбора. Общая закономерность эволюции, приводящая к образованию новых видов, родов, классов и т. д.

Не всякое сходство органов свидетельствует в пользу их родства. Крыло бабочки и крыло птицы выполняют сходную функцию, но их строение совершенно различно. Сходство вызвано образом жизни, приспособлением к полету, возникшим независимо друг от друга у бабочек и птиц, а не родственным происхождением этих форм. Органы, имеющие внешнее сходство, вызванное сходными приспособлениями к сходным условиям жизни, но различное строение, называются аналогичными. Аналогичные органы возникли в результате конвергенции -схождения признаков и не свидетельствуют о родстве между организмами.

Конвергенция ― сближение признаков в пределах разных систематических групп живых организмов, возникшее при воздействии относительно одинаковых условий существования на ход естественного отбора.

Некоторые органы или их части не функционируют у взрослых животных и являются для них лишними ― это рудиментарные органы, или рудименты. Наличие рудиментов, так же как и гомологичных органов, свидетельствует об общности происхождения живых форм. Задние конечности у кита, скрытые внутри тела, ― рудимент, доказывающий наземное происхождение его предков. У человека тоже известны рудиментарные органы: мышцы, двигающие ушную раковину, рудимент третьего века и т. п.

Примеры рудиментов

У некоторых организмов рудиментарные органы могут развиваться до органов нормальных размеров. Такой возврат к строению органа предковых форм называют атавизмом. Среди тысяч однопалых лошадей изредка попадаются особи, у которых развиты маленькие копытца I I и IV пальцев. Известны случаи появления атавистических признаков и у человека: рождение детей с первичным волосяным покровом, с длинным хвостиком и т. д. Возникновение атавизмов указывает на возможное строение того или иного органа у предковых форм.

Сравнительно-анатомические исследования показали существование форм, сочетающих в себе признаки нескольких крупных систематических единиц. Например, эвглена зелёная сочетает признаки растения (хлоропласты, фотосинтез) и животных (жгутики, светочувствительный глазок, подобие ротового аппарата); ехидна и утконос стоят между пресмыкающимися и млекопитающими (откладывают яйца и выкармливают детёнышей молоком). Существование таких промежуточных форм указывает на то, что в прежние геологические эпохи жили организмы, являющиеся родоначальниками нескольких систематических групп.

Палеонтологические доказательства эволюции

Палеонтология ― наука, изучающая остатки вымерших организмов, выявляющая их сходства и различия с современными организмами.

• По ископаемым остаткам восстанавливают внешний вид и строение вымерших организмов.
• Узнают о растительном и животном мире прошлого.
• Сопоставляя, ископаемые остатки земных пластов из разных геологических эпох, делают вывод об изменении органического мира во времени. (Наиболее древними являются беспозвоночные животные, позднее появились животные типа хордовых. Их эволюция проходила поэтапно: рыбы, земноводные, пресмыкающиеся, птицы, млекопитающие. Более молодые виды больше похожи на современные формы. В одну геологическую эпоху господствовали рептилии, в другую, млекопитающие.
• Ископаемые остатки дают большой материал о преемственных связях между различными систематическими группами.

Ч. Дарвин доказал историческое развитие живой природы, но в последующие годы сбор прямых и косвенных доказательств эволюции продолжается. Богатейший палеонтологический материал - одно из наиболее убедительных доказательств эволюционного процесса, длящегося на нашей планете уже более 3 миллиардов лет.

Палеонтология указывает на причины эволюционных преобразований. Благодаря палеонтологическим данным удалось установить переходные формы и филогенетические ряды.

Филогенетические ряды

Выдающиеся достижения в накоплении прямых доказательств эволюции принадлежит отечественным ученым, прежде всего В.О. Ковалевскому.

Работы В.О. Ковалевского были первыми палеонтологическими исследованиями, которым удалось показать, что одни виды происходят от других.

Исследуя историю развития лошадей, В.О.Ковалевский показал, что современные однопалые животные происходят от мелких пятипалых всеядных предков, живших 60-70 млн. лет назад в лесах. Изменение климата Земли, повлекшее за собой сокращение площадей лесов и увеличения размеров степей, привело к тому, что предки современных лошадей начали осваивать новую среду обитания ― степи. Необходимость защиты от хищников и передвижение на большие расстояния в поисках хороших пастбищ привела к преобразованию конечностей ― уменьшению числа фаланг вплоть до одной. Параллельно изменению конечностей происходило преобразование всего организма: увеличение размеров тела, изменение формы черепа и усложнение строения зубов, возникновение свойственного травоядным млекопитающим пищеварительного тракта и многое другое.

В.О. Ковалевский обнаружил последовательные ряды ископаемых форм лошадиных, эволюция которых совершалась в указанных направлениях. Такие ряды видов, последовательно сменяющих друг друга, называются филогенетическими и свидетельствуют о существовании эволюционного процесса.

Переходные формы

Установление факта постепенного эволюционного развития в линиях невысокого систематического ранга (ряды ископаемых лошадей, слонов, моллюсков) показало существование преемственности между современными и ископаемыми видами. Не в силах опровергнуть эти факты, противники эволюционной теории утверждали, что систематические группы более высокого ранга не могли произойти друг от друга, а явились результатом отдельного акта творения. Поэтому особый интерес представляют ископаемые формы, сочетающие признаки древних и более молодых групп высокого систематического ранга. Такие формы называются переходными. Примером их могут служить кистепёрые рыбы, связывающие рыб с вышедшими на сушу четвероногими земноводными; семенные папоротники ― переходная группа между папоротникообразными и голосеменными и др.

Существование переходных форм между разными типами, классами, отрядами показывает, что постепенный характер исторического развития свойствен не только низшим, но и высшим систематическим категориям.

Биогеографические доказательства эволюции

Ярким свидетельством происшедших и происходящих эволюционных изменений является распространение животных и растений по поверхности нашей планеты. Сравнение животного и растительного мира разных зон дает богатейший научный материал для доказательства эволюционного процесса. Фауна и флора Палеоарктической и Неоарктической областей имеют много общего. Это объясняется тем, что в пролом между названными областями существовал сухопутный мост ― Берингов перешеек. Другие области имеют мало общих черт.

Для понимания эволюционного процесса интерес представляют флора и фауна островов. Состав их флоры и фауны полностью зависит от истории происхождения островов. Огромное количество разнообразных биографических фактов указывает на то, что особенности распределения живых существ на планете тесно связаны с преобразованием земной коры и с эволюционными изменениями видов.

Таким образом, распределение видов животных и растений по поверхности планеты и их группировка в биографические зоны отражает процесс исторического развития Земли и эволюции живого.

Приспособленность организмов. Результаты эволюции

Некоторые формы приспособленности у растений

• Приспособления к повышенной сухости: опушенность листьев, накопление влаги в стебле (кактус, баобаб), превращение листьев в иголки (хвойные растения).

• Приспособления к повышенной влажности: большая поверхность листа, много устьиц, повышенная интенсивность испарения.

• Приспособления к опылению ветром: вынесение тычинок с пыльниками далеко за пределы цветка, мелкая легкая пыльца, пестик сильно опушен, лепестки и чашелистики не развиты, не мешают обдуванию других частей цветка ветром.

• Приспособленность к опылению насекомыми: яркая привлекающая окраска цветка, наличие нектара, запах, форма цветка.

• Приспособления к расселению и распространению семян и спор: сочные, привлекательные для животных плоды или шишки; семена с летучками, крылатками, зацепками, парашютиками; легкие многочисленные споры; «взрывающиеся» плоды (недотрога, «бешеный» огурец).

• Приспособления к поглощению максимального количества света: листовая мозаика, плоские широкие листья, многослойная столбчатая и губчатая фотосинтетическая ткань, узкие межклетники, большое количество хлорофилла.

• Приспособления к перенесению неблагоприятных условий: листопад; запасание питательных веществ в луковицах, корневищах, клубнях, корнеплодах; эфемерность (подснежники, крокусы, пролески).

• Приспособления к недостатку питания или кислорода: насекомоядность (росянка, венерина мухоловка); воздушные корни (орхидеи); дыхательные корни (мангры).

• Защита от поедания травоядными животными: иглы; колючки; друзы (кристаллы щавелевокислого калия), накапливающиеся в колючках или листьях; ядовитые соки; стрекательные клетки со жгучими волосками.

Некоторые формы приспособленности у животных

• Форма тела:

– торпедообразная (препятствует образованию завихрений потоков воды при движении): акулы, дельфины, пингвины, кальмары;

– подражающая (делает организм незаметным среди тех или иных предметов): палочники, гусеницы пядениц, цикады, морские коньки, удильщики;

– уплощенная (для жизни на дне или в узких расщелинах): планарии, камбала, скаты.

Окраска тела:

– предостерегающая (у видов, обладающих ядовитыми, обжигающими, жалящими структурами): осы, шмели, пчелы, жуки нарывники, гусеницы бабочек-капустниц, божьи коровки, гремучие змеи;

– покровительственная (скрывает на фоне окружающей среды): зеленый кузнечик, белая сова, камбала, осьминог, заяц беляк, тли, белая куропатка;

– расчленяющая, «камуфляжная» (размывает контуры, помогает оставаться незаметными на фоне неоднородной среды, среди пятен и полос света и тени): зебры, тигры, пятнистые детеныши оленей, жирафы, рыба-зебра.

Адаптация, при которой форма тела и окраска животного сливаются с окружающими предметами, называется маскировкой. Подражание хорошо защищенным и обладающим предостерегающей окраской или, напротив, безобидным животным, помогает потенциальным жертвам защититься от поедания хищниками и называется мимикрией.

Примеры:

– мухи-журчалки похожи на пчел, ос, шмелей;

– безобидные тропические ужи похожи на ядовитых змей;

– яйца, откладываемые кукушкой, соответствуют по цвету яйцам птицы-хозяина и т.д.

• Твердые покровы тела, шипы и иглы (механическая защита от хищника): морские ежи, жуки, крабы, улитки и двустворчатые моллюски, черепахи, ежи, дикобразы).

• Ядовитые железы или токсины (для жертвы ― защита от поедания; для хищников ― средство умерщвления или обездвиживания добычи): медузы, пауки, многоножки, некоторые рыбы, многие земноводные, змеи.

• Физиологические адаптации:

– удаление избытка воды через почки в виде слабо концентрированной мочи (сохранение постоянства внутренней среды организма в условиях жизни в пресной воде): пресноводные рыбы и земноводные;

– выделение небольшого количества сильно концентрированной мочи (сохранение постоянства внутренней среды организма в условиях жизни в гиперосмотической среде или в пустыне): морские рыбы, морские змеи, пустынные грызуны.

– способность к эхо-, термо- и электролокации (для ориентации в пространстве): летучие мыши, дельфины, некоторые змеи (они различают на расстоянии объекты, температура тела которых отличается от температуры среды всего на 0,2 °С), рыбы.

Существует много других типов физиологических адаптаций, например, способность впадать в спячку, способность жидкостей тела противостоять замерзанию, способность обходиться небольшим количеством кислорода и т. д.

• Приспособительное поведение:

– отпугивающее (защита от хищников): ушастая круглоголовка, бородатая ящерица, совы;

– замирание (защита от хищников): опоссумы, некоторые жуки, земноводные, птицы;

– запасающее (многие животные запасают корм на неблагоприятный сезон года): кедровка, сойка, бурундук, белка, пищуха;

– миграции (избегание неблагоприятных условий путем перемещения в другие районы): перелетные птицы, некоторые виды бабочек.

Существует много других типов приспособительного поведения. Например, в пустыне для многих видов время наибольшей активности ― ночь, когда спадает зной.

• Забота о потомстве:

– вынашивание икры на теле или в ротовой полости: ракообразные, морские коньки, тиляпии, пипа суринамская;

– постройка гнезда и выведение в нем потомства: некоторые земноводные и рыбы (колюшки, петушки, макроподы), птицы, все плацентарные млекопитающие, рождающие беспомощных детенышей;

– выкармливание потомства: осы, пчелы, муравьи, некоторые рыбы (дискусы), птицы, млекопитающие. Жуки-скарабеи и одиночные осы не выкармливают личинок, но обеспечивают их запасом пищи.

Адаптации организмов