Развитие эволюционных представлений
Эволюционное учение – это раздел биологии, изучающий общие закономерности и движущие силы исторического развития органического мира. Оно рассматривает причины и механизмы возникновения и развития жизни на Земле.
Первые представления о развитии живой природы характерны для античных философов (Эмпидокл, Демокрит, Гиппократ, Аристотель и др.). В средние века в науке царило метафизическое мировоззрение – креационизм (creatio – творить). Это представление о постоянстве, неизменности и изначальной целесообразности природы.
Представителем метафизического мировоззрения был шведский ученый К. Линней (1707-1778). Он описал большое количество видов растений и животных, ввел около 1000 ботанических терминов (работа «Система природы»). Каждому виду животных и растений им было присвоено двойное обозначение (бинарная номенклатура) существительное название рода и прилагательное – название вида, например одуванчик полевой.
Линней впервые доказал, что вид является универсальной единицей и основной формой существования живого. Под видом он понимал совокупность сходных по строению особей, свободно скрещивающихся и дающих плодовитое потомство. Линней разработал основные принципы систематики растений и животных: объединил сходные виды в роды, которые сгруппировал в отряды, а отряды в классы. Единые латинские названия растений и животных значительно упростили терминологию и способствовали взаимопониманию ученых.
Линней предложил первую классификацию растений и животных. Например, на основе особенностей кровеносной и дыхательной систем он разделил животный мир на шесть классов: млекопитающие, птицы, гады (земноводные и пресмыкающиеся), рыбы, насекомые и черви. В классе млекопитающих ученый выделил 17 отрядов и к высшему отряду приматов отнес человекообразных обезьян и человека.
Созданная Линнеем классификация носила искусственный характер, так как основывалась не на главных свойствах организмов и их исторических связях, а на чисто внешних признаках. Например, цветковые растения классифицировались по форме, величине и числу тычинок и пестиков. Он понимал искусственность своей систематики и указывал на необходимость создания естественной системы с учетом совокупности признаков организмов. Линней придерживался метафизических, религиозных представлений. Каждый вид, с его точки зрения, представлял потомство одной пары животных или растений, сотворенных Богом, и с тех пор постоянных и неизменных. Несмотря на это, проделанная ученым работа по систематике растений и животных сыграла значительную роль в изучении живой природы.
Развитие естествознания в конце ХVIII начале ХIХ веков ознаменовалось усилением материалистических представлений. Некоторые ученые высказывали мнение о естественном возникновении мира и его постепенном развитии и обновлении. Такое направление в биологии получило название трансформизма (transforme – преобразовывать). Представителями трансформизма были М.В. Ломоносов (1711 — 1765), К.Ф. Вульф (1735 — 1794), Э.Ж. Сент-Илер (1772 — 1844), Ж. Бюффон (1707 — 1788), Ж.Б. Ламарк (1744 — 1829).
Основы первого учения об эволюции органического мира были разработаны и опубликованы в труде «Философия зоологии» (1809) французским естествоиспытателем Ж.Б. Ламарком. Изучая животный и растительный мир, Ламарк обратил внимание на существование в природе переходных форм между видами и на этом основании сделал вывод об изменяемости видов. Он предположил, что все многообразие животных и растений является результатом эволюции, т.е. исторического развития живой природы. Ламарк создал более совершенную, чем Линней, классификацию животного мира. Разрабатывая систематику животных, он совершенно правильно подметил основное направление эволюционного процесса постепенное усложнение организации от низших форм к высшим, которое он назвал градацией. Под градацией Ламарк понимал последовательные ступени усложнения организации от простейших до млекопитающих. В животном мире он выделил 14 классов, разделенных на 6 градаций (ступеней).
Ламарк определил две основные причины эволюции:
- внутреннее стремление организмов к усовершенствованию;
- способность организмов целесообразно реагировать на изменения условий существования.
Растения, по Ламарку, изменяются под действием факторов внешней среды непосредственно (например, листья у болотного лютика), а животные – опосредованно, через воздействие на нервную систему, что влечет за собой изменение привычек. Вследствие этого одни органы, необходимые в новых условиях, постоянно упражняются и развиваются (шея у жирафа), а другие вследствие неупражнения атрофируются (глаза у крота). Согласно его представлениям, признаки, приобретенные организмом в течение индивидуальной жизни при последовательном воздействии среды на многие поколения, передаются по наследству. Этим явлением он объяснял приспособленность организмов к среде обитания. Ламарк развивал гипотезу о естественном происхождении человека, считая, что он произошел от обезьяноподобных предков, перешедших к наземному образу жизни.
Таким образом, Ламарк объединил идею об изменяемости видов с идеей прогрессивной эволюции, однако не смог вскрыть механизмы эволюционного процесса.
Эволюционная теория Ч. Дарвина
Великий английский ученый Ч. Дарвин (1809 — 1882) разработал научную теорию эволюции живой природы на основе синтеза большого количества фактов из сельскохозяйственной практики и науки. Эволюционной теории Дарвина предшествовали социально-экономические и научные предпосылки. К социально-экономическим предпосылкам относят:
- развитие капитализма в Англии, которая к середине ХIХ века стала крупнейшей промышленной и колониальной державой;
- интенсивный рост городов, требовавший повышения продуктивности сельского хозяйства.
Научными предпосылками создания эволюционной теории являются:
- успехи в систематике растений и животных;
- создание клеточной теории;
- развитие биогеографии, эмбриологии, сравнительной анатомии и палеонтологии;
- эволюционное учение Ламарка;
- большая селекционная работа;
- многочисленные научные экспедиции.
Ч. Дарвин в своей работе «Происхождение видов путем естествснного отбора …» (1859) впервые в истории биологии с материалистических позиций объяснил происхождение видов.
Основными положениями эволюционной теории Дарвина являются учение о наследственности, изменчивости, борьбе за существование и естественном отборе.
Наследственность – это свойство дочерних организмов быть похожими на своих родителей. Связь между поколениями осуществляется посредством размножения и наследственные свойства передаются из поколения в поколение через половые клетки (при половом размножении).
Изменчивость – это свойство дочерних организмов отличаться от родительских форм. Дарвин различал определенную, неопределенную и соотносительную изменчивость.
Определенная (групповая) изменчивость – это появление сходных признаков у особей одного вида под влиянием одинаковых условий среды. Например, белокочанная капуста при выращивании в жарких странах не образует кочана; при содержании овец в холодных условиях у них растет более густая шерсть. Эти изменения ненаследственны, так как при перенесении организмов в исходные условия проявляются первоначальные признаки.
Неопределенная (индивидуальная) изменчивость – это возникновение различных изменений у особей одного вида под действием сходных условий среды. Неопределенная изменчивость является наследственной. Например, в стаде овец появился барашек с короткими ногами, и этот признак начал передаваться по наследству.
Дарвин понимал организм как целостную систему, части которой тесно связаны между собой. Поэтому он выделил еще и соотносительную изменчивость, при которой изменение одного органа или признака влечет за собой изменения других органов и признаков. Например, удлинение конечностей почти всегда приводит к удлинению шеи.
Борьба за существование
Дарвин установил, что различные породы животных и сорта растений созданы человеком в результате искусственного отбора. Из поколения в поколение человек отбирал и оставлял на племя особей только с нужными ему наследственными свойствами и признаками. В результате были получены сорта и породы, соответствующие потребностям человека. Следовательно, движущими силами выведения пород и сортов являются наследственная изменчивость и производимый человеком искусственный отбор.
Исследуя причины эволюции в естественных условиях, Дарвин установил, что интенсивность размножения организмов происходит в геометрической прогрессии, что приводит к недостатку пищевых ресурсов, поэтому численность взрослых особей каждого вида длительно сохраняется на одном уровне. Следовательно, большинство появляющихся на свет особей гибнет в борьбе за существование, под которой он понимал сложные и многообразные отношения организмов между собой и с условиями неживой природы.
Дарвин различал три формы борьбы за существование: внутривидовую, межвидовую и борьбу с условиями неживой природы.
Внутривидовая борьба происходит между особями одного вида. Эта форма борьбы наиболее напряженная, так как особи одного вида нуждаются в одинаковых условиях существования и источниках питания, например конкуренция между хищниками одного вида за добычу.
Межвидовая борьба наблюдается между особями разных видов. Она протекает остро, если виды нуждаются в сходных условиях существования и источниках питания, например саранча и травоядные животные. Эта форма борьбы за существование включает взаимоотношения хищника и жертвы, паразита и хозяина, конкурентные отношения из-за света и т.п.
Борьба с факторами неживой природы наблюдается при засухе, излишках тепла или холода, наводнениях, ранних заморозках и т.п.
Все виды борьбы за существование способствуют изменению и совершенствованию вида. В конечном итоге они приводят к выживанию организмов, наиболее приспособленных к конкретным условиям.
Естественный отбор и результаты Эволюции.
Следствием борьбы за существование является еетественный отбор «сохранение благоприятных индивидуальных различий и изменений и уничтожение вредных», по Дарвину. В результате естественного отбора выживают и оставляют после себя потомство наиболее приспособленные особи и гибнут менее приспособленные. Полезные изменения дают особям преимущества в выживании и плодовитости. Из поколения в поколение особи с полезными наследственными изменениями сохраняются в борьбе за существование. Роль отбирающего фактора играют условия окружающей среды. Борьба за существование и естественный отбор на основе наследственной изменчивости являются основными движущими силами эволюции органического мира.
В современной эволюционной теории выделяют следующие формы естественного отбора: движущий, стабилизирующий и дизруптивный.
Движущий отбор происходит при постепенном изменении факторов внешней среды. При этом происходит смена нормы реакции. Типичным примером движущего отбора является постепенное вытеснение темноокрашенной формой бабочки березовой пяденицы исходной светлой формы, являющееся следствием потемнения стволов берез от сажи и копоти. Действием движущего отбора можно объяснить появление теплолюбивых и холодолюбивых, влаголюбивых и засухоустойчивых растений, постепенную редукцию глаз у крота и пещерных обитателей и т.п.
Стабилизирующий отбор наблюдается при постоянстве условий окружающей среды и направлен на сохранение в популяции среднего значения признака (норма реакции сужается). Например, в тропиках растения и животные приспособлены к относительно постоянной температуре (+25 °С . . . +35°С) и не переносят более низких и более высоких температур.
Дизруптивный (разрывающий) отбор протекает на фоне резкого изменения условий существования. Он направлен против среднего значения признака и благоприятствует двум или нескольким направлениям изменчивости. Типичный пример – появление нечувствительных к антибиотикам штаммов бактерий. Дизруптивный отбор способствует дивергенции (расхождению признаков).
Результатом эволюции являются:
- приспособленность организмов к различным условиям обитания;
- многообразие видов;
- постепенное усложнение и повышение организации живых существ.
В настоящее время описано около 3 млн видов животных и 0,5 млн видов растений, заселивших все экологические ниши на Земле. Все они появились на нашей планете в результате эволюции и приспособились к конкретным условиям существования.
В процессе эволюции органический мир поднимался на все более высокую ступень развития, однако вместе с высокоорганизованными сосуществуют организмы с более низкой степенью организации. Это объясняется их приспособленностью к постоянным условиям среды обитания (например, современные кистеперые рыбы).
Главная заслуга Дарвина состоит в том, что он вскрыл объективные движущие силы эволюции, объяснил возникновение и относительный характер прпспособленности организмов действием только естественных факторов. Он научно обосновал взаимосвязь между изменчивостью, наследственностью и отбором и на большом фактическом материале показал, что главной движущей силой эволюции является естественный отбор. Учение Дарвина позволило научно обосновать происхождение человека.
Закономерности эволюции органического мира нашли широкое применение в сельскохозяйственной практике и в деле охраны природы. В частности, учение об искусственном отборе и его творческой роли непосредственно используется в селекционной работе. При получении новых сортов растений и пород животных селекционеры должны обязательно учитывать влияние на них естественного отбора, т.е. проводить районирование.
Взаимоотношения организмов следует учитывать и при решении вопросов охраны природы. Завезенные в Австралию кролики при отсутствии конкуренции и паразитов размножились настолько интенсивно, что нанесли значительный ущерб овцеводству (конкуренция из-за пищи). Для сохранения сложившихся биогеоценозов необходимо только в разумных пределах вырубать деревья, собирать лекарственные и другие растения, создавать заповедники, заказники, охотничьи хозяйства, национальные парки и т.п. Большое влияние оказала эволюционная теория Дарвина на развитие палеонтологии, эмбриологии, систематики.
Доказательства эволюции
Доказательства эволюции органического мира дают достижения многих биологических наук: цитологии, сравнительной анатомии, эмбриологии, палеонтологии, биогеографии и др.
Данные цитологии (клеточная теория) показали сходство строения и функционирования клеток как одноклеточных, так и многоклеточных организмов. Было установлено и постепенное усложнение организации клеток от прокариот к эукариотическим клеткам.
Сравнительная анатомия изучает общность и различия в строении организмов. Доказательством единства происхождения всех хордовых животных служит единый план их строения: наличие осевого скелета (хорды), над хордой располагается нервная трубка, под хордой – пищеварительная трубка, на брюшной стороне – центральный кровеносный сосуд.
Доказательствами единства происхождения и эволюции органического мира является наличие гомологичных органов, рудиментов и атавизмов.
Органы, сходные по общему плану строения и происхождению, но выполняющие разные функции, называются гомологичными. Гомологичными являются передние конечности крота и лягушки, крылья птиц, ласты тюленей, передние ноги лошади и руки человека.
Органы, которые имеют разное строение и происхождение, но выполняют одинаковые функции, называются аналогичными. Так‚ крыло бабочки и птицы выполняют одинаковые функции, но строение и происхождение их различно. Для установления родства между организмами и доказательства эволюции аналогичные органы значения не имеют.
Рудиментами называют органы, утратившие в процессе эволюции свое первоначальное значение и находящиеся в стадии обратного развития. У человека их насчитывается около 100: зубы мудрости, копчик, червеобразный отросток, третье веко, мышцы, двигающие ушную раковину, и др. Наличие рудиментов можно объяснить только тем, что у предков эти органы функционировали и были хорошо развиты, но в процессе эволюции утратили свое значение.
Атавизмы – это появление у организмов признаков, свойственных их далеким предкам (например, появление у человека хвоста, дополнительных сосков, сплошного волосяного покрова и др.). В отличие от рудиментов они представляют собой отклонение от нормы.
Сравнительно-анатомическое изучение организмов позволило выявить переходные формы, объединяющие в своем строении признаки организмов низших и высших систематичсских единиц. Например, первозвери (ехидна‚ утконос) имеют клоаку, откладывают яйца подобно пресмыкающимся, но вскармливают детенышей молоком, как млекопитающие. Изучение переходных форм позволяет установить родство между представителями разных систематических групп.
Эмбриология – наука, изучающая зародышевое развитие организмов. Данные сравнительной эмбриологии указывают на сходство зародышевого развития всех позвоночных. В эмбриональном развитии они последовательно проходят стадии зиготы, дробления, бластулы, гаструлы, трехслойного зародыша, закладки хорды, нервной трубки, пищеварительной трубки и др. Зародыши животных, относящихся к различным классам позвоночных, характеризуются сходством контуров тела, наличием хвоста, жаберных щелей, зачатков конечностей и т.п. Наибольшее сходство проявляется на ранних этапах эмбрионального развития. Позже последовательно проявляются признаки, характерные для класса, отряда, рода и, наконец, вида.
Основываясь на приведенных выше фактах, немецкие ученые Ф. Мюллер (1864) и Э. Геккель (1866) независимо друг от друга сформулировали биогенетический закон, согласно которому зародыш в процессе индивидуального развития (онтогенеза) кратко повторяет историю развития вида (филогенез). В дальнейшем было установлено, что в индивидуальном развитии повторяются признаки не взрослых стадий предков, а их эмбрионов. Например, у зародышей млекопитающих и рыб закладываются жаберные дуги, на основе которых у рыб развиваются жабры, а у млекопитающих хрящи гортани и трахеи.
Палеонтология изучает ископаемые остатки организмов. Палеонтологические находки позволяют восстановить внешний облик вымерших животных, их строение, черты сходства и различия с современными видами. Это дает возможность проследить развитие органического мира во времени. Например, в древних геологических пластах обнаружены остатки лишь представителей беспозвоночных, в более поздних – хордовых животных, а в молодых отложениях – животных, сходных с современными.
Палеонтологические находки подтверждают наличие преемственности между различными систематическими группами. В одних случаях удалось найти переходные формы, сочетающие признаки древних и исторически более молодых животных (например, стегоцефалы, археоптерикс) и растений (например, псилофиты, семенные папоротники). В других – удалось установить филогенетические ряды, т.е. формы, последовательно сменяющие друг друга в процессе эволюции (к примеру, историческое развитие лошади: эогиппус, меригиппус‚ гиппарион и современная лошадь). Таким образом, палеонтологические находки четко свидетельствуют о том, что по мере перехода от более древних земных слоев к современным происходит постепенное повышение уровня организации животных и растений, приближение их к современным.
Биогеография изучает закономерности распределения растительного и животного мира на Земле. Установлено: чем раньше произошла изоляция отдельных частей планеты, тем сильнее различия организмов, населяющих эти территории. Так, животный мир Австралии весьма своеобразен: здесь отсутствуют многие группы животных Евразии, зато сохранились такие, которых нет в других районах Земли, например яйцекладущие и сумчатые млекопитающие (утконос, кенгуру и др.). В то же время животный мир некоторых островов сходен с материковым (например, Британские острова, Сахалин), что говорит о их недавней изоляции от континента. Следовательно, распределение видов животных и растений по поверхности планеты отражает процесс исторического развития Земли и эволюции живого.
Таким образом, данные ряда биологических наук подтверждают естественное развитие органического мира на Земле.
2. Биология для поступающих в вузы. Авторы: Билич Г.Л. , Крыжановский В. А.
