Текст книги "101 ключевая идея: Эволюция"

Автор книги: Дженкинс Мортон

сообщить о нарушении

Текущая страница: 1 (всего у книги 10 страниц)

Дженкинс Мортон
101 ключевая идея: ЭВОЛЮЦИЯ

Введение

Вы держите в руках книгу из серии «Грандиозный мир. 101 ключевая идея». Надеемся, что как данная книга, так и серия в целом окажется для вас интересной и полезной. Цель этой серии – доступным и увлекательным образом познакомить читателя с самыми разными областями знания.

В каждой книге содержится объяснение 101 ключевой идеи и понятия, относящихся к той или иной области знания. Для удобства пользования статьи расположены в алфавитном порядке. Все книги серии написаны таким образом, что от читателя почти не требуется никаких специальных знаний и подготовки. Они будут полезны и для студентов, и для тех, кто только еще готовится к поступлению в высшее учебное заведение, и просто для любознательных.

На наш взгляд, большинство учебников слишком объемны, чтобы служить справочными пособиями, а статьи в словарях слишком кратки, чтобы сформировать у читателя более или менее полное представление о предмете.

Книги этой серии совмещают в себе лучшие стороны и учебника, и словаря. Их вовсе не обязательно читать от корки до корки и в строго определенном порядке. Обращайтесь к ним, когда нужно узнать значение того или иного понятия, и вы найдете краткое, но содержательное его описание, которое, без сомнения, поможет вам выполнить задание или написать доклад. Материал в книгах излагается четко, с тщательным подбором необходимых научных терминов.

Итак, если вам потребуется быстро и без больших затрат получить сведения по какой – либо теме – воспользуйтесь книгами данной серии!

Желаем удачи!

Пол Оливер, издатель серии

АДАПТИВНАЯ РАДИАЦИЯ

Адаптивная радиация – это процесс эволюционного образования видов от одного общего предка. Основу этой концепции заложил французский ученый Жорж Кювье (1769–1832). Он сделал вывод, что с течением длительного периода времени организмы разделились на группы, некоторые из которых являются частью современной классификационной системы. Это представление радикально отличалось от общепринятой в то время аристотелевской концепции «лестницы жизни» (Scala Naturae) которая распределяла все организмы по ступеням, от простейших – в самом низу, до самых сложных (человек) – на вершине.

Классический пример адаптивной радиации – дарвиновы вьюрки. Клювы различных видов приспособлены к определенному виду пищи, в зависимости от экологической ниши, в которой они обитают. Они варьируются от массивных клювов птиц, питающихся семенами, и изогнутых клювов тех, кто кормится нектаром цветов, до тонких и стройных клювов насекомоядных. Предполагается, что все эти прекрасно приспособленные виды произошли от менее специализированного предка, случайно оказавшегося на островах. Изоляция, свойственная организмам изменчивость и борьба за доступные экологические ниши привели к адаптивной радиации, которую открыл Дарвин. Этот процесс ярко проявляется среди пресмыкающихся и птиц, живущих на Галапагосских островах.

Если брать высший таксономический уровень, то окаменелые останки свидетельствуют о том, что первые примитивные плацентарные млекопитающие появились в начале эоцена, 58 миллионов лет назад. Среди них был отряд креодонтов (Creodonta) разделившийся на несколько семейств хищных, в том числе и морских млекопитающих. Сюда же следует отнести больших беззубых китов, имеющих в высшей степени специализированное устройство, фильтрующее пищу (китовый ус), которое позволяет им выцеживать мелких ракообразных из морской воды. Некоторые из этих китов весят до 20 тонн. Зубатые киты, такие, как кашалот, питаются в основном глубоководными кальмарами, а дельфины приспособились питаться рыбой.

См. также статьи «Кювье, Жорж», «Дарвиновы вьюрки», «Ниша».

АЛЛОПАТРИЧЕСКОЕ ВИДООБРАЗОВАНИЕ

Способ возникновения новых видов зависит от географического расположения. Большинство видов появляется в результате аллопатрического видообразования (алло – другой, патрис – родина), то есть в результате географического разделения некогда единой популяции. Популяция каким-либо образом делится на несколько групп, каждая из которых идет по своему эволюционному пути, пока они не расходятся настолько, что скрещивание между ними становится невозможным. Известный зоолог Эрнст Майр дал следующее определение термина «вид»:

«Вид – это группа скрещивающихся или обладающих такой возможностью популяций, которая репродуктивно изолирована от других подобных групп».

В небольшой популяции, переселившейся на новое место, могут быстро произойти изменения, связанные с ограниченным количеством особей, такие, как дрейф генов и эффект основателя. Особи этой популяции также ограждены от потока генов со стороны исходной популяции.

Популяции могут разделиться двумя основными способами:

• Одна небольшая группа особей (а семена растений или беременная самка) отделяется от остальной популяции, и ее потомки оказываются на новом месте. Например, дарвиновы вьюрки оказались в генетической изоляции не только от исходной популяции, но и друг от друга, поскольку на разных островах образовались их видоизмененные формы.

• Географическое явление (например, некий огромный барьер) разделило группу на две подгруппы, которые пошли по своему пути развития. Например, два разных вида североамериканских белок, обитающих по разным сторонам Большого каньона в Колорадо, были некогда одной популяцией, разделенной огромным проломом.

См. также статьи «Дарвиновы вьюрки», «Эффект основателя», «Дрейф генов», «Географическая изоляция», «Репродуктивная изоляция», «Симпатрическое видообразование»

АЛЛОПОЛИПЛОИДИЯ

Так называется тип полиплоидной мутации, при которой комбинируются хромосомы двух или более видов. Аллополиплоиды обычно возникают от удвоения хромосом гибрида двух видов; такое удвоение обычно приводит к плодовитости гибрида (амфиплоидия). Качества гибрида, то есть сила и приспособляемость, передаются аллополипло идами последующим поколениям, и такие организмы успешно выживают.

Наиболее распространенным типом гибридов является аллотетраплоид, который обладает двумя наборами генов от каждого растения-родителя. Русский цитогенетик Карпеченко (1928) получил новый вид и даже род растений, скрестив разные виды – редьку (Raphinus) и капусту (Brassica). Эти виды близки друг другу и принадлежат к одному семейству крестоцветных (Cruciferae), представителем которого является и горчица. Каждое растение имеет диплоидный набор из 18 хромосом, но хромосомы редьки содержат некоторые гены, которые не встречаются в хромосомах капусты и наоборот. Гибрид Карпеченко имел в каждой клетке по 18хромосом, девять от редьки и девять от капусты. Во время мейоза разные наборы генов не могут образовать пары, и гибрид не дает потомства. Однако, помимо обычных генов, образовывались немногочисленные 18 – хромосомные гаметы, и в поколении F 2появлялось несколько аллотетраплоидов. Они были полностью плодородными, так как два набора хромосом от редьки и два от капусты обеспечивали образование парных гомологичных хромосом во время мейоза. Аллотетраплоид, или амфидиплоид, получил научное название Paphanobrassica. У этого растения корни напоминали капустные, а листья были как у редьки, но, к сожалению, он не имел экономической ценности. Однако на его примере удалось продемонстрировать принцип образования плодовитых межвидовых и межродовых гибридов. По меньшей мере половина из природных полиплоидов – аллополиплоиды, например культурная пшеница. Она имеет 42 хромосомы, представляющие полный диплоидный набор из 14 хромосом от каждого из трех предков.

См. также статью ««Мутация».

АРХЕОПТЕРИКС

Птицы, несомненно, произошли от вымерших типов рептилий. До 1990 годов археологи называли самой ранней птицей археоптерикса (Archaeopteryx lithographica). Его название буквально означает «древнее крыло из литографского камня» и образовано от archaeo – древний, pteryx – крыло и lithographica – обработанный известняк для особого вида печати (литографии). При жизни археоптерикс весил до 270 грамм, а площадь его крыльев составляла 480 квадратных сантиметров, то есть он был размером приблизительно с сороку.

У археоптерикса был длинный хвост, как у ящерицы, челюсти, похожие на клюв, острые зубы, но его ключицы были объединены и образовывали вилочковую кость, как у птиц; при этом он был покрыт перьями, похожими на перья современных птиц. Он обитал во время триасовой эпохи, около 140 миллионов лет назад. Окаменелое перо археоптерикса было найдено в 1860 году в обработанном известняке из Золенгофена (Бавария); год спустя научное название ему дал Гермон фон Мейер. В том же году здесь был найден почти целый окаменелый скелет. Сейчас он находится в естественноисторическом отделе Британского музея, куда попал благодаря хранителю музея Ричарду Оуэну, купившему его за 700 фунтов стерлингов.

Второй, более полный образец, был найден в 1877 году. Его приобрел Музей Гумбольдта, где он находится до сих пор (так называемый «берлинский экземпляр»). По всей видимости, в юрский период на территории современной Баварии было много мелких грязевых водоемов, куда попадали древние птицы и со временем превращались в окаменелости. За последние 140 лет было обнаружено еще семь окаменелых остатков археоптерикса. В 1994 году крестьяне китайской провинции Ляонин нашли сотни окаменелых остатков древних птиц. Одна из них была названа Confuciusornis sanctus, то есть святая птица Конфуция, и предположительно жила она раньше археоптерикса. В 1996 году были обнаружены останки другой птицы, протоархеоптерикса (Protoarchaeopteryx) которые заставили усомниться в том, что именно археоптерикс был предком современных птиц. Протоархеоптерикс, скорее всего, древнее археоптерикса на 30 миллионов лет.

См. также статью «Оуэн, Ричард».

АУТОПОЛИПЛОИДИЯ

Так называется тип полиплоидной мутации, при котором умножается набор хромосом только одного вида (ауто – само, полиплоос – многократный, эйдос – образ, набор хромосом). Аутополиплоиды могут возникать от слияния диплоидных гамет одного и того же вида; такие гаметы образуются вследствие неразделения хромосом при мейозе (тип деления клеток, при котором образуются половые клетки). Либо они образуются вследствие неразделения хроматид во время развития оплодотворенной яйцеклетки. Гибрид, получившийся в результате аутополиплоидии, может быть плодовитым или стерильным, в зависимости от набора хромосом. Гибриды с четным количеством гомологичных хромосом (4, 6, 8… 28) будут плодовитыми, потому что их хромосомы могут образовывать пары при мейозе.

Когда при мейозе образуется нередуцированная диплоидная гамета (2х), она может слиться с нормальной гаплоидной гаметой (х), что приведет к появлению триплоидного потомства. Слияние двух нередуцированных гамет (2х) приведет к появлению аутотетраплоида. Триплоиды могут также возникать от скрещивания диплоидов и тетраплоидов. Еще один источник – отсутствие веретена при митозе, что дает прямое удвоение соматических хромосом и ведет к появлению полиплоидной клетки. От удвоенной клетки могут образовываться клетки с набором 4х, 6х или 8х, а затем они образуют полиплоидные части растений, которые имеют набор 2х, 3х или 4х. Аутополиплоиды имеют набор всегда гомологичных друг другу хромосом.

Хризантема (Chrysanthemum), чистотел (Ranunculus ficaria), гиацинт (Hyacinthus orientalis) и некоторые разновидности яблок сорта пепин (Malus pumila) – представители именно этого типа полиплоидов. Благодаря искусственно вызванной аутополиплоидии появились более сильные и выносливые разновидности культивируемых растений, таких, как помидоры и сахарная свекла.

См. также статьи «Аллополиплоидия», «Мутация».

БИОГЕНЕЗ

Биогенез – гипотеза, утверждающая, что все живое происходит только от живого. Сегодня это положение считается очевидным, но потребовалось более 300 лет, чтобы оно утвердилось вместо гипотезы абиогенеза. В начале XVIII века ученые, как те, что верили в биогенез, так и те, что верили в абиогенез, для экспериментального доказательства своих теорий использовали один и тот же материал, а именно, настой сухой травы, который легко было получить, приготовить и исследовать при помощи постоянно усовершенствовавшихся микроскопов. Измельченную сухую траву кипятили в течение 10 минут в воде и затем выставляли на воздух. В первые несколько дней жидкость оставалась стерильной. Спустя неделю жидкость становилась мутной, в ней появлялись живые организмы. Приверженцы абиогенеза и биогенеза сходились во мнении, что кипячение воды убивало любые живые существа, которые могли в ней находиться. Следовательно, заключали они, живые существа могли развиваться в воде только после того, как она остыла.

Сторонники теории абиогенеза объясняли, что живые существа зарождались из сухой травы и воды. Им казалось недостоверным утверждение сторонников теории биогенеза, что в воздухе могут содержаться споры, проникающие в жидкость после ее охлаждения. Приверженцы теории биогенеза предполагали, что споры превращались в активные живые организмы. По всей видимости, говорили они, чистый воздух представляет собой сложную смесь, и каждый раз, когда человек делает вдох, внутрь него попадает множество странных существ! Время показало, что они оказались правы.

Те, кто верили в биогенез, пришли к выводу, что если оградить сосуд с кипяченым настоем от контакта с воздухом, то микробы в нем не зародятся. Проверить это предположение пытался еще в 1711 году Луи Жобло (1645–1723), но окончательно подтвердить гипотезу биогенеза удалось лишь великому биологу Луи Пастеру (1822–1895). Он доказал, что:

• все наблюдения и эксперименты по получению живых существ из неживых материалов оказались ложными;

• ни один эксперимент не показал, что возможно спонтанное самозарождение организмов.

См. также статью «Самозарождение жизни».

БИОГЕНЕТИЧЕСКИЙ ЗАКОН КАК СВИДЕТЕЛЬСТВО ЭВОЛЮЦИИ

Сходство в развитии эмбрионов позвоночных подтолкнуло ученых второй половины XIX века к тщательному изучению этого вопроса. Впервые наличие связи между развитием эмбриона и вида предположил известный эмбриолог Карл Эрнст фон Бэр (современник Дарвина). Однажды он заметил, что, рассматривая заспиртованные зародыши позвоночных, помещенные в сосуды без этикеток, не может точно установить, к какому классу животных они относятся. Это с равным успехом могли быть зародыши ящериц, птиц или млекопитающих, поскольку на ранней стадии развития сходство между ними оказалось потрясающим. Его исследования позволили сделать вывод, что развитие отдельного эмбриона повторяет стадии эволюционного развития группы, к которой принадлежит этот индивид. Таким образом, ученые пришли к выводу, что возможно проследить этапы эволюционного процесса, изучая развитие эмбрионов.

Спустя приблизительно 50 лет после начала исследований Бэра другой известный биолог, Эрнст Геккель, предложил свою теорию рекапитуляции. Основная идея которой состоит в том, что онтогенез повторяет филогенез, то есть развитие отдельного индивида повторяет эволюцию всего вида. Это все равно, что сказать, будто в процессе эмбрионального развития индивид проходит стадии своих древних предков и восходит по эволюционному древу.

На ранних стадиях эмбрионального развития все позвоночные демонстрируют значительное сходство, что указывает на их происхождение от общего предка. Схожесть касается не только внешних черт, но и строения таких важных внутренних структур, как сердце и артериальная система. Однако в наши дни к идее эмбрионального сходства подходят с осторожностью. Хотя биогенетический закон в целом верен, старые взгляды на то, что зародыш человека во время раннего развития проходит через стадии рыб, земноводных и рептилий, являются чересчур упрощенным толкованием сложной эмбриологии высших животных.

См. также статьи «Биогеографические свидетельства эволюции», «Сравнительная анатомия», «Ископаемые свидетельства эволюции», «Геккель, Эрнст Генрих».

БИОГЕОГРАФИЧЕСКИЕ СВИДЕТЕЛЬСТВА ЭВОЛЮЦИИ

Изучая современное распределение членов группы, а также окаменелых остатков предков, мы можем получить много свидетельств эволюции и последующего распространения животных и растений по всему миру. Существует много примеров подобного рода; один из самых хорошо документированных – семейство верблюжьих. Лама и ее родственники, викунья и гуанако, распространены в Южной Америке. Ареалы распространения верблюдов находятся в Северной Африке, в Аравии и Азии. Они постепенно расселились по разным регионам из одной общей точки происхождения этого семейства.

В наши дни сохранилось только два вида – лама (Lama) и верблюд (Camelus), хотя в прошлом их было гораздо больше. Идентифицировано по крайней мере 25 ископаемых родов верблюжьих. Появившись в верхнем эоцене (около 50 миллионов лет назад), все они, кроме одного рода, обитали в Северной Америке. Единственные останки, найденные за пределами Северной Америки, датируются плейстоценом (2 миллиона лет назад) и принадлежат ныне живущим видам или палеоламе (Paleolama) вымершему виду южноамериканской ламы. Несмотря на современное распределение членов семейства верблюжьих, изначальным регионом их распространения, несомненно, была Северная Америка. Позже они переселились в Азию, эволюционировав в одногорбого и двугорбого верблюдов (дромадер и бактриан), и в Южную Америку, став предками лам, викуний и гуанако.

Собраны также хорошие свидетельства распространения сумчатых. Предположительно изначально они появились в Южной Америке и Австралии, которые когда – то были единым материком. Австралия отделилась от основного массива суши до того, как развились современные плацентарные млекопитающие.

Процесс эволюционного развития необязательно охватывает целые континенты. Часто для того, чтобы популяции растений или животных перешли из одного географического региона в другой, требуются миллионы лет и наличие путей сообщения. При дрейфе материков эти пути сообщения меняются и исчезают. Некогда удалившаяся группа может оказаться в изоляции – за океаном, высокими горами или территориями с неблагоприятным климатом.

См. также статьи «Адаптивная радиация», «Сравнительная анатомия», «Дрейф материков», «Ископаемые свидетельства эволюции», «Естественный отбор», «Биогенетический закон как свидетельство эволюции».

БРУМ, РОБЕРТ

Роберт Брум (1866–1951) – выдающийся ученый, внесший значительный вклад в развитие палеонтологии, особенно палеонтологии рептилий и предков человека. В 1925 году шотландец Брум отправился в качестве врача в Южную Африку, где инспектировал отдаленные поселения. Одновременно с этим он успешно занимался палеонтологией и за свои исследования даже получил медаль Лондонского королевского общества.

В 1934 году в возрасте 68 лет Брум оставил медицинскую деятельность и начал работать в Трансваальском музее в Претории. Научные занятия подтолкнули его к решению найти дополнительные свидетельства существования австралопитека (Australopithecus africanus обезьяна из Африки). В 1920 годах останки этого существа были найдены в известняке из каменоломен, и Брум тоже решил поискать там же удачи. Однажды в воскресный день 1936 года он поехал осматривать известняковые пещеры в Стрекфонтейне, близ Иоганнесбурга. Он узнал, что управляющий каменоломен, мистер Барлоу, однажды работал в районе, где были найдены останки обезьяноподобного существа, и сохранил их для продажи туристам. Владелец каменоломен даже составил небольшой буклет об окрестностях Иоганнесбурга – «Приезжайте в Стрекфонтейн и найдите недостающее звено». Странное пророчество сбылось на самом деле, и его исполнил Брум. 17 августа 1936 года Барлоу протянул ему окаменелый остаток мозга, который, как выяснилось, принадлежал австралопитеку. В этот день и на следующий Брум обнаружил отпечаток верхней части черепа и его основания, а также части лобной и боковых костей.

Его искренняя радость от находки выражена следующими словами:

«Приступить к поискам черепа взрослого австралопитека и найти таковой череп или, по крайней мере, принадлежащий его родственнику, всего за три месяца – это рекорд, которым мы с полным правом можем гордиться. А отправиться в Стрекфонтейн и найти то, что искали за девять дней – это еще лучше».

Неутомимый доктор Брум скончался в 1951 году в возрасте 85 лет, до последнего момента сохраняя интерес к жизни и палеонтологии.

ВЕЛИКОЕ ВЫМИРАНИЕ

Наиболее известное вымирание из всех массовых случаев приходится на конец мелового периода, около 65 миллионов лет назад. Предполагается, что причиной его послужило столкновение Земли с гигантской кометой, но когда в начале 1980 годов это мнение впервые было высказано, многие ученые отнеслись к нему скептически.

Неоспоримые свидетельства этого события удалось предоставить Луису Алваресу и его сыну, Уолтеру Алваресу. В тонком слое глины, отделяющем меловые отложения мезозойской эры от отложений кайнозойской эры, они нашли высокое содержание иридия. Впервые они обнаружили эту прослойку в центре Италии, а позднее в Мексике, Антарктиде и Тунисе. И везде, где ученые исследовали границу мел-палеоцен, они находили повышенное содержание иридия. Этот элемент содержится в глубоких слоях мантии, но редко на поверхности. Иногда он появляется на поверхности в результате вулканической активности, но также содержится в метеоритах и кометах.

На полуострове Юкатан в Мексике был найден кратер Чикшулуб, который вполне мог быть следом столкновения с небесным телом. Возникновение такого кратера можно объяснить столкновением с астероидом около 10 километров в диаметре. В 1996 году нашлись доказательства, что роковой астероид врезался в полуостров под углом 20–30° с южной стороны, вызвав дождь расплавленных обломков на северо-западе. В результате возникло огромное облако расплавленной и превращенной в пар горной породы, сжигающее все на своем пути по направлению на запад Северной Америки. Фрагменты горных пород и метеорита могли быть выброшены в атмосферу и снова выпасть на поверхность в виде мелких метеоритов, усиливая эффект разрушения. Сильный порыв ветра унес большую часть атмосферы Земли в космическое пространство. Компьютерные модели свидетельствуют о том, что ветры достигали скорости по меньшей мере 500 километров в час, а остатки горения образовали 70 миллиардов тонн сажи, что равнозначно сгоранию 25 % всего органического материала планеты.

См. также статью «Катастрофы».