Текст книги "101 ключевая идея: Эволюция"

Автор книги: Дженкинс Мортон

сообщить о нарушении

Текущая страница: 3 (всего у книги 10 страниц)

ДИНОЗАВРЫ

Во время триасового периода (245–202 миллиона лет назад) пресмыкающиеся архозавры (правящие ящеры) эволюционировали в четыре основные группы: два отряда динозавров, птерозавров и крокодилов. Две группы динозавров (ящеротазовые и птицетазовые) были в не более близких отношениях между собой, чем с крокодилами или птерозаврами. Так что термин «динозавр» хотя и широко используется в популярной литературе, не является научным определением какой-либо специфической таксономической группы. Слово «динозавр» образовано от греческих слов deinos – ужасный и sauros – ящер. Его придумал в 1842 году Ричард Оуэн, директор Лондонского музея естественной истории.

Наши знания о двух группах динозавров весьма ограничены, поскольку нам приходится полагаться только на изучение окаменелых остатков. Больше всего мы знаем о тех животных, которые обитали в болотах или рядом с реками, потому что тела, попавшие во влажную землю, вероятнее всего, становятся окаменелостями. Что же касается тех, кто обитал в глубине суши или в горах, то о них нам известно меньше. Так, нам известно о существовании четвероногих птицетазовых динозавров с рогами и шипами на шее. Их тяжелые черепа были найдены в отложениях древних рек и болот, куда их смыли горные потоки. Интересно, что черепа динозавров, обитающих в болотах, сохранились хуже, поскольку обычно они были легче и быстро ломались.

Возможно, самое ранее упоминание остатков динозавров – китайское описание «костей дракона», сделанное более 1700 лет назад; американские индейцы использовали окаменелые кости и зубы в качестве амулетов. Первое научное описание динозавра – мегалозавра – сделал в 1824 году англичанин Уильям Бакленд, профессор геологии Оксфордского университета. Это было животное 7 метров в длину с тремя огромными когтями на задних ногах. У него были клыки для разрывания мяса на куски и череп, по всей видимости, располагался на S-образном изгибе короткой шеи, как у птиц. К концу 1 920 годов окаменелые останки динозавров были найдены на всех материках.

См. также статьи «Птицетазовые динозавры», «Ящеротазовые динозавры», «Оуэн, Ричард».

ДРЕЙФ ГЕНОВ

Иногда эта концепция называется «эффект Сьюэлла – Райта», в честь предложивших ее двух популяционных генетиков. После того как Мендель доказал, что гены являются единицами наследственности, а Харди и Вайнберг продемонстрировали механизм их поведения, биологи поняли, что эволюция признаков может происходить не только посредством естественного отбора, но и случайно. Дрейф генов зависит от того, что изменение частоты аллелей в малых популяциях обусловлено исключительно случаем. Если число скрещиваний невелико, тогда реальное соотношение различных аллелей гена может сильно отличаться от рассчитанного на основе теоретической модели. Дрейф генов – это один из факторов, нарушающих равновесие Харди – Вайнберга.

На большие популяции со случайным скрещиванием огромное воздействие оказывает естественный отбор. В этих группах отбираются особи с адаптивными признаками, а другие безжалостно отсеиваются, и популяция методом естественного отбора становится более приспособленной к окружающей среде. В малых популяциях идут другие процессы и на них влияют другие факторы. Например, в малых популяциях велика вероятность случайного изменения частоты генов. Такие изменения не вызваны естественным отбором. Понятие дрейфа генов очень важно для малых популяций, поскольку они имеют малый генофонд. Это значит, что случайное исчезновение или появление аллеля гена у потомства приведет к значительным изменениям в генофонде. В больших популяциях такие колебания не приводят к заметным результатам, поскольку уравновешиваются большим числом скрещиваний и притоком генов со стороны других особей. В малых популяциях случайные события могут привести к эффекту «бутылочного горлышка».

Согласно определению, под дрейфом генов понимают случайные изменения генных частот, вызванные малой численностью популяции и нечастым скрещиванием. Дрейф генов наблюдается среди малых популяций, например, у островных переселенцев, у коала или больших панд.

См. также статьи «Эффект „бутылочного горлышка“», «Равновесие Харди – Вайнберга», «Менделизм», «Естественный отбор».

ДРЕЙФ МАТЕРИКОВ

В 1912 году немецкий ученый Альфред Вегенер предположил, что около 200 миллионов лет назад все материки Земли составляли единый массив суши, который он назвал Пангеей. В последующие 200 миллионов лет Пангея разделилась на несколько материков, которые стали постепенно перемещаться по направлению к их современному положению. Эта идея не получала широкой поддержки до 1960 годов, когда были получены доказательства теории Вегенера. Наиболее убедительное свидетельство основано на магнетизме потоков лавы. Когда поток лавы застывает, то металлические частицы в лаве ориентируются в направлении магнитного поля Земли. Поэтому геологи могут определить направление север – юг, каким оно было в то время, а также бывшую широту этого участка. Исходя из этого, можно составить карту древней Земли и увидеть, как материки располагались раньше. Конечно, дрейф материков продолжается и в наши дни.

Геологи давно знали, что поверхность Земли представляет собой подвижную кору, постоянно изменяющуюся, сжимающуюся и вспучивающуюся под воздействием огромных глубинных сил. Известно, что эти изменения затрагивают громадные куски земной коры, которые называются тектоническими плитами. Одни края этих плит выталкиваются наружу, другие опускаются. Там, где плиты сталкиваются, возникают складки – горные цепи. Когда такие горные массивы возникают на дне океана, они вытесняют воду и океан расширяется. При помощи сверхточных инструментов, расположенных на спутниках, ученые узнали, что Великобритания удаляется от Северной Америки со скоростью 5 сантиметров в год.

Представление о дрейфе материков (тектонике плит) необходимо для изучения распространения и эволюции жизни на нашей планете. Эта теория объясняет, почему останки тропических животных находят в Антарктиде и почему животный мир Австралии и Южной Америки отличается от животного мира других континентов. Дрейф материков отделяет популяции друг от друга именно таким образом, который способствует видообразованию и закладывает основы для дальнейшего независимого развития групп примитивных организмов.

Пангея начала разделяться в триасовом периоде (225 миллионов лет назад), и уже к концу мезозойской эры (65 миллионов лет назад) материки занимали приблизительно то же положение, что и сегодня.

ДЮБУА, ЭЖЕН

В 1891 году Эжен Дюбуа (1858–1940) обнаружил на Яве останки древнего гоминида, названного «Яванский человек» или Homo erectus – человек прямоходящий. Сейчас считается, что ему 1,8 миллиона лет. В 1877 году в возрасте 19 лет Дюбуа начал изучать анатомию и естественную историю в Амстердамском университете. Через несколько лет он решил найти настоящие останки древнего обезьяноподобного человека и предположил, что искать их следует в Вест-Индии. На его решение, по всей видимости, повлияли работы Геккеля, прославленного немецкого биолога того времени. Дюбуа обратился к правительству Нидерландов с просьбой выделить средства на научную экспедицию в восточные голландские владения. Разумеется, предложение неизвестного ассистента профессора отправить дорогостоящую экспедицию на поиски воображаемого существа не вызвало доверия у правительства, и оно ответило отказом. Однако Дюбуа не сдался и записался Доктором на военный корабль нидерландского флота. В возрасте 29 лет, оставив преподавание анатомии в Амстердамском университете, вместе с женой и ребенком он отправился в голландские владения в Вест – Индии. Там он сделал одно из величайших открытий в истории человечества – нашел «недостающее звено».

Драгоценную окаменелость обнаружили работники, и сам Дюбуа не видел, как ее извлекали из-под земли. Это была часть черепа; Дюбуа показалась, что она слишком большая, чтобы быть черепом обезьяны и слишком маленькая, чтобы быть черепом человека. В мае 1892 года в 13 метрах от первой находки было обнаружено бедро, принадлежавшее, скорее всего, той же особи. На основании остатков Дюбуа сделал предположение, что это было прямоходящее человекообразное существо и потому этого обезьяночеловека назвали Homo erectus.

Но когда Дюбуа вернулся домой, его открытие подвергли жестоким насмешкам. Правота ученого подтвердилась только в 1930 годах.

См. также статью «Геккель, Эрнст Генрих».

ЕСТЕСТВЕННЫЙ ОТБОР

Естественным отбором считается процесс, который Дарвин назвал «борьба за существование», при котором наиболее приспособленные организмы выживают, а наименее приспособленные погибают. Согласно положениям дарвинизма, естественный отбор в популяции с изменчивыми признаками приводит к эволюции и образованию новых видов. Некоторые индивиды, более приспособленные и более удачливые в плане размножения, передают свои черты потомству, и, таким образом, количество индивидов с удачными признаками растет с каждым поколением. Дарвин полагал, что по природе индивиды обладают различной способностью к размножению и что природа сама регулирует необходимые в том или ином окружении признаки организмов.

Логика дарвиновской теории основывалась на наблюдениях и выводах. Сформулировать его теорию позволили три основных наблюдения и два вывода:

• Первое наблюдение было высказано в работе Мальтуса «Опыт о законе народонаселения»: организмы имеют тенденцию размножаться в геометрической прогрессии – 2, 4, 8, 16, 32 и так далее.

• Второе наблюдение заключалось в том, что количество особей одного вида в течение долгого времени остается более или менее постоянным.

• Первый вывод, сделанный на основе этих наблюдений: в природе идет постоянная борьба за выживание. Организмы, победившие в этой борьбе, получают шанс на воспроизведение потомства.

• Третье наблюдение заключалось в том, что организмам свойственна изменчивость.

• Второй вывод касался положения о естественном отборе: некоторые индивиды получают больше шансов воспроизвести потомство, чем остальные. Их положительные признаки, скорее всего, передаются другим поколениям, а неблагоприятные признаки менее удачливых животных со временем исчезают.

Опровергнуть теорию Дарвина возможно только на основе более совершенных наблюдений и рассуждений.

См. также статьи «Дарвинизм», «Неодарвинизм».

ЕСТЕСТВЕННЫЙ ОТБОР ПОД ВЛИЯНИЕМ ХИЩНИКОВ

Чарлз Дарвин осознавал важность размера популяции при определении выживаемости индивидов, соревнующихся между собой за ограниченное число ресурсов удовлетворения основных потребностей, в особенности за пищу. В этом процессе немалую роль играют и хищники; Было проведено много исследований роли хищников в естественном отборе. Наиболее примечательное из них – исследование наземных улиток рода цепея (Сераеа).

В Великобритании распространены только два вида – бурогубая улитка (С. nemoralis), и белогубая улитка (С. hortensis). Бурогубый вид отличается большим разнообразием, цвет его раковины может принимать три различных оттенка – коричневый, розовый и желтый. Отметки на раковинах также различны – от полного отсутствия отметин до пяти черных полос с промежуточными формами. Белогубая улитка имеет обычно желтую раковину, при этом у нее либо вовсе нет отметок, либо пять отдельных полос, промежуточные формы встречаются крайне редко. У обоих видов цвет раковины и количество отметок зависят от генов.

Исследования бурогубых улиток в различных средах обитания, таких, как луга и леса, показали, что существует прямое соответствие между желтыми раковинами и зеленым фоном. В темных местах, например в живой изгороди или в чаще букового леса, пропорция желтых раковин постепенно сходит к нулю. Полосы на раковинах также находятся в прямой зависимости от окружения. Чем более пестрое и темное окружение (например, в лесу), тем больше полос на раковине.

Главный враг бурогубых улиток – певчий дрозд. В середине апреля растительность имеет в основном бурый цвет, и желтые раковины считаются недостатком. К концу апреля желтый становится нейтральным цветом на фоне растительности, а к середине мая он преобладает.

Это очевидный пример отбора по видимым внешним признакам – определенный рисунок раковины обеспечивает маскировку на фоне определенной растительности. Однако белогубые улитки имеют разную окраску и узоры и могут обитать в той же местности, что и бурогубые. На них охотятся те же хищники, но частоты их генов могут сильно отличаться. В буковых лесах почти все бурогубые улитки не имеют полос, тогда как белогубые в основном имеют полосатые желтые раковины.

ЖИВЫЕ ИСКОПАЕМЫЕ

Изучая окаменелости, можно сделать вывод, что ни один вид не сохраняется вечно – средний срок распространения отдельного вида длится от одного до десяти миллионов лет. Из всех видов, когда-либо обитавших на Земле, 99,9 % являются вымершими, поэтому случаи так называемых живых ископаемых крайне редки. Живым ископаемым называется живой организм, который не отличается в основных чертах от организмов, изученных по окаменелым остаткам. Это современные организмы с анатомическими или физиологическими признаками, которые присутствовали у их вымерших предков. Часто они встречаются в очень удаленных, ограниченных и почти не изменившихся средах обитания. Поэтому их эволюция протекала крайне медленно.

К этой категории принадлежат магнолия, гинкго двулопастный, двоякодышащие рыбы, некоторые моллюски, вроде наутилуса и лингулы, и целакант (латимерия). Все живые ископаемые не обязательно считаются переходным звеном от одного типа животных к другому, но некоторые сочетают признаки разных групп и свидетельствуют об их происхождении от общего предка.

В качестве примера приведем следующие виды:

• Перипатус (Peripatus), совмещающий признаки, свойственные членистоногим и кольчатым червям.

• Неопилина (Neopilina), которая может быть переходным звеном между кольчатыми червями и моллюсками.

• Ланцетник (Amphioxus), который представляет собой связующее звено между позвоночными и беспозвоночными.

Изучение живых ископаемых помогает проверить уже имеющиеся данные о связи между различными группами организмов, а также сверить реконструкцию вымерших животных на основе ископаемых остатков.

Конечно же, эти современные животные и растения не совсем идентичны их ископаемым предкам, но они с полным правом могут называться живыми ископаемыми, поскольку многие их признаки сохранились с древнейших времен и похожи на признаки вымерших организмов. Иногда их называют реликтовыми видами (от лат. relictus – остаток).

См. также статьи «Целакант», «Гинкго двулопастный», «Ланцетник», «Лингула», «Наутилус», «Неопилина», «Перипатус».

ЗАКОН ХАРДИ-ВАЙНБЕРГА

Однажды в 1908 году во время обеда генетик Реджинальд Кранделл Паннет и его старый друг Г. X. Харди из Оксфордского университета заговорили, как обычно, о генетике. Паннет сказал, что слышал критическое замечание по поводу теории Менделя, найти ответ на которое он не может. Согласно этому замечанию, если ген коротких пальцев был бы доминантным, а ген длинных пальцев рецессивным, тогда с каждым поколением число особей с короткими пальцами становилось бы все меньше и меньше. Через несколько поколений, как сказал критик, ни у кого в Британии не осталось бы длинных пальцев.

Паннет не согласился с таким выводом, но не мог объяснить, почему он неверен. Харди сказал, что ответ ему кажется довольно легким и что он может написать несколько формул прямо на салфетке. Он доказал удивленному Паннету, что при определенной частоте генов нормальных или коротких пальцев относительное количество особей с длинными или короткими пальцами остается одинаковым в каждом поколении, если только не принимать во внимание естественный отбор и другие внешние влияния, которые могли бы привести к изменению частоты генов (частотой генов называется соотношение генов различного вида). Харди подумал, что эти расчеты довольно тривиальны и их не стоит публиковать, но Паннет настоял на том, чтобы они были запечатлены не только на столовой салфетке.

Приблизительно в то же время многие развивали эту идею, в том числе и немецкий врач Вильгельм Вайнберг. Поэтому этот принцип был назван Законом Харди-Вайнберга. На самом деле его высказал еще раньше американец У. Е. Касл, но его имя, как ни странно, не попало в учебники.

Принцип можно выразить следующим образом:

При отсутствии внешних сил, изменяющих частоту генов в популяции, и при условии случайного скрещивания, частота каждого аллеля (какой она является во втором поколении) стремится оставаться постоянной в любом поколении.

Этот принцип положен в основании концепции равновесия Харди – Вайнберга.

См. также статью «Равновесие Харди-Вайнберга».

ИЗМЕНЧИВОСТЬПОД ВЛИЯНИЕМ ВНЕШНИХ УСЛОВИЙ

Негенетические факторы могут оказывать такое же влияние на организм, как и гены, ответственные за те или иные признаки. Согласно законам наследственности, гены определяют возможное строение представителя вида, а не то, какое он приобретет в действительности. Так, растение может унаследовать гены высокого роста, но на почве, бедной питательными веществами, оно, скорее всего, останется маленьким. Фенотип организма (его внешний вид) зависит от сочетания наследственных признаков и условий окружающей среды.

Рассмотрим простой пример. Представим, что щенки восточно-европейской овчарки имеют гены, унаследованные от общих родителей. Если проследить за ростом щенков, отданных в различные семьи, то часто можно заметить, что некоторые из них становятся не такими большими и сильными, как остальные их братья и сестры. Причина может заключаться в генах или в неправильном питании и уходе за ними. Другими словами, внешняя среда оказывает не менее значительное воздействие на фенотип, чем наследственность. Изменяя условия среды, мы можем изменить фенотип. С другой стороны, щенки декоративной породы корги никогда не вырастут выше щенков овчарки, сколько их не корми. Но небольшая разница в росте щенков одной породы может быть обусловлена генетически. В одинаковых условиях за разницу в росте ответственны гены.

Хорошо известен эффект, который оказывает улучшение питания на фенотип людей. Еще в 1950 годах проводились исследования зависимости фенотипа от питания среди японских детей. Две группы мальчиков росли в разных условиях: некоторые родились и воспитывались в США, где условия в то время были лучше, а другие в Японии (с тех пор условия в Японии значительно улучшились). Те, кто рос в Америке, были в любом возрасте выше тех, кто рос в Японии. Улучшение питания и жизненных стандартов в Японии привело к тому, что сейчас дети в ней выше тех, что росли в период с 1900 по 1952 годы. То же самое произошло и в Великобритании – современные дети выше своих бывших сверстников, живших 60 лет назад.

ИНДУСТРИАЛЬНЫЙ МЕЛАНИЗМ

Теория эволюции, предложенная Чарлзом Дарвином, испытывала недостаток доказательств. Он не мог привести пример эволюционного изменения, имевшего места в настоящий момент, но за время его жизни действительно произошел процесс, приведший к значительным изменениям одного вида. Это был так называемый «индустриальный меланизм» (изменение цвета бабочек). Впервые его механизм был продемонстрирован на примере березовой пяденицы (Biston betularia). Точные данные относительно изменений в популяциях этого вида представил в 1950 годах биолог Кетлуэлл. Его исследования продемонстрировали ход эволюции на примере изменения формы одного вида в результате естественного отбора.

Существуют три разновидности окраски пяденицы березовой. Типичная форма – крапчатая, с черными пятнышками, которые иногда образуют черные линии. Другая, называемая «карбонария», – черная или меланическая форма с повышенным содержанием меланина, пигмента черного цвета. Третья форма, переходная – крапчатая с белыми пятнами, которую еще иногда называют «инсулярия». До эпохи индустриальной революции меланическая разновидность была очень редкой формой мутации. Затем, когда города и окружающая их местность начали покрываться слоем сажи от сжигаемого угля, который применяли на фабриках и при отоплении домов, меланическая форма стала более распространенной, и в некоторых местах крапчатая разновидность просто исчезла. Сажа не только делала темными стволы деревьев, но и убивала лишайники, на фоне которых крапчатая разновидность была незаметной. В таких условиях типичная разновидность хорошо смотрелась на фоне темных деревьев, и ее легко распознавали хищники. Черная разновидность получила преимущество; она смогла выжить и дать потомство.

Этот феномен коснулся 10 % из приблизительно 700 видов больших бабочек Британии и привел к увеличению соотношения темных разновидностей в популяциях. Во всех случаях бабочки днем отдыхали на коре деревьев или на темных предметах. Однако не следует полагать, что таким образом образовался новый вид, так как светлая и темная разновидности могли скрещиваться и давать потомство. Тем не менее этот феномен доказал, что признаки животных могут изменяться под действием естественного отбора, вызванного изменениями среды. В 1956 году был принят закон о контроле над загрязнением воздуха и были образованы «бездымные зоны». С тех пор ситуация изменилась в противоположную сторону, и светлая разновидность стала вновь более распространенной.

См. также статью «Естественный отбор».