Текст книги "101 ключевая идея: Эволюция"

Автор книги: Дженкинс Мортон

сообщить о нарушении

Текущая страница: 6 (всего у книги 10 страниц)

МАНТЕЛЛ, ГИДЕОН

Одним из первых людей, нашедших свидетельства существования доисторических рептилий, был Гидеон Мантелл (1790–1852). Это был врач и любитель-палеонтолог. Согласно легенде, однажды весенним днем 1822 года доктор Мантелл посетил одного своего пациента. Пока он осматривал больного, его жена, Мэри Энн, вышла прогуляться по недавно отремонтированной дороге. Она заметила что – то блестящее в куче камней, которыми мостили дорогу. При более близком осмотре блестящие предметы оказались окаменелыми зубами. Гидеон Мантелл не видел ранее ничего подобного. Он решил, что зубы принадлежали травоядному животному, поскольку были источены в результате пережевывания.

Сравнить их можно было разве что с зубами слона или носорога. С помощью поставщиков камней он обнаружил место, откуда происходила эта находка – каменоломня Тилгейт-Форест. Возраст этих пород в каменоломне составлял около 130 миллионов лет, что намного раньше распространения крупных млекопитающих. Зубы сохранились с мезозойской эры, эпохи пресмыкающихся. Мантелл послал зубы и некоторые окаменелые кости ног, которые позже нашел в этой каменоломне, двум самым известным авторитетам того времени: Жоржу Кювье в Париж и Уильяму Бакленду, профессору геологии Оксфордского университета. Но никто из них не посчитал, что им прислали останки вымерших рептилий. Несмотря на отрицательные отзывы, Мантелл настаивал на своей гипотезе и старался найти среди музейных коллекций древних и современных образцов нечто, напоминающее его находки.

Спустя три года ему показали скелет современной южно-американской игуаны, хранящийся в музее Королевского хирургического колледжа в Лондоне. На нижней челюсти у нее были уменьшенные подобия тех зубов, что некогда были обнаружены благодаря случайности. Мантелл опубликовал описание находки и назвал ископаемое животное игуанодоном.

См. также статью «Кювье, Жорж».

МЕНДЕЛИЗМ

Классическая генетика названа в честь Грегора Менделя. Менделизм – это исследование наследственности путем экспериментов по выращиванию растений и разведению животных. Впервые такие эксперименты Мендель провел в 1860 годах. Изучаемые признаки обычно контролируются одним геном и демонстрируют простые доминантные или рецессивные взаимоотношения между аллелями. В многочисленном потомстве от скрещивания подсчитывается доля различных фенотипов (совокупности внешних признаков, определяемых генами) и на их основе устанавливается генотип родителей. Подобные работы впервые дали понять, что наследование имеет дискретную природу, а не является простым смешиванием признаков.

Мендель сформулировал два закона, объясняющие механизм наследования, который он наблюдал на примере обычного огородного, или садового, гороха (Psium sativum). Первый закон, Закон расщепления, гласит, что любой признак существует в двух факторах, которые находятся в клетках тела (соматических клетках), но только один из них передается отдельной гамете (половой клетке). Второй закон, Закон независимого распределения признаков, утверждает, что распределение этих факторов в гамете случайно. Следовательно, при наличии нескольких пар факторов, каждая пара разделяется независимо.

Мендель назвал эти факторы, ответственные за проявление признаков растений, «зародышевые единицы». Сегодня они известны как гены (так их впервые в 1909 году назвал датский ученый Вильгельм Иогансен). Различные формы генов именуются аллелями (сокращенно от аллеломорфных паров генов). Известно, что клетка с полным набором хромосом данного вида (диплоидная клетка) содержит два аллеля любого конкретного гена. Каждый аллель содержится в одной из двух гомологичных хромосом (хромосомы, которые образуют пары во время образования клетки). Гамете (яйцеклетке или сперматозоиду) передается только одна из двух гомологичных хромосом. Таким образом, Закон расщепления был подтвержден. Мендель рассматривал факторы наследственности как отдельные независимые частицы, но сейчас известно, что они составляют хромосомы. Закон независимого распределения относится только к тем парам аллелей, которые находятся в разных хромосомах.

МУТАГЕНЫ

Мутагены – это факторы внешней среды, увеличивающие вероятность мутаций и приводящие к наследственным изменениям.

Радиация

Организмы постоянно подвергаются различным типам радиационного облучения. Диапазон электромагнитного излучения простирается от длинных радиоволн до космических лучей с очень короткой длиной волны. Количество энергии, содержащейся в излучении, увеличивается по мере уменьшения длины волн и на определенном этапе лучи начинают проникать внутрь живых клеток.

Ультрафиолетовое излучение обладает менее эффективной способностью проникать внутрь клеток, чем высокоэнергичные лучи, но при этом ДНК легко изменяется под его воздействием, что приводит к структурным повреждениям на молекулярном уровне и вызывает такие последствия, как рак кожи.

Излучение с длиной волны меньшей, чем у ультрафиолетового, называется «ионизирующее излучение». Его уровень энергии настолько высок, что электроны под воздействием лучей сходят с орбит атомов и образуют положительно заряженные ионы. Ионы, а также содержащие их молекулы, химически более активны, чем нейтральные атомы. Этот тип радиации может воздействовать на ДНК и хромосомы, но мутации, вызываемые им, не наследуются, если только они не произошли в органах, производящих половые клетки.

Все организмы в той или иной степени подвергаются низкому уровню облучения космическими лучами и радиоактивными веществами Земли, которые встречаются в горных породах, выходящих на поверхность. Дополнительное облучение вызывается из – за использования человеком радиоактивных изотопов, например, рентгеновских лучей в медицине и выбросов радиоактивных отходов атомного реактора.

Химические вещества

Начиная с 1945 года список мутагенных химических веществ постоянно пополняется, причем многие из них обладают канцерогенными свойствами (вызывают рак). Часто мутагены используют в сельском хозяйстве Для улучшения роста злаковых культур и повышения урожая. Так, например, колхицин вызывает удвоение хромосом в клетках и приводит к увеличению роста растении.

См. также статьи «Искусственный отбор растений», «Мутация».

МУТАЦИЯ

Мутация – это непредвиденное изменение наследственных свойств организма в результате перестроек и нарушений отдельных генов или хромосом. Хотя термин «мутация» обычно используется именно в этом смысле, исторически он имел более широкое значение, включающее изменения порядка и структуры хромосом. Мутации предоставляют «сырой» материал для эволюции и считаются основой изменчивости представителей популяции, на базе которой и осуществляется естественный (или искусственный) отбор комбинаций генов, наиболее приспособленных к окружающей среде.

Многие мутации могут быть нейтральными или «молчащими» (то есть не оказывающими заметного влияния на организм). Вредные мутации становятся очевидными, поскольку изменяют выживаемость организма. Мутации происходят случайно, но их могут вызывать различные факторы внешней среды. Спонтанные мутации возникают в результате ошибок при репликации; разные гены могут подвергаться мутации с различной частотой.

Многие обусловленные мутации могут возникать в результате влияния на организм факторов внешней среды (мутагенов), таких, как:

• Рентгеновские лучи. Вызывают нарушения в цепочках ДНК, что приводит к перестановкам (блоковые мутации) и удалению фрагментов.

• Ультрафиолетовые лучи. Вызывают точковые мутации, включая замену оснований, вставки и удаление.

•Химические вещества. Включают:

– аналоги оснований, которые подставляются вместо нормальных оснований при синтезе ДНК, что приводит к ошибочному спариванию;

– реактивы, которые добавляют в химические группы или удаляют их из нормальных оснований, что приводит к ошибочному спариванию во время репликации ДНК (например, бензол, формалин, четыреххлористый углерод).

Гены мутируют с определенной частотой, которая зависит от вида генов – некоторые из них обладают весьма высокой частотой спонтанной мутации. Большинство мутаций происходит в соматических клетках (клетках тела) и не наследуется. Те мутации, что совершаются в половых клетках, могут наследоваться.

См. также статью «Мутагены».

НАПРАВЛЕННАЯ ЭВОЛЮЦИЯ

Против теории эволюции Дарвина было выдвинуто несколько возражений, в том числе и то, что концепция изменчивости признаков и естественного отбора не объясняет, почему некоторые организмы эволюционировали в определенном направлении, как если бы их развитие было каким-то образом направлено ко вполне определенной цели.

Представление о том, что в своем развитии организмы преследуют какую – то цель, не ново. В теорию Ламарка входило предположение о том, что все организмы обладают стремлением к усовершенствованию. Но оно было отвергнуто Дарвином при работе над первым изданием «Происхождения видов». Позже высказывались соображения, что эволюция некоторых животных, например лошадей (в направлении увеличения роста и сокращения количества пальцев), была каким-то образом предопределена заранее. Стремление родственных групп организмов развиваться в одном и том же направлении, независимо от естественного отбора, следует считать основным положением в теории ортогенеза. Поскольку эта теория предполагает, что эволюция происходит независимо от естественных законов, ее нельзя проверить экспериментально. Таким образом, теория ортогенеза противостоит общепринятой теории эволюции, неодарвинизму.

Однако некоторые положения ортогенеза пришлись по душе креационистам, которые нашли в них подтверждение своим идеям о надзоре Творца над своим творением и о наличии Божественного плана. Популярности теории ортогенеза в постдарвиновскую Викторианскую эпоху способствовал недостаток окаменелостей, подтверждающих теорию эволюции. Теперь нам известно, что почти все примеры прямонаправленной эволюции, в том числе и эволюция лошади, представляют собой более сложные, включающие адаптивную радиацию по нишам. Многие из боковых ветвей вскоре исчезли, но некоторые животные выжили и долгое время обитали в разных частях света. Как только появлялась особая вариация, шансы на развитие в том же направлении значительно увеличивались.

См. также статьи «Дарвинизм», «Ламарк Жан Батист», «Ламаркизм», «Естественный отбор», «Неодарвинизм».

НАУТИЛУС

Основной интерес, проявляемый биологами к наутилусу (Nautilus – кораблик), заключается в том, что это единственный ныне живущий представитель большой группы головоногих моллюсков с многокамерной раковиной (аммонитов), широко распространенных в раннекембрийский и позднемеловой периоды (475 миллионов лет назад). Этот период времени охватывает самую сложную и обширную стадию развития беспозвоночных. После долгой эпохи доминирования среди морских животных в мезозое (45–65 миллионов лет назад) их число неожиданно сократилось и ныне среди головоногих моллюсков можно назвать только осьминогов, кальмаров и каракатиц.

Аммониты названы по имени древнеегипетского бога Амона, изображавшегося с витыми рогами на голове. По прекрасно сохранившимся окаменелостям хорошо изучены тысячи их исчезнувших видов. Начиная с триасового периода (245 миллионов лет назад) быстро появлялись новые семейства, роды и виды. Их различают по форме и рисунку завитков, особенно по типу соединения витков раковины. Сегодня существует по крайней мере шесть видов наутилуса, обитающих на умеренных глубинах в юго-западной части Тихого океана. Наутилус плавает преимущественно ночью, используя принцип реактивного движения. Несмотря на то что раковина по сравнению с телом моллюска довольно тяжела, ее поддерживает газ в пустых камерах. Из-за того что центр плавучести располагается ниже центра тяжести, тело наутилуса всегда направлено вниз, подобно тому, как корзина воздушного шара всегда находится ниже самого воздушного шара.

Несмотря на то что раковины наутилуса были известны еще в XVI веке, само животное не было как следует изучено до 1831 года, когда Ричард Оуэн, сотрудник Королевского хирургического колледжа в Лондоне, не составил описание экземпляра, доставленного ему из Тихого океана.

Живой экземпляр был изучен лишь полтора века спустя. В 1962 году профессор Оксфордского университета Анна Биддер посетила Новую Каледонию, где изучала наутилусы, содержащиеся в аквариуме. С тех пор их успели снять в естественной среде обитания при помощи подводной камеры.

См. также статьи «Живые ископаемые», «Оуэн, Ричард».

НЕОДАРВИНИЗМ

Неодарвинизм – это основанная Чарлзом Дарвином теория эволюции методом естественного отбора, согласованная с современной теорией генетики, которая берет начало в работах Грегора Менделя, и усовершенствованная в соответствии с исследованиями современных генетиков. Эти исследования ответили на многие вопросы, которые были в свое время поставлены до теории Дарвина и на которые без знания генетики ответить было просто невозможно. Суть неодарвинизма заключается в том, что приспособление организмов к среде обитания совершается благодаря естественному отбору, который действует на основе наследования изменяющихся мелких признаков, большинство из которых изначально неадаптивны. Основной источник изменчивости – мутации, которые сохраняются и передаются посредством механизма дискретной наследственности. Изменения в генном наборе различных популяций, при условии географической изоляции и ограничения дрейфа генов, в конечном итоге приводят к образованию нового вида. Хотя давление отбора всегда, как правило, очень велико, образование новых видов – процесс чрезвычайно медленный.

Критики неодарвинизма утверждают, что он не может объяснить периоды ускоренного видообразования, чередующиеся с периодами замедления эволюционной активности. Но их можно объяснить тем, что в истории планеты периоды экологического равновесия чередовались с периодами быстрых изменений окружающей среды. Однако медлительность, присущая механизму видообразования, каким его понимает неодарвинизм, породило представление о крупных мутациях, приводящих к большим фенотипическим изменениям, которые, возможно, тоже сыграли свою роль в эволюции.

Наряду с проблемой больших скачков в ходе эволюции существует проблема так называемых переходных стадий. Такие стадии должны предшествовать адаптированным структурам, доказавшим в конце концов свою надежность. Например, предполагается, что развитию глаза предшествовали стадии «полуразвитого глаза», то есть ряд приспособлений, фокусирующих свет переменной яркости, но не формирующих изображение. Однако любое образование, увеличивающее способность воспринимать свет переменной яркости, будет преимуществом, так как оно позволит воспринимать тень и движения и будет способствовать выживанию.

См. также статьи «Неодарвинизм», «Менделизм», «Мутация», «Репродуктивная изоляция».

НЕОПИЛИНА

Моллюски (улитки, устрицы, кальмары и слизни) считаются в высшей степени приспособленными и широко распространенными организмами, поскольку их предок выработал эффективную защиту в виде раковины. Их общим предком мог быть примитивный моллюск пилина (Pilina), останки которого находят в отложениях кембрийского периода и который имел простую раковину в виде колпачка. Предполагалось, что такие формы исчезли около 350 миллионов лет назад, но в 1952 году в глубинах Тихого океана были обнаружены представители вида, очень похожего на древнего моллюска. На взгляд неспециалиста, неопилина (Neopilina) – довольно невзрачное животное, какой-то моллюск, около 2 сантиметров в диаметре, но для экспертов в области малакологии ее обнаружение явилось одним из величайших открытий XX века. У нее имеются жабры, расположенные парами, и двусторонне симметричное тело (различаются правая и левая половины), что необычно для моллюсков, но характерно для кольчатых червей. Кроме того, что это живое ископаемое, по всей видимости, указывает на общее происхождение настоящих кольчатых червей и моллюсков, обстоятельства его обнаружения тоже довольно удивительны.

В 1952 году датское глубоководное исследовательское судно «Галатея» подняло с глубины в 3600 метров близ побережья Коста – Рики первые экземпляры этого животного. Ничего подобного среди ныне живущих животных не видели, а поскольку их подняли с большой глубины, то оставалось только догадываться об их образе жизни. Шесть лет спустя у берегов Перу был обнаружен второй вид; а в 1962 году у берегов Калифорнии еще один. Через девять лет нашли и четвертый вид, на этот раз в Аденском заливе. Исходя из этого можно предположить, что род неопилин широко распространен по всему миру. Самое удивительное, что они в течение долгого времени никому не попадались на глаза. Начиная с 1872 года, когда судно королевского флота Великобритании «Челленджер» пустилось в трехлетнее плавание, были проведены десятки глубоководных исследований во всех морях с использованием самых лучших аппаратов. Но за 80 лет тщательных поисков обнаружить неопилин не удавалось.

См. также статью «Живые ископаемые».

НЕОТЕНИЯ

Форма тела, которую в конечном итоге принимает взрослый организм, контролируется при помощи генов и может подвергаться естественному отбору в процессе роста. Гены определяют как природу признаков взрослого организма, так и скорость, с какой они проявляются, включая стадию полового созревания. Убыстрение процесса полового созревания может привести к тому, что взрослый организм будет сохранять признаки молодого. Способность организмов размножаться на ранней стадии развития (например, раннее половое созревание в личиночной стадии) называется «неотения». В 1920 годах Уолтер Гарстанг и другие ученые предположили, что неотения оказывает влияние на эволюционные изменения. Они выдвинули гипотезу, что хордовые (животные с хордой, предшественники позвоночных) произошли от зрелых личинок иглокожих (беспозвоночных с покрытой шипами кожей) типа морских ежей.

Существует много случаев, подтверждающих, что развитие неотении сыграло важную роль в эволюции, особенно в эволюции примитивных земноводных. Один из широко известных примеров – мексиканский аксолотль. Он может размножаться в стадии водной личинки и завершать жизненный цикл, не выходя из воды. Другой пример, тоже из земноводных, это протеи, обитающие в Европе и США.

Эти примеры, хотя и интересны с биологической точки зрения, ничего не говорят широкой публике. Однако в 1970 годах Б. Кэмпбелл предложил неординарное толкование этого феномена, которое касается всех живых организмов планеты. Он отнес явление неотении ко всему человеческому роду. Ограниченный волосяной покров и бледность кожи европеоидной расы может быть результатом прерванного развития волосяных мешочков и связанных с ними клеток, производящих пигмент меланин. Относительно большой мозг и отсутствие надбровных дуг может быть характеристикой ранней стадии развития обезьян, так же, как и увеличенная скорость роста волос на голове по сравнению с остальными частями тела и увеличенный объем полушарий мозга при рождении по сравнению с другими органами.

См. также статью «Естественный отбор».

НИША

Это слово происходит от итальянского nicchia и означает углубление, в котором что-то находится. В экологии оно приобрело дополнительное значение – место, занимаемое организмом в окружающей среде. В это понятие входит функциональная роль организма в сообществе. Термин «ниша» также подразумевает все связи между популяциями, сообществами и экосистемой, в которой находится организм. В число этих связей входят следующие приспособления:

• экологическая амплитуда устойчивости ко всем неживым ограничивающим факторам среды;

• способность пользоваться пищей внутри среды;

• изменения, позволяющие выжить на территории, где обитает организм;

• способность выжить внутри определенной популяционной структуры.

Каждая популяция занимает определенную экологическую нишу, которая определяет основные структуры, физические и поведенческие приспособления популяции. Различные сообщества в очень похожих экосистемах, для которых характерны сходные среды, часто аналогичны по своей структуре и могут занимать ниши, которые в основных своих чертах абсолютно идентичны. Приспособления популяций в этих нишах могут внешне быть очень схожими, даже если эти популяции совершенно не родственны друг другу.

Если два вида занимают одну нишу, то между ними возникает конкуренция, которая длится до тех пор, пока один вид не вымещает другой. Схожие ниши в разных районах могут занимать разные виды. Например, африканская лань занимает ту же нишу, что и евразийский марал Евразии. И напротив, один тип организмов может путем адаптивной радиации занять несколько разных ниш, например дарвиновы вьюрки на Галапагосах.

Когда два вида сосуществуют на одной территории, то можно предположить, что они взаимодействуют со средой по-разному (занимают разные ниши). В лесу, например, водятся различные виды птиц, питающихся семенами, но каждый из них, на самом деле использует среду обитания по-своему.

См. также статьи «Дарвиновы вьюрки», «Галапагосы1, острова».