Текст книги "101 ключевая идея: Эволюция"

Автор книги: Дженкинс Мортон

сообщить о нарушении

Текущая страница: 8 (всего у книги 10 страниц)

ПРОКАРИОТЫ

Любой организм, в котором генетический материал (ДНК) не окружен мембраной и, следовательно, клетка которого не имеет ядра, относится к прокариотам (про – до, карион – ядро). Прокариотами являются бактерии и синезеленые водоросли. По всей видимости, они были предками эукариотов.

Часто говорят, что разделение на прокариотов и эукариотов было величайшим эволюционным достижением, так как различие в их клеточном строении очень велико. Прокариотическая клетка не имеет ядра, то есть мембраны, окружающей генетический материал. Ее единственная кольцевая хромосома (генофор) свободно плавает в цитоплазме. Кроме того, многие функции, которые в клетках эукариотов выполняют органеллы, в клетке прокариотов происходят в складках мембраны, окружающей клетку. Хотя в этих клетках отсутствует большинство органелл клеток эукариотов, они имеют рибосомы, которые служат механизмом сборки молекул белков.

Большинство ученых считает, что жизнь появилась на Земле около 4 миллиардов лет назад. В 1980 году в Западной Африке были найдены окаменелые древние прокариоты. Им предположительно 3,5 миллиарда лет, и они относятся по меньшей мере к пяти различным типам организмов, но все они напоминают современные бактерии. Эти окаменелости называются строматолитами и свидетельствуют о том, что 3,5 миллиарда лет назад на Земле уже существовала жизнь.

Вполне возможно, что прокариоты были захвачены предками эукариотов и приспособились к совместной с ними жизни к взаимной выгоде (эндосимбиоз). Тогда такие органеллы, как митохондрия (где производится большая часть энергии), – это видоизмененные бактерии. Синезеленые водоросли могли в таком случае стать хлоропластами.

Одним из доказательств теории эндосимбиоза может быть тот факт, что митохондрии и хлоропласты организованы схожим образом с прокариотами.

См. также статью «Эукариоты».

ПРОКОНСУЛ

В 1927 году X. Л. Гордон, поселенец из Западной Кении, нашел необычные окаменелости в куске известняка, который добыл в каменоломне. Он отослал их в Британский музей на опознание и когда их отделили от породы, то оказалось, что это часть верхней челюсти и зуб древнего гоминида. Позже ученые определили, что окаменелостям, найденным в том же месте, около 18 миллионов лет (довольно ранний миоцен). Идентификация и описание останков были произведены Тинделлом Хопвудом, палеонтологом из Британского музея. Его заинтересовали эти останки, поскольку они были необычными и самыми древними из тех, что он видел до сих пор. В 1931 году он организовал экспедицию к месту находок и обнаружил еще два ископаемых остатка. Хопвуд пришел к мысли, что обнаружил предка современных шимпанзе, которому он дал научное имя «проконсул» (Proconsul). Обладая определенным чувством юмора, Хопвуд назвал его так в честь Консула, – шимпанзе из лондонского эстрадного представления, который развлекал публику, катаясь на велосипеде и куря трубку.

Другие останки проконсула были найдены в 1 948 году на острове Рсинга (озеро Виктория) Луисом и Мэри Лики – фрагмент лица и челюсти. В 1951 году там же были найдены фрагменты черепа, кисти, ступни и руки, что позволило с большей достоверностью реконструировать скелет существа. К 1990 годам были обнаружены фрагменты девяти скелетов проконсула, взрослых, молодых и детенышей. Сейчас известны почти все кости проконсула.

Согласно современным данным, около 18 миллионов лет назад существовало, скорее всего, три вида проконсула. Это были довольно неспециализированные обезьяны. У них, по всей видимости, не было приспособлений для совершения прыжков или качания на ветвях при помощи рук, хотя они могли передвигаться, опираясь на землю руками, как современные шимпанзе и гориллы.

Анализ многочисленных останков проконсула показал, что он не был предком современного шимпанзе, как полагал Хопвуд. Это, скорее всего, был общий предок всех крупных человекообразных обезьян и людей.

См. также статью «Лики, Луис».

ПРОТОБИОНТЫ

Это название образовано от элементов прото – первый и бионт – жизненная форма. Протобионты это специализированные «капельки», скопления молекул с особыми внутренними химическими свойствами, отличающимися от свойств окружения. Возможно, это были предшественниками прокариотов. Между образованием отдельных органических молекул, таких, как аминокислоты, имеющих биологический потенциал, и их сборкой в сложную единую систему клетки, являющуюся основой жизни, пролегла глубокая пропасть. Для преодоления ее необходимо было выполнить два следующих условия:

1. Концентрация молекул и их упорядочивание.

2. Развитие метода саморепликации (воспроизводства) – основной характеристики, отличающей живое от неживого.

Для объяснения концентрации и упорядочивания молекул, растворенных в «первичном бульоне» древней Земли, было предложено несколько гипотез. Наиболее вероятные основаны на концепции полимеров: большие молекулы образовались путем соединения маленьких молекул. Они часто появляются на поверхности воды в экспериментах, подобных тем, что предпринимал Миллер, и их число со временем увеличивается экспоненциально; причем первые молекулы служат центром сборки последующих. Они могут удерживаться рядом друг с другом электростатическими (положительными и отрицательными) силами и образовывать коацерватные капли. Такие капли состоят из внутреннего скопления коллоидных молекул, окруженных оболочкой молекул воды. В результате образуется четкая разграничительная линия между коллоидным белковым раствором и водой, в которой они взвешены. Коацерватные капли могли привести к образованию первых протобионтов или «прото клеток». Однако им еще далеко до настоящих клеток, какими мы их знаем.

Стоит заметить, что у протобионтов отсутствует существенное свойство живых организмов – передача генетической информации и, следовательно, они не могут самовоспроизводиться.

См. также статью «Происхождение жизни», «Прокариоты».

ПТЕРОЗАВРЫ

До триасового периода (245–202 миллиона лет назад), единственными животными, передвигающимися в воздухе, были насекомые. Когда некоторые ящеротазовые динозавры развили кожистые перепонки, поддерживаемые вытянутыми ребрами, появились планирующие рептилии. Похоже, что такое приспособление дало им возможность спасаться от мелких хищных ящеротазовых динозавров того периода.

Настоящими хозяевами воздуха стали птерозавры, которые, как и динозавры, были потомками архозавров. Их происхождение можно проследить вглубь веков до 30 – сантиметрового планирующего пресмыкающегося подоптерикса (Podopteryx), останки которого найдены в триасовых отложениях Центральной Азии. Это существо имело широкие перепонки между удлиненными конечностями, соединенные с хвостом.

Широко известный летающий ящер – птеродактиль был размером с голубя и летал при помощи пары кожистых крыльев, прикрепленных к туловищу, передним и задним конечностям. Они летали сравнительно хорошо, изменяя площадь крыльев благодаря распрямлению и сгибанию конечностей, что позволяло маневрировать в воздухе. Питались они, скорее всего, рыбой, хватая ее с поверхности водоемов. Для поддержания такого активного образа жизни птерозаврам необходима теплокровность и среди их окаменелостей были найдены следы волосяного покрова или меха. Самый известный из крупных птерозавров – птеранодон(Pteranodon). Размах его крыльев достигал 6 метров. Останки птеранодона найдены в позднемеловых отложениях в США в 1872 году. В 1975 году в Техасе были найдены останки гигантского вида кецалькоатлюс (Quetzalcoatlus); размах его крыльев предположительно составлял 11–15 метров. Возможно, это было самое крупное существо, которое когда-либо поднималось в воздух над нашей планетой; он был по крайней мере в три раза крупнее любой летающей птицы и более других животных походил на аэроплан.

Золенгофенские известняки Южной Баварии (Германия) известны тем, что там найдено много прекрасно сохранившихся скелетов птерозавров, начиная с самого первого, который в 1784 году обнаружил Козмо Алессандро Коллини. Этот вид известняков отлагался в мелких морях близ берегов крупного массива суши, который впоследствии стал северной частью Европы и где тысячелетние отложения ила навеки похоронили самые разнообразные формы жизни.

ПТИЦЕТАЗОВЫЕ ДИНОЗАВРЫ

Птицетазовые динозавры по-научному называются Ornithischia. Форма таза у них такова, что кости ног направлены вниз, параллельно друг другу. Все они были растительноядными и в эпоху распространения этих динозавров – в юрский и меловый периоды (202—65 миллионов лет назад) на них охотились ящеротазовые динозавры (Saurischia), которые появились приблизительно одновременно с ними.

Ранние птицетазовые динозавры были довольно маленькими и двуногими. Двуногую позу вместе с длинным хвостом и длинными задними ногами они унаследовали от своих предков архозавров, точно так же, как и их родственники ящеротазовые. Возможность передвигаться на двух ногах позволяла развивать большую скорость, удирая от хищных преследователей.

При этом особая форма таза предоставляла больший объем для размещения внутренних органов по сравнению со строением тела ящеротазовых. Это различие важно, так как у травоядных животных пищеварительная система занимает больший объем, чем у хищников. Поэтому ранние представители птицетазовых были двуногими и центр тяжести у них располагался в области таза. В отличие от них представители другой группы имели более вытянутые тела, и потому увеличивающийся объем завроподов (растительноядных ящеротазовых динозавров) вынудил их прочно стать на четыре ноги.

Одна группа из птицетазовых динозавров выработала специализированные зубы для пережевывания растительности. Это были так называемые орнитоподы или птиценогие динозавры. Самыми приспособленными стали утконосые динозавры мелового периода. Некоторые из них достигали в длину 12 метров. Их череп расширялся в подобие клюва, в передней части челюсти зубов не было, а в задней части имелось множество мощных перетирающих зубов.

Впоследствии возникло несколько форм четвероногих птицетазовых динозавров. Они были часто хорошо вооружены костным панцирем и внешне чем – то походили на современных носорогов.

См. также статьи «Динозавры», «Ящеротазовые динозавры».

ПЯТИПАЛЬЦЕВАЯ КОНЕЧНОСТЬ

При исследовании гомологичных образований у разных организмов можно проследить, как эти образования приспосабливались к выполнению различных функций. Классический пример – пятипальцевая конечность позвоночных. Она эволюционировала из разновидностей парных плавников предков кистеперых рыб (Crossopterygii), основная схема распределения в ней костей может быть прослежена у земноводных, пресмыкающихся, птиц и млекопитающих. При адаптации этой конечности к всевозможным функциям и способам передвижения происходили различные модификации, исчезновения, сокращения или слияния элементов. Конечности могут быть специализированы для плавания, например плавники кита или крылья пингвина; для ходьбы, как ноги наземных позвоночных; для выполнения различных действий, как у приматов (обезьян и людей); для полета, как крылья птиц и летучих мышей. Кости, образующие общую схему конечности, доставшейся этим животным от древнего предка, перечислены в таблице.

Адаптация к одинаковому образу жизни может быть достигнута различными средствами; крылья птиц, например, образованы в основном перьями, а крылья летучих мышей – кожистой перепонкой. Но строение скелета у них в принципе очень похоже. Эта схожесть свидетельствует о том, что они эволюционировали от одного относительно далекого общего предка, наземного позвоночного. Освоение полета млекопитающими произошло гораздо позже, чем у птиц. Летучие мыши заполнили нишу, не занятую другими млекопитающими и остававшуюся пустой после вымирания летающих рептилий, птерозавров. Способность к полету у птиц и летучих мышей не говорит о том, что они произошли от одного сравнительно недавнего предка – крылья у них возникли независимо; но в каждом случае – при использовании общей структуры – пятипальцевой конечности.

См. также статьи «Ниша», «Птерозавры».

РАВНОВЕСИЕ ХАРДИ-ВАЙНБЕРГА

Под равновесием Харди-Вайнберга подразумевается концепция, вытекающая из принципа Харди-Вайнберга. Согласно этой концепции, частота аллелей любого признака в популяции в любом поколении остается неизменной, при условии отсутствия внешнего влияния.

Представим, что аллель А доминантный, а аллель а рецессивный. Скрещивание между особями с генотипами АА и аа приведет к потомству Fl с генотипом АА. Если подсчитать частоту генов при скрещивании особей поколения Fl, то окажется, что четверть популяции в поколении F2 будет иметь генотип АА, половина Аа и четверть аа. Для того чтобы определить, какая часть поколения F3 будет потомством, допустим, особей с генотипом АА и аа, умножим одну четверть на одну вторую и получим одну восьмую. Следовательно, при условии случайного скрещивания в следующем поколении одна восьмая популяции будет потомством этой пары. Тогда какая часть поколения будет потомством АА и АА? 4а и aa?

Все эти комбинации дадут одну восьмую числа всех особей следующего поколения F3; и какая же часть его будет гетерозиготной (Аа)? Подсчитав частоту этого типа гамет среди возможных сочетаний, получаем 4 х 1/8 = 1/2. Каково было количество особей с генотипом Аа в поколении F2? Тоже половина. Если подсчитать результаты всех возможных комбинаций в поколении F3 и в любом поколении, следующим за ним, то окажется, что соотношение генетических элементов в популяции остается неизменным! Вот почему у людей во все времена бывают голубые глаза, хотя это рецессивный признак.

Для соблюдения равновесия Харди – Вайнберга необходимы следующие условия.

•Большая популяция.

• Случайное скрещивание. Каждый половозрелый индивид имеет одинаковую вероятность найти себе пару.

• Отсутствие миграций (оттока или притока генов).

• Отсутствие давления отбора (нет естественного отбора).

• Отсутствие мутаций.

Любое из этих условий в природных популяциях может быть легко нарушено, поэтому модель Харди-Вайнберга является в большой степени условной.

См. также статью «Закон Харди-Вайнберга».

РЕПРОДУКТИВНАЯ ИЗОЛЯЦИЯ

Разделение популяций внутри одного вида препятствует скрещиванию представителей различных популяций и смешиванию их генов, а также образованию потомства с общими признаками. Если такая изоляция поддерживается в течение долгого времени, то представители данного вида постепенно дивергируют от неизолированных популяций и приспосабливаются к определенным условиям среды. В конечном итоге они приобретают физические отличия от других популяций и теряют способность скрещиваться с ними, даже если возможность контактов возобновляется. На этой стадии изолированная популяция превращается в новый вид.

Репродуктивной изоляцией называется неспособность членов одной популяции вида скрещиваться с другими представителями вида. Она не допускает смешения генов одной группы с генами другой; таким образом популяция накапливает собственный набор генов. Кроме географической изоляции, возможны другие виды изоляции групп.

• Поведенческая изоляция. Брачное поведение разных групп может препятствовать их скрещиванию, даже если районы их распространения пересекаются. Они могут не узнавать брачных сигналов или не понимать определенного рисунка оперения.

• Половая изоляция. Некоторые виды, особенно насекомые, могут обладать сложным механизмом половых органов. Совокупление становится невозможным, если органы одного представителя вида в точности не соответствуют органам другого. Пыльца цветковых растений попадает в бороздки только определенной формы женских органов цветков.

• Гибридная изоляция. В тех случаях, когда особи двух видов могут скрещиваться, их эмбрион может не развиться, так как неправильное сочетание хромосом препятствует нормальному процессу образованию клеток. Такие гибриды удаляются из популяции и их гены не входят в генофонд. Иногда гибриды могут выживать и даже давать потомство, но ограниченная жизнеспособность приводит к тому, что им редко удается достичь половозрелости.

См. также статьи «Аллопатрическое видообразование», «Географическая изоляция».

САМОЗАРОЖДЕНИЕ ЖИЗНИ

В свое время была распространена гипотеза самопроизвольного зарождения жизни, согласно которой современные организмы при соответствующих условиях могут образовываться из неорганического материала. Этого мнения придерживались некоторые биологи до конца XIX века. Такая гипотеза уходит корнями в классическую древность времен древнегреческих философов. Самый большой вклад в развитие науки сделал Аристотель (384–322 гг. до н. э.), он же затрагивал и вопросы биологии. Глубокий и оригинальный мыслитель задумывался о природе жизни и полагал, что она может самозарождаться. В своем трактате «История животных» он писал, что некоторые небольшие рыбы (кефаль) и угри зарождаются в илистых болотах и могут порождаться непосредственно из ила. Авторитет этого мыслителя был настолько велик, что на протяжении столетий никто в его утверждении не сомневался. Неудивительно, что идея самозарождения была настолько широко распространена среди образованных людей. Усомниться в доктрине Аристотеля значило отрицать очевидные истины и пойти наперекор всем ученым своего времени. Ученые тогда редко наблюдали за природой и почти не ставили экспериментов.

Ян Баптист ван Гельмонт писал, что если в горшок с зернами пшеницы положить грязную рубашку, то благодаря взаимодействию этих предметов в нем самозародятся мыши. Сегодня это утверждение звучит нелепо, но в то время часто проводились подобные эксперименты и таким же образом объяснялись более распространенные явления, например возникновение личинок в гниющем мясе. Это считалось примером самопроизвольного зарождения жизни.

Наконец, нашелся биолог, усомнившийся в этой теории, – Франческо Реди (1626–1697). Он сравнивал результаты разных опытов. В одном случае он закрывал сосуд с мясом плотной крышкой, а в другом оставлял открытым. Оказалось, что личинки появляются только в том случае, когда на гниющее мясо садятся мухи. Ученый сделал следующий вывод: «Если удалить живые существа, то они не появляются».

См. также статью «Биогенез».

СИМПАТРИЧЕСКОЕ ВИДООБРАЗОВАНИЕ

Симпатрическое видообразование происходит внутри одной популяции (сим – вместе, патрис – родина). Оно менее распространено, чем аллопатрическое. Этим термином обозначается процесс образования разных видов внутри постоянно скрещивающейся популяции.

Среди растений новые виды могут появиться в процессе скрещивания существующих видов. Это открытие удивило исследователей, поскольку гибриды животных обычно не имеют потомства, вследствие неспособности различных хромосом участвовать в образовании нормальных половых клеток. У растений не бывает таких проблем с хромосомами, потому что растения с разным внешним видом генетически могут быть очень схожими. Если такие генетически схожие виды произрастают на одной территории, то они могут дать гибридную популяцию. Интересно, что такая гибридизация может и не привести к смешению изначальных видов или поглощению одного вида другим. Вероятно, это происходит потому, что гибридное потомство находит свою нишу в окружающей среде, отличающуюся от ниш исходных популяций, следовательно, оно становится настоящим отдельным видом.

Растения могут образовывать виды и более любопытным образом, когда набор хромосом удваивается (или удваивается повторно). Это явление называется «полиплоидия» (полиплоос – многократный, эйдос – образ, набор хромосом). Фактически это – тип мутации, когда хромосомы в процессе образования клеток удваиваются и не могут разделиться. Она может привести к появлению тетраплоидных (тетра – четыре) растений с четырьмя полными наборами хромосом в каждой клетке. Гибридизация и полиплоидия приводят к почти мгновенному появлению нового вида, с которым можно работать, подвергая его давлению отбора окружающей среды. Так возникли многие культурные растения, и это объясняет, почему цветковые растения так быстро появились и стали удивительно многообразной группой растений, какую они представляют собой в наше время.

Симпатрическое видообразование среди животных происходит гораздо реже, чем среди растений.

См. также статьи «Аллопатрическое видообразование», «Аллополиплоидия», «Аутополиплоидия», «Мутация», «Ниша».

СЛАНЕЦ БЁРДЖЕСС

Сланец Бёрджесс – это особая горная формация, которая дала много уникальных ископаемых окаменелостей, их редкие представители имеют аналоги среди ныне живущих организмов. Сланец Бёрджесс располагается на территории национального парка Йохо, на склонах горы Маунт-Стивен, в канадской провинции Британская Колумбия. Он назван так в честь губернатора, жившего в XIX веке, его имя носит и перевал Бёрджесс, ведущий от города Филд к местной каменоломне. В палеонтологии этот район прославил Чарлз Дулитл Уолкотт, который в 1909 году обнаружил здесь большое количество останков животных. Легкий слой осадков быстро засыпал умерших животных, и отпечатки их мягких тел сохранились до наших дней в качестве окаменелостей.

Согласно легенде, когда Уолкотт проезжал мимо этого места, его мул потерял подкову, он остановился и заметил нечто блестящее на черной поверхности сланца. Эта порода относилась к кембрийскому периоду (540–505 миллионов лет назад) и при дальнейшем исследовании в ней обнаружилось много отпечатков организмов, неизвестных современной науке. Уолкотт проследил ход пластов до подножия холмов, где позже были собраны сотни образцов, хранящихся в Вашингтонском музее США. Окаменелости выглядели настолько необычно, что пробудили интерес во всем мире, и было разослано много образцов для анализа в разные страны. Самыми удивительными оказались останки членистоногих беспозвоночных, к которым относятся и трилобиты. Ранее считалось, что трилобиты были в кембрий чуть ли не единственными представителями этого типа. Оказалось, что это совершенно неверно, так как в сланцах нашли потрясающее разнообразие видов животных, говорящее о том, что океаны того времени буквально кишели беспозвоночными вроде современных ракообразных.

Стивен Джей Гоулд в своем бестселлере «Удивительная жизнь» подробно касается темы важности этих странных окаменелостей для развития представления об эволюции животных. Многие кинолюбители, без сомнения, вспомнят известный фильм Фрэнка Капры 1946 года «Эта удивительная жизнь», который и подсказала Гоулду название для серии книг.