Текст книги "101 ключевая идея: Эволюция"

Автор книги: Дженкинс Мортон

сообщить о нарушении

Текущая страница: 9 (всего у книги 10 страниц)

СРАВНИТЕЛЬНАЯ АНАТОМИЯ

Биологам, занимающимся сравнительной анатомией, давно известно, что виды, образующие более крупные группы (тип, класс или отряд), имеют в своем строении много схожих черт. Развитие техники генетического анализа позволило установить более прочные связи между представителями конкретных групп, так как выяснилось, что строение ДНК у них тоже схоже. Например, все виды, принадлежащие к типу хордовых, имеют хотя бы в один из периодов своего развития спинную хорду (предшествующую позвоночнику), жаберные щели в глотке и полый спинной нервный тяж (канатик). Виды внутри одного класса имеют больше общих черт, а внутри отряда – больше сходства. Виды, принадлежащие к одному роду, могут быть настолько похожи, что различить их по внешним чертам способен только специалист. В таких обстоятельствах приходит на помощь генетический анализ.

Сходство между представителями родственных групп объясняется тем, что они произошли от одного предка. Классы типа хордовых схожи между собой потому, что в прошлом имели одного и того же предка. Сходство между представителями одного класса (например, млекопитающими) более заметно, так как у них был общий предок, обладающий всеми основными чертами млекопитающего.

Эволюция – это довольно консервативный процесс: вместо того чтобы изобретать что – то новое, она, скорее всего, преобразует уже существующие модели. Так, у рыб некогда развилась довольно сложная жаберная структура. У наземных позвоночных она преобразовалась в другие органы, такие, как верхние и нижние челюсти, а также кости среднего уха. Мышцы человеческого лица во многом произошли от мышц жаберных дуг древних рыб.

Иногда старый орган не преобразуется в новый орган, а утрачивает свои функции в процессе эволюции, нередко становясь вовсе бесполезным. Такие органы называются рудиментарными. Примерами рудиментарных органов могут послужить копчик, ушные мышцы и аппендикс у людей. У китов сохранились скелетные останки задних конечностей – в толще плоти, рядом с тем местом, где начинается хвост. У питона под кожей тоже есть маленькие образования, оставшиеся от его задних ног.

См. также статьи «Биогеографические свидетельства эволюции», «Ископаемые свидетельства эволюции», «Генетический анализ», «Биогенетический закон как свидетельство эволюции».

УОЛЛЕС, АЛФРЕД РАССЕЛ

Алфред Рассел Уоллес (1823–1913) родился в Аске (гр. Монмутшир, Великобритания) и после окончания школы сменил много профессий, занимаясь самообразованием. В 21 год поступил преподавателем в Лестерскую школу, где познакомился с Г. Бейтсом, известным энтомологом. В 1848 году Уоллес убедил Бейтса отправиться в экспедицию на Амазонку. Экспедиция была успешной, но на обратном пути на их судне случился пожар и основная часть собранной коллекции была уничтожена.

В 1854 году Уоллес отправился на Малайский архипелаг, где пробыл восемь лет. Его статья «О законе, регулирующем возникновение новых видов», написанная в Сараваке в 1855 году, содержала размышления о теории эволюции, сходные с теорией Дарвина, но не привлекла внимания ученых, кроме самого Чарлза Дарвина. Прочитав труд Мальтуса «Опыт о законе народонаселения», Уоллес пришел к идее естественного отбора, которая была разработана Дарвином приблизительно в то же время. В 1858 году Уоллес написал статью «О стремлении разновидностей бесконечно удаляться от первоначального типа» и послал ее Дарвину с просьбой высказать свое мнение. Дарвин писал: «Я никогда не видел настолько поразительного сходства. Если бы перед Уоллесом находились мои наброски 1842 года, то и тогда он не мог бы составить более точное изложение». Дарвин был готов уступить приоритет Уоллесу, но в 1858 году, когда в Линнеевском обществе были зачитаны обе статьи, Уоллес из скромности уступил право первооткрывателя Дарвину, теории которого он изложил в своей книге «Дарвинизм», вышедшей в 1889 году.

Основной интерес Уоллеса касался области географического распределения животных. Согласно его наблюдениям, животные Малайского архипелага строго делились на две группы: восточную фауну на западе и австралийскую фауну к востоку от пролива между островами Бали и Ломбок. Его работа «Географическое распределение животных» (1876) явилась синтезом всех доступных на то время свидетельств о распространении животных и заложила основы современной зоогеографии.

См. также статьи «Дарвин, Чарлз. «Естественный отбор».

УСТОЙЧИВОСТЬ К АНТИБИОТИКАМ

Устойчивость некоторых болезнетворных бактерий к антибиотикам может представлять серьезную проблему для лечения заболеваний, особенно в тех странах, где антибиотики широко распространены и их можно приобрести в любой аптеке. Грозным предупреждением явилась эпидемия тифа 1972 года в Мексике. Трагические обстоятельства показали, что бациллы тифа выработали устойчивость к хлорамфениколу. С эволюционной точки зрения устойчивость к антибиотикам возникает в результате отбора преадаптированных устойчивых мутантов. Еще в начале 1950 годов стало известно, что можно селекционировать и производить резистентные штаммы, никогда не имевшие контакт с антибиотиками.

Генно-клеточный механизм возникновения устойчивости может быть разным, в зависимости от конкретных антибиотиков и видов бактерий; может различаться и скорость выработки устойчивости. Даже внутри вида механизм выработки устойчивости к данному химическому веществу может быть различен. Устойчивость некоторых бактерий к пенициллину была отмечена еще в 1940 годах; она связана с действием одного фермента бактерии, который может расщеплять пенициллин (большинство существующих в природе бактерий устойчивы к пенициллину именно благодаря этому ферменту). Устойчивость к антибиотикам снизила эффективность многих ранее очень действенных лекарств или же вовсе лишила их пригодности. При наличии лекарства отбор резистентных бактерий происходит с большой скоростью. Недавние исследования показали это на примере выработки устойчивости к антибиотикам некоторых штаммов туберкулезных бактерий.

Наряду с этой проблемой существует и другая, специфическая именно для случаев с бактериями. Некоторые штаммы могут передавать гены, ответственные за устойчивость к другим штаммам (это называется «конъюгация»), среди тех индивидов, которые ведут половую жизнь. Это открытие было сделано в 1959 году японскими учеными, которые продемонстрировали, как передаются гены по цепочкам ДНК между двумя «скрещивающимися» штаммами бактерий. Открытие передаваемой сопротивляемости заставило пересмотреть использование антибиотиков в животноводстве, где их ранее применяли не только для лечения инфекционных заболеваний, но и для предотвращения инфекций, а в некоторых случаях в качестве пищевых добавок для увеличения роста животных.

УСТОЙЧИВОСТЬ К ЗООКУМАРИНУ

Зоокумарин – это химическое вещество, антикоагулянт, которое широко используется для борьбы с крысами и мышами. Впервые его применили в 1950 году, и с тех пор он стал распространенным ядом благодаря своей низкой токсичности и безвредности для домашних животных. Он воздействует на комплекс биохимических реакций с участием витамина К, от которых зависит свертываемость крови. Когда чувствительные крысы съедают приманку, их капилляры становятся более тонкими, чем обычно, и кровь теряет способность свертываться; происходит ряд серьезных кровоизлияний и животное погибает.

Резистентные породы крыс впервые обнаружились в Шотландии в 1958 году. К 1972 году они появились в 12 районах Великобритании. Причиной такой эволюции могла послужить мутация одного гена, резистентность которого можно считать доминантным аллелем. В резистентных линиях крыс зоокумарин не оказывает воздействия на процесс свертываемости крови; свертываемость происходит как обычно, но при этом потребляется больше витамина К. Одна из резистентных популяций, обитающих в районе Уэлшпула в центральном Уэльсе и позже распространившаяся к границе Шропшира, была изучена особенно хорошо. Впервые резистентные крысы были замечены в Уэлшпуле в 1959 году. Впоследствии территория их обитания расширялась со скоростью три мили в год, что является обычной скоростью, с какой крысы осваивают новую территорию. Их распространение зависело от продолжающегося применения яда и от давления отбора, который продолжал действовать на популяцию в течение нескольких лет.

После начала применения яда среда обитания этих крыс неожиданно изменилась. Это привело к изменению селективной ценности генов, от которых зависит нормальная свертываемость крови, и их наличие в гомозиготном виде неожиданно стало летальным. Несколько мутантов, у которых имелись доминантные резистентные аллели гена, оказались в благоприятном положении. В новых условиях генетический набор популяции изменился. Это пример того, насколько быстро может происходить естественный отбор.

См. также статью «Отбор».

УСТОЙЧИВОСТЬ К ИНСЕКТИЦИДАМ

В 1939 году швейцарский химик Пауль Мюллер впервые использовал ДДТ в качестве инсектицида. Это химическое вещество, дихлордифенилтрихлорэтан, получили и описали еще в 1874 году, но в то время его способность эффективно поражать насекомых не была известна. Когда же поняли, что ДДТ можно успешно применять в борьбе с насекомыми – вредителями, оно распространилось во всем мире. По сути, многие регионы в настоящий момент избавлены от малярии и других заболеваний, переносимых насекомыми, именно благодаря ДДТ. В 1940 годах предполагалось, что с течением времени все вредные насекомые будут уничтожены. Однако громадные популяции насекомых обладают обширным генофондом, который позволяет легко приспособиться к любым условиям под воздействием давления отбора, и некоторые мутанты вскоре передали гены устойчивости всем своим потомкам. Они выжили и передали гены следующим поколениям. Популяции насекомых, устойчивых к инсектицидам, увеличивались и эволюционировали: через несколько лет ДДТ стал гораздо менее эффективен в борьбе, например с комнатной мухой. Некоторые случаи устойчивости были отмечены уже в 1947 году. Сегодня любой вид насекомых, который прежде можно было уничтожать при помощи ДДТ, имеет устойчивые разновидности. При всех технологических разработках, какие удалось создать людям, мы так и не уничтожили ни один вид нежелательных насекомых.

Широкое распространение инсектицидов привело к таким обширным изменениям некоторых экосистем, в которых обитали насекомые, что у них произошли основательные адаптивные изменения, настолько повысившие уровень сопротивляемости, что некоторые средства уже через несколько лет оказались абсолютно бесполезными. К концу 1960 годов официально было зарегистрировано более 255 видов, устойчивых к инсектицидам. Большое их количество устойчиво к циклодиеновой группе химикатов (диелдрин, алдрин, линдан и т. д.); второй группе ДДТ (ДДТ, ДДД, метоксихлор) и третьей группе органофосфатов (малатион, фентион). 20 видов устойчиво к другим химическим веществам, не входящим в эти группы. Многие виды выработали устойчивость к инсектицидам, принадлежащим к разным группам. Возможно, самый поразительный пример – это комнатная муха, устойчивая в некоторых частях света почти ко всем инсектицидам, которые можно использовать без вреда для здоровья человека.

УСТОЙЧИВОСТЬ К ТЯЖЕЛЫМ МЕТАЛЛАМ

Развитие устойчивости к тяжелым металлам в некоторых растениях – пример того, как давление отбора окружающей среды приводит к эволюции популяции. Определенные виды трав демонстрируют генетическую приспособленность к повышенной концентрации ионов металлов в тех областях, где имеется много отвалов обработанных пород из шахт, содержащих потенциально токсичные металлы. В Великобритании некоторым отвалам из цинковых и свинцовых шахт насчитывается более 100 лет, но на них до сих пор не растут растения; тем не менее некоторые виды трав, например Agrostis и Fetusca (овсяница), могут на них селиться. Растения на таких отвалах были тщательно изучены, и начиная с 1970 годов ученые обнаружили 21 вид цветковых растений, обладающих устойчивостью (толерантностью) к тяжелым металлам. Толерантность передается по наследству и контролируется несколькими генами.

Эволюция этих линий трав позволила им колонизировать ранее недоступные ниши. Толерантные особи Agrostis встречаются в обычных популяциях с частотой одна-две на тысячу. Согласно предположению, на рост толерантных растений на незагрязненной почве каким-то образом воздействует конкуренция со стороны нетолерантных особей, поэтому они так редки. Но это неудобство не так велико, поэтому толерантные особи встречаются в популяциях. Обратная же картина совершенно иная. На загрязненный почвах нетолерантные растения погибают и выживают только толерантные. В результате участки произрастания толерантных растений могут быть очень малы и ограничиваться краями отвалов, словно подчеркивая границу этих токсичных мест. Некоторые толерантные к цинку особи встречаются в полосе шириной не более 30 сантиметров под облицованной цинком оградой. Когда образуются свежие отвалы с высоким содержанием цинка, меди или свинца, можно ожидать довольно быстрой их колонизации со стороны некоторых видов растений, в нормальных популяциях которых встречаются толерантные особи. Отбор по признаку толерантности в этом случае очень высок; состав популяции за один сезон может измениться от многих почти нетолерантных особей до нескольких толерантных представителей вида.

См. также статьи «Ниша», «Отбор».

ФЕНЕТИКА

Фенетика – это метод классификации организмов, который отличается от кладистики. Он основан на наблюдениях за сходствами и различиями между организмами, которые можно использовать для указания на актуальное, а не эволюционное родство групп. Основные приверженцы метода – Питер Снит и Роберт Сокаль, опубликовали свои исследования на эту тему в 1970 годах. Они утверждали, что невозможно объективно классифицировать организмы, исходя из их генеалогии (нахождения их общих предков). Вместо этого они устанавливали сходства и различия во внешнем виде животных и сравнивали их. Для создания фенетической классификации необходимы точный математический аппарат и построение математических моделей, и потому этот тип классификации (которую теперь часто называют численной классификацией) приобретал все большее значение по мере развития компьютерного анализа. Прежде всего изучается и сравнивается большое число признаков разных организмов и вычисляется общий коэффициент сходства. Затем организмы с наибольшим количеством общих признаков распределяют по парам и сравнивают с другими парами и так до тех пор, пока не изучат все возможные признаки и коэффициент сходства всех изучаемых животных или растений.

Сторонники этого метода заявляют, что он якобы ликвидирует субъективный подход в классификации организмов. Все выбранные для анализа признаки можно измерить и вычислить объективно. Но здесь-то и возникает проблема – какие признаки следует выбирать для анализа и на каком основании? Любое суждение неминуемо окажется субъективным.

Другой недостаток этого метода состоит в том, что он во многом зависит от внешних признаков организма и не учитывает факта конвергенции. Различные группы животных могли выработать общий признак в процессе независимой эволюции, а не потому, что у них был общий предок.

Возможно, что с развитием техники генетического анализа и применением его при классификации любые методы классификации исключительно по внешним признакам станут избыточными и ненужными.

См. также статьи «Кладистика», «Конвергенция», «Генетический анализ».

ЦЕЛАКАНТ

В 1938 году близ берегов Южной Африки была сделана поразительная находка – в сеть попался целакант. Это все равно, как если бы люди обнаружили живого динозавра. Окаменевшие останки целакантов попадались в горных отложениях, датируемых 400—65 миллионами лет назад, но предполагалось, что после исчезновения динозавров эти животные загадочным образом исчезли. Пойманная живая рыба была голубовато-серого цвета с белыми пятнами и необычными плотными и короткими плавниками, поделенными на доли. 22 декабря первый образец доставили в южно-африканский город Ист – Лондон. О находке сообщили смотрительнице музея Марджори Куртене – Латимер, но она не смогла отождествить животное, потому что никто никогда его не видел. Наконец, в феврале 1939 года его плохо сохранившиеся останки опознал профессор Джеймс Л. Б. Смит из Родосского университета города Гремстауна. Он понял, что это представитель кистепёрых рыб (Crossopterygii) и назвал ее «древнее четвероногое», поскольку, как он ошибочно полагал, дольчатые брюшные и грудные плавники рыбы позволяли ей ползать по морскому дну. Он даже опубликовал книгу на эту тему, озаглавленную «Древние четвероногие».

Рыбу назвали латимерией (Latimeria chalumniae) в честь первооткрывательницы (Latimeria от фамилии мисс Латимер, а chalumniae – от наименования реки Чалумна, возле устья которой и поймали рыбу). На протяжении почти 14 лет после этого профессор Смит организовывал экспедиции с целью отлова очередных экземпляров, но это удалось сделать только в 1952 году в районе Коморских островов. Начиная с 1960 годов было отловлено довольно много представителей этого вида, и к 1980 годам ученые начали беспокоиться о судьбе редкого вида. С 1991 года целакант охраняется в соответствии с Конвенцией по международной торговле вымирающими животными (CITES).

В конце 1980 годов Ганс Фрике снял фильм о целакантах в естественной среде их обитания при помощи аппарата, погружающегося на 200 метров, и в 1991 году миллионы телезрителей увидели вымирающих животных в сериале «Жизнь на Земле» Дэвида Аттенборо. В 1997 году был открыт второй вид латимерии. Latimeria menadoensis обитает в море Сулавеси между Филиппинами и Борнео.

См. также статью «Живыю ископаемые».

ЭДИАКАРСКАЯ ФАУНА

Так называется группа окаменелых останков животных, впервые найденных в Эдиакарских холмах в Австралии (горы Флиндерс). Обнаружены они были в 1947 году благодаря энтузиазму австралийского геолога Рига Спригга. Первым среди палеонтологов их описал Мартин Гласснер, определив их как примитивных представителей группы, к которой принадлежат медузы и кораллы; некоторых других он отнес к кольчатым червям и членистоногим. Эти существа доминировали на Земле в течение десятков миллионов лет, появившись 680 миллионов лет назад, до известного взрыва жизненной активности в кембрийский период (эпоха беспозвоночных).

Эти останки давно вымерших животных сохранились до наших дней благодаря уникальному сочетанию геологических факторов. Животные были мягкотелыми и не имели скелета, но мягкий песчаник Эдиакарских холмов позволил сохраниться телам этих похожих на медуз животных. Доказательством того, что эдиакарская фауна не была чьей-либо хитроумной подделкой, служат останки этих животных, которые были найдены по всему миру. Согласно датировке некоторых ископаемых, обнаруженных в Намибии в конце 1990 годов, эти животные сохранились до кембрийского периода (540–505 миллионов лет назад). Они связаны родственными узами с современными беспозвоночными, но внешне не напоминают ни один из известных типов животных. Некоторые ученые полагают, что эдиакарские организмы не были животными и растениями, а сочетали признаки обеих групп.

В 1980 годах Дольф Зайлахер, профессор палеонтологии Тюбингенского университета (Германия), предположил, что эдиакарская фауна могла быть неудавшимся эволюционным экспериментом по организации многоклеточных животных, поскольку в кембрий такие животные уже не встречались. Похоже, что эволюция и развитие эдиакарских организмов закончились до того, как стали развиваться более приспособленные системы внутренних органов, которые мы находим у высших беспозвоночных и которые отражены в окаменелостях кембрия. Альтернативный путь развития больших поверхностей без внутренних органов, по-видимому, привел лишь к нескольким группам, которые нельзя назвать удачными.

См. также статью «Эпоха беспозвоночные».

ЭКСПЕДИЦИЯ «БИГЛА»

В возрасте 22 лет Дарвин обратился к столь же молодому капитану Фицрою с просьбой зачислить его натуралистом на борт корвета «Бигл», принадлежащего королевскому флоту Великобритании. Легендарная экспедиция длилась с 1831 по 1836 год. Фицроя назначили капитаном «Бигла» в 1829 году, после того как предыдущий капитан покончил жизнь самоубийством. Дарвина приняли в члены экипажа, а деньгами ему помог его дядя Джосайя Ведвуд (занимавшийся гончарным делом).

Из-за штормов «Биглу» дважды пришлось возвращаться в гавань, но 27 декабря 1831 года он наконец поднял якорь и отправился в экспедицию, которая озарила новым светом весь научный мир. Деревянное судно длиной 25 метров и весом в 242 тонны отправилось к берегам Южной Америки. Тогда-то и сбылись худшие опасения Дарвина: интересное путешествие вскоре превратилось в однообразные тяжелые будни, заполненные рутинными обязанностями и окрашенные в темные тона из-за постоянного недомогания.

Иногда Дарвин проводил в каюте целые дни, не выходя на палубу.

Наконец «Бигл» достиг Южной Америки и направился к Бразилии и Аргентине, проводя гидрографические съемки берегов. Пройдя через полосу бушующих штормов у мыса Горн, он повернул на север и проплыл вдоль побережья Чили и Перу. К счастью для Дарвина, иногда наступали периоды отдыха, когда «Бигл» опускал якорь и снаряжал фуражиров для приобретения съестных припасов. Высадившись на землю, Дарвин зря время не терял. Его буквально манили все эти новые для него места, служившие пристанищем необычных и пленяющих воображение форм жизни. Он заходил далеко в глубь островов, коллекционировал животных, неизвестных науке, собирал окаменелости.

Однако наибольший вклад в науку он сделал, посетив острова Галапагос. Именно там ему пришла мысль о естественном отборе, впоследствии оформившаяся в теорию эволюции, которую мы сегодня называем «дарвинизм». Покинув в 1835 году Галапагосы, корабль продолжил плаванье, пересек Тихий океан, подошел к Австралии, затем прошел по Индийскому океану и направился обратно к берегам Британии.

См. также статьи «Дарвин, Чарльз «Дарвинизм», «Галапагос, острова», «Естественный отбор».