Текст книги "Биология. Общая биология. Базовый уровень. 11 класс"

Автор книги: Владислав Сивоглазов

Соавторы: Екатерина Захарова,Инна Агафонова
сообщить о нарушении

Текущая страница: 6 (всего у книги 15 страниц) [доступный отрывок для чтения: 6 страниц]

13. Доказательства эволюции органического мира

Вспомните!

Что такое эволюция?

Какие вы знаете доказательства существования эволюции?

Эволюция – это очень длительный исторический процесс, который невозможно непосредственно наблюдать на протяжении ограниченного времени. Жизнь одного человека и существование человечества в целом несоизмеримы по временному масштабу с эволюционными преобразованиями на нашей планете. Процессы формирования крупных таксонов могут продолжаться миллионы лет. Реальное существование эволюционных процессов подтверждают факты, полученные разными естественными науками: палеонтологией, морфологией, систематикой, эмбриологией и многими другими. Рассмотрим основные существующие на сегодняшний день доказательства эволюции живой природы.

Цитология и молекулярная биология. Все живые организмы – растения, грибы, животные, бактерии – состоят из клеток, имеющих общий план строения и сходный химический состав. Универсальность генетического кода, единые принципы хранения, реализации и передачи генетической информации – это подтверждение того, что всё живое имеет единое происхождение.

Сравнительная морфология. Сходство во внешнем и внутреннем строении организмов, принадлежащих к одной систематической группе, свидетельствует об их родстве и общем происхождении.

Конечность у всех наземных позвоночных, от земноводных до млекопитающих, построена по единому плану – пятипалая конечность рычажного типа. У каждого вида скелет конечности модифицирован в зависимости от способа передвижения и приспособлен к конкретным условиям обитания, но принципиальная схема строения остаётся неизменной (см. рис. 6). Такие органы, развивающиеся из одних и тех же зачатков в процессе эмбрионального развития и выполняющие разные или сходные функции, называют гомологичными органами. Существование гомологии органов внутри крупной группы организмов свидетельствует об их происхождении от общего предка.

Рис. 43. Крылья птицы и стрекозы

В систематических группах, далеко отстоящих друг от друга, мы тоже можем обнаружить структуры, выполняющие одинаковые функции и имеющие внешнее сходство, например крылья насекомых и птиц (рис. 43). Однако в отличие от гомологичных органов эти структуры имеют разное происхождение и строение, их называют аналогичными органами. Наличие у разных видов похожих, но не гомологичных органов подтверждает отсутствие у этих видов близкого родства.

Важным анатомическим доказательством эволюции служат рудименты и атавизмы. Атавизмы – это появляющиеся у отдельных особей данного вида признаки, которые существовали у отдалённых предков, но были утрачены в процессе эволюции. Например, появление трёхпалой конечности у современных лошадей, развитие дополнительных пар молочных желёз, хвоста или сплошного волосяного покрова у человека. Возникновение атавизмов объясняется тем, что гены, отвечающие за развитие этих признаков, в процессе эволюции сохранились, но при нормальном развитии их действие блокируется.

Рудименты – это органы, утратившие в процессе эволюции своё значение. Они закладываются во время эмбриогенеза, но полностью не развиваются. Когда-то у далёких предковых форм эти органы имели важное значение, но в дальнейшем в связи с изменениями условий существования перестали быть необходимыми. Примерами рудиментов могут служить неразвитые кости задних конечностей и остатки тазового пояса у китообразных, хвостовые позвонки и ушные мышцы у человека (рис. 44). В отличие от атавизмов, рудименты присутствуют у всех представителей вида.

Иногда в процессе эволюции в определённых условиях среды получает преимущество и сохраняется некая переходная форма, соединяющая в себе признаки разных классов. Например, утконос и ехидна относятся к млекопитающим, но откладывают яйца и имеют клоаку, как пресмыкающиеся, а у кистепёрой рыбы латимерии кроме жабр есть примитивные лёгкие, а её парные плавники обладают мускулатурой и напоминают по строению конечность наземных позвоночных.

Рис. 44. Рудименты: крыло нелетающей птицы киви; остатки тазового пояса у кита и конечностей у змеи

Палеонтология. Изучение ископаемых остатков живых организмов, их следов и отпечатков, обнаруженных в разных геологических слоях, позволяет проследить историческое развитие живой природы. В наиболее древних породах разнообразие организмов невелико, и все они имеют относительно простое строение. В более молодых отложениях остатки имеют всё более сложное строение, и их видовое разнообразие гораздо шире. Учёные обнаружили много переходных форм между ныне живущими и ископаемыми организмами, например зверозубые ящеры, напоминающие по строению зубов и скелета млекопитающих, археоптерикс, сочетающий признаки птиц (общий вид, строение конечностей, перья на теле) и пресмыкающихся (наличие зубов, брюшных рёбер) (рис. 45).

В некоторых случаях по ископаемым остаткам учёным удалось установить, как проходил филогенез (историческое развитие) определённой группы организмов. Владимиру Онуфриевичу Ковалевскому удалось проследить эволюцию лошади с начала кайнозойской эры (рис. 46). Предки лошадей произошли от невысоких всеядных животных с пятипалыми конечностями. Первый представитель семейства лошадей эогиппус, или гиракотерий, был размером с лисицу и имел четырёхпалые передние и трёхпалые задние конечности. В дальнейшем, когда тропические леса уступили место степям, основным средством защиты стал быстрый бег. Естественный отбор у древних лошадей шёл в направлении удлинения конечностей, уменьшения площади опоры, усиления мускулатуры и позвоночника. Найденные ископаемые формы, позволившие реконструировать последовательный эволюционный ряд лошади, подтверждают эволюционную теорию.

Рис. 45. Археоптерикс: А – внешний вид (реконструкция); Б – отпечаток

Интересно, что лошади, жившие в Северной Америке в течение миллионов лет, вымерли несколько тысяч лет назад, как раз в тот период, когда на этом континенте появился человек. Существуют данные о том, что древние люди использовали лошадей в пищу. Повторно лошади были завезены в Северную Америку не более 500 лет назад.

Эмбриология. В пользу эволюционного развития органического мира свидетельствует то, что все многоклеточные организмы, способные к половому размножению, развиваются из одной оплодотворённой яйцеклетки (зиготы).

Рис. 46. Эволюция лошади

Легко обнаружить родство между организмами при сравнении их эмбриональных стадий развития. Ещё в первой половине XIX в. Карл Бэр установил закон зародышевого сходства: эмбрионы различных классов и видов позвоночных животных обнаруживают в пределах типа большое сходство (рис. 47). Причём наиболее похожи эмбрионы на ранних стадиях развития. Позднее немецкие учёные Фриц Мюллер и Эрнст Геккель сформулировали биогенетический закон: онтогенез особи есть краткое повторение филогенеза данного вида. Позднее этот закон уточнил российский учёный Алексей Николаевич Северцов. Он установил, что любой организм в своём индивидуальном развитии повторяет не взрослые формы предков, а эмбриональные стадии развития предковых форм. В эмбриогенезе у всех позвоночных закладывается хорда, которая у ланцетника остаётся на всю жизнь, а у высших позвоночных в дальнейшем замещается позвоночником. На ранних стадиях развития у зародышей птиц и млекопитающих (включая человека) сердце состоит всего из двух отделов: предсердия и желудочка, а в глотке закладываются жаберные щели и перегородки, что объясняется происхождением этих классов от предков, дышащих жабрами.

Биогеография. Наука о закономерностях распространения на Земле живых организмов тоже располагает данными в пользу эволюционных преобразований живой природы. Распределение животных и растений на планете имеет неравномерный, прерывистый характер, который нельзя объяснить только климатическими особенностями. Дрейф континентов, который приводил к возникновению географической изоляции, объясняет особенности развития и распространения видов.

Раннее отделение Австралии, Океании и Южной Америки привело к тому, что на этих территориях сохранилась древняя фауна (сумчатые и яйцекладущие млекопитающие), эволюция которой шла независимо от фауны других материков. Очень похож животный и растительный мир Евразии и Северной Америки – континентов, которые сравнительно недавно ещё были связаны друг с другом сушей в районе Берингова пролива. Напротив, природа Южной и Северной Америки значительно отличается, потому что эти континенты в недалёком прошлом были самостоятельными участками суши и лишь позднее соединились Панамским перешейком.

Рис. 47. Сходство эмбрионов позвоночных на ранних стадиях развития

Мы привели далеко не полный перечень доказательств в пользу существования эволюционного процесса, но даже этого достаточно, чтобы убедиться в том, что эволюция живых организмов – это реальный процесс, существующий во времени и пространстве.

Вопросы для повторения и задания

1. Докажите существование эволюции с точки зрения эмбриологии.

2. Расскажите о палеонтологических доказательствах эволюционного процесса.

3. Какие органы называют гомологичными, какие – аналогичными?

4. Приведите примеры сходства строения органов у неродственных групп животных, обитающих в одинаковых условиях.

5. Объясните, каковы причины существования рудиментов и появления атавизмов. Почему они служат доказательствами процесса эволюции?

Подумайте! Выполните!

1. Объясните, почему в природе в процессе эволюции у разных видов организмов, далеко отстоящих друг от друга, появляются аналогичные органы.

2. Используя дополнительную литературу и ресурсы Интернета, выясните, почему расположенный у восточного берега Африки остров Мадагаскар является местом огромного скопления эндемичных видов. К какой группе доказательств существования эволюции можно отнести этот факт?

3. Опираясь на знания, полученные на уроках зоологии, докажите, что малая берцовая кость у птиц является рудиментом.

Работа с компьютером

Обратитесь к электронному приложению. Изучите материал и выполните задания.

Узнайте больше

Особенности строения как результат эволюции. В ходе эволюции каждый новый элемент формируется из существующих ранее за счёт последовательных приспособительных изменений. Эта особенность является причиной некоторых специфических несообразностей в строении живых организмов. Например, у млекопитающих возвратный гортанный нерв в составе блуждающего нерва идёт от мозга к сердцу. Далее, выделившись из блуждающего нерва, уже в качестве самостоятельного нерва огибает дугу аорты и возвращается к гортани. В результате нерв проходит гораздо более длинный путь, чем необходимо. Особенно наглядно эта проблема видна на примере жирафа, у которого длина возвратного нерва может достигать 4 м, хотя расстояние от мозга до гортани – всего несколько сантиметров. Такое взаимное расположение нервов и сосудов млекопитающие унаследовали от древних рыбообразных предков, у которых, как и у всех рыб, не было шеи.

Повторите и вспомните!

Растения

Гомологичные и аналогичные органы растений.Гомологичные органы растений имеют одинаковое происхождение, но могут различаться формой и выполняемыми функциями, например луковица и корневище. Аналогичные органы, наоборот, внешне сходны, выполняют одинаковые функции, но имеют разное происхождение, например колючки барбариса и боярышника.

Видоизменения листьев. В ходе эволюции в связи с приспособлением к условиям обитания у многих растений наряду с настоящими листьями возникали их разнообразные видоизменения.

Наиболее распространенное видоизменение листьев – колючки. У барбариса острые колючки – это бывшие листья, в которых не развивается мезофилл. Листовое происхождение имеют и колючки кактусов. Колючки играют защитную роль, предохраняя растения от поедания животными, и снижают испарение, уменьшая площадь поверхности листьев.

У многих представителей семейства бобовых листья превратились в усики.

У насекомоядных (хищных) растений листья превратились в особые ловчие аппараты. При нехватке в почве азота и минеральных веществ насекомые являются хорошим дополнительным питанием этим удивительным растениям.

У многих растений листья видоизменяются в чешуйки. Толстые сочные чешуи луковицы запасают питательные вещества. Чешуйки, покрывающие почки, выполняют защитную функцию, а листья-чешуйки саксаула способствуют снижению транспирации.

Основные части цветка (лепестки венчика, листочки чашечки, тычинки и пестик) – это тоже видоизменённые листья.

Видоизменения побегов. В процессе эволюции в связи с выполнением побегами дополнительных функций у растений возникали их разнообразные видоизменения.

Вегетативное размножение и расселение выполняют столоны – надземные или подземные, обычно недолговечные побеги с длинными, тонкими междоузлиями и чешуевидными, бесцветными, реже зелёными листьями.

Корневище – это подземный горизонтальный (папоротник, злаки), косо растущий (земляника) и даже вертикальный (вех) побег многолетних травянистых растений, внешне напоминающий корень. В отличие от корня, корневище не имеет корневого чехлика, несёт верхушечную и пазушные почки, расчленено на узлы и междоузлия. Из почек развиваются надземные побеги и новые корневища, а в узлах образуются придаточные корни.

Подземный (реже надземный) укороченный побег, имеющий уплощённый стебель – донце, от которого отходят придаточные корни, называют луковицей. На донце располагаются чешуевидные сочные, мясистые листья. Луковичные широко распространены в степях и полупустынях (тюльпаны), но встречаются и в лесной зоне (подснежники).

Клубень – это видоизменённый побег, стебель которого, прекративший верхушечный рост, сильно разрастается в толщину и накапливает запасные вещества (крахмал, реже масла). Подземные клубни часто развиваются на столонах и несут недоразвитые листья («бровки»), пазушные почки которых называют «глазками» (картофель). У капусты кольраби надземные клубни формируются на главном побеге и несут зелёные листья.

Корневища, луковицы и клубни запасают питательные вещества, обеспечивают вегетативное размножение и переживание неблагоприятных для роста растений сезонов.

Другими видоизменениями надземных побегов являются колючки стеблевого происхождения (боярышник, дикая яблоня, дикая груша); кладодии – уплощённые стебли, способные к фотосинтезу; ползучие стебли – усы (с длинными междоузлиями) и плети (с укороченными междоузлиями), служащие для вегетативного размножения.

Человек

Рудимент человека – аппендикс. От слепой кишки толстого кишечника отходит червеобразный отросток – аппендикс. Аппендикс человека имеет длину от 2 до 20 см и не участвует в расщеплении пищи. Воспаление этого отростка вызывает заболевание – аппендицит. У человека появляется боль в правой паховой области, возникает рвота, поднимается температура. Аппендицит опасен тем, что из аппендикса инфекция может попасть в брюшную полость и вызвать опасное для жизни воспаление – перитонит. Острый аппендицит требует немедленного хирургического удаления аппендикса. При болях в животе необходимо срочно вызвать врача, а до его прихода больному нельзя давать слабительные или обезболивающие препараты, класть на живот грелку, ставить клизму. До выяснения окончательного диагноза следует также воздержаться от приёма пищи.

14. Развитие представлений о происхождении жизни на Земле

Вспомните!

Что такое жизнь?

Назовите основные свойства живого.

Вопросы о происхождении жизни на Земле и о возникновении самой Земли всегда волновали человечество. Являясь вечными и глобальными, эти проблемы и сегодня ещё далеки от решения. Мы располагаем доказательствами эволюции органического мира, но как происходило возникновение жизни на Земле, мы можем только предполагать. За всю свою историю человечество создало множество теорий и выдвинуло гипотезы, которые пытались объяснить, когда и как появилась жизнь на нашей планете.

Креационизм. Согласно концепции креационизма, жизнь возникла в прошлом в результате уникального акта творения. В идею сотворения мира можно верить, но её нельзя доказать. Так как процесс божественного сотворения мира произошёл, по мнению её сторонников, лишь однажды и, следовательно, его невозможно наблюдать, повторить или смоделировать, то наука не может изучать это происхождение жизни как явление. Поэтому концепция креационизма вряд ли когда-либо будет доказана или опровергнута.

Гипотеза самопроизвольного зарождения. Сторонники данной гипотезы утверждали, что живые организмы возникали неоднократно из неживой материи путем самозарождения (концепция абиогенеза). Эти идеи были распространены в Древнем Китае, Вавилоне и Египте и являлись альтернативой концепции креационизма. Крупнейший учёный Древней Греции Аристотель, основатель биологии, считал, что существует некое «активное начало», которое может создать живой организм. Совершенно справедливо считая, что подобное активное начало присутствует в оплодотворённом яйце, он приписывал такое же свойство тине, солнечному свету и гниющему мясу.

После распространения в Европе христианства идеи самопроизвольного зарождения жизни отступили на второй план, но не потеряли всех своих приверженцев. Знаменитый фламандский учёный Ван Гельмонт (1579–1644) сообщил об «удачном» эксперименте по созданию мышей в тёмном шкафу из грязной рубашки и горсти зерна пшеницы. Исследователь считал, что активным началом в процессе самозарождения мышей служил человеческий пот.

Серьёзный удар по концепции абиогенеза нанесли эксперименты итальянского врача Франческо Реди. В 1688 г. Реди установил, что маленькие белые червеобразные личинки мух появляются не из гнилого мяса, а из яиц, отложенных мухами. В сосудах с гнилым мясом, закрытых марлей, личинки не появлялись, а в открытых сосудах, куда свободно залетали мухи, через несколько дней Реди обнаружил множество личинок. Результаты этих экспериментов подтвердили концепцию биогенеза, согласно которой жизнь может возникнуть только из уже существующей жизни.

После изобретения микроскопа идея самозарождения обрела второе дыхание. Её сторонники утверждали, что уж простейшие одноклеточные организмы точно возникают из неживой материи. Опыты итальянского учёного Ладзаро Спалланцани (1765) и молодого российского исследователя Мартына Матвеевича Тереховского (1775) доказали, что, если мясные или овощные отвары прокипятить, а затем герметично закрыть, никаких признаков жизни в них обнаружить невозможно, т. е. никакие микроорганизмы в них не появляются. Однако многие учёные считали, что эти доказательства неубедительны, потому что в закрытый сосуд не может проникнуть «жизненная сила», необходимая для самозарождения жизни. Требовались новые, более достоверные доказательства.

Парижская академия наук объявила конкурс на лучшее решение вопроса о том, возможно ли в обычных условиях самозарождение жизни. Эту проблему блестяще решил выдающийся французский учёный Луи Пастер. Он повторил опыт Спалланцани в открытом сосуде. Для этого он сделал специальную колбу с длинным тонким горлышком в форме буквы «S» (такие сосуды сейчас называют пастеровскими колбами). Налив в колбу бульон, он прокипятил его на огне, не закрывая горлышко. «Жизненной силе» ничего не мешало проникнуть в колбу, а вот микроорганизмы туда попасть не могли – они оседали на изгибах стеклянной трубки, поэтому бульон оставался стерильным. В колбе с отломанным горлышком бульон мутнел очень быстро, бактерии легко проникали в сосуд и размножались в питательной среде (рис. 48).

Таким образом, опыт Пастера однозначно отрицательно ответил на вопрос о возможности самозарождения жизни, и принцип «всё живое только из живого» мог считаться доказанным. Однако на вопрос о происхождении жизни опыты Пастера не ответили, более того, они породили новую проблему. Если для появления любого живого организма требуется другой живой организм, если, согласно клеточной теории Шлейдена и Шванна, клетка происходит только от клетки, то откуда взялся тот самый первый организм и та самая изначальная клетка? Может быть, на какой-то стадии истории нашей планеты произошёл переход от неживого к живому? Не было ли это первичным самозарождением?

Гипотеза стационарного состояния, или вечности жизни. Сторонники идеи вечности жизни считают, что жизнь на Земле никто никогда не создавал, потому что она существует вечно. Виды тоже никогда не возникали, они были и есть, и эволюционировать они не могут. Единственное, что им может грозить, это изменение численности или вымирание, если условия станут не подходящими для их существования.

Рис. 48. Опыт Л. Пастера

Гипотеза панспермии. Эта гипотеза была выдвинута в 1895 г. шведским физиком Сванте Августом Аррениусом. Её сторонником был известный русский учёный В. И. Вернадский. Так же как и гипотеза стационарного состояния, гипотеза панспермии не предлагает никакого объяснения первичного происхождения жизни. Она утверждает, что жизнь была занесена на Землю из космоса с других планет вместе с метеоритами или космической пылью. Действительно, в последнее время появились сообщения о том, что в метеоритах обнаружены следы некоторых органических веществ, а в 1996 г. в камне, доставленном с Марса, были найдены структуры, похожие на бактерии.

Современные лабораторные исследования доказывают высокую устойчивость некоторых живых организмов к неблагоприятным воздействиям. Споры и семена растений после длительного выдерживания их в жидком кислороде и азоте сохраняют всхожесть. Не теряют способности к оплодотворению сперматозоиды, находившиеся десятки лет в замороженном состоянии в жидком азоте. Споры бактерий сохраняют жизнеспособность в течение тысяч лет и выдерживают колебания температуры от -243 до 140 °С.

Однако гипотеза панспермии не решает проблему возникновения жизни. Она просто переносит её в иную часть нашей Галактики или Вселенной.

Одним из первых проблему возникновения жизни с научной точки зрения попытался решить российский академик Александр Иванович Опарин, выдвинувший гипотезу о возникновении жизни из веществ неорганической природы (теория биохимической эволюции). Эта гипотеза легла в основу большинства современных представлений о происхождении жизни на Земле.

Вопросы для повторения и задания

1. Какие условия необходимы для возникновения живых организмов по мнению древнегреческих философов?

2. В чём заключается смысл опытов Ф. Реди?

3. Опишите опыты Л. Пастера, доказывающие невозможность самозарождения жизни в обычных условиях.

4. Что вам известно о гипотезе вечности жизни?

5. Какие вы знаете материалистические теории возникновения жизни?

6. Что вы думаете о гипотезе занесения жизни на Землю из космоса? Приведите возможные доводы «за» и «против» гипотезы панспермии.

Подумайте! Выполните!

1. Объясните, чем опыты Л. Пастера принципиально отличались от опытов Л. Спалланцани и М. М. Тереховского.

2. Используя дополнительную литературу и ресурсы Интернета, подготовьте сообщение или презентацию о роли российских учёных в развитии представлений о происхождении жизни на Земле.

Работа с компьютером

Обратитесь к электронному приложению. Изучите материал и выполните задания.