Книга: Биология. Общая биология. 11 класс. Базовый уровень

13. Доказательства эволюции органического мира

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

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.

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.

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.