Теория эволюции

    Теория  эволюции.

    Возраст Земли составляет около 4,5-7 млрд лет, а ее масса около 4*10¹⁸ тонн. Жизнь возникла на Земле около 3,9 млрд лет назад и оказала существенное влияние на Землю и ее атмосферу. Огромное разнообразие животных, растений и других живых форм, которые мы видим сейчас, являются результатом длительной эволюции. Эволюция – это развитие организмов во времени или процесс исторического преобразования жизни на Земле.

    Современные представления о происхождении  жизни базируются на теории эволюции, тогда как сама теория эволюции основывается на данных об общих закономерностях  и движущих силах исторического  развития живой природы. Одну из характерных  особенностей эволюции составляет длительность сроков существования первых живых  существ. Например, микроорганизмы были единственными живыми обитателями  Земли в течение 3 млрд лет. Затем  эволюция пошла быстро. Многоклеточные появились спустя 4/5 всего времени  существования Земли. На эволюцию человека приходится всего лишь несколько  миллионов лет.

    Эволюция  протекает на всех уровнях организации  живой материи и характеризуется  новообразованием структур на каждом из них. Объединение структур одного уровня сопровождается переходом системы  на более высокую ступень эволюции.¹ 
 
 
 
 
 
 

    Взгляды на происхождение  и эволюцию жизни  в прошлом.

    Проблемы  происхождения и эволюции жизни  на Земле принадлежали и принадлежат  к числу величайших проблем естествознания, которые привлекали к себе внимание человеческого ума с самых  незапамятных времен. Они являлись предметом обсуждения всех философских  и религиозных систем. Однако на разных ступенях развития общества и  культуры проблемы происхождения жизни  решались неодинаково. Более того, они  были ареной борьбы материализма и  идеализма.

    Самыми  древними взглядами на природу были: жизнь связывали с силами природы. Но уже у самых истоков культуры древней Греции на смену мистическими истолкованиями природы приходят начала научных исследований. В тот период появилась  и стала развиваться  доктрина  спонтанного самозарождения. В соответствии с этой доктриной  признавалось, что живые организмы  образуются самопроизвольно из неживого материала. В то же время стали  формироваться и эволюционные идеи. Например, Эмпедокл (490 – 430 гг. до н. э.)  полагал, что первые живые существа возникли из четырех элементов мировой  материи (огонь, воздух, вода и земля) и что для природы характерно закономерное развитие, выживание тех  организмов, которые наиболее гармонично устроены. Эти взгляды были очень  важны для дальнейшего распространения  мысли о естественном происхождении  живых существ.

    Демокрит (460  -370 гг. до н.э.) считал, что мир  состоит из множества мельчайших частиц, которые находятся в движении, и что жизнь является не результатом  творения, а следствием действия механических сил самой природы. По Демокриту, самозарождение живых существ происходит из ила и воды, когда мельчайшие частицы влажной земли встречаются  и соединяются с атомами огня. Самозарождение представлялось случайным  процессом.

    Платон (427 – 370 гг. до н. э.) предполагал, что  черви, клещи и другие организмы  возникли из росы, ила, навоза, волос, пота, мяса, моллюска – из влажной земли, рыбы – из морской тины и т.д. Он утверждал, что живые существа образуются в результате соединения пассивной  материи с активным началом (формой), представляющим собой душу, которая  затем движет организмом.

    Зарождение  биологии как науки связано с  деятельностью греческого философа Аристотеля (IV в.  до н. э.). Он считал, что растения и животные возникают  из неживого материала, в частности  из разложившегося мяса. Признавая  реальность материального мира и  постоянство его движения, а также  сравнивая организмы между собой (сходство строения соответствующих  органов у разных видов было названо  Аристотелем «аналогией»), философ  пришел к выводу о существовании  «лестницы природы», на нижней ступени  которой располагались неорганические тела, а организмы по мере их усложнения занимают все более высокие ступени. Однако вопреки признанию  собственно развития во взглядах Аристотеля не было мысли о развитии низших организмов к высшим.

    Эпоха Поздней античности и особенно последовавшая  за ней эпоха Средневековья стали  временем затянувшегося почти на полторы тысячи лет застоя в развитии естественно - исторических представлений. Господствовавшие догматические формы  религиозного мировоззрения не допускали  идеи изменяемости мира. Соответствующие  представления античных философов  были преданы забвению. Возможности  для развития эволюционных идей появились  лишь после эпохи Возрождения (XV-XVI вв.), когда европейская наука  сделала значительные шаги вперед в  познании окружающего мира.

    По  мере развития науки стали накапливаться  данные, противоречащие этой идеям  античности. Были найдены ископаемые остатки древних животных и растений, сходных с современными, но в то же время отличающихся от них по многим особенностям строения. Это  могло свидетельствовать о том, что современные виды – это  измененные потомки давно вымерших видов. Обнаружилось удивительное сходство в строении и в особенностях индивидуального  развития разных видов животных. Это  сходство указывало на то, что разные виды в далеком прошлом имели  общих предков.

    Одним из значительных шагов на пути к  возникновению эволюционной биологии стали работы шведского натуралиста  Карла Линнея (1707 – 1778). Он первый создал искусственную систему органического  мира. За основу системы он принял вид, который определял как совокупность сходных по строению особей, дающее плодовитое потомство. Вид он считал элементарной единицей живой природы. Близкие виды объединялись им в роды, роды - в отряды, отряды – в классы. Для обозначения вида он использовал  два латинских слова: первое (существительное) – название рода, второе (прилагательное) – видовой эпитет. Этот принцип  двойной номенклатуры сохранился и  до настоящего времени. Линней систематизировал огромный материал, накопленный предшественниками, он описал около 10 тыс. видов растений (в том числе 1500 видов, открытых им самим) и 4200 видов животных, а также  минералы.

    Недостатки  системы Линнея состояли в том, что  при классификации он учитывал лишь 1-2 признака (у растений – число  тычинок, у животных – строение дыхательной  и кровеносной систем), не отражающих подлинного родства, поэтому далекие  роды оказались в одном классе, а близкие – в разных. Виды в природе Линней считал неизменными, созданные творцом. Он разделял метафизические представления о природе.²

    Итак  к концу XVIII века появились идеи, противоречащие представлениям о неизменяемости видов, но они еще не сложились  в систему взглядов, а метафизичность мышления мешала полностью отвергнуть религию и взглянуть на природу  по – новому.

    Первым, кто специально обратился к изучению проблем эволюции, был французский  ученый Ж. Б. Ламарк. Созданное им учение завершило предыдущие поиски многих натуралистов и философов, пытавшихся осмыслить возникновение и развитие органического мира.

    Ж.  Б. Ламарк  считал, что первопричиной  материи и движения является творец, но дальнейшее развитие происходит благодаря  естественным причинам. По Ламарку, творец совершил лишь первый акт – создал самые простые формы жизни. Последние  затем развивались, дав начало всему  их разнообразию на основе естественных законов.

    Ламарк  считал, что живое возникает из неживого, он рассматривал самозарождение в качестве естественного закономерного  процесса, являющегося начальным  пунктом эволюции. Признавая развитие от простого к сложному и опираясь на «лестницу существ», Ламарк пришел к заключению о существовании  градации живых существ, в которой  он увидел отражение истории жизни, развитие одних форм из других. Ламарк как никто другой  понял, что  развитие от простейших форм до самых  сложных составляет главное содержание истории всего органического  мира, включая и историю человека. Доказывая эволюцию видов, Ламарк полагал, что они текучи и между ними нет границ. Фактически он отрицал  существование видов.

    Главным фактором изменчивости видов он считал влияние внешней среды, которое  нарушают правильность градации: «Нарастающее усложнение организации подвергается то здесь, то там на протяжении общего ряда животных отклонениям, вызываемым влиянием условий места обитания и усвоенных привычек». Градация, так сказать, «в чистом виде» проявляется  при неизменности, стабильности внешней  среды; всякое изменение условий  существования понуждает организмы  приспосабливаться к новой обстановке, чтобы не погибнуть. Этим нарушается равномерное и неуклонное изменение  организмов на пути прогресса, и различные  эволюционные линии уклоняются в  сторону, задерживаются на примитивных  уровнях организации. Так Ламарк объяснял одновременное существование  на Земле высокоорганизованных и  простых групп, а также разнообразие форм животных и растений.

    Ламарк  на высшем уровне по сравнению с  предшественниками разработал проблему неограниченной изменчивости (трансформизма) живых форм под влиянием условий существования: питания, климата, особенностей почвы, влаги, температуры и пр. Свою мысль он подкреплял такими примерами, как изменение формы листьев у растений, которые живут в водной и воздушной среде (стрелолист, лютик), у растений влажных и сухих, низменных и горных местностей.

    Исходя  из уровня организации живых существ  Ламарк выделял две формы изменчивости³:

    - прямую, непосредственную изменчивость  растений и низших животных  под влиянием условий внешней  среды;

    - косвенную изменчивость высших  животных, которые имеют развитую  нервную систему, с участием  которой воспринимается воздействие  условий существования, вырабатываются  привычки, средства самосохранения, защиты.

    Показав происхождение изменчивости, Ламарк проанализировал второй фактор эволюции — наследственность. Он отмечает, что индивидуальные изменения, если они повторяются в ряде поколений, при размножении передаются по наследству потомкам и становятся признаками вида. Таким образом, Ламарк показывает значение изменчивости и наследственности в видообразовании, в историческом развитии животных и растений.

    Ламарк  впервые создал целостную концепцию  развития природы и сформулировал  три закона изменяемости организмов.

1. Закон прямого приспособления. Приспособительные изменения растений и низших животных происходит под прямым воздействием окружающей среды. Приспособления возникают за счет растяжимости.
2. Закон упражнения и неупражнения органов. На животных с центральной нервной системой среда оказывает косвенное воздействие. Длительное влияние среды вызывает у животных привычки, связанные с частым упражнением органов. Усиленное его упражнение приводит к постепенному развитию этого органа и закреплению изменений.
3. Закон «наследования благоприобретенных признаков», согласно которому полезные изменения передаются и закрепляются в потомстве.⁴

    Непревзойденным авторитетом XIX в. в области палеонтологии  и сравнительной анатомии являлся  французский зоолог Жорж Кювье (1769 – 1832). Он был одним из реформаторов сравнительной анатомии и систематики  животных, ввел понятие «тип» в  зоологии. Основываясь на богатом  фактическом материале, Кювье установил  «принцип корреляции частей тела», на базе которого реконструировал строение вымерших форм животных. По своим воззрениям он был креационистом и стоял  на позициях неизменяемости видов, а  наличие приспособительных признаков  у животных рассматривал как свидетельство  изначально установленной гармонии в природе. Причины смены ископаемых фаун Кювье видел в катастрофах, которые происходили на поверхности  Земли. По его теории, после каждой катастрофы происходило повторное  сотворение органического мира. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

    Ч. Дарвин и эволюция.

    Честь создания научной теории эволюции принадлежит  Чарлзу Дарвину (1809—1882) — английскому  естествоиспытателю. Исторической заслугой Дарвина является не установление самого факта эволюции, а вскрытие основных причин и движущих сил ее. Он ввел термин «естественный отбор» и доказал, что основой для естественного отбора и эволюции является наследственная изменчивость организмов. Результатом его многолетней работы явилась книга «Происхождение видов путем естественного отбора» (1859). В 1871 г. выходит в свет его другой большой труд «Происхождение человека и половой отбор».

    Основными движущими силами эволюции Ч. Дарвин назвал наследственную изменчивость, борьбу за существование и естественный отбор. Исходным положением учения Дарвина являлось его утверждение об изменчивости организмов. Он выделил групповую, или определенную, изменчивость, которая не наследуется и находится в прямой зависимости от факторов среды. Второй тип изменчивости — индивидуальная, или неопределенная, которая возникает у отдельных организмов в результате неопределенных воздействий среды на каждую особь и наследуется. Именно эта изменчивость лежит в основе разнообразия особей.

    Наблюдая  и анализируя одно из основных свойств  всего живого — способность к  неограниченному размножению, Дарвин сделал вывод о существовании фактора, препятствующего перенаселению и ограничивающего численность особей. Вывод: интенсивность размножения, а также ограниченность природных ресурсов и средств жизни приводят к борьбе за существование.

    Наличие спектра изменчивости у организмов, их неоднородность и борьба за существование приводят к выживанию наиболее приспособленных и уничтожению менее приспособленных особей. Вывод: в природе идет естественный отбор, который способствует накоплению полезных признаков, передаче и закреплению их в потомстве. Идея естественного отбора возникла у Дарвина в результате наблюдений за искусственным отбором и селекцией животных. По Дарвину, результатом естественного отбора в природе явились: 1) возникновение приспособлений; 2) изменяемость, эволюция организмов; 3) образование новых видов. Видообразование идет на основе дивергенции признаков.

    Дивергенция — расхождение признаков в пределах вида, возникающее под действием естественного отбора. Наибольшие преимущество к выживанию имеют особи с крайними признаками, тогда как особи со средними, сходными признаками гибнут в борьбе за существование. Организмы с уклоняющимися признакам могут стать родоначальниками новых подвидов и видов. Причиной дивергенции признаков являются наличие неопределенной изменчивости, внутривидовая конкуренция и разнонаправленный характер действия естественного отбора.

    Теория  видообразования Дарвина называется монофилетической — происхождение видов от общего родоначальника, исходного вида. Ч. Дарвин доказал историческое развитие живой природы, объяснил пути видообразования, обосновал формирование приспособлений и их относительный характер, определил причины и движущие силы эволюции.

    Доказательства  эволюции

    Биологическая эволюция — исторический процесс развития органического мира сопровождается изменениями организмов,  вымиранием одних и появлением других. Современная наука располагает многими фактами, свидетельствующими об эволюционных процессах.

    Эмбриологические  доказательства эволюции

    В первой половине XIX в. получает развитие теория «зародышевого сходства». Русский  ученый Карл Бэр (1792—1876) установил, что на ранних стадиях развития эмбрионов обнаруживается большое сходство между различными видами в пределах типа.

    Работы  Ф. Мюллера и Э. Геккеля позволили  им сформулировать биогенетический закон: «онтогенез есть краткое и быстрое повторение филогенеза». Позднее трактовка биогенетического закона была развита и утоточнена А. Н. Северцовым: «в онтогенезе повторяются эмбриональные стадии предков». Наибольшее сходство имеют зародыши на ранних стадиях развития. Общие признаки типа формируются в ходе эмбриогенеза раньше, чем специальные. Так все эмбрионы позвоночных на 1 стадии имеют жаберные щели и двухкамерное сердце. На средних стадиях появляются особенности, характерные для каждого класса, и лишь на более поздних формируются особенности вида.

    Сравнительно-анатомические  и морфологическиe доказательства эволюции

    Доказательством единства происхождения служит клеточное  строение организмов, единый план строения органов и их эволюционные изменения.

    Гомологичные  органы имеют сходный план строения и общность происхождения, выполняют как одинаковые, так и различные функции. Гомологичные органы позволяют доказать историческое родство различных видов. Первичное морфологическое сходство заменяется, в разной степени, различиями, приобретенными в ходе дивергенции. Типичным примером гомологичных органов являются конечности позвоночных, имеющие общий план строения независимо от выполняемых функций.

    Некоторые органы растений морфологически развиваются  из листовых зачатков и являются видоизмененными  листьями (усики, колючки, тычинки).

    Аналогичные органы — вторичное, не унаследованное от общих предков, морфологическое сходство у организмов различных систематических групп. Аналогичные органы сходны по выполняемым функциям и развиваются в процессе конвергенции. Они свидетельствуют об однотипных приспособлениях, возникающих в ходе эволюции в одинаковых условиях среды в результате естественного отбора. Например, аналогичные органы животных — крылья бабочки и птицы. Это приспособление к полету у бабочек развилось из хитинового покрова, а у птиц — из внутреннего скелета передних конечностей и перьевого покрова. Филогенетически эти органы формировались по-разному, но выполняют одинаковую функцию — служат для полета животного. Иногда аналогичные органы приобретают поразительное сходство, как, например, глаза головоногих моллюсков и наземных позвоночных. Они имеют одинаковый общий план строения, похожие структурные элементы, хотя и развиваются из разных зачатков в онтогенезе и никак не связаны между собой. Сходство объясняется лишь физической природой света.

    Примером  аналогичных органов являются колючки  растений, которые защищают их от поедания животными. Колючки могут развиваться из листьев (барбарис), прилистников (белая акация), побега (боярышник), коры (ежевика). Они сходны лишь внешне и по выполняемым функциям.

    Рудиментарные органы — сравнительно упрощенные или недоразвитые структуры, утратившие свое первоначальное назначение. Они закладываются в период эмбрионального развития, но полностью не развиваются. Иногда рудименты берут на себя иные функции по сравнению с гомологичными органами других организмов. Так, рудимент аппендикс человека выполняет функцию лимфотворения, в отличие от гомологичного органа — слепой кишки травоядных. Рудименты тазового пояса кита и конечностей питона подтверждают факт происхождения китов от наземных четвероногих, а питонов — от предков с развитыми конечностями.

    Атавизм — явление возврата к предковым формам, наблюдающееся у отдельных особей. Например, зеброидная окраска жеребят, много- сосковость у человека.

    Биогеографические доказательства эволюции

    Изучение  флоры и фауны различных материков позволяет восстановить общий ход эволюционного процесса и выделить несколько зоогеографических зон, имеющих сходных наземных животных.

    1. Голарктическая область, которая  объединяет Палеарктическую (Евразия) и Неоарктическую (Северная Америка) области.

    2. Неотропическая область (Южная Америка).

    3. Эфиопская область (Африка

    4. Индо-Малайская область (Индокитай,  Малайзия, Филиппины).

    5. Австралийская область. В каждой из перечисленных областей наблюдается большое сходство животного и растительного мира. Одна область от других отличается определенными эндемичными группами.

    Эндемики — виды, роды, семейства растений или животных, распространение которых ограничено небольшой географической областью, т. е. это специфическая для данной области флора или фауна. Развитие эндемии чаще всего связано с географической изоляцией. Например, наиболее раннее отделение Австралии от южного материка Гондваны (более 120 млн лет) привело к самостоятельному развитию ряда животных. Не испытывая давления со стороны хищников, которые отсутствуют в Австралии, здесь сохранились однопроходные млекопитающие - первозвери: утконос и ехидна; сумчатые: кенгуру, коала.

    Флора и фауна Палеарктической и  Неоарктической областей, наоборот, сходны между собой. Например, близкородственными являются американские и европейские клены, ясени, сосны, ели. Из животных такие млекопитающие, как лоси, куницы, норки, белые медведи, обитают в Северной Америке и в Евразии. Американскому бизону соответствует родственный вид — европейский зубр. Подобное родство свидетельствует о длительном единстве двух материков.

    Палеонтологические доказательства эволюции

    Палеонтология изучает ископаемые организмы и позволяет установить исторический процесс и причины изменения органического мира. На основе палеонтологических находок составлена история развития органического мира.

    Ископаемые  переходные формы — формы организмов, сочетающие признаки более древних и молодых групп. Они помогают восстановить филогенез отдельных групп. Представители: археоптерикс — переходная форма между рептилиями и птицами; иностранцевия — переходная форма между рептилиями и млекопитающими; псилофиты — переходная форма между водорослями и наземными растениями.

    Палеонтологические  ряды составляются из ископаемых форм и отражают ход филогенеза (исторического развития) вида. Такие ряды существуют для лошадей, слонов, носорогов. Первый палеонтологический ряд лошадей был составлен В. О. Ковалевским (1842—1883).

    Реликты — виды растений или животных, сохранившиеся от древних исчезнувших организмов. Для них характерны признаки вымерших групп прошлых эпох. Изучение реликтовых форм позволяет восстановить облик исчезнувших организмов, предположить условия их обитания и образ жизни. Гаттерия — представитель древних примитивных пресмыкающихся. Такие пресмыкающиеся обитали в юре и меловом периоде. Кистеперая рыба латимерия известна с раннего девона. Эти животные дали начало наземным позвоночным. Гинкго являются наиболее примитивной формой голосеменных. Листья крупные, вееровидные, растения листопадные.

    Борьба  за существование

    Термин «борьба за существование» введен Ч. Дарвином и подразумевает взаимоотношения организмов с абиотическими и биотическими факторами среды. Она возникает в результате ограниченности природных ресурсов, с одной стороны, и существующей тенденцией организмов к неограниченному размножению, с другой.

    Борьба  за существование является предпосылкой естественного отбора, который определяется как процесс избирательного выживания и размножения организмов. Выживание одних особей происходит за счет гибели других. Борьба за существование регулирует численность популяции особей и поддерживает ее на определенном уровне.

    Выделяют  несколько форм борьбы за существование.

    Внутривидовая борьба, или состязание, возникает между особями одного вида в популяции или между популяциями. Представители одного вида имеют сходные жизненные потребности, поэтому между ними возникает конкуренция за территорию, пищевые ресурсы, самку. Эта форма борьбы самая напряженная. Она приводит к выживанию наиболее приспособленных, а следовательно, сохранению их генотипа в популяции. Наиболее жестко она идет среди растений одного вида, населяющих одну территорию. Более сильные особи затеняют слабые, их корни глубже проникают в почву, лучше используют влагу и питательные вещества. Среди животных может наблюдаться истребление молодняка при избыточной численности, борьба за главенство в стае.

    Однако  существует и взаимопомощь, которая  благоприятствует выживанию отдельных  особей, например у пингвинов. Но в этом случае отмечается пассивная конкуренция и острее становятся другие формы борьбы.

    Межвидовая  борьба идет между особями разных видов. Например, один вид использует другой в качестве источника пищи (хищник — жертва, паразит — хозяин). Острая конкуренция идет между видами, занимающими одну экологическую нишу. Это может иногда приводить к вытеснению одного вида другим с данной территории. Например, конкуренция разных хищников в одном лесу, угнетение сорными растениями культурных, борьба за пищу между двумя видами крыс — серой и черной.

    Борьба  с неблагоприятными условиями среды — давление, которое испытывает организм со стороны неживой природы (засуха, высокая или низкая температура, наводнение и т. д.). В создавшихся условиях выживают более приспособленные особи, а также те, которые лучше и быстрее адаптируются к изменяющимся условиям. Спячка, анабиоз, листопад, смена окраски и густоты шерсти, образование колючек вместо листьев — все эти приспособления направлены на выживание особи и вида в целом. Борьба с абиотическими факторами обостряет межвидовую и внутривидовую борьбу.

    Естественный отбор — движущая сила эволюции

    Сопоставив  способность всех организмов к неограниченному  размножению и разнонаправленной  наследственной изменчивости, Дарвин пришел к выводу, что выживают и  оставляют потомство особи, имеющие  наиболее полезные для того или иного  вида свойства, т.е. происходит естественный отбор.

    Естественный  отбор — это процесс избирательного воспроизведения организмов, происходящий в природе, в результате которого в популяции возрастает доля особей с полезными для вида признаками и свойствами в конкретных условиях среды. Материалом для отбора служат индивидуальные наследственные изменения (мутации и комбинации, возникающие в популяциях). Они могут быть полезными, вредными и безразличными для вида. Полезными для вида  будет всякое изменение, повышающее возможность выживания и оставление более многочисленного потомства. Вредные изменения снижают плодовитость и выживаемость особей. Отбор всегда имеет направленный характер: он сохраняет те изменения, которые наиболее соответствуют условиям окружающей среды, повышают плодовитость особей.

    Творческая  роль естественного отбора заключается  в том, что в процессе эволюции он сохраняет и накапливает из разнонаправленных мутаций наиболее соответствующие условиям среды  и полезные для вида. Естественный отбор является главной движущей силой эволюции органического мира.