Биология. Вопросы к экзамену по теории эволюции
 Скачать 1.36 Mb.
|
|
Коррелятивная изменчивость. Пример с изменением целого комплекса признаков у поросят показывает, что при изменении условий развития изменяется не один признак, а целый комплекс признаков. Одновременное изменение нескольких признаков Ч. Дарвин назвал соотносительной, или коррелятивной изменчивостью. Наследственная изменчивость также может быть коррелятивной: изменение одного признака влечет за собой изменение других признаков. Например, все белые голубоглазые коты – глухие, у бесшерстных собак определенной породы – недоразвиты зубы. [В настоящее время установлено, что наследственная коррелятивная изменчивость может быть обусловлена множественным действием генов, а также сцеплением генов – истинным сцеплением или квазисцеплением.] Комбинативная изменчивость. Во времена Дарвина (еще до опытов Менделя) было известно, что разные наследственные признаки могут образовывать различные комбинации (например, разнообразные сочетания окраски и длины шерсти у животных). Независимую изменчивость признаков Ч. Дарвин назвал комбинативной изменчивостью. [В настоящее время установлено, что коррелятивная изменчивость часто сочетается с комбинативной, т.е. совместная изменчивость двух и более признаков часто носит комбинативно-коррелятивный характер.] Отсутствие генетической теории в XIX веке привело Ч. Дарвина к некоторым ошибочным представлениям о наследственности. Например, Ч. Дарвин считал, что степень проявления признаков у потомков равна среднему арифметическому значению этого признака у родителей. Эта посылка («кошмар Дженкина») была серьезным препятствием для дальнейшего развития дарвинизма. Кроме того, Ч. Дарвин допускал возможность наследования благоприобретенных признаков, поддерживая теорию пангенезиса. Согласно этой теории, в крови существуют особые частицы – геммулы (буквально – «зачатки», «почки»), которые переносят информацию от всех частей тела к половым железам. В результате информация об онтогенезе особи может передаваться через кровь к половым клеткам. Заметим, что геммулы Дарвина сходны по своим свойствам с флюидами Ламарка. Ламаркизм Ч. Дарвина проявлялся и в частичном признании закона упражнения и неупражнения. Например, редукцию органов зрения у троглобионтов Ч. Дарвин объяснял ненужностью этого признака в темноте. В 1900 г. происходит переоткрытие законов И.Г. Менделя, формирование представлений о дискретном характере наследственности и изменчивости. Тем самым был устранен «кошмар Дженкина». В 1901 г. Г. де Фриз создает мутационную теорию. К 1908 г. формируются основные представления о генетической структуре популяций (закон Харди-Вайнберга). Учение о наследственности до сих пор не завершено. Однако современная генетика утверждает, что любой признак в той или иной степени наследуется. Отрицать эволюционную роль ненаследственных изменений (модификаций) нельзя. «Все ненаследственное в своем возникновении связано с наследственным. Модификация организма всегда определяется его наследственной структурой» (Шмальгаузен). 4. Адаптации и их классификация Приспособленность определяется множеством показателей: жизнеспособностью (выживаемостью), конкурентоспособностью, плодовитостью, участием в размножении, заботой о потомстве и т.д. Приспособленность может оцениваться только для сопоставимых групп организмов, в определенных условиях, на определенных стадиях жизненного цикла, в определенные промежутки времени. Разнообразные признаки, повышающие приспособленность организмов, называются адаптации. Существует множество классификаций адаптаций: 1. По уровню проявления – биохимические – изменяется структура белков, углеводов, липидов и других химических компонентов организмов; – физиолого-биохимические – изменяется характер обмена веществ; – анатомо-морфологические – изменяется внутреннее и внешнее строение организмов; анатомо-морфологические признаки условно делятся на качественные (например, окраска шерсти) и количественные (например, длина конечностей); – физиолого-репродуктивные – изменяются плодовитость, сроки начала и окончания репродуктивного периода, сроки размножения; – онтогенетические – изменяется характер индивидуального развития; – этологические – изменяется поведение организмов. 2. По влиянию генотипа особи на формирование адаптаций – генетические (высокая зависимость фенотипа от генотипа особи); – экологические (высокая зависимость фенотипа от среды); – эколого-генетические (фенотип зависит и от генотипа, и от среды). 3. По взаимодействию групп организмов – индивидуальные, или организменные адаптации – каждый организм адаптирован независимо от других организмов; например, покровительственная окраска многих насекомых зависит только от цвета фона, на котором они находятся, но не зависит от окраски других бабочек; – внутривидовые, или групповые адаптации – признак является адаптивным только при наличии определенных признаков у других особей данного вида; внутривидовые адаптации обеспечивают размножение, заботу о потомстве, возможность совместного добывания пищи, постройки жилища, переживания неблагоприятных условий; особую группу внутривидовых адаптаций представляют конгруэнции – соответствие копулятивных органов самцов и самок, взаимные приспособления матери и детеныша к вскармливанию молоком; – межвидовые адаптации, или коадаптации – признак является адаптивным только при наличии определенных признаков у особей другого вида; межвидовые адаптации обеспечивают опыление покрытосеменных растений насекомыми, возможность мимикрии, возможность всех видов симбиоза, паразитизма. 4. По влиянию половозрастных особенностей – половые – характерны для определенного пола, приводят к возникновению полового диморфизма; например, яркая привлекающая (распознавательная) окраска самцов и покровительственная окраска самок у многих птиц; – возрастные – характерны только для определенных стадий онтогенеза; например, наружные и внутренние жабры головастиков, которые утрачиваются при метаморфозе. 5. У животных различают активные и пассивные адаптации. Активные адаптации связаны с поведенческими реакциями. Пассивные адаптации связаны с появлением разнообразных защитных структур (раковины, панцири, шипы, колючки, чешуя, роговые щитки, перья, шерсть). Изменение формы тела может служить для маскировки – подражанию формы несъедобного предмета. 6. В отдельную группу адаптаций выделяются различные типы окраски. Эффект действия окраски обычно связан с некоторыми морфологическими адаптациями (форма тела) и поведенческими реакциями, например, с принятием определенной позы: или миметической (подражательной), или отпугивающей. а). Покровительственная (криптическая) окраска; совокупность признаков, обеспечивающих маскировку (особенности окраски, формы тела и особенности позы), называются миметизмом. В маскировке нуждаются как виды-жертвы, так и виды-хищники (богомолы, хамелеоны). – сплошная – соответствует цвету фона в местообитании; – расчленяющая – появление пятен, полос, ложных (отвлекающих) глаз. б). Привлекающая, или распознавательная – служит для распознавания особей определенного вида. Обычно служит для узнавания представителей противоположного пола данного вида в период размножения. Иногда обеспечивает распознавание комменсалов, например, хищные рыбы должны отличать безобидных чистильщиков от возможных имитаторов. в). Отпугивающая – наличие ярких пятен, ложных (отпугивающих) глаз; отпугивающая окраска обычно сочетается с покровительственной, например, у многих ночных бабочек передние крылья имеют покровительственную окраску, а задние – отпугивающую; в 1957 г. зоолог Блест экспериментально доказал, что именно круги обладают максимальным отпугивающим эффектом. г). Предостерегающая – – миметическая, или лжепредостерегающая – незащищенные виды-имитаторы подражают защищенным видам-моделям (бэтсовская мимикрия); В 1862 г. английский натуралист Генри Уолтер Бэтс (Бейтс) одиннадцать лет изучавший животных в бассейне р. Амазонки, установил, что несъедобным для птиц бабочкам из семейств геликонид и итомид подражают обликом и манерой полета съедобные бабочки – белянки и другие; гусеницам данаид, питающимся ядовитыми растениями семейства ластовневые, подражают гусеницы махаонов и нимфалид. Бэтс первым пришел к выводу, что вид-имитатор, благодаря отклонению от облика родственных ему форм, приобретает лучшие возможности для выживания. Часто мимикрия присуща только женским особям, например, самкам парусников, нимфалид и белянок; при этом самки одного и того же вида парусников подражают разным видам данаид (женский полиморфизм). При скрещивании парусников были получены самые разнообразные морфы этих бабочек, что указывает на полигенный контроль подражательной окраски, следовательно, высокая степень сходства имитатора с моделью достигается путем накопления мелких изменений. – собственно предостерегающая – у защищенных видов (несъедобных, жалящих...); эффект предостерегающей окраски усиливается при мюллеровской мимикрии – внешнем сходстве защищенных видов. [В 1878 г. немецкий зоолог Фриц Мюллер, также изучавший бабочек в Бразилии, заметил, что два неродственных несъедобных вида могут быть очень сходны между собой. В результате образуется целое «предостерегающее сообщество».] Примечание. Кроме перечисленных типов мимикрии, существуют и некоторые другие. Мимикрия Мертенса. Исключительным сходством в окраске обладают разные виды южноамериканских змей: неядовитые ужи, умеренно ядовитые агрессивные ложные ужи и крайне ядовитые неагрессивные коралловые аспиды. В этом случае роль модели играют умеренно ядовитые агрессивные ложные ужи. Мимикрия Пекэма, или агрессивная мимикрия. Мимикрия этого типа описывается поговоркой «волк в овечьей шкуре». Примером служат «приманки» рыб-удильщиков. Гнездовой паразитизм. Яйца гнездовых паразитов (например, кукушек) сходны с яйцами вида-хозяина. 7. По объему таксонов – широкие адаптации первого порядка – связаны с изменением уровня организации и выходом в новую адаптивную зону; являются общими для всех членов крупных таксонов: ароморфозы всех семенных растений (семязачатки, пыльца и пыльцевая трубка), ароморфозы покрытосеменных (пестик, околоцветник, аттрактанты), ароморфозы всех позвоночных (скелет, головной мозг из пяти отделов мускулатура, почки), ароморфозы млекопитающих (прогрессивное развитие коры больших полушарий, полное разделение кругов кровообращения, шерстный покров, дифференцированные зубы, плацента, молочные железы…); – широкие адаптации второго порядка – не связаны с изменением уровня организации и являются общими для всех членов относительно небольших таксонов: алломорфозы порядков растений, повышающие точность опыления (цветки орхидных, губоцветных…), алломорфозы млекопитающих, обеспечивающих пищевую специализацию (зубная система грызунов, хищных); – узкие адаптации – характеризуют отдельные семейства, роды, секции; это признаки узкой специализации (теломорфозы), например, адаптивные комплексы муравьедов, кротов…; – элементарные адаптации – проявляются на уровне отдельных видов и внутривидовых группировок, например, индустриальный меланизм, устойчивость насекомых к определенным инсектицидам. 8. По проявлению на разных стадиях онтогенеза – эмбрионально-личиночные – проявляются у эмбрионов, личинок и отдельных этапов метаморфоза (например, куколок), но отсутствующие у взрослых особей; – адаптации взрослых (половозрелых) особей – проявляются у взрослых особей, но отсутствуют у личинок; – адаптации, повышающие устойчивость онтогенеза в целом. Относительный характер адаптаций В большинстве случаев наблюдаемые адаптации недостаточно совершенны. Ни одна адаптация не обеспечивает 100 %-ной выживаемости и не гарантирует 100 %-ого успеха в размножении. Например: зазубренное жало у медоносной пчелы, поверхностное сходство защищенных видов при бэтсовской мимикрии. Кроме того, сохраняются многочисленные рудименты – нецелесообразные структуры, доставшиеся в наследство от предковых форм (пятый палец у собак, остатки задних конечностей у китов и удавов, третье веко у обезьян, плавательные перепонки у горных гусей). Ориентировочно можно утверждать, что до 90 % видовых признаков не являются в полной мере адаптивными. В большинстве случаев наблюдаемые признаки повышают приспособленность особей лишь при соблюдении ряда условий. Например, зеленая окраска является покровительственной лишь при наличии зеленого фона, лжепредостерегающая окраска незащищенных видов при бэтсовской мимикрии отпугивает хищников лишь при наличии защищенной модели, миметическая (подражательная) окраска делает организм незаметным лишь при соблюдении определенной позы. Некоторые адаптации характеризуются исключительной целесообразностью. Например, строение органов захвата пищи у богомолов точно соответствует размерам жертвы. Однако изменение размеров жертвы может привести к полной гибели популяции богомолов от голода. Таким образом, можно лишь утверждать, что рассматриваемый признак дает особи преимущество в борьбе за существование перед теми особями, которые не имеют этого признака. При оценке адаптивного значения признака обычно оценивают относительную приспособленность носителей этого признака, например, по отношению к максимально известной выживаемости, плодовитости, конкурентоспособности. При искусственном отборе новые признаки могут носить совершенно нецелесообразный (инадаптивный) характер, особенно, у декоративных сортов растений и пород животных. В естественных условиях такие организмы обладали бы нулевой приспособленностью, но при наличии постоянного ухода они могут успешно выживать и оставлять потомство. Основные этапы развития эволюционного учения Ч. Дарвина 1. Формирование и кризис классического дарвинизма 2. Создание синтетической теории эволюции 1. Формирование и кризис классического дарвинизма Идеи Ч. Дарвина оказали влияние на развитие эволюционной палеонтологии, эволюционной эмбриологии и сравнительной анатомии. Исследования в этих областях биологии долгое время служили основными методами изучения эволюции (метод тройного параллелизма, или триада Эрнста Геккеля). Эволюционная палеонтология. В палеонтологии было описано множество филогенетических рядов: моллюсков-аммонитов (Вааген), моллюсков-палюдин (Неймайр), лошадей (В.О. Ковалевский), динозавров (Долло), пермских рептилий (Коп) и других. Эти же исследователи сформулировали основные «правила эволюции». В 1860-1877 гг. были обнаружены остатки археоптерикса: отпечатки пера и двух скелетов (еще один скелет был найден в 1956 г.). В 1891 г. Эмиль Дю-Буа обнаружил остатки яванского питекантропа, чье существование было предсказано Э. Геккелем. Эволюционная эмбриология. Первой эволюционно-эмбриологической работой можно считать исследование эмбрионального развития ланцетника. А.О. Ковалевский показал, что, во-первых, ланцетник является примитивным хордовым животным, а во-вторых, в эмбриональном развитии ланцетника повторяется краткая история развития беспозвоночных (стадии бластулы, гаструлы и нейрулы соответствуют колониальным жгутиконосцам, двухслойным и трехслойным беспозвоночным). На основании данных А.О. Ковалевского Эрнст Геккель создал теорию происхождения многоклеточности – теорию гастреи. Однако Илья Ильич Мечников показал, что гаструляция может идти путем иммиграции, и создал другую теорию происхождения многоклеточности – теорию фагоцителлы. Отто Бючли предложил умозрительную теорию плакулы, которая частично подтвердилась с открытием трихоплаксов. Итогом развития эволюционной эмбриологии стал биогенетический закон Мюллера–Геккеля, разделивший понятия филогенеза и онтогенеза. Сравнительная анатомия. В сравнительной анатомии формировались представления о гомологии и аналогии. Понятие гомологии детально разработал Людвиг Плате на примере сходства ластов плезиозавров, ихтиозавров и китообразных. Был открыт закон смены функций (Дорн) и принцип субституции – замещения структур (Кляйнберг). На основе метода тройного параллелизма шло интенсивное построение филогенетических древес (сам принцип построения эволюционных древес был предложен российским натуралистом П. Палласом еще в конце 18 века). Однако механизмы эволюционных преобразований оставались в тени. Основной задачей эволюционной теории считалось построение «большой естественной классификации растений и животных». «Филогенетическая система должна быть синтезом наибольшего возможного числа признаков. Искусственных систем может быть сколько угодно, а филогенетическая система только одна» (Лев Александрович Зенкевич, зоолог, 1939). Основные эволюционные исследования велись в области зоологии. В ботанике влияние эволюционных идей было менее заметным по ряду причин: 1. Растения – это неоднородная группа, объединяющая водоросли и высшие растения. Кроме того, традиционно в курсе ботаники рассматриваются некоторые прокариоты (например, цианобактерии), а также грибы, лишайники и многие низшие эукариоты. 2. У растений практически всегда имеется сложный жизненный цикл (чередование гаплоидной и диплоидной стадии, сочетание различных способов размножения), что затрудняет выявление стадий онтогенеза. 3. Именно для растений характерна мозаичность эволюции (гетеробатмия) – корень, побег и цветок эволюционируют с разной скоростью. 4. Для растения характерна широкая норма реакции, что затрудняет отделение наследственной изменчивости от ненаследственной. На протяжении XIX века в эволюционной ботанике преобладало филогенетическое направление. Была разработана система низших растений Де-Бари, система Покрытосеменных растений Адольфа Энглера (признавалась первичность безлепестных), система высших растений Евгения Варминга (Покрытосеменные не выводятся от Голосеменных). В XIX веке сложилось три основных направления в теории эволюции: 1. Классический дарвинизм (Томас Гексли, К.А. Тимирязев, А.О. и В.О. Ковалевские, И.И. Мечников, Фриц Мюллер): ведущую роль в эволюции играет естественный отбор на основе неопределенной изменчивости и борьбы за существование; при этом допускается наследование благоприобретенных признаков. 2. Филогенетическое направление (Э. Геккель): ведущую роль в эволюции играет естественный отбор и прямое приспособление организмов. 3. Неодарвинизм (Альфред Уоллес, Август Вейсман, Фрэнсис Гальтон): ведущую роль в эволюции играет естественный отбор (Вайссман верил во «всемогущество естественного отбора»), полностью отрицается наследование благоприобретенных признаков, признается мозаичность эволюции (отбору подвергаются не организмы, а признаки). Таким образом, в любом случае подчеркивалась ведущая роль естественного отбора. Однако доказательства эффективности естественного отбора были немногочисленны: 1. Роль покровительственной окраски куколок бабочек–крапивниц (Паультон, Сандерс, 1898). 2. Уменьшение ширины головогруди у крабов при загрязнении воды (Уэлдон, 1898). 3. Избирательная выживаемость воробьев после бури. В первую очередь погибли особи со слишком длинными или слишком короткими крыльями, а выжили особи с наиболее развитой грудиной (Бэмпес, 1898). К сожалению, эти эксперименты ничего не доказывали. Известно, что окраска насекомых в значительной мере зависит от условий развития (температура, цвет фона). Крабы с узкой и широкой головогрудью существовали и до загрязнения воды. Наследуемость длины крыльев и длины грудины у воробьев не была доказана. Поэтому дальнейшее развитие теории естественного отбора было невозможным без знания механизмов изменчивости и наследственности признаков в популяциях. Рождение генетики привело к открытию дискретного характера наследования признаков (был преодолен «кошмар Дженкинса»). Но одновременно создаются разнообразные генетические теории эволюции, отводящие естественному отбору роль «механического сита» – браковщика неудачных мутаций (С.И. Коржинский, «Гетерогенезис и эволюция», 1899; учение Г. де Фриза, 1901; учение о невозможности отбора в чистых линиях В.Л. Иоганссена, 1908). Глубокий кризис дарвинизма был преодолен только в ходе создания синтетической теории эволюции. |