Начальные этапы биологической эволюции

Теории эволюции органического мира

ЛЕКЦИЯ 8 СОВРЕМЕННАЯ БИОЛОГИЧЕСКАЯ КАРТИНА МИРА

План лекции:

1. Теории эволюции органического мира

2. Основы генетики

Появление примитивной клетки означало окончание предбиологической эволюции живого и начало биологической эволюции жизни.

Первыми возникшими на нашей планете одноклеточными орга­низмами были примитивные бактерии, не обладавшие ядром, то есть прокариоты. Как уже указывалось, это были одноклеточные безъядер­ные организмы. Они были анаэробами, поскольку жили в бескислородной среде, и гетеротрофами, поскольку питались готовыми органи­ческими соединениями «органического бульона», то есть веществами, синтезированными в ходе химической эволюции. Энергетический об­мен у большинства прокариот происходил по типу брожения. Но по­степенно «органический бульон» в результате активного потребления убывал. По мере его исчерпания некоторые организмы стали выраба­тывать способы формирования макромолекул биохимическим путем, внутри самих клеток при помощи ферментов. В таких условиях кон­курентоспособными оказались клетки, которые смогли получать боль­шую часть необходимой энергии непосредственно от излучения Солн­ца. По этому пути и шел процесс формирования хлорофилла и фото­синтеза.

Переход живого к фотосинтезу и автотрофному типу питания явил­ся поворотом в эволюции живого. Атмосфера Земли стала «напол­няться» кислородом, который для анаэробов явился ядом. Поэтому многие одноклеточные анаэробы погибли, другие укрылись в бески­слородных средах — болотах и, питаясь, выделяли не кислород, а ме­тай. Третьи приспособились к кислороду. У них центральным меха­низмом обмена стало кислородное дыхание, которое позволило увели­чить выход полезной энергии в 10-15 раз но сравнению с анаэробным типом обмена — брожением. Переход к фотосинтезу был длительным процессом и завершился около 1,8 млрд лет назад. С возникновением фотосинтеза в органическом веществе Земли накапливалось все боль­ше энергии солнечного света, что ускоряло биологический круговорот веществ и эволюцию живого в целом.

В кислородной среде сформировались эукариоты, то есть однокле­точные, имеющие ядро организмы. Это были уже более совершенные организмы с фотосинтетической способностью. Их ДНК уже были сконцентрированы в хромосомы, тогда как у прокариотных клеток на­следственное вещество было распределено по всей клетке. Хромосомы эукариотов были сконцентрированы в ядре клетки, а сама клетка уже воспроизводилась без существенных изменений. Таким образом, до­черняя клетка эукариот была почти точной копией материнской и име­ла столько же шансов на выживание, сколько и материнская.

Образование растений и животных

Последующая эволюция эукариотов была связана с разделением на растительные и животные клетки. Такое разделение произошло в про­терозое, когда Земля была заселена одноклеточными организмами (табл. 8.2).

Таблица 8.2

Возникновение и распространение организмов в истории Земли (по 3. Брему и И. Мейнке, 1999 г.)

С начала эволюции эукариоты развивались двойственно, то есть в них параллельно были группы с автотрофным и гетеротрофным пи­танием, что обеспечивало целостность и значительную автономность живого мира.

Растительные клетки эволюционировали в сторону уменьшения способности передвижения из-за развития жесткой целлюлозной обо­лочки, но в направлении использования фотосинтеза.

Животные клетки эволюционировали в сторону увеличения спо­собности к передвижению, а также совершенствования способов по­глощать и выделять продукты переработки пищи.

Следующим этапом развития живого стало половое размножение. Оно возникло примерно 900 млн лет назад.

Дальнейший шаг в эволюции живого произошел около 700-800 млн лет назад, когда появились многоклеточные организмы с дифферен­цированными телом, тканями и органами, выполняющими определен­ные функции. Это были губки, кишечнополостные, членистоногие и т. д., относящиеся к многоклеточным животным.

На протяжении всего протерозоя и в начале палеозоя растения на­селяют в основном моря и океаны. Это зеленые и бурые, золотистые и красные водоросли.

Впоследствии в морях кембрия уже существовали многие тины животных. В дальнейшем они специализировались и совершенствова­лись. Среди морских животных той поры ракообразные, губки, корал­лы, моллюски, трилобиты и т. д.

В конце ордовикского периода стали появляться крупные плотояд­ные, а также позвоночные животные.

Дальнейшая эволюция позвоночных шла в направлении челюст­ных рыбообразных. В девоне стали появляться уже двоякодышащие рыбы — амфибии, а затем насекомые. Постепенно развивалась нерв­ная система как следствие совершенствования форм отражения.

Особо важным этапом в эволюции форм живого являлись выход растительных и животных организмов из воды на сушу и дальнейшее увеличение количества видов наземных растений и животных. В даль­нейшем именно из них и происходят высокоорганизованные формы жизни. Выход растений на сушу начался в конце силура, а активное завоевание суши позвоночными началось в карбоне.

Переход к жизни в воздушной среде требовал от живых организ­мов очень многих изменений и предполагал выработку соответствую­щих приспособлений. Он резко увеличил темпы эволюции живого на Земле. Вершиной эволюции живого стал человек.

Жизнь в воздушной среде «увеличила» массу тела организмов, в воздухе не содержатся питательные вещества, воздух иначе, чем во­да, пропускает свет, звук, тепло, количество кислорода в нем выше. Ко всему этому необходимо было приспособиться. Первыми приспосо­бившимися к условиям жизни па суше позвоночными были рептилии. Их яйца были снабжены пищей и кислородом для эмбриона, покрыты твердой скорлупой, не боялись высыхания.

Примерно 67 млн лет назад преимущество в естественном отборе получили птицы и млекопитающие. Благодаря теплокровности мле­копитающих они быстро завоевали господствующее положение на Земле, что связано с условиями похолодания на нашей планете. В это время именно теплокровность стала решающим фактором выжива­ния. Она обеспечивала постоянную высокую температуру тела и ста­бильность функционирования внутренних органов млекопитающих. Живорождение млекопитающих и вскармливание детенышей моло­ком явилось мощным фактором их эволюции, позволяющим размно­жаться в разнообразных условиях среды. Развитая нервная система способствовала разнообразию форм приспособления и защиты орга­низмов.

Произошло разделение хищнокопытных животных на копытных и хищников, а первые насекомоядные млекопитающие положили на­чало эволюции плацентарных и сумчатых организмов.

Решающим этапом эволюции жизни нанашей планете явилось по­явление отряда приматов. В кайнозое примерно 67-27 млн лет назад приматы разделились на низших и человекообразных обезьян, являю­щихся древнейшими предками современного человека. Предпосылки появления современного человека в процессе эволюции формирова­лись постепенно. Сначала был стадный образ жизни. Он позволил сформировать фундамент будущего социального общения. Причем ес­ли у насекомых (пчелы, муравьи, термиты) биосоциалыюсть вела к потере индивидуальности, то у древних предков человека, напротив, она развивала индивидуальные черты особи. Это явилось мощной дви­жущей силой развития коллектива.

Свой следующий шаг эволюция жизни сделала в образе появления человека разумного (Homo sapiens). Именно человек разумный обла­дает способностью целенаправленно изменять окружающий его мир, создавать искусственные условия своего обитания и преобразовывать облик нашей планеты.

Эволюционная теория Ч. Дарвина

Под эволюцией (от лат. evolutio — развитие, развертывание) следует понимать процесс длительных, постепенных, медленных изменений, приводящих к коренным качественно новым изменениям (образова­нию других структур, форм, организмов и их видов).

Идея длительного и постепенного изменения всех видов животных и растений высказывалась учеными задолго до Ч. Дарвина. В таком духе высказывались в разное время Аристотель, шведский натуралист К. Линией, французский биолог Ж. Ламарк, современник Ч. Дарвина английский натуралист А. Уоллес и другие ученые.

Несомненной заслугой Ч. Дарвина является не сама идея эволю­ции, а то, что именно он впервые обнаружил в природе принцип есте­ственного отбора и обобщил отдельные эволюционные идеи в одну стройную теорию эволюции. В становлении своей теории Ч. Дарвин опирался па большой фактический материал, на эксперименты и прак­тику селекционной работы по выведению новых сортов растений и раз­личных пород животных.

При этом Ч. Дарвин пришел к выводу, что из множества разнооб­разных явлений живой природы явно выделяются три принципиальных фактора в эволюции живого, объединяемых краткой формулой: изменчивость, наследственность, естественный отбор.

Эти фундаментальные принципы основываются на следующих вы­водах и наблюдениях над миром живого — это:

1. Изменчивость.Она свойственна любой группе животных и растений, организмы отличаются друг от друга во многих различных отношениях. В природе невозможно обнаружить два тождественных организма. Изменчивость является неотъемлемым свойством живых организмов, она проявляется постоянно и повсеместно.

По Ч. Дарвину, в природе имеется два вида изменчивости — опре­деленная и неопределенная.

1) Определенная изменчивость (адаптивная модификация) — это способность всех особей одного и того же вида в каких-то определенных условиях внешней среды одинаковым образом реагировать на эти условия (пищу, климат и т. д.). По современным представлениям, адаптивные модификации не передаются по наследству, а поэтому в своем большинстве не могут поставлять материал для органической эволюции.

2) Неопределенная изменчивость (мутации) вызывает существенные изменения в организме в самых различных направлениях. Эта изменчивость, в отличие от определенной, носит наследственный характер, при этом незначительные отклонения в нервом поколении усиливаются в последующих. Неопределенная изменчивость тоже связана с изменениями окружающей среды, но не непосредственно, как в адаптивных модификациях, а опосредованно. Поэтому, по Ч. Дарвину, решающую роль в эволюции играют именно неопределенные изменения.

2. Постоянная численность вида.Число организмов каждого вида, появляющихся па свет, больше того числа, которое может найти пропитание и выжить; тем не менее численность каждого вида в естественных условиях остается относительно постоянной.

3. Конкурентные отношения особей.Поскольку рождается больше особей, чем может выжить, в природе постоянно происходит борьба за существование, конкуренция за пищу и места обитания.

4. Адаптивность, приспособляемость организмов.Изменения, облегчающие организму выживание в какой-либо определенной среде, дают своим обладателям преимущества перед другими организмами, которые менее приспособились к внешним условиям и в результате погибли. Идея «выживаемости наиболее приспособлен­ных» является главной в теории естественного отбора.

5. Воспроизведение «удачных» благоприобретенных характеристик в потомстве.Выживающие особи дают потомство, и таким обра­зом «удачные», позволившие выжить положительные изменения передаются последующим поколениям.

Сущность эволюционного процесса состоит в непрерывном при­способлении живых организмов к разнообразным условиям окружаю­щей природной среды и в появлении все более сложно устроенных ор­ганизмов. Поэтому биологическая эволюция направлена от простых биологических форм к более сложным формам.

Таким образом, естественный отбор, являющийся результатом борь­бы за существование, есть основной фактор эволюции, направляющий и определяющий эволюционные изменения. Эти изменения становят­ся заметными, проходя через смену многих поколений. Именно в есте­ственном отборе отражается одна из фундаментальных черт живого — диалектика взаимодействия органической системы и среды.

Несомненные достоинства эволюционной теории Ч. Дарвина име­ли и некоторые недостатки. Так, она не могла объяснить причин появ­ления у некоторых организмов определенных структур, кажущихся бесполезными; у многих видов отсутствовали переходные формы ме­жду современными животными и ископаемыми; слабым местом были также представления о наследственности. В дальнейшем обнаружи­лись недостатки, касающиеся основных причин и факторов органиче­ской эволюции. Уже в XX в. стало ясно, что теория Ч. Дарвина нужда­ется в дальнейшей доработке и совершенствовании с учетом послед­них достижений биологической науки. Это стало предпосылкой для создания синтетической теории эволюции (СТЭ).