РОЗДІЛ ІІІ ІСТОРИЧНИЙ РОЗВИТОК ОРГАНІЧНОГО СВІТУ
ТЕМА 1. ОСНОВИ ЕВОЛЮЦІЙНОГО ВЧЕННЯ
§ 39. ДОКАЗИ ЕВОЛЮЦІЇ ТА МЕТОДИ її ВИВЧЕННЯ.
Терміни і поняття: палеонтологія; послідовність викопних форм; біостратиграфія; релікти; рудименти; атавізми; закон зародкової подібності; біогенетичний закон; молекулярна філогенія.
Чи потрібно доводити реальність біологічної еволюції. Численні дослідження вчених різних царин біології та суміжних наук неминуче приводять до думки про реальність еволюції й визнання її таким самим науковим фактом,
Історичні зміни організмів, екосистем і біосфери у цілому є предметом досліджень учених усіх економічно розвинутих країн світу незалежно від державного устрою і релігії. Щороку у світовій періодиці з’являються тисячі статей, у яких проясняються деталі історичного розвитку живої природи.
Якщо
Докази еволюції. Дані палеонтології – науки про вимерлу фауну (від лат. Фауна – богиня лісів, полів, покровителька стад тварин) і флору (від лат. Флора – богиня квітів і весни) та про викопні рештки тварин і рослин слід розглядати як
Мал. 164. Послідовність викопних форм, що відповідає процесу послідовних еволюційних перетворень викопного роду черевоногих молюсків.
Найвагоміші аргументи на користь існування еволюційного процесу. Факти цієї науки вагомі ще й тому, що зміни прадавніх флор і фаун відбувалися відповідно до зміни геологічних епох (від грец. епохе – зупинка), кожна з яких відбиває певний період історії Землі (як відомо, проблемою визначення віку Землі займається не біологія, а геологія). Тому докази історичного розвитку життя на нашій планеті, здобуті фахівцями зовсім іншої галузі природознавства, особливо переконливі.
Головним палеонтологічним доказом реальності еволюції є не просто знахідки прадавніх вимерлих тварин або рослин, а те, що ці викопні рештки утворюють послідовність викопних форм, яка відповідає процесу еволюційних перетворень певної групи організмів (мал. 164).
Приміром, якщо п’ятипалу кінцівку прадавнього предка коней, вік якого оцінюється в 100 млн років, порівняти зі ступнею сучасного коня, важко знайти в них щось спільне. У першому випадку – це типова кінцівка п’ятипалого типу, властива більшості сучасних ссавців, у другому – ступня з одним третім пальцем (мал. 165). Однак знахідки у Північній Євразії безлічі проміжних за своєю будовою викопних форм показують, що насправді вони – два крайніх варіанти одного еволюційного ряду.
Причому, чим давніші викопні рештки, тим глибше вони залягають у шарах Землі. Саме ця послідовність залягання дає змогу відстежити, як одні види змінювали інші. Тому в процесі палеонтологічних розкопок землю знімають шар за шаром, чітко фіксуючи, в якому шарі й у якій послідовності знайдені ті або інші рештки. Найбільш придатними об’єктами для вивчення еволюційного ряду вимерлих форм є рештки тварин з твердим скелетом, на яких добре видно ознаки виду. Найчастіше це рештки молюсків чи”ссавців. Знаючи геологічний вік шарів землі, можна в мільйонах років визначити часовий діапазон, у якому жив вид. У міру нагромадження даних і відновлення послідовності викопних форм з’являється можливість вирішення зворотного завдання – визначення віку шарів землі за фрагментами кісток викопних форм. Цей напрям дослідження історії Землі виявився настільки плідним, що на стику геології та біології виникла окрема наука – біостратиграфія (від грец. біос, лат. стратум – настил, шар та грец. графо – пишу, малюю).
Сучасна палеонтологія має арсенал й інших методів, за допомогою яких можна переконливо довести наявність послідовних рядів викопних форм. Одним з найточніших є метод радіоавтографії, заснований на періодах напіврозпаду радіоактивного ізотопу С14.
Мал. 165. Історична послідовність розвитку однопалої кінцівки сучасного коня від п’ятипалої кінцівки стародавнього коня.
“Живі викопні”. За мільйони років від колись живих істот залишаються тільки скам’янілі фрагменти тіла, тому перед палеонтологами постає досить складне завдання відтворити вигляд цілого організму найчастіше навіть за єдиною деталлю. Такі реконструкції багато в чому залежать від підготовки, знань і уяви дослідника, тому почасти суб’єктивні й у скептиків викликають сумніви. Особливу цінність як докази правильності палеонтологічних реконструкцій являють “живі викопні”, або релікти (від лат. реліктум – залишок) – види або групи близьких видів прадавнього походження, які змогли дожити до наших днів, маючи низку ознак вимерлих тварин або рослин минулих геологічних епох.
Реліктами у царстві тварин (мал. 166) є мечохвости – гігантські морські членистоногі, що сягають 60 см завдовжки; кистепера риба латимерія (пригадайте: кистеперих риб вважають предками земноводних); рептилія гатерія, яка зовні нагадує ящірку (вона збереглася на кількох дрібних островах поблизу Нової Зеландії). .Релікти серед ссавців – яйцекладні (качконіс і єхидна), які поєднують ознаки рептилій і ссавців (пригадайте, що це за ознаки).
У царстві рослин реліктом вважають гінкго дволопатевий (мал. 167), котрий ще називають священним деревом. Цьому представнику реліктової флори голонасінних близько 300 млн років.
Дані про будову організмів. Одним із ключових положень порівняльної анатомії – науки, що вивчає закономірності будови і розвитку органів шляхом порівняння різних видів живих істот, є принцип: чим ближча спорідненість організмів, тим вища їх подібність за гомологічними (від грец. гомологія – відповідність) ознаками. Які ж органи або структури тіла називають гомологічними? Насамперед ті, що мають не тільки спільний план будови, а й розвиваються в ембріогенезі з одних зачатків і зазвичай виконують однакові функції.
Гомологічними, наприклад, є парні кінцівки всіх хребетних (мал. 168). Вони не тільки з’являються з одних зачатків, а й у наземних хребетних (амфібій, рептилій, птахів і ссавців) складаються з однакових кісток, що кріпляться до осьового скелета за допомогою поясів кінцівок. Тоді як кінцівки членистоногих (ракоподібних, павуків, комах) тільки аналогічні (від грец. аналогос – схожість) лапам наземних хребетних. Вони виконують ту саму функцію, будучи органами локомоції, але є похідними зовнішнього скелета – кутикули. Аналогічними органами також є крила птахів і метеликів, очі головоногих молюсків і ссавців (мал. 169).
Мал. 166. “Живі викопні” – релікти серед тварин: а – мечохвіст; б – латимерія; в – гаттерія; г – качконіс.
Мал. 167. Реліктовий вид гінкго дволопатевий відносять до голонасінних рослин.
Мал. 168. Кінцівки хребетних тварин – типовий приклад гомологічної ознаки. Передні кінцівки: а – амфібії; б – черепахи; в – фазана; г – морського лева.
Прикладом гомологічних органів рослин, які виконують різні функції й зовні зовсім не схожі, є численні випадки видозмін листкових пластинок: вусики гороху, стеблові лусочки хвоща, колючки барбарису, лусочки на кореневищі й брунькові луски, характерні для більшості квіткових рослин. Дивний перехідний ряд від пелюсток до тичинок латаття унаочнює, яким чином у процесі еволюції виникли тичинки. У рослин також можна знайти безліч аналогічних органів. Наприклад,
Мал. 169. Аналогічні органи: а – око кальмара; б – око корови.
Колючки барбарису виникають із листків, білої акації – з прилистків, глоду – з пагонів, а колючки ожини є похідними кори.
Принцип “чим більша подібність гомологічних органів, тим сильніше споріднення” легко продемонструвати на прикладі метелика білана капустяного. Особини цього представника типу членистоногих мають дві пари крил. Це означає: вид споріднений з усіма крилатими членистоногими – комахами. Вкриті лусочками крила доводять, що цей метелик ближчий до лускокрилих побратимів. Білан капустяний складає крила разом, отже, незаперечне його споріднення з денними метеликами. Жилки крил роздуті, лусочки білі. Таким чином, зрозуміло, що білан капустяний – член родини білянок. А його близька спорідненість з іншими видами роду біланів випливає з того, що представники цих видів відрізняються лише деталями забарвлення – кількістю і розміщенням плям на крилах.
Переконливими доказами процесу еволюції є рудименти (від лат. рудіментум – зачаток) і атавізми (від лат. атавус – предок) – недорозвинені органи або структури тіла, які втратили своє функціональне значення. Відмінність рудиментів від атавізмів полягає в тому, що перші трапляються у всіх без винятку особин даного виду, тоді як другі – лише в окремих із них. Типовими прикладами рудиментарних органів тварин є редукція таза в китоподібних або крил у нелітаючого птаха ківі, що живе у Новій Зеландії (мал. 170).
Рудиментарні органи й атавізми є і в людини. їх наявність доводить змінюваність людини як біологічного виду й вказує на її генетичні зв’язки з іншими ссавцями. Рудиментами людини є вушні м’язи та підшкірна мускулатура (пригадайте: за допомогою підшкірної мускулатури їжак згортається у клубок, а в кішок і собак шерсть стає “сторчма”, тоді як у людини збереглася лише здатність утворювати “гусячу шкіру”). Прикладами атавізму можна назвати випадки появи в людей рудиментарного хвоста, надзвичайно сильного волосяного покриву на тілі й наявність не двох, а кількох пар сосків.
На перший погляд, наявність рудиментарних органів – це ніщо інше як підтвердження теорії Ламарка про тренування органів і спадкування набутих за життя властивостей. Справді, якщо організм перестає використовувати якусь частину свого тіла, то в ряді поколінь вона поступово втрачається. Сучасна генетика дає таке пояснення цьому цікавому еволюційному феномену. Виявляється, в генах, відповідальних за розвиток непрацюючого органа, спонтанно накопичуються рецесивні мутації, які
Мал. 170. Новозеландський птах ківі, в якого крила є рудиментами.
Мал. 171. Зародки різних видів хребетних на різних (I-III) стадіях розвитку: 1 – риба; 2 – саламандра; 3 – черепаха; 4 – курка; 5 – свиня; 6 – корова; 7 – кріль; 8 – людина.
Можуть спричинити його недорозвинення.
Якщо це орган, без активної роботи якого життєдіяльність неможлива, то особини з будь-якими мутаціями в цих генах матимуть низьку пристосованість і відповідно відмітатимуться природним добором. У результаті цього мутації генів, відповідальних за розвиток життєво важливих органів, у популяціях не накопичуються.
Дані ембріології також є прямими доказами реальності еволюційного процесу. Насамперед його доводить закон зародкової подібності, сформульований видатним натуралістом Карло Максимовичем (Ернестом) Бером (1792-1876) у першій половині XIX ст. таким чином: ” Чим більш ранні стадії індивідуального розвитку досліджуються, тим більше подібності виявляється між різними організмами”. Підставами для нього виявилися такі факти. Стало відомо, що на ранніх стадіях розвитку ембріони хреоетних не відрізняються один від одного. Тільки на середині ембріогенезу в зародків з’являються ознаки, характерні для риб і амфібій, а ще пізніше – ознаки, властиві рептиліям, птахам і ссавцям. Очевидно, що в цьому випадку зародкова подібність свідчить про спільність походження та єдність початкових етапів еволюції хребетних, у тому числі й людини.
Грунтуючись на наведених фактах, у другій половині XIX ст. німецькі вчені Фріц Мюллер (1822-1897) і Ернст Геккель сформулювали біогенетичний закон, згідно з яким кожна особина у своєму індивідуальному розвитку повторює історію розвитку свого виду. Зазвичай цей закон формулюють дуже коротко: “онтогенез – це швидке повторення філогенезу”.
Приміром, усі багатоклітинні тварини проходять у своєму розвитку одноклітинну стадію, що може розглядатися як свідчення походження багатоклітинних від одноклітинних, потім стадію одношарової кулі – бластули. Так побудовані найпримітивніші багатоклітинні – колоніальні організми (пригадайте вольвокс). Наступний етап розвитку – двошаровий мішок (гаструла). Цій стадії відповідає організація двошарових тварин – кишковопорожнинних. Повторення рис будови предкових форм можна відзначити й в інших випадках (мал. 171).
Наочною ілюстрацією правильності біогенетичного закону є життєвий цикл безхвостих амфібій. Виявляється, зовсім не обов’язково вивчати викопні рештки прадавніх риб, щоб зрозуміти – земноводні пішли від риб. Для цього досить вивчити будову личинок жаб – пуголовків. Вони, як і риби, мають хвіст, непарні плавці, зябра, двокамерне серце, одне коло кровообігу й навіть особливий орган чуття – бічну лінію.
Молекулярно-генетичні дані. Одним із головних правил біології є принцип єдності хімічного складу живих організмів. Причому в основу біохімічної універсальності живого покладено дві групи речовин: білки та нуклеїнові кислоти. Проведені в останні десятиліття дослідження показали, що спорідненість видів чітко відбивається в їх подібності на рівні первинної структури ДНК і білків. Виходить така закономірність: чим більша спорідненість видів і чим вища їх анатомічна подібність, тим більше подібні в них первинна структура білків і послідовність ДНК. Виявляється, ДНК людини однакова з ДНК шимпанзе на 98 %.
Відмінності між видами на рівні первинної структури ДНК і білків викликані точковими мутаціями й чітко відповідають спорідненості порівнюваних видів. Це дає змогу однозначно визначити генетичні (родинні) взаємини між порівнюваними видами й у такий спосіб відтворити еволюцію й реконструювати філогенію груп організмів, обходячись при цьому без палеонтологічного матеріалу. Цей напрямок досліджень названо молекулярною філогенією. Молекулярні дані, як відомо, дістають експериментальним шляхом. їх легко формалізувати, а результати виразити у вигляді чітких і зрозумілих цифр, що відбивають відсоток однакових послідовностей нуклеотидів або амінокислот у двох порівнюваних видів (чим більше однакових послідовностей, тим види генетично ближчі один до одного).
Важливим підсумком застосування молекулярних даних став збіг у більшості випадків родинних зв’язків, здобутих за допомогою молекулярної філогенії й методами порівняльної анатомії, ембріології та палеонтології. У кінцевому підсумку це підтверджує об’єктивність еволюційних подій.
Методи еволюційних досліджень. Сучасна біологічна наука володіє арсеналом методів вивчення еволюції.
Геологічні і палеонтологічні методи дослідження пов’язані з вивченням історії Землі, змін флор і фаун у різні геологічні епохи. Як ніякі інші, вони допомагають зробити реконструкцію історичного розвитку живого на Землі.
Анатомічні та ембріологічні методи донедавна залишалися головними засобами, завдяки яким вдавалося встановити механізми і фактори еволюції організмів, визначити еволюційні зв’язки між ними.
Молекулярно-генетичні методи є ключовими в сучасних еволюційних дослідженнях. Вважається, що розвиток еволюційної теорії визначається насиченням її генетичними ідеями і методами. Крім того, ці методи дають змогу чітко й однозначно визначити родинні зв’язки між організмами, вивчити еволюційні процеси на молекулярному рівні.
Біогеографічні методи засновані на вивченні закономірностей географічного розподілу тварин і рослин на Землі, які визначаються історичними факторами. Наприклад, зоологам давно відомо, що у Південній Австралії і Південній Америці живуть найдавніші і найпримітивніші види ссавців з нині живучих (подумайте, про які види звірів йде мова), еволюційно молоді живуть у Північній Євразії і Північній Америці, а екваторіальну зону Землі населяє середня за віком фауна ссавців.
Оскільки будь-які процеси протікають не тільки в часі, а й у просторі, то питання, якими цікавляться біогеографи (виникнення біогеографічних областей, розподіл видів поверхнею Землі, формування острівних фаун), дають дуже цінну інформацію і для еволюційних досліджень.
Важко переоцінити значення екологічних методів досліджень у розумінні еволюційних процесів. Адже, згідно з дарвінізмом, еволюція -процес виникнення різних пристосувань, які виробляються у ході взаємодії організмів з навколишнім середовищем і закріплюються генетично. Крім того, біологічна еволюція є не тільки історичним розвитком організмів (утворення нових видів, родів, родин і таксонів більш високого рівня), а й еволюцією екосистем і біосфери. Вивчити ці процеси можна тільки методами екології.
Еволюція – історичний розвиток живого на Землі є не гіпотезою, а незаперечним науковим фактом, який підтверджують безпосередні спостереження і методи різних наук.
(1 votes, average: 5,00 out of 5)