Доказательства эволюции органического мира

Научные доказательства эволюции органического мира построены на достижениях таких биологических наук, как палеонтология, биогеография, морфология, сравнительная эмбриология, систематика, генетика.

Палеонтология изучает остатки вымерших растений и животных и устанавливает их сходство и различие с современными организмами. На основе палеонтологических данных определены переходные формы, имеющие пpизнаки пpедковых и последующих гpупп. Например, у растений – псилофиты, семенные папоротники; у животных – стегоцефалы, археоптерикс, ланцетник, ехидна, утконос. Животные формы, последовательно связанные друг с другом в процессе эволюции, образуют филогенетический ряд (на основе ископаемых остатков составлен, например, ряд семейства лошадиных). Сопоставление ископаемых остатков из земных пластов разного возраста свидетельствует, что органический мир изменяется в направлении повышения организации живых существ.

Биогеография изучает географическое распределение растений и животных на Земле. Ее данные позволяют понять распространение флоры и фауны на Земле в прошлые геологические эпохи и объяснить сохранение в настоящее время реликтовых форм (с признаками давно вымерших организмов) – рыбы латимерии, голосеменное растение гинкго, секвойя, карликовая береза.

Морфология предоставляет данные, свидетельствующие о степени близости и различий в строении организмов. Так, важным доказательством единства происхождения всех позвоночных служит наличие у них двухсторонней симметрии тела; общего плана строения позвоночника, черепа и других систем. Другим доказательством общности происхождения из области морфологии является наличие гомологичных и аналогичных органов, рудиментов и атавизмов. Гомологичные органы – сходные по строению и происхождению органы, но выполняющие разные функции. Например, передняя конечность лягушки, крыло птицы, передняя нога млекопитающего и рука человека – гомологи.

Аналогичные органы имеют разное происхождение, но выполняют сходные функции (крыло бабочки и крыло птицы). Для выяснения родства и путей эволюции эти органы значения не имеют. Рудименты – недоразвитые органы, утратившие свое значение в процессе эволюции. Например, у человека – мышцы, двигающие ушную раковину, остаток третьего века. Атавизмы – появление признаков, которые были у далеких предков (у человека – хвостовой придаток, многососковость, волосяной покров по всему телу).

Сравнительная эмбриология указывает на сходство зародышевого развития позвоночных. На основании этого сходства Ф. Мюллер, а затем Э. Геккель сформулировали биогенетический закон: «индивидуальное развитие особи (онтогенез) кратко повторяет историческое развитие вида (филогенез)». Позже А.О. Ковалевский, А.Н. Северцов, И.И. Шмальгаузен установили, что этот закон справедлив в общих чертах, ибо ни на одной стадии развития зародыш полностью не похож на какого-либо своего предка. Но на ранних стадиях развития этих сходств больше, чем на поздних.

Систематика – на основе ее данных строятся филогенетические системы прокариот и эукариот. Они позволяют определить происхождение и эволюционное положение различных групп организмов. Систематика отражает естественную, историческую систему родственных связей организмов в природе.

Генетика помогает вскрыть материальные основы преемственности поколений и их изменчивости в процессе эволюции. Половой процесс, митоз, самовоспроизведение ДНК свидетельствуют о единстве происхождения царств живого. Изучение хромосом позволяет классифицировать организмы по особенностям их кариотипов (кариосистематика). Выяснение последовательности аминокислот у разных организмов и нуклеотидного состава их ДНК и РНК (геносистематика) дает представление о процессах эволюции на молекулярном уровне.

Таким образом, современная биология располагает огромным фактическим материалом из различных биологических дисциплин, подтверждающим естественную эволюцию растительного и животного мира на Земле.

Главные направления эволюции. Историческое развитие органического мира на Земле осуществляется по трем направлениям: 1) биологическому прогрессу; 2) биологической стабилизации; З) биологическому регрессу. Биологический прогресс характеризуется возрастанием приспособленности организмов к условиям среды, что способствует увеличению численности вида, расширению его ареала, образованию новых разновидностей и видов. Вид при этом процветает. Биологическая стабилизация – поддержание приспособленности организмов к условиям среды на определенном уровне, что способствует сохранению численности вида, его ареала. Вид существует. Биологический регресс характеризуется снижением приспособленности организмов к условиям среды обитания и как результат этого –уменьшение численности, сокращение ареала и вымирание вида. Мощным фактором биологического регресса является человек. Регресс может быть вызван: 1) истреблением отдельных видов, 2) сокращением ареалов и численности при освоении новых территорий.

Из всех направлений эволюции более значим биологический прогресс, который достигается тремя путями: ароморфозами, идиоадаптациями и дегенерацией. Ароморфоз – усложнение строения и функций организма, обуславливающее повышение общего уровня его организации и жизнеспособности. Например, четырехкамерное сердце птиц и млекопитающих обеспечило им теплокровность, а как следствие – процветание. Ароморфоз не является прямым приспособлением, а повышает интенсивность жизнедеятельности организма, обуславливая этим их относительную независимость от условий среды. Идиоадаптация – частное приспособление к условиям среды, полезное в борьбе за существование, но не изменяющее уровня организации живого существа. Идиоадаптации возникают на базе ароморфозов при выходе в новую среду обитания. Например, многочисленные преобразования клювов и крыльев дали громадное разнообразие видов птиц. Дегенерация – упрощение организации, связанное с узкой специализацией. Она также может вести к прогрессу. Так, у ленточных червей исчезли органы чувств, пищеварительная система, но зато увеличение численности они достигают мощной половой системой и огромным количеством половых клеток.

Особым фактором биологического прогресса является деятельность человека. Она, с одной стороны, способствует расцвету культурных растений и домашних животных, а с другой – появлению сорняков, вредителей и паразитов растений и животных.

Соотношение различных путей эволюции. Пути эволюции крупных систематических групп (классов, типов) очень сложны, и в процессе их филогенеза происходила смена одного пути эволюции другим.

Ароморфозы происходят в эволюции различных групп растений и животных реже, чем идиоадаптации, но они знаменуют новые этапы в развитии органического мира. Предпосылкой возникновения ароморфозов служит большей частью примитивная организация, связанная со способностью органов к выполнению нескольких функций. Например, конечности кистеперой рыбы используются и для плавания, и для ползания по субстрату.

Новые высшие по своей организации группы возникают путем ароморфозов и переходят в новую среду обитания. Так, земноводные вышли на сушу, птицы освоили воздушную среду обитания. Далее эволюция продолжается уже путем идиоадаптаций, а иногда и дегенеpаций. Пути биологического прогресса сменяют друг друга или сочетаются друг с другом.

Каждый ароморфоз открывает новые возможности для идиоадаптаций, которые обеспечивают более полное заселение среды путем захвата в ней различных местообитаний без повышения уровня организации.

История развития органического мира тесно связана с эволюцией планеты Земля, которая, согласно современным данным, образовалась около 5 млрд лет назад, а жизнь на ней возникла около 3,8 млрд лет назад. В геологической истории Земли различают промежутки времени различной длительности, получившие название «геологические эры». Их принято делить на периоды. Геологический возраст эр и периодов рассчитывают по содержанию в пробе породы гелия и свинца. Каждая эра и период характеризуются определенным уровнем развития живых организмов.

На сегодняшний день описано далеко не все разнообразие жизненных форм, хотя основные этапы их эволюции установлены достаточно полно. Подробное изложение развития растительного и животного мира на Земле по эрам и периодам дано в табл. 2.

Ароморфозы в эволюции органического мира

На ранних этапах эволюции органического мира выделяют три крупных ароморфоза: половой процесс, повысивший наследственную изменчивость; фотосинтез, позволивший использовать солнечную энергию, и многоклеточность, усложнившая морфологию и функции живых существ.

Эволюция растительного мира сопровождалась ароморфозами, позволившими им выйти на сушу (более сложную среду обитания); сформировать ткани, цветок, семя, плод, пpиобpести механизм двойного оплодотвоpения.

В животном мире появились такие ароморфозы, как развитие билатеральной симметрии тела, трехслойность, а в дальнейшем развитие из третьего зародышевого листка таких систем органов, как опорно-двигательной, кровеносной, мочеполовой. У позвоночных можно отметить такие ароморфозы: возникновение челюстей у панцирных рыб; легочный способ дыхания и строение плавников у кистеперых рыб; выход на сушу; легочное и трахейное дыхание; пятипалая конечность; внутреннее оплодотворение и ряд приспособлений к развитию зародыша в яйце на суше; эволюция сердца от трубки до четырехкамерного; разделение венозного и артериального токов крови; волосяной покров; теплокровность; диафрагма, зубы дифференцированные; молочные железы; внутриутробное развитие; 2-я сигнальная система.

Морфологические закономерности эволюции

На основе полученных наукой фактов можно сделать некоторые обобщения о морфологических закономерностях эволюционного процесса. К числу основных таких закономерностей относятся дивергенция и конвергенция.

Дивергенция. Появление новых форм всегда связано с приспособлением к местным географическим и экологическим условиям. Так, класс млекопитающих распался на многочисленные отряды, для которых характерны определенная пища, местообитание и т. д. (насекомоядные, хищники, копытные, грызуны и др.). Каждый отряд, в свою очередь, разделился на подотряды и семейства, которым свойственны специфические морфологические признаки и экологические особенности (формы скачущие, прыгающие, лазающие, роющие и др.). Внутри семейства роды и виды отличаются по образу жизни, объекту питания и т. п.

Как указывал Ч. Дарвин, в основе всего эволюционного процесса лежит явление расхождения признаков – дивергенция. Дивергенция любого масштаба – есть результат естественного отбора в форме группового отбора (сохраняются или устраняются виды, роды, семейства). Групповой отбор основан на индивидуальном отборе внутри популяции. При этом приобретаемые морфологические особенности организмов имеют единую основу. Так, конечности прыгающих, роющих, лазающих, плавающих млекопитающих отличаются друг от друга, но все они имеют единый план строения и представляют собой пятипалую конечность, характерную для класса млекопитающих в целом. Поэтому органы, соответствующие друг другу по строению и имеющие одинаковое происхождение, независимо от выполняемых функций, называются гомологичными. Примеры их у растений – усики гороха, иглы барбариса, колючки кактуса. Все они являются видоизмененными листьями.

Конвергенция. Животные, относящиеся к разным систематическим группам, в одинаковых условиях могут приобретать сходные морфологические признаки. Например, у позвоночных животных подобное сходство обнаруживают ласты морских рептилий и млекопитающих (ихтиозавры и ластоногие). Органы, выполняющие сходные функции, но имеющие принципиально различное строение и происхождение, называются аналогичными. Аналогичны жабры рака и рыбы, крылья бабочки и птицы.

Одно из общих правил эволюции – правило ее необратимости. Так, если на каком-то этапе эволюции от примитивных амфибий возникли рептилии, то рептилии не могут вновь дать начало амфибиям. Вернувшиеся в воду наземные позвоночные (ихтиозавры, киты) не стали рыбами. Для любой группы организмов приспособления к среде, в которой жили когда-то их пpедки, осуществляется уже на иной генетической основе.

Таблица 2. Развитие растительного и животного мира