Задания 17-20, 26. Основы эволюции

***

Эволюция — наука о историческом развитии организмов. Люди с древности задумывались о происхождении живого мира. С развитием биологии развивались и эволюционные теории. О них и пойдёт речь в этой статье.

Приятного изучения статьи! Если хочешь подготовиться на 80+, то обязательно посмотри вот этот способ подготовки (жми, чтобы перейти на сайт и почитать подробнее) 💚

Теория Ламарка

Ламарк предложил первую эволюционную концепцию, не основанную на креационизме. Он утверждал, что все живые существа образовывались постепенно, в процессе эволюции, что никто их не создавал такими, какие они есть.

Теория Ламарка состояла в следующем:

Приобретённые признаки наследуются

Ламарк считал, что если особь приобретает в течение жизни какой-то полезный признак (например, силу), то этот признак обязательно наследуется потомством.

Естественно, это не так. К примеру: если мы отрубим мыши хвост, то у её потомства хвост будет. На сегодняшний день известно, что приобретенные признаки не наследуются, а наследуются лишь мутации в половых клетках.

У особей есть внутреннее стремление к совершенству

Ламарк считал, что движущая сила эволюции — какое-то особое внутреннее стремление стать лучше.

Это тоже неверное суждение. Вряд ли у бактерии есть мечта стать многоклеточной. Теперь мы знаем, что движущая сила эволюции — естественный отбор.

Изменения организма возникают из-за условий среды

Ламарк считал, что условия среды меняют организм в лучшую сторону. На этом основывался его «принцип упражнений». Чем большее влияние оказывают условия среды на орган, тем большее развитие он получает. Соответственно те органы, которые не упражняются, редуцируются. Таким образом, жираф якобы получил свою шею — тянулся за листвой и вытянул её.

Но нет, теперь мы знаем, что изменения организма возникают из-за мутаций, и это случайные изменения, а не идущие исключительно на пользу.

Видов не существует

Ламарк, имея большой опыт в систематике, отрицал существование видов, полагал, что имеются лишь отдельные особи. Что тоже неверно.

***

Теория Дарвина

Чарльз Дарвин первым создал почти правильную эволюционную теорию естественного отбора. Давайте разберём основные его утверждения:

Основа и материал эволюции — наследственная изменчивость

Дарвин утверждал, что единственный материал для эволюции, это не фенотипические изменения органов вследствие упражнений, а наследственные изменения и способность особей передавать их.

Мы называем эти наследственные изменения мутации, но Дарвин еще о них не знал. Но, видимо, догадывался.

Наследственная изменчивость — материал для эволюции. Что это значит? Когда возникает какая-то мутация, особь получает новый признак. Далее в процессе жизни особи в определенных условиях среды данная мутация может стать либо полезной, либо бесполезной или даже вредной.

Если мутация (новый признак) помогла в определенных условиях среды, то особь выживает и даёт потомство. Скорее всего мутация передалась детям (при условии, что мутантные гены содержались в гаметах), таким образом, дети тоже стали иметь новый признак, который поможет им выжить. Дети дали своё потомство с этим полезным признаком и так далее. Примерно так происходит эволюция и по сей день.

Важное уточнение, что мутации имеют ненаправленный характер и совершенно случайны. То, какие мутации закрепятся и будут передаваться детям — решает естественный отбор. Сейчас узнаем, как.

Движущая сила эволюции — естественный отбор

Дарвину совершенно не нравилась идея Ламарка о том, что движущая сила — стремление к совершенству. Поэтому Дарвин предложил гениальное решение

Естественный отбор — движущая сила и фактор, который способствует выживанию наиболее приспособленных особей.

Давайте проведём мысленный эксперимент: у нас есть, к примеру, 100 особей. У них у всех возникают определенные мутации, то есть появляются новые признаки.

Так как в условиях эксперимента могут выжить лишь 20 из них (постоянная борьба за существование в нашей тяжелой реальности) в процессе жизни между этими особями будет происходить естественный отбор. Из 5 особей будет выживать только 1 — носительница самой лучшей мутации, позволяющей ей приспособиться к данным условиям среды.

Естественный отбор будет как бы «решать», какие особи будут жить и давать потомство (следовательно распространять свою суперполезную мутацию и признак), а какие нет. Просто и гениально, а главное — без всяких внутренних стремлений. Разве что стремлений выжить и победить в борьбе за существование.

Помимо естественного отбора Дарвин выделил и искусственный отбор, в котором фактором отбора является не борьба за существование, а человек. Человек решает, кому давать потомство, а кому нет. В результате особи получают не те признаки, которые помогут им выжить, а те, которые нужны человеку.

Вид — единица эволюции

Виды реально существуют в природе и формируются длительное время. Внутри вида расхождение признаков приводит к видообразованию.

То есть когда внутри вида происходит раскол на несколько подвидов (Дарвин не знал слова популяция, поэтому не выделял подвиды в отдельную категорию), в конце концов по путям расхождения признаков (дивергенции) образуются новые виды.

Таким образом, Дарвин говорил следующее:

• Движущая сила эволюции — естественный отбор
• Факторы эволюции — естественный отбор, наследственная изменчивость, борьба за существование
• Вид — единица эволюции
• Искусственный отбор — это выживание особей с полезными человеку признаками
• В природе существуют различные виды борьбы за существование между организмами
• Естественный отбор — это выживание наиболее приспособленных особей и гибель наименее приспособленных

***

Синтетическая теория эволюции (СТЭ)

СТЭ — общепринятая эволюционная теория, построенная на Дарвиновской теории, но содержащая определённые поправки в соответствии с современными представлениями о живом мире:

Популяция — единица эволюции

Все виды состоят из популяций, занимающих различные территории. В популяциях происходит процесс микроэволюции. В результате микроэволюции происходит видообразование.

При этом в надвидовых таксонах (род, семейство, отряд, класс, тип) происходит макроэволюция по схожим механизмам.

Факторы эволюции (по СТЭ)

1) Естественный отбор — избирательное воспроизведение генотипов

Безусловно, естественный отбор остаётся самым главным, движущим фактором эволюции. При этом в СТЭ естественный отбор делят на три типа: движущий, стабилизирующий и разрывающий (дизруптивный).

— Движущий естественный отбор способствует выживанию особей с новыми признаками в меняющихся условиях среды. Таким образом изменяется число особей со «средним» признаком.

К результатам движущего отбора относят появление нового окраса у бабочек, увеличение длины конечности лошади, формирование устойчивости бактерий к антибиотикам, редукция зрения у крота и т.п.

— Стабилизирующий отбор направлен на сохранение особей с минимальным отклонением от «среднего» признака в постоянных условиях среды.

К результатам стабилизирующего отбора относят гибель птиц со слишком большими или слишком маленькими крыльями при сильной буре, смерть новорожденных млекопитающих с очень низким и очень высоким весом, сохранение в популяциях зайцев особей с оптимальной длиной конечностей и т.п.

— Дизруптивный отбор направлен на одновременное возникновение нескольких новых форм признака. Он способствует возникновению и поддержанию разнообразия популяций, приводит к дивергенции (расхождению признаков) и образованию нескольких видов из одного исходного. В основном это необходимо для лучшей борьбы с условиями среды и уменьшения внутривидовой конкуренции.

К результатам действия дизруптивного отбора относятся формирование на сенокосных лугах двух популяций погремка — раннецветущей и позднецветущей, существование весенних и осенних форм и видов грибов из-за повторяющейся в середине лета засухи, образование у насекомого, проживающего на океанических островах, двух популяций: бескрылых и с мощными крыльями (особей со средними крыльями сдувает ветер).

2) Наследственная изменчивость

Наследственная изменчивость бывает комбинативной и мутационной.

• Комбинативная изменчивость возникает при сочетании в потомках генов обоих родителей. Обусловлена кроссинговером (обменом участками гомологичных хромосом при мейозе) и панмиксией.
  Панмиксия — это свободное скрещивание разнополых особей в популяции. Именно благодаря комбинативной изменчивости происходит обмен генетическим (эволюционным) материалом.
• Мутационная изменчивость возникает при спонтанном изменении генетического материала. Такие изменения называются мутациями.

Бывают генные, хромосомные и геномные мутации.

Генные мутации

Они происходят внутри гена, то есть с конкретными нуклеотидами. Может происходить выпадение нуклеотида, вставка нуклеотида, замена нуклеотида. Такие мутации могут повлиять на структуру белка, а могут и не повлиять. Всё зависит от того, какой именно нуклеотид выпал. Посмотрите на таблицу снизу.

Фен, лей, сер — это всё аминокислоты (мономеры белков). Их кодируют последовательности нуклеотидов. Как вы видите, одну аминокислоту может кодировать несколько последовательностей. Например, аминокислоту пролин (про) кодируют четыре последовательности: ЦЦУ, ЦЦЦ, ЦЦА, ЦЦГ. То есть замена третьего нуклеотида никак не скажется на структуре белка, ведь аминокислота останется той же. В то же время, если поменять первый нуклеотид, то пролин уже не получится. Предположим, ЦЦУ заменилось на ГЦУ. Тогда ГЦУ кодирует аланин (ала), а значит белок поменял свою структуру. А раз белок поменялся, то и признак тоже поменяется.

К последствиям генных мутаций относят альбинизм, полидактилию, фенилкетонурию, гемофилию, серповидноклеточную анемию и дальтонизм.

Хромосомные мутации

Они происходят внутри хромосомы, то есть хромосома изменяет свою структуру. Может происходить выпадение гена (делеция), удвоение гена (дупликация), ген может поменяться с другим геном местами (инверсия), ген может «прилететь» из другой хромосомы (транслокация).

Хромосомные мутации у человека часто приводят к тяжёлым формам умственной отсталости, заболеваниям крови, снижению жизнеспособности организма. Примером хромосомной мутации является синдром кошачьего крика.

Геномные мутации

Геномные мутации — это изменение числа хромосом в кариотипе. Возникают при нарушении расхождения хромосом во время деления.

Давайте взглянем на нормальный кариотип мужчины:

А теперь на кариотип человека с синдромом Дауна:

Как вы видите, произошла трисомия (то есть появилась лишняя третья хромосома) по 21-ой паре.

К геномным мутациям относят не только синдром Дауна. Есть ещё:

• Синдром Клайнфельтера — лишняя X хромосома у мужчин (набор половых хромосом ХХY). При этом заболевании наблюдается чрезмерно высокий рост, нарушение пропорций тела, отсталость в развитии, бесплодие.
• Синдром Шерешевского-Тёрнера — отсутствие Х-хромосомы у женщин (набор половых хромосом -Х). Гипотиреоз, широкая шея, низкий рост, нарушение пропорций тела, бесплодие.

Геномные мутации можно классифицировать на три группы: полиплоидия, анеуплоидия, гаплоидия.

Полиплоидия — это кратное n изменение числа хромосом (было 46, стало 92).
Анеуплоидия — это некратное n изменение числа хромосом (было 46, стало 47).
Гаплоидия — это уменьшение диплоидного набора хромосом до гаплоидного в соматической клетке (было 46, стало 23).

Любые мутации передаются детям,только если они возникают (или содержатся) в половых клетках. Таким образом, мутации, приобретённые соматическими клетками, не наследуются и не являются фактором эволюции.

К факторам эволюции НЕ относится фенотипическая изменчивость, однако сказать о ней стоит.

Модификационная изменчивость (групповая, определённая, фенотипическая) определяется прежде всего факторами внешней среды, не передаётся по наследству. При одинаковых условиях чаще всего формируется у группы особей.

Признаки в разной степени изменяются под влиянием внешних условий. Например, листья у стрелолиста изменяют свою форму в зависимости от степени погружения в воду. У подводных листьев форма нитевидная (3), у плавающих — округлая (2), а у листьев на отмели — стреловидная (1) форма.

А насколько сильно могут меняться признаки? Есть ли какие-то ограничение? То, насколько сильно они могут измениться, определяется нормой реакции признака, которая контролируется генотипом.

Норма реакции — это все возможные фенотипы, возможные для данного генотипа. Например, количество яиц (яйценоскость), отложенных курами, может изменяться в зависимости от температуры в курятнике, однако до определенного предела. Данные пределы (норма реакции) ограничиваются генотипом.

Норма реакции может быть широкой или узкой. Пример широкой нормы реакции: яйценоскость кур. Пример узкой нормы реакции: форма гребня, длина клюва.

3) Борьба за существование

Борьба за существование — ещё один немаловажный фактор эволюции. Борьба за существование тесно связана с факторами среды, которые присутствуют в жизни любого организма. Выделяют три фактора среды: биотический, абиотический и антропогенный.

Биотический фактор — это вся живая природа в целом. То есть, чтобы выжить в живой природе, зайцу так или иначе приходится бороться с ней. В связи с этим выделяют два вида борьбы с биотическим фактором:

• Внутривидовая борьба
• Межвидовая борьба

Внутривидовая борьба — самая ожесточенная, возникает между особями одного вида: за еду, партнёра, место жительства.

Межвидовая борьба возникает, когда организмы состоят в каких-либо отношениях: симбиоз, хищничество, паразитизм. То есть зайцу нужно бороться с волком, чтобы выжить, так же, как и волку нужно бороться с зайцем.

Борьба с абиотическим фактором — это борьба с неблагоприятными условиями среды, например, с ветром, давлением, температурой и прочими характеристиками неживой природы.

Антропогенный фактор возник с появлением человеческой культуры. Да, организмам необходимо бороться с последствиями нашей жизнедеятельности. Так как наши отношения с живой природой давно вышли за рамки «межвидовой борьбы», учёные называют такой тип борьбы — борьбой с антропогенным фактором.

4) Популяционные волны (волны жизни)

Популяционные волны — это колебания численности популяции, возникающие по множествам причин. Например, при повышении численности популяции волка, уменьшается численность популяции зайца и наоборот.

Популяционные волны могут носить как экологический (пример выше), так и случайный характер. В любом случае, волны жизни — важный фактор эволюции.

5) Дрейф генов

Дрейф генов — резкое изменение частоты определенного аллеля в популяции. Проявляется в основном в малочисленных популяциях. Такое явление может произойти, если какая-либо особь из «чужой» популяции случайно мигрирует в другую популяцию. В результате её аллель станет распространяться среди новой популяции. Или происходит случайная гибель особи — носителя редкой мутации. Тогда этот редкий ген совсем утрачивается в популяции.

Дрейф генов, как эволюционный фактор, имеет важное значение в быстроте эволюции, без него процессы распространения мутаций и новых признаков шли бы очень медленно.

6) Изоляция

Изоляция — важнейший эволюционный фактор. При возникновении определённых преград, особи из одной популяции прекращают спариваться друг с другом. В результате происходит образование двух новых видов, давайте разберём подробнее, каким образом.

Различают два вида изоляции:

• Географическая
• Экологическая

При географической изоляции часть особей из одной популяции «отрезается» от другой части непреодолимым препятствием. Это препятствие может быть горным хребтом, большим расстоянием, ледником и другими явлениями, мешающими прямому контакту особей.

Экологическая изоляция подразумевает разделение особей на основе их экологической специализации. Например, существуют две разные популяции в одном водоёме, которые питаются разной пищей. Или другой пример: на одном лугу растут растения двух популяций, которые цветут (размножаются) в разное время.

Все примеры экологической изоляции можно объяснить различиями по трём пунктам: разная пищевая специализация, разные сроки размножения, разные среды обитания.

***

Видообразование

В результате разделения вида на несколько популяций в результате изоляции, вскоре могут возникнуть два новых вида. В связи с этим выделяют два типа видообразования:

• Аллопатрическое (географическое видообразование)
• Симпатрическое (экологическое видообразование)

Давайте пронаблюдаем изменения в популяциях при аллопатрическом видообразовании:

1. Изначально вид стабильно занимал один широкий ареал обитания;
2. Внезапно появилась преграда или ареал сильно расширился;
3. Возникла географическая изоляция;
4. В результате данной изоляции образовалось несколько географически изолированных популяций;
5. В популяциях независимо друг от друга начали появляться мутации;
6. Особи с мутациями распространили их в своей популяции в результате борьбы за существование и, как следствие, естественного отбора;
7. Мутации закрепились в генофонде популяции (генофонд — совокупность генов особей в популяции);
8. Географически изолированные популяции стали отличаться друг от друга настолько, что появилась репродуктивная изоляция — невозможность давать плодовитое потомство;
9. Популяции становятся новыми видами.

А теперь сравним с симпатрическим видообразованием:

1. Изначально вид стабильно занимал один небольшой ареал обитания;
2. Внезапно в результате мутации возникла экологическая специализация (пища, сроки размножения, среда обитания)
3. Возникла экологическая изоляция;
4. В результате данной изоляции образовалось несколько экологически изолированных популяций;
5. В популяциях независимо друг от друга начали появляться мутации;
6. Особи с мутациями распространили их в своей популяции в результате борьбы за существование и, как следствие, естественного отбора;
7. Мутации закрепились в генофонде популяции (генофонд — совокупность генов особей в популяции);
8. Экологически изолированные популяции стали отличаться друг от друга настолько, что появилась репродуктивная изоляция — невозможность давать плодовитое потомство;
9. Популяции становятся новыми видами.

***

Критерии вида

Когда образуются новые виды, учёные должны точно определять особей, которые подходят под один вид. В связи с этим используются следующие критерии, и если особь подходит под все из них, то она действительно принадлежит к данному виду. Всегда используется совокупность критериев:

• Морфологический критерий — сходство внешнего и внутреннего строения. Например, длина крыльев, окраска, форма печени.
• Физиологический критерий — сходство процессов жизнедеятельности организма. Например, продолжительность жизни, выделение яда, особенности размножения, суточная активность, качество зрения.
• Биохимический критерий — сходство выделяемых или накапливаемых химических веществ. Например, накопление муравьиной кислоты в крапиве, накопление алкалоидов в побеге паслёновых, количественное содержание БЖУ, витаминов и прочих веществ.
• Генетический критерий — сходство генов. Например, схожесть 4-ой хромосомы у различных особей мушки-дрозофилы, наличие схожих последовательностей между генотипами собак.
• Географический критерий — сходство определенного места обитания. Примеров много, все они похожи тем, что в них есть географические названия (гор, озер, регионов и т. д.). Например, большая синица обитает на всей территории Европы, Ближнего Востока, Центральной и Северной Азии, в некоторых районах Северной Африки.
• Экологический критерий — сходство в экологической специализации. Особи едят одну еду, живут в одном месте, предпочитают одну погоду, любят одну температуру. То есть экологический критерий показывает взаимодействие с факторами среды (абиотическими, биотическими, антропогенными). Например, большая синица живет в кронах деревьев, питается крупными насекомыми и их личинками.

Если особь подошла под все критерии вида, то она принадлежит к данному виду.

***

Направления эволюции

Теперь, когда мы знаем, каким образом происходит эволюция, настало время поговорить о том, куда эта самая эволюция «приводит» организмы.

У эволюции есть два направления: биологический прогресс и биологический регресс.

Биологический прогресс

Если вид находится в биологическом прогрессе, то для него характерны следующие особенности:

• Большой ареал распространения
• Большая численность особей вида
• Большое число популяций
• Широкая экологическая специализация — особи разных популяций могут выжить во многих экологических условиях

Существует три пути достижения биологического прогресса: ароморфоз, идиоадаптация, общая дегенерация. Эти пути относят к макроэволюции, так как они приводят к появлению надвидовых таксонов.

• Ароморфоз — крупное эволюционное изменение, приводящее к формированию надвидовых таксонов (новые царства, типы, классы). К ароморфозам относятся: появление фотосинтеза, многоклеточности, теплокровности, появление полового размножения, семян. В каждой статье по зоологии и ботанике описаны конкретные ароморфозы каждого нового таксона.
• Идиоадаптация — небольшое эволюционное изменение. Идиоадаптации необходимы для приспособленности организмов к конкретным условиям среды. К идиоадаптациям относятся: белая шерсть полярного медведя, хобот у слона, длина конечностей у лошади, ласты кита, роющие конечности и редукция зрения у крота (!).
• Общая дегенерация — эволюционное изменение, приводящее к упрощению строения организма, обязательно связанное с паразитическим или сидячим образом жизни. К общей дегенерации относятся: анаэробность у паразитов, отсутствие пищеварительной системы у ленточных червей, отсутствие хорды у асцидий, отсутствие головы у двустворчатых моллюсков. При этом важно помнить, что общую дегенерацию относят к путям достижения биологического прогресса, так как это процесс адаптации организма к новым условиям среды.

Биологический регресс

Если вид находится в состоянии биологического регресса, то для него характерны следующие особенности:

• Маленький ареал распространения
• Маленькая численность особей вида
• Маленькое число популяций
• Узкая экологическая специализация — особи выживают лишь в определённых экологических условиях

Группы организмов, находящиеся биологическом регрессе: хищные птицы, слоновые, черепахи, африканский саванный слон, орхидея венерин башмачок, уссурийский тигр, страус эму, снежный барс, выхухоли, гинкговые, латимерия.

Студенты постоянно путают направления и пути эволюции. Давайте раз и навсегда запомним. У эволюции есть 2 направления — биологический прогресс и регресс. У биологического прогресса есть 3 пути достижения: ароморфоз, идиоадаптация и дегенерация.

Никогда не называйте пути — направлениями и наоборот, это неправильно. И уж тем более не говорите, что у эволюции есть пути. Пути есть у достижения биологического прогресса, а не у эволюции. А вот что есть у эволюции, так это способы осуществления…

***

Способы осуществления эволюции

Есть два способа: дивергенция и конвергенция.

Дивергенция

Дивергенция — самый частый способ осуществления эволюции. При дивергенции происходит расхождение признаков.

К общем эта схема выглядит так: имелся какой-либо орган, в ходе эволюции он преобразовался в два и более отличающихся друг от друга по функции органа.

Примеры дивергенции из заданий ФИПИ:

Ласты кита и роющие конечности крота, конечности крота и зайца, крылья орла и пингвина, крылья летучей мыши и руки человека, задние конечности пчелы и кузнечика, прыгательные конечности кузнечика и бегательные конечности тараканы, грызущий и колюще-сосущий ротовые аппараты насекомых, ротовой аппарат комара и бабочки, зубная система тигра и бобра, копыта лошади и ногти шимпанзе, ногти человека и когти тигра, окраска шерстного покрова зайца-беляка и зайца-русака, число горбов у одногорбого и двугорбого верблюдов, листья гороха и усики гороха, пшеница мягкая и пшеница твердая, диплоидные и полиплоидные сорта винограда, белокочанная и краснокочанная капуста, безостые и длинноостые формы пшеницы.

Конвергенция

Конвергенция — редкий способ осуществления эволюции. При конвергенции происходит, наоборот, схождение признаков в функции.

Эта схема выглядит так: имелись два органа с совершенно разным происхождением (например, роющие конечности медведки — насекомого, и крота — млекопитающего), однако они в процессе эволюции сошлись по функции.

Примеры конвергенции из заданий ФИПИ:

Роющие конечности крота и медведки, крылья птицы и крылья бабочки, жабры краба и рыбы, жабры раков и моллюсков, глаза кальмара и собаки, рычажные конечности хордовых и членистоногих, грудные плавники кита и акулы, плавники акулы и ихтиозавра, ласты дельфина и крылья-ласты пингвина, крылья летучей мыши и крылья совы, сходство формы тела кита и рыбы, сумчатая летяга и обыкновенная летяга, сумчатый крот и обыкновенный крот, шипы розы и шипы боярышника, колючки барбариса и колючки боярышника, клубни картофеля и клубни георгина.

***

Поздравляю с успешным освоением новой темы!

Статьи — круто, но для сотки этого недостаточно. Жми сюда, чтобы узнать подробности о самом эффективном курсе подготовки к ЕГЭ по биологии 🫶