Текст книги "Естествознание"

Глава 9. Многообразие и эволюция органического мира

Мир живых организмов насчитывает 1,5–2 млн видов животных, 350–500 тыс. видов растений, около 100 тыс. видов грибов. Классификация всего этого многообразия организмов является предметом науки систематики. Благодаря классификации разнообразие мира предстает не как хаотическое нагромождение организмов, а как упорядоченная система, изменяющаяся от простого к сложному.

Еще с древних времен исследователи делали попытки классификации живого мира. В IV в. до н. э. Аристотелем была создана так называемая «иерархия всего сущего» для неорганического (неживого) мира, мира растений, животных и человека. Активное изучение живого мира с накоплением знаний, необходимых для научной классификации, начинается только в конце XVI – начале XVII в.

В основе современной систематики лежат труды выдающегося шведского ботаника К. Линнея (1707–1778), поэтому и сам принцип построения системы носит название линнеевской иерархии.

Главной заслугой Линнея является создание бинарной номенклатуры, когда каждому животному и растению присваивается двойное латинское название: первое обозначает род, второе – вид (например, Lepus europaeus – заяц-русак). Применяя эту систему, Линней произвел первую классификацию органического мира. Он различал следующие соподчиненные друг другу систематические категории живых организмов: классы, отряды, роды, виды, разновидности.

Классификация, разработанная Линнеем, получила международное признание. Однако ученый не был сторонником эволюционного направления в биологии, и его система классификации носила статичный характер, в то время как целью систематики является создание классификации, которая бы наиболее полно отражала эволюционные взаимоотношения между организмами.

В настоящее время классификация современного органического мира представляет собой отдельный раздел биологии, который называется таксономией (от греч. taxis – расположение, строй, порядок и nomos – закон). В течение длительного времени термин «таксономия» в биологии обычно употребляли как синоним систематики. Но в 60–70-х гг. XX в. биологическую систематику стали определять более широко – как науку о многообразии живых организмов и родственных отношениях между ними, а таксономию – как более узкую дисциплину (или раздел систематики), занимающуюся принципами, методами и правилами классификации организмов.

Ключевым моментом современной биологической систематики является понимание того, что вид – это наименьшая структурная единица в иерархии животного и растительного мира. Каждый вид принадлежит к определенному роду (более крупный элемент классификации). Роды объединяются в семейства, далее следуют более крупные сообщества: порядок, класс, отдел, подцарство, царство. Царство является одной из высших таксономических категорий в системе органического мира.

Со времен Аристотеля и до середины ХХ в. было принято деление всех живых организмов только на два царства: растения и животные. В настоящее время сформировалась новая система органического мира, согласно которой все организмы разделяют по отсутствию или наличию в их клетках истинного ядра на прокариот и эукариот, которые в систематике определяются как надцарства и являются самой высшей классификационной категорией.

Надцарство прокариот включает два царства: бактерии и синезеленые водоросли.

Надцарство эукариот включает три царства:

• царство растений, состоящее из двух подцарств: низшие растения и высшие растения;

• царство грибов, включающее два подцарства: низшие грибы и высшие грибы;

• царство животных, включающее два подцарства: простейшие и многоклеточные животные.

Это деление является обоснованным с эволюционной точки зрения, но по многим вопросам систематики ученые не пришли пока к единому мнению. Разногласия, например, вызывает проблема происхождения и систематического положения грибов, которые представляют собой наиболее загадочную группу современных организмов. До сих пор окончательно не решен вопрос, к какому из двух основных царств эукариотных организмов стоят ближе всего грибы – к животным или растениям?

Еще одним вопросом, который вызывает большие разногласия и споры, является выделение некоторыми учеными-систематиками в отдельное царство – царство протистов – только некоторых водорослей и всех простейших. Другие к этому царству относят все водоросли, все простейшие и все примитивные низшие грибы. Сама попытка выделения чрезвычайно разнородного царства протистов вызывает возражения очень многих биологов, поскольку, по их мнению, это затрудняет классификацию и создает новые проблемы в систематике.

Современная систематика развивается в тесной связи с другими биологическими науками, особенно с эволюционной морфологией, генетикой, биохимией, экологией, биогеографией, все шире использует математические методы обработки материала. Она не просто интегрирует огромную информацию, большое разнообразие фактов, но и свидетельствует о единстве живой природы, устанавливает родственные связи между живыми организмами, сходство и различия в растительном и животном мире, изучает закономерности его развития.

В биологии под видом понимается единица классификации живых организмов. Само понятие «вид» появилось в XVII в. благодаря английскому ботанику Дж. Рею, который отметил, что различные виды организмов отличаются по внешнему виду и внутреннему строению и не скрещиваются между собой.

Один вид отличается от другого целым рядом признаков: размером, окраской особей, протекающими у них физиологическими процессами, средой обитания, поведением и др. В то же время могут существовать признаки, общие для некоторых видов, что затрудняет идентификацию видовой принадлежности живых организмов.

В результате длительных наблюдений и исследований учеными были определены основные критерии вида, т. е. те основополагающие признаки, по которым один вид можно отличить от другого:

1. Морфологический – сходство внешнего и внутреннего строения между особями, принадлежащими к одному виду.

2. Экогеографический. Каждый вид может существовать в определенных природных и климатических условиях и занимает определенную территорию, называемую ареалом. Ареалы могут иметь разную площадь, быть прерывистыми или сплошными, ареалы обитания разных видов могут даже накладываться друг на друга.

3. Физиологический – сходство всех процессов жизнедеятельности у особей одного вида и, прежде всего, сходство размножения. Особи разных видов либо не способны к скрещиванию, либо дают бесплодное потомство.

4. Генетический – сходство всех особей одного вида по кариотипу (по количеству, размеру и форме хромосом).

5. Биохимический – сходство всех особей по структуре ДНК, что обеспечивает синтез одинаковых белков, отличающихся от белков других видов.

Ни один из критериев не является абсолютным, так как в каждом случае имеются свои исключения, поэтому особей одного вида можно отличить от особей другого вида только при совокупном учете всех или большинства критериев.

Согласно современным представлениям, видом называется совокупность особей, способных в природных условиях скрещиваться между собой, сходных по строению, физиологическим и биохимическим признакам и приспособленных к проживанию в определенных экологических условиях и на определенной территории, называемой ареалом.

Наличие вполне определенных критериев, позволяющих охарактеризовать вид и точно установить видовую принадлежность особи, является важнейшим подтверждением реального существования видов в природе.

Исторически факт «реальности» существования вида трактовался учеными по-разному. Основным камнем преткновения явилась проблема соотношения устойчивости и изменчивости видовых признаков организмов: либо необходимо признать, что видовые признаки не изменяются, и тогда можно говорить о такой постоянной, реально существующей в природе единице, как вид, либо с течением времени видовые признаки все-таки изменяются, но в таком случае понятие «вид» не может быть принято в связи с его неопределенностью. Иными словами, если виды неизменны, то они реальны, если же виды исторически изменяются, то они как таковые в природе не существуют.

К. Линней, сделавший большой вклад в развитие представлений о виде, установил, что виды – это совокупности сходных по строению особей, дающих плодовитое потомство, а между различными видами существуют значительные различия. Он рассматривал вид в качестве основной систематической единицы. Однако в соответствии с его представлениями виды реально существуют в природе, но не изменяются со временем.

Противоположной точки зрения придерживался французский ученый-естествоиспытатель (XVIII–XIX вв.) Ж. Б. Ламарк, который считал, что различия между видами настолько незначительны, что выделить отдельные виды невозможно и реально существует не вид, а только каждая отдельная особь сама по себе. Весь живой мир представлялся ему совокупностью особей, связанных между собой родственными узами.

Наиболее значительный вклад в теорию эволюционного развития видов внес выдающийся английский ученый XIX в. Ч. Дарвин, который доказывал, что виды реально существуют в природе, относительно постоянны и являются результатом исторического развития: виды возникают, развиваются, а затем либо исчезают, либо изменяются, порождая новые виды. Дарвин создал теорию образования новых видов и не сомневался во временности их существования. В доказательство реальности существования видов Дарвин высказывал мысль о том, что, если бы виды не существовали, они не могли бы и изменяться. Сформировавшийся вид Дарвин рассматривал как определенную биологическую единицу, способную самовоспроизводиться до тех пор, пока в результате влияния среды с ней не произойдут те или иные преобразования.

Учение Дарвина положило начало новой эпохе изучения «реального развивающегося вида». Основой этих взглядов явилось понимание того, что вид представляет собой не сумму особей, а целостную систему и является одной из основных форм существования живого.

Эти представления о виде как особом способе существования жизни внесли основополагающий вклад в развитие теории вида и значительно опередили свою эпоху.

Понимая вид как сформированную биологическую общность особей, занимающих определенный ареал обитания, его тем не менее нельзя воспринимать как нечто однородное и неделимое.

Если исследовать какой-либо участок суши или водоема, то можно обнаружить, что он заселен различными растениями, животными и микроорганизмами, хорошо приспособленными к условиям обитания, являющимися представителями различных видов и связанными между собой определенными отношениями, причем всегда виды будут представлены не отдельными особями, а группами, называемыми популяциями.

Популяцией называется часть вида, которая состоит из особей, обладающих наибольшим сходством и родством, занимает определенное место обитания (территорию) в ареале вида и способна к саморегулированию и поддержанию определенной численности.

Ареалов, сплошь заселенных тем или иным видом, в природе не существует. Каждый вид в пределах своего ареала распадается на популяции, которые осваивают на данной территории лишь подходящие для их жизни места обитания. Поэтому принадлежащие к одному виду популяции могут быть значительно разобщены между собой и существовать изолированно друг от друга, а вид, состоящий из ряда популяций, будет занимать значительный ареал. Иными словами, ареал состоит из более или менее многочисленных участков, на которых и встречается определенный вид. Например, колонии крота европейского, хорошо заметные по холмикам земли, располагаются на лесных опушках и лугах, а ель обыкновенная произрастает преимущественно на низинах со значительно увлажненной почвой. Однако любой вид, состоящий как из одной, так и из нескольких популяций, представляет собой единое целое.

Значение популяции для выживания и развития вида огромно. Если рассматривать влияние среды обитания на отдельную особь, то при определенном уровне воздействия на нее какого-либо фактора (например, температуры) она может выжить, а может и погибнуть. И совсем другая ситуация складывается, когда тот же фактор воздействует на целую группу организмов одного вида. Некоторые особи в группе погибнут или снизят жизненную активность при одних температурных значениях, другие – при более низкой температуре, третьи – при более высокой, и, таким образом, всегда какая-то часть особей будет способна пережить воздействие неблагоприятного фактора, в дальнейшем дать потомство и даже восстановить свою численность.

Следовательно, популяция является формой существования вида и его наименьшей структурной единицей.

Каждая популяция характеризуется определенной численностью особей (которая может изменяться), занимаемым пространством, возрастным и половым составом особей. Для каждой популяции характерен свой генофонд – совокупность генотипов всех особей популяции.

В силу относительной изолированности популяций происходит ограничение свободного скрещивания между особями разных популяций, что ведет к возникновению и развитию генотипического различия между популяциями вида, поэтому генофонды разных популяций даже одного вида могут различаться.

Популяция является не только структурной единицей вида, но и элементарной единицей эволюции, так как именно внутри популяции возникает процесс образования новых видов.

Единичная особь не может изменяться в процессе развития (эволюционировать). Безусловно, у нее можгут возникать определенные изменения в ходе приспособления к условиям внешней среды, однако эти изменения не являются эволюционными, так как они не передаются по наследству. Поскольку вид, как уже было отмечено, неоднороден и состоит из ряда популяций, а популяция относительно самостоятельна и может длительное время существовать вне связи с другими популяциями вида, то именно внутри нее протекают все эволюционные процессы: между особями происходит скрещивание, действует борьба за существование и осуществляется естественный отбор. В результате генофонд популяции со временем изменяется, и она становится родоначальником нового вида. Именно поэтому популяция, а не вид является элементарной единицей эволюции.

Выдающийся английский ученый Ч. Дарвин родился 12 февраля 1809 г. в семье врача. Во время обучения в университетах Эдинбурга и Кембриджа Дарвин занимался изучением зоологии, ботаники и геологии. Он был знаком с идеями ранних эволюционистов, в том числе своего деда Э. Дарвина, Ламарка и других, но они не казались ему убедительными. Решающим поворотом и в его судьбе, и в понимании мира стало кругосветное путешествие в качестве натуралиста на корабле «Бигль» (1832–1837). По возвращении из плавания, накопив огромный исследовательский материал, Дарвин начинает обдумывать проблему происхождения видов. В 1859 г. он публикует свою работу «Происхождение видов путем естественного отбора», в которой утверждает, что существующие на Земле формы жизни являются результатом не творческой деятельности божественного разума, а изменчивости, наследственности и естественного отбора.

Книгой «Изменение домашних животных и культурных растений», вышедшей в свет в 1868 г., он расширил и дополнил свой основной труд, а в работе «Происхождение человека и половой отбор» (1871) им была выдвинута гипотеза происхождения человека от обезьяноподобного предка. Так Дарвином были сформированы основные положения теории эволюции.

С появлением эволюционной теории стало возможным восполнить научными знаниями те пробелы в науке, которые раньше заполнялись только верой в Бога.

В основе теории Дарвина лежит свойство наследственности, т. е. способности организмов повторять в ряду поколений сходные типы обмена веществ и индивидуального развития в целом. Дарвин пришел к выводу, что наследственность вместе с изменчивостью обеспечивает постоянство и многообразие форм жизни и лежит в основе эволюции живой природы.

Дарвин выделил две основные формы изменчивости:

• определенную изменчивость – способность всех особей одного и того же вида одинаковым образом реагировать на определенные условия внешней среды (климат, почву и т. д.);

• неопределенную изменчивость, характер которой не соответствует изменениям внешних условий. Он и назвал наследственную изменчивость неопределенной, индивидуальной изменчивостью, пытаясь подчеркнуть ее случайный, ненаправленный характер и относительную редкость. Дарвин утверждал, что решающую роль в эволюции играет именно неопределенная изменчивость, которая, в отличие от определенной, носит наследуемый характер. В современной терминологии именно такая неопределенная изменчивость именуется мутацией.

Сущность дарвиновской концепции эволюции сводится к ряду положений, которые подтверждаются и обширным фактологическим материалом, и экспериментально.

1. У организмов в пределах одного вида существует индивидуальная наследственная изменчивость, в результате чего одни и те же признаки (морфологические, физиологические, поведенческие) могут проявляться в широком диапазоне вариантов.

2. Увеличение численности живых организмов в результате размножения происходит в геометрической прогрессии.

3. В связи с ограниченностью жизненных ресурсов и быстрым ростом численности особей должна возникать борьба за их существование.

4. В условиях борьбы за существование выживают и дают потомство особи, имеющие те изменения в признаках, которые случайно оказались наиболее подходящими к данным условиям среды, т. е. наиболее приспособленные особи.

5. Выживание и преимущественное размножение приспособленных особей Дарвин назвал естественным природным отбором.

6. В результате естественного отбора незначительные изменения в виде полезных признаков, появившиеся у особей в первом поколении, усиливаются в последующих поколениях. Таким образом, естественный отбор постепенно ведет к дивергенции (расхождению) признаков и, в конечном счете, к видообразованию.

Эволюционная теория Дарвина позволила объяснить не только многообразие живых организмов, их целесообразность и приспособленность к условиям окружающей среды, но и установить основной механизм эволюции, которым является естественный отбор.

Под названием борьбы за существование Ч. Дарвин ввел в биологию широкое понятие, объединяющее различные формы взаимоотношений организма со средой, которые ведут к естественному отбору организмов с определенными признаками, которые передаются по наследству следующим поколениям. Термином «борьба» Дарвин подчеркнул активность организма в его взаимоотношениях со средой.

В соответствии с теорией Ч. Дарвина принято выделять три формы борьбы за существование.

1. Внутривидовая борьба – борьба между особями одного вида. Тенденция каждого вида к неограниченному размножению вступает в противоречие с ограниченностью доступных жизненных ресурсов (жизненное пространство, пища, убежище, сексуальный партнер, место для размножения), за которые возникает острая внутривидовая конкуренция. В процессе этой ожесточенной и упорной борьбы происходит вытеснение или гибель менее приспособленных особей данного вида. Внутривидовая борьба может принимать разные формы, но результат ее всегда один: из множества рожденных особей каждого вида выживают и размножаются только те, которые лучше других приспособлены к условиям, существующим в популяции в каждый момент времени.

2. Межвидовая борьба – борьба между особями разных видов. Жизнь каждого организма проходит в активном взаимодействии с множеством других видов животных, растений, микроорганизмов. Важнейшую роль играют взаимоотношения типа хищник – жертва, паразит – хозяин, так как большинство живых организмов погибает или оказывается исключенными из размножения не под действием физических факторов, а в результате деятельности представителей других видов – паразитов, хищников, конкурентов. Поэтому, для того чтобы выжить, все виды должны непрерывно развиваться и изменяться, т. е. эволюционировать.

В то же время каждое усовершенствование одного вида ведет к ухудшению условий для других видов. В этом состоит парадоксальная особенность межвидовой борьбы за существование: если один из видов «проигрывает» в этой борьбе и полностью погибает, то жизнь видов-победителей от этого только усложняется. Вид-хищник, истребляя вид-жертву, тем самым ставит под угрозу свое собственное существование, поскольку за победой следует увеличение численности вида-победителя, а следовательно, быстрое истощение необходимых ему ресурсов, резкое увеличение численности паразитов или конкурентов. В результате сам «победитель» оказывается на грани вымирания. Таким образом, вымирание тех или иных видов не снижает остроты межвидовой борьбы – на смену вымершим видам приходят их бывшие конкуренты.

Особой остроты межвидовая борьба достигает в тех случаях, когда в борьбе за существование участвуют разные виды, обитающие в сходных экологических условиях и использующие одинаковые источники питания. В результате межвидовой конкуренции происходит либо вытеснение одного из видов, либо приспособление видов к разным условиям в пределах единого ареала, либо, наконец, их территориальное разобщение.

3. Борьба с физическими условиями среды. Организмы для своего существования и размножения имеют определенный диапазон оптимальных и комфортных для выживания условий по всем средовым факторам: освещенности, температуре, влажности, химическому составу воздушной, водной и почвенной среды. Выход любого экологического фактора за пределы этих оптимальных значений оказывает как прямое действие, создавая непосредственную угрозу жизни особей, так и косвенное действие, вызывая, например, уменьшение количества пищи. Борьба с физическими условиями среды приводит к отбору наиболее устойчивых особей к тем физическим условиям, в которых живут организмы, и обостряет внутривидовую и межвидовую борьбу за существование.

Процесс выживания особей с полезными в данных условиях среды наследственными изменениями и оставления ими потомства называется естественным отбором. Это важнейший момент в эволюционной теории Дарвина. В ответ на изменение условий среды и в результате борьбы за существование у особей могут возникать измененные признаки, но эти изменения происходят случайно и только некоторые из них оказываются полезными в конкретных условиях. Потомки выжившей особи, которые наследуют полезное изменение, позволившее выжить их предку, оказываются более приспособленными к данной среде, чем другие представители популяции. Таким образом, естественный отбор является следствием борьбы за существование и главным направляющим фактором эволюции.