Биология: путь к пониманию жизни – от клеточных механизмов до эволюции видов. Цикл: учебники и учебные пособия по биологии, сельскому хозяйству, зоологии, анатомии и агрономии

Идеи о том, что живые существа могут изменяться со временем, возникли еще в древности. Философы Древней Греции, такие как Анаксимандр и Эмпедокл, высказывали предположения о том, что жизнь могла возникнуть из неживой материи и развиваться через последовательные стадии. Однако эти идеи оставались скорее спекулятивными и не имели научного обоснования.

В Средневековье доминировала креационистская точка зрения, согласно которой все виды были созданы Богом в неизменном виде. Тем не менее, некоторые ученые того времени, например, Аль-Бируни и Ибн Сина, выдвигали гипотезы о возможности изменений в живой природе.

Эпоха Просвещения и начало научной революции

С наступлением эпохи Просвещения интерес к изучению природы значительно возрос. Одним из первых ученых, кто начал систематически изучать биологическое разнообразие, был Карл Линней. Он разработал систему классификации живых существ, которая легла в основу современной таксономии. Хотя Линней считал, что виды остаются неизменными, его работа заложила фундамент для дальнейших исследований в области эволюции.

Одним из предшественников Дарвина был Жан-Батист Ламарк, который предложил первую целостную теорию эволюции. Согласно его идеям, организмы могли изменять свои характеристики в ответ на окружающую среду, а затем передавать эти изменения своим потомкам. Эта концепция получила название ламаркизма.

Чарльз Дарвин и теория естественного отбора

Настоящий прорыв в понимании эволюции произошел благодаря работам Чарльза Дарвина. Его книга «Происхождение видов» (1859 год) стала основой современной эволюционной теории. Дарвин предложил механизм естественного отбора, согласно которому организмы с наиболее выгодными для выживания признаками имеют больше шансов передать свои гены следующему поколению. Это приводит к тому, что полезные признаки становятся более распространенными в популяции, а вредные – исчезают.

Дарвин также ввел понятие борьбы за существование, подчеркивая, что ресурсы ограничены, и поэтому организмы конкурируют друг с другом за пищу, территорию и партнеров для размножения. Теория Дарвина была основана на обширных наблюдениях за природой и многочисленных экспериментах.

Современная синтетическая теория эволюции

Современная синтетическая теория эволюции объединяет дарвинизм с достижениями генетики и молекулярной биологии. Она включает в себя понимание роли мутаций, генетического дрейфа и других механизмов, влияющих на эволюцию. Этот подход позволяет объяснить многие аспекты биологического разнообразия и адаптации.

Таким образом, история развития эволюционной теории отражает сложный путь от философских размышлений до строгих научных теорий, основанных на эмпирических данных и экспериментальных исследованиях.

Упражнение №11. Тестовое задание для закрепления материала по теме «4.1. История развития эволюционной теории». Включены вопросы разной сложности – от лёгких до очень сложных – с задачами для самопроверки и отработки знаний.

Тестовое задание по теме: «4.1. История развития эволюционной теории»

Лёгкие вопросы (1—3):

Кто из ученых впервые предложил концепцию «естественного отбора» как механизма эволюции?

a) Жан-Батист Ламарк

b) Чарльз Дарвин

c) Грегор Мендель

d) Луи Пастер

Какое из следующих утверждений соответствует учению Жан-Батиста Ламарка?

a) Все виды являются неизменными и не подвержены эволюции.

b) Эволюция происходит в результате случайных изменений, которые фиксируются в потомстве.

c) Приспособления, полученные организмами в течение их жизни, передаются по наследству.

d) Эволюция происходит исключительно через естественный отбор.

Какую роль сыграл «Генетический дрейф» в развитии эволюционной теории?

a) Был частью идеи Дарвина

b) Представляет собой случайные изменения в частотах генов в популяции

c) Был предложен только в XX веке как дополнение к теории естественного отбора

d) Влиял только на выживание видов

Средняя сложность (4—6):

Какой ученый первым предположил, что все виды живых существ происходят от общего предка?

a) Чарльз Дарвин

b) Луи Пастер

c) Альфред Рассел Уоллес

d) Жан-Батист Ламарк

Какая концепция Ламарка не нашла подтверждения в ходе дальнейших научных исследований?

a) Природа эволюции основана на изменениях, происходящих по наследству

b) Видовые изменения происходят в процессе использования или неиспользования органов

c) Эволюция происходит только через естественный отбор

d) Приспособления, полученные в жизни, могут передаваться потомству

Как называется процесс, при котором виды изменяются в ответ на изменения окружающей среды, передавая эти изменения потомству, согласно Дарвину?

a) Искусственный отбор

b) Естественный отбор

c) Ламаркизм

d) Генетическая мутация

Сложные вопросы (7—9):

Какое научное открытие сыграло ключевую роль в развитии современной синтетической теории эволюции?

a) Открытие генетики Грегора Менделя

b) Формулировка законов наследственности Чарльза Дарвина

c) Обнаружение микробов Луи Пастером

d) Открытие биосинтеза белков

Какая из следующих концепций не относится к синтетической теории эволюции?

a) Естественный отбор

b) Генетическая мутация

c) Интеллектуальное развитие человека

d) Популяционные колебания

Какая роль в теории Дарвина отводится случайным мутациям?

a) Мутации являются единственным источником изменений в организме

b) Мутации могут быть полезными или вредными и влиять на выживание вида

c) Мутации не имеют значения в процессе эволюции

d) Мутации – это результат вмешательства человека в природу

Очень сложные вопросы (10—12):

В каком из следующих случаев наблюдается пример «приспособительной радиации»?

a) Размножение бактерий в лабораторных условиях

b) Разнообразие видов галápагосских вьюрков у Дарвина

c) Гибель динозавров в конце мелового периода

d) Эксперименты с наследственностью у дрозофил

Какая из форм эволюции отличается от естественного отбора тем, что изменения в популяции происходят случайным образом, без влияния внешней среды?

a) Генетический дрейф

b) Искусственный отбор

c) Параллельная эволюция

d) Приспособительная радиация

Какое из следующих утверждений верно в контексте современного понимания эволюции?

a) Эволюция всегда происходит через улучшение видов и адаптацию к внешней среде

b) Эволюция – это только результат естественного отбора и борьбы за выживание

c) Эволюция включает различные процессы, такие как генетические мутации, естественный отбор и дрейф генов

d) Эволюция направлена исключительно на улучшение выживаемости вида и всегда фиксирована

Задачи для самопроверки:

Задача (лёгкая): Изучив работы Чарльза Дарвина, выбери правильное утверждение:

а) Все организмы, независимо от их видов, всегда равны по своим возможностям в природе.

б) Природный отбор является механизмом, который объясняет, как одни виды выживают, а другие исчезают.

в) Эволюция происходит исключительно за счёт адаптаций, приобретённых в жизни организма.

Задача (средняя сложность): В процессе исследования популяции черепах на одном из островов в Тихом океане учёные заметили, что после изменения климата несколько поколений черепах стали иметь более короткие шеи, что позволяло им проще находить пищу в новой среде. Какой из механизмов эволюции мог привести к этому явлению?

а) Приспособление к окружающей среде

б) Генетический дрейф

в) Естественный отбор

Задача (сложная): Ученые исследуют популяцию мышей, которая с течением времени меняет свою окраску с тёмной на светлую. В каких условиях этот процесс эволюции может быть результатом естественного отбора, а не случайных мутаций?

а) Если в популяции было много тёмных мышей, а изменение окраски помогает выжить в изменяющемся климате

б) Если белые мыши случайно стали более заметными для хищников

в) Если изменяется только поведение мышей, но не их окраска

Задача (очень сложная): В ходе исследования популяции голубых рыб, в которой наблюдается высокая генетическая вариативность, учёные обнаружили, что некоторые особи начинают размножаться в более позднем возрасте. Какое из следующих утверждений верно в контексте эволюционной теории?

а) Это может быть примером естественного отбора, так как старшие особи выживают лучше в сложных условиях.

б) Это скорее всего случайная мутация, не влияющая на приспособленность.

в) Это может быть результатом генетического дрейфа в изолированной популяции.

Тест включает вопросы и задачи на проверку понимания основных концепций эволюции и её исторического развития, от ранних идей до современных теорий.

4.2. Механизмы естественного отбора

Естественный отбор является одним из ключевых механизмов эволюции, предложенных Чарльзом Дарвином. Этот процесс представляет собой постепенное изменение частот аллелей генов в популяции под воздействием внешних факторов среды. Теория естественного отбора основывается на том, что организмы с наиболее выгодными для выживания признаками имеют больше шансов передать свои гены следующему поколению.

Основные принципы естественного отбора

– Генетическая изменчивость: Для того чтобы естественный отбор мог действовать, необходимо наличие генетической вариабельности среди особей одного вида. Это может быть обусловлено мутациями, рекомбинацией генов при половом размножении и другими факторами.

– Конкуренция за ресурсы: Организмы конкурируют между собой за ограниченные ресурсы (пищу, территорию, партнеров для размножения). Эта конкуренция создает давление отбора, которое приводит к выживанию наиболее приспособленных особей.

– Выживание сильнейших: Особи, обладающие признаками, которые лучше всего подходят для данной среды обитания, имеют больше шансов выжить и оставить потомство. Эти признаки могут включать в себя способность быстро бегать от хищников, находить пищу, защищаться от болезней и т. д.

– Передача признаков следующим поколениям: Выжившие особи передают свои гены своим потомкам. Таким образом, полезные признаки накапливаются в популяции, а вредные постепенно исчезают.

– Адаптация: Естественный отбор ведет к адаптации организмов к окружающей среде. Адаптации могут проявляться как в физических признаках (например, форма клюва у птиц), так и в поведении (например, миграция животных).

Важные биологические термины:

– Аллели: Различные формы одного и того же гена, расположенные на одном и том же месте хромосомы. Аллели определяют различные варианты проявления признака.

– Мутация: Случайное изменение в последовательности ДНК, приводящее к изменению генетического кода. Мутации являются источником генетической изменчивости.

– Рекомбинация: Процесс обмена участками гомологичных хромосом во время мейоза, который также способствует увеличению генетической разнообразия.

– Фенотип: Набор всех наблюдаемых характеристик организма, включая его внешний вид, поведение и биохимические свойства. Фенотип определяется взаимодействием генотипа и окружающей среды.

– Генотип: Совокупность всех генов организма. Генотип определяет потенциальные возможности развития фенотипических признаков.

– Популяция: Группа особей одного вида, живущих в одной местности и способных скрещиваться друг с другом.

– Эволюционное преимущество: Признак или свойство, которое увеличивает шансы организма на выживание и размножение в конкретной среде обитания.

Примеры действия естественного отбора

– Пестрые бабочки березовой пяденицы: Классический пример естественного отбора. Темные бабочки были более заметны на светлых стволах деревьев и становились легкой добычей для птиц. С увеличением загрязнения воздуха деревья стали темнее, и темные бабочки получили эволюционное преимущество, поскольку их было труднее заметить.

– Развитие устойчивости к антибиотикам у бактерий: Бактерии, обладающие устойчивостью к определенным антибиотикам, имеют больше шансов выжить и размножиться в условиях применения этих препаратов. Со временем такие бактерии становятся доминирующими в популяции.

Вывод

Механизм естественного отбора играет ключевую роль в процессе эволюции, обеспечивая адаптацию видов к меняющимся условиям среды. Он основан на конкуренции за ресурсы, передаче полезных признаков последующим поколениям и накоплении генетической информации, способствующей выживанию. Понимание этого механизма помогает объяснить разнообразие жизни на Земле и предсказывать возможные направления эволюции в будущем.

Упражнение №12. Тест по теме «4.2. Механизмы естественного отбора»

Лёгкий уровень

Вопрос: Кто является автором теории естественного отбора?

а) Грегор Мендель

б) Жан-Батист Ламарк

в) Чарльз Дарвин

г) Карл Линней

Вопрос: Как называется процесс, при котором организмы с благоприятными признаками имеют больше шансов на выживание?

а) Мутация

б) Естественный отбор

в) Изоляция

г) Генетический дрейф

Задача: Выберите правильное утверждение о естественном отборе:

а) Естественный отбор всегда приводит к появлению новых видов.

б) Естественный отбор действует на уровень генофонда всей популяции.

в) Естественный отбор зависит от желания организмов измениться.

г) Все признаки равнозначны для выживания.

Средний уровень

Вопрос: Какие из перечисленных факторов могут способствовать естественному отбору?

а) Климатические изменения

б) Изменения в среде обитания

в) Введение новых хищников

г) Все вышеперечисленное

Вопрос: Что из перечисленного НЕ является примером действия естественного отбора?

а) Уменьшение размера популяции из-за катастрофы

б) Развитие камуфляжа у насекомых

в) Увеличение устойчивости бактерий к антибиотикам

г) Улучшение плавательных способностей у рыб

Задача: В популяции бабочек встречаются два типа окраски: тёмная и светлая. После загрязнения леса тёмные бабочки стали встречаться чаще. Какой вид отбора описан в примере? Объясните свой ответ.

Сложный уровень

Вопрос: Какие типы естественного отбора существуют? Укажите три основных и дайте краткое описание каждого.

Вопрос: Объясните, как мутации влияют на механизм естественного отбора.

Задача: В популяции рыб встречаются особи, способные откладывать разное количество икринок. Выживают только те, которые откладывают 200—500 икринок, а остальные численно сокращаются. Какой тип отбора проявляется в этом случае?

Очень сложный уровень

Вопрос: Почему естественный отбор не всегда приводит к появлению «совершенных» организмов? Приведите минимум два примера из природы.

Задача: Представьте, что в течение нескольких поколений в популяции птиц наблюдается увеличение длины клюва. Дайте научное объяснение возможным причинам такого изменения с точки зрения естественного отбора.

Научная задача: Исследователь изучает популяцию бактерий. После добавления антибиотика в среду обитания выжили только 10% популяции. Через несколько поколений бактерии становятся устойчивыми к этому антибиотику. Опишите механизм, объясняющий это явление, и дайте прогноз на дальнейшую эволюцию этой популяции.

Инструкция для учащихся:

Ответьте на вопросы теста, запишите свои ответы и решения. Вопросы на уровне сложности «средний» и выше требуют обоснования и логического объяснения. Проверьте свои ответы с помощью учебника или преподавателя.

4.3. Видообразование

Видообразование – это процесс формирования новых биологических видов в результате эволюции. Этот процесс включает изменения генетической структуры популяций, которые приводят к возникновению репродуктивной изоляции между ними.

Для понимания видообразования важно рассмотреть несколько ключевых понятий:

– Биологический вид: Группа организмов, способных скрещиваться друг с другом и давать плодовитое потомство. Виды обычно отличаются от других видов по ряду признаков, включая морфологические, физиологические и поведенческие особенности.

– Репродуктивная изоляция: Состояние, при котором два вида не могут скрещиваться и производить плодовитое потомство. Это может быть вызвано различными факторами, такими как географическая изоляция, различия во времени размножения, различие в поведении при спаривании и т. д.

– Аллопатрическое видообразование: Процесс образования нового вида, который происходит, когда популяция разделяется на две или более изолированные группы (например, вследствие географических барьеров). Эти группы со временем эволюционируют независимо друг от друга, что приводит к формированию новых видов.

– Симпатрическое видообразование: Образование новых видов внутри одной и той же области обитания без физической изоляции. Симпатрическое видообразование часто связано с адаптацией к различным экологическим нишам или изменениям в поведении при размножении.

– Полиплоидия: Увеличение числа хромосомных наборов у организма. Полиплоидные организмы могут возникать в результате гибридизации между видами и часто обладают новыми признаками, отличающими их от родительских форм.

– Гибридизация: Скрещивание двух разных видов, приводящее к образованию гибрида. Гибриды могут обладать характеристиками обоих родителей, но они часто бесплодны или имеют сниженную жизнеспособность.

– Адаптация: Приспособление организма к условиям окружающей среды. Адаптации могут включать изменения в анатомии, физиологии или поведении, которые повышают шансы на выживание и размножение.

– Естественный отбор: Механизм эволюции, согласно которому особи с наиболее благоприятными для данной среды обитания признаками имеют больше шансов выжить и передать свои гены следующему поколению.

– Мутационный процесс: Случайные изменения в генах, которые могут привести к появлению новых признаков. Мутации являются основным источником генетического разнообразия, необходимого для естественного отбора.

– Генетический дрейф: Случайное изменение частоты аллелей в популяции, которое может привести к фиксации определенных генотипов и фенотипов.

– Половая селекция: Форма естественного отбора, при которой выбор партнера для размножения определяется предпочтениями одного пола к признакам другого пола. Половая селекция играет важную роль в формировании вторичных половых признаков.

– Конвергентная эволюция: Независимое развитие сходных признаков у различных видов, обитающих в схожих условиях. Конвергенция свидетельствует о том, что определенные адаптации могут быть особенно выгодными в определенной среде.

– Дивергентная эволюция: Разделение одного вида на два или более видов, каждый из которых приспособлен к своей экологической нише. Дивергенция ведет к увеличению биоразнообразия.

– Филогенез: История развития и эволюции видов. Филогенетические деревья показывают родственные связи между видами и помогают понять пути эволюции.

– Эндемики: Виды, встречающиеся только в одном определенном регионе. Эндемичные виды часто возникают в результате длительной изоляции и адаптации к уникальным условиям данного региона.

– Экологическая ниша: Место и роль вида в экосистеме, включающее его пищевые предпочтения, местообитание, поведение и взаимодействие с другими видами.

– Миграция: Перемещение особей или групп особей из одной местности в другую. Миграции могут способствовать распространению видов и созданию новых популяций.

– Викариантное видообразование: Образование новых видов в результате замещения одного вида другим в ходе конкуренции за ресурсы.

– Коэволюция: Совместная эволюция двух или более видов, взаимодействующих друг с другом. Примером коэволюции является взаимовыгодное сосуществование растений и опылителей.

– Фенотип: Набор внешних и внутренних характеристик организма, определяемых его генотипом и условиями окружающей среды.

– Генотип: Совокупность всех генов организма, определяющая его наследственность.

– Популяционная генетика: Наука, изучающая распределение и динамику генетической изменчивости в популяциях.

– Кладогенез: Ветвящаяся модель эволюции, при которой один предковый вид делится на два или более дочерних вида.

– Анагенез: Линейный путь эволюции, при котором один вид постепенно изменяется, не образуя новые ветви.

– Макроэволюция: Долгосрочные эволюционные процессы, ведущие к образованию новых таксонов выше уровня вида.

– Микроэволюция: Эволюционные процессы, происходящие на уровне популяций и ведущих к изменению частот аллелей и фенотипов.

– Прерывистый равновесие: Теория, предполагающая, что эволюция происходит скачками, чередующимися с длительными периодами стабильности.

– Гомологичные органы: Органы, имеющие общее происхождение, но выполняющие разные функции. Например, крыло птицы и передняя лапа кошки гомологичны, так как происходят от общего предка.

– Аналогичные органы: Органы, выполняющие одинаковые функции, но развившиеся независимо у разных видов. Пример аналогичного органа – крылья птиц и насекомых.

– Стабилизирующий отбор: Форма естественного отбора, которая поддерживает стабильность признака в популяции, устраняя крайние варианты.

– Направленный отбор: Форма естественного отбора, при которой преимущество получают особи с определенными отклонениями от среднего значения признака.

– Дизруптивный отбор: Форма естественного отбора, при которой особи с промежуточными значениями признака оказываются менее успешными, чем те, кто имеет экстремальные значения.

– Ассортативное скрещивание: Склонность особей выбирать партнеров для размножения с похожими или противоположными признаками.

– Инбридинг: Скрещивание близких родственников, ведущее к уменьшению генетического разнообразия и повышению вероятности проявления рецессивных аллелей.

– Эффект основателя: Уменьшение генетического разнообразия новой популяции из-за того, что она была основана небольшим числом особей.

– Эффект бутылочного горлышка: Резкое сокращение численности популяции, ведущее к потере генетического разнообразия и усилению инбридинга.

– Фенотипическая пластичность: Способность организма изменять свой фенотип в ответ на изменения условий окружающей среды.

– Генетический полиморфизм: Наличие нескольких альтернативных форм гена (аллелей) в популяции.

– Идиоадаптация: Специфическая адаптация вида к определенным условиям среды, обеспечивающая ему конкурентное преимущество.

– Параллельная эволюция: Независимая эволюция сходных признаков у разных видов, имеющих общего предка.

– Преадаптация: Признак, изначально возникший для выполнения одной функции, но впоследствии оказавшийся полезным для другой функции.

– Экспатация: Использование существующего признака для новой функции, отличной от первоначальной.

– Экологическое вытеснение: Замещение одного вида другим в результате конкуренции за ресурсы.

– Синдром основателя: Комплекс признаков, характерных для небольшой группы особей, основавших новую популяцию.