Глобальные катастрофы и эволюция жизни

Геологические эры и эволюция жизни

Под влиянием эволюционной теории и геологам пришлось пересмотреть свои представления  об истории нашей планеты. Органический мир развивался в течение миллиардов лет вместе с той средой, в которой  ему приходилось существовать, т. е. вместе с Землей. Поэтому эволюцию жизни невозможно понять без эволюции Земли, и наоборот. Брат А.О. Ковалевского Владимир Ковалевский (1842–1883) положил  эволюционную теорию в основу палеонтологии – науки об ископаемых организмах.

Первые  следы органических остатков геологи  обнаруживают уже в древнейших отложениях, относящихся к протерозойской геологической эре, охватывающей огромный промежуток времени – 700 млн лет. Земля в тот период была почти сплошь покрыта океаном. В нем обитали бактерии, простейшие водоросли, примитивные морские животные. Эволюция тогда шла настолько медленно, что проходили десятки миллионов лет, пока органический мир сколько-нибудь заметно изменялся (рис. 7.12).

В палеозойскую эру (продолжительностью около 365 млн лет) эволюция всего живого шла уже более быстрыми темпами. Образовались большие пространства суши, на которой появились наземные растения. Особенно бурно развивались папоротники: они образовали гигантские дремучие леса. Морские животные тоже усовершенствовались, что привело к образованию огромных панцирных рыб. В каменноугольном (карбоновом) периоде, на который падает расцвет палеозойской фауны и флоры, уже появились земноводные. А в пермский период, завершавший палеозойскую эру и начинавший мезозойскую (она удалена от нас на 185 млн лет), – пресмыкающиеся.

Еще быстрее животный и растительный мир Земли стал развиваться в мезозойскую эру. Уже в самом ее начале пресмыкающиеся стали господствовать на суше. Появились и первые млекопитающие – сумчатые. Всеобщее распространение получили хвойные деревья, возникли разнообразные птицы и млекопитающие.

Около 70 млн лет назад наступила кайнозойская эра. Виды млекопитающих и птиц продолжали совершенствоваться. В растительном мире главенствующая роль перешла к цветковым. Сформировались виды  животных и растений, которые обитают на Земле и сейчас.

С возникновением человека около 2 млн лет назад начинается нынешний период кайнозойской эры – четвертичный, или антропоген. Человек – в геологическом масштабе времени – совершенный младенец. Что такое 2 млн лет для природы! Это чрезвычайно малый срок. Наиболее значительным событием в кайнозойской эре – стало возникновение большого числа культурных растений и домашних животных. Все они – результат творческой деятельности человека – разумного существа, способного к целенаправленной деятельности.

Если  Дарвин, разрабатывая теорию эволюции, изучал опыт селекционеров, то вооруженные  научной теорией селекционеры научились  выводить новые сорта значительно  быстрее и целенаправленнее. Здесь  особая роль принадлежит российскому  ученому Н.И. Вавилову (1887–1943), разработавшему учение о происхождении культурных растений. Эволюция живого продолжается, но уже под влиянием человека.

Мы  знаем теперь, что целесообразность органических форм – это не нечто  наперед данное, а результат долгого  и сложного процесса развития материи, и, следовательно, целесообразность органических форм относительна. Человек теперь активно изменяет живую природу. Возрастающее вмешательство человека в природные процессы порождает  новые серьезные проблемы, которые  могут быть решены лишь при условии, что сам человек возьмет на себя заботу об окружающей природе, о  сохранении тех тонких соотношений  в биосфере, которые сложились в ней за миллионы лет эволюции жизни на Земле.

Учение  о биосфере было создано замечательным  ученым В. И. Вернадским (1863–1945). Под  биосферой ученый понимал ту тонкую оболочку Земли, в которой все  процессы протекают под прямым воздействием живых организмов. Биосфера объединяет верхние оболочки Земли – литосферу, гидросферу и атмосферу – и  играет важнейшую роль в обмене веществ  между ними. Огромные количества кислорода, углерода, азота, водорода и многих других элементов постоянно проходят через живые организмы Земли. В. И. Вернадский показал, что нет  практически ни одного элемента в  таблице Менделеева, который не включался  бы в живое вещество планеты и  не выделялся из него при его распаде. Поэтому лик Земли как небесного  тела фактически сформирован жизнью. Вернадский впервые показал, какую  решающую геологическую роль играло на нашей планете живое вещество.

Вернадский  акцентировал внимание и на огромной геологической роли человека. Он показал, что будущее биосферы – это ноосфера, т. е сфера разума. Ученый верил в силу человеческого разума, верил в то, что, все активнее вторгаясь в природные эволюционные процессы, человек сумеет направить эволюцию живого таким образом, чтобы сделать нашу планету еще прекраснее и богаче.

Соединение  дарвинизма с генетикой началось в 20-е годы нашего столетия. Объединение  этих направлений между собой  стало основой современного дарвинизма, или синтетической теории эволюции.

Первоначальная теория эволюции Дарвина в дальнейшем подверглась значительным уточнениям, дополнениям и исправлениям. Генетика привела к новым представлениям об эволюции, получившим название неодарвинизма, который можно определить как теорию органической эволюции путем естественного отбора признаков, детерминированных генетически. Другое общепринятое название неодарвинизма - синтетическая, или общая, теория эволюции. В ней элементарной единицей эволюции служит популяция, поскольку именно в ее рамках происходят наследственные изменения генофонда. Кроме того, механизм эволюции стал рассматриваться как состоящий из двух частей:

1. случайные мутации на генетическом  уровне;

2. наследование наиболее удачных  с точки зрения приспособления  к окружающей среде мутаций,  т. к. их носители выживают  и оставляют потомство.

Становление теории началось с созданной в 1926 году С. С. Четвериковым популяционной  генетики. Из его работ стало ясно, что отбору подвергаются не отдельные  признаки и отдельные особи, а  генотип всей популяции. Через фенотипические признаки отдельных особей осуществляется отбор генотипов популяции, ведущий  к распространению полезных изменений. Затем в создание новой теории включились около 50 ученых из восьми стран, их коллективными трудами и была создана синтетическая теория эволюции (СТЭ).

Структурно  СТЭ состоит из теорий микро- и  макроэволюции. Теория микроэволюции изучает необратимые преобразования генетико-экологической структуры популяции, которые могут привести к формированию нового вида. Реально вид существует в виде популяций. Именно популяция является элементарной единицей эволюции.

Теория  макроэволюции изучает происхождение  надвидовых таксонов (семейств, отрядов, классов и т.д.), основные направления и закономерности развития жизни на Земле в целом, включая возникновение жизни и происхождение человека как биологического вида. Изменения, которые изучаются в рамках микроэволюции, доступны непосредственному наблюдению, тогда как макроэволюция происходит на протяжении длительного исторического периода времени и поэтому ее процесс может быть только реконструирован задним числом. Но макро- и микроэволюция происходят в конечном итоге под воздействием изменений в окружающей среде.

Сегодня биологами, изучающими микро- и макроэволюцию, накоплено достаточно материалов, которые  можно систематизировать в виде основных положений СТЭ:

1. Главный движущий фактор эволюции - естественный отбор как следствие  конкурентных отношений борьбы  за существование, особенно острой  внутри вида или популяции.  Факторами видообразования являются  также мутационный процесс (мутации  разных типов), дрейф генов (генетико-автоматические  процессы) и различные формы изоляции.

2. Эволюция протекает дивергентно  (т. е. в сторону расхождения  признаков), постепенно, через отбор  мелких случайных мутаций. Новые  формы могут образо­вываться через крупные наследственные изменения (сальтации). Их жизненность также определяется отбором.

3. Эволюционные изменения случайны  и ненаправлены. Исходным материалом для эволюции являются мутации разного типа. Сложившаяся исходная организация популяции и последовательные изменения условий среды ограничивают и канализируют наследственные изменения в направлении не­ограниченного прогресса.

4. Макроэволюция, ведущая к образованию  надвидовых групп, осуществляется через процессы микроэволюции и каких-либо особых механизмов возникновения новых форм жизни не имеет.

Н.В. Тимофеев-Ресовский сформулировал  положение об элементарных явлениях и факторах эволюции:

1. элементарная эволюционная структура  - популяция; 

2. элементарное эволюционное явление  - изменение генотипического состава  популяции;

3. элементарный эволюционный материал - генофонд популяции;

4. элементарные эволюционные факторы  - мутационный процесс, «волны  жизни», изоляция, естественный отбор.

Оказалось, что популяция в качестве элементарной структуры должна реально существовать в природных условиях и быть способной  изменяться с течением времени. Популяция - это совокупность особей данного  вида, занимающих территорию внутри ареала вида, свободно скрещивающихся между  собой и частично или полностью  изолированных от других популяций. В свою очередь элементарным эволюционным явлением считаются наследственные изменения популяций, в результате спонтанных мутации, представляющих собой гетерогенную смесь различных генотипов. Изменения эти тем отчетливее, чем более интенсивно и длительно воздействие факторов, их вызывающих. В результате происходит изменение генофонда или генотипического состава популяции.

Еще одно требование к популяциям, выступающим  в качестве единиц эволюции, - способность  трансформироваться в элементарный эволюционный материал. А это осуществимо  при следующих условиях:

1. у всех особей, составляющих популяцию,  должны происходить наследственные  изменения материальных единиц;

2. эти изменения должны затрагивать  все свойства особей, вызывая  их отклонения от исходных;

3. они должны затрагивать биологически  важные свойства особей;

4. изменения эти должны быть  четко выражены у популяций,  обитающих в природных условиях;

5. часть таких изменении должна «выходить» на историческую арену эволюции, участвуя в образовании таксонов низшего ранга;

6. скрещивающиеся таксоны должны  различаться наборами и комбинациями  элементарных единиц наследственной  изменчивости.

Согласно  постулатам СТЭ, требованиям элементарного  эволюционного материала удовлетворяют  различного рода мутации. К их числу  относят генные, хромосомные, геномные мутации. Чтобы мутации служили  материалом эволюции, необходимы: достаточная  частота возникновения мутации, четкость в проявлении мутантных  признаков и четко выраженная биологическая значимость этих признаков, генетические различия между природными таксонами. Не менее важны и так называемые элементарные эволюционные факторы, воздействующие на количественные соотношения генов конкретной популяции.

Такого  рода факторы должны удовлетворять  следующим требованиям:

1. быть поставщиком элементарного  эволюционного материала, необходимого  для проявления элементарного  эволюционного явления - изменения  генотипического состава популяции; 

2. расчленять исходную популяцию  на две или несколько, разделенные  различными изоляционными барьерами;

3. создавать внутрипопуляционные  барьеры;

4. вызывать адаптивные изменения.

Первый  фактор, удовлетворяющий вышеназванным  требованиям, это мутационный процесс, одновременно являющийся и поставщиком  элементарного эволюционного материала. Но сам по себе этот фактор не способен оказывать направляющее воздействие  на эволюционный процесс. Для этого  нужен второй фактор - популяционные  волны, или «волны жизни», - количественные колебания в численности популяций  под воздействием различных причин - сезонной периодики, климатических, природно-катастрофических и пр.

Эволюционная  роль «волн жизни» проявляется в  двух планах. Во-первых, в изменении  частот генов в популяциях, приводящем к снижению наследственной изменчивости. Процесс этот, названный американским генетиком С. Райтом «дрейфом генов», а Н. П. Дубининым - «генетико-автоматическим процессом», всегда имеет место при  резком снижении численности популяции. Генотипически это сопровождается увеличением гомозиготности, что связано с увеличением числа близкородственных скрещивании. Другое проявление «волн жизни» сводится к изменениям в концентрации различных мутаций, а также к уменьшению разнообразия генотипов, содержащихся в популяции. А это в свою очередь может привести к изменениям направленности и интенсивности действия отбора.

Третий  элементарный эволюционный фактор - это  изоляция. Нарушая свободное скрещивание, изоляция закрепляет возникшие как  случайно, так и под действием  отбора различия в наборах и численности генотипов в изолированных частях популяции. Различают два типа изоляции: территориально-механическую, или пространственно-географическую, и биологическую, или репродуктивную. Смысл первой ясен из названия. Биологическая же изоляция имеет пять форм: этологическую (различия в поведении особей), экологическую (различия в предпочтении разных мест обитания), сезонную (различия в сроках размножения), морфологическую (различия в размерах, структуре как всего тела организма, так и отдельных его органов), генетическую (различия наследственного аппарата, приводящие к несовместимости половых клеток). Общим итогом изоляции является возникновение независимых генофондов двух популяций, которые в итоге могут трансформироваться в самостоятельные виды.