Основы эволюцииКаким образом воспроизводятся организмы, как они передают свои признаки потомству, узнали только недавно. В XVII веке думали, что внутри человеческого спермия сидит маленький человечек, который вдруг почему-то начинает расти, лишь только спермий оказывается в яйцеклетке. Один ученый даже утверждал, что наблюдал этого человечка в свой микроскоп.

Наши современные микроскопы позволяют увидеть, как на самом деле работает аппарат наследственности. Он, этот внутриклеточный аппарат, состоит из набора палочек и нитей, называемых хромосомами. В каждой хромосоме, как бусины на нитке, выстроились в ряд гены — они-то и есть единицы наследственности. У каждого гена своя особая задача и свое особое место в одной из хромосом.

Большинство клеток тела имеет по два набора хромосом и генов: один набор получен от отца, другой от матери. Деление клетки на две совершается путем митоза: каждая хромосома делится на две совершенно одинаковые новые хромосомы, так что каждой из дочерних клеток достаются в наследство такие же хромосомы и гены, какие были у материнской клетки. Митотическое деление приводит только к увеличению числа клеток, а наборы хромосом (и, следовательно, генов) остаются неизменными.

Но бывает другой, двуступенчатый, процесс деления, приводящий к образованию гамет. Этот процесс называют мейозом, или редукционным делением: клетка делится, а хромосомы нет. В результате число хромосом уменьшается вдвое — каждая гамета содержит не два набора хромосом, как другие клетки тела, а только один. Если бы не было мейоза, то после оплодотворения (слияния гамет) в клетке стало бы не два, а четыре набора хромосом, и с каждым новым поколением число хромосом удваивалось бы. Но мейоз этого не допускает, и после слияния мужской и женской гамет всякий раз опять восстанавливается нормальный (двойной) набор хромосом.

У каждого вида животных и растений свое число хромосом в клетке. В клетках плодовой мушки-дрозофилы по 8 хромосом (по 4 в каждом из двух наборов). В клетках человека 48 хромосом. Есть речной рак, у которого их 208. У кошки — 16. Но каким бы ни было число хромосом, оно всегда одинаково во всех клетках того или иного животного или растения.

Важно, что каждый ген благодаря мутациям может существовать в нескольких разных формах. Так, у плодовой мушки-дрозофилы в результате мутаций глаза из красных становятся белыми. Это изменение вызывается мутацией одного из генов Х-хромосомы (икс-хромосомы). Х-хромосома определяет и пол мушки: если в клетках организма две Х-хромосомы, то получается самка, а если только одна и парой для нее служит неактивная Y-хромосома (игрек-хромосома), то получается самец. Итак, Y-хромо-сома может быть только у самцов, а Х-хромосомы есть и у самцов, и у самок (у первых — одна, у вторых — две).

Ген «белоглазия» относится к таким, которые называют рецессивными. Это значит, что он не может оказать своего действия, если в клетке есть его партнер — ген «красноглазия».

Зная все это, нетрудно понять, что произойдет, если красноглазого самца спарить с белоглазой самкой. В результате мейоза в половине спермиев (гамет самца) окажется Х-хромосома с «красным» геном, в другой половине — Y-хромосома, в которой нет ни «красного», ни «белого» генов. Спермин сливаются с яйцеклетками, гаметами самки, а они все содержат Х-хромосому и, следовательно, «белый» ген. Понятно, что в потомстве все мушки-дочери будут красноглазыми, а все сыновья — белоглазыми.

Попробуйте рассчитать, и вы убедитесь, что если красноглазых самок и белоглазых самцов первого поколения спарить между собой, то во втором поколении получатся самки и самцы как с красными, так и с белыми глазами.

У видов, которые размножаются только бесполым путем, организм может получить по наследству лишь ту комбинацию генов, которая была у родительской особи; в этом случае единственный источник изменений — мутации. Но у видов, имеющих половое размножение, мутантные гены от разных родителей могут сочетаться самыми разными способами. В результате подобной рекомбинации генов возникает дополнительный источник изменчивости, а заодно и новые возможности для эволюции.

Гены существуют в клетках организма в двух разных формах й передаются от клетки клетке только в составе хромосом. При мейозе разные формы гена неизменно разводятся по разным гаметам. Когда происходит слияние гамет при оплодотворении, могут возникнуть совсем новые сочетания генов, а следовательно, и новые признаки.

Аппарат хромосом и генов устроен так замечательно, что он обеспечивает и постоянство признаков, присущих данному виду, и большую изменчивость в пределах этого постоянства. Не всякие изменения признаков наследуются. Например, никогда не наследуются увечья. Было время, когда думали, что могут наследоваться так называемые «благоприобретенные признаки», которые возникают в результате воздействий среды на тело живого организма. Но теперь мы знаем, что это не так. Если выращивать пшеницу или свеклу на плохой почве и удобрять половину участка, растения на этой половине вырастут гораздо крупнее, но их потомство не проявит никакой способности к более быстрому росту. То же касается и людей, мужчин и женщин, которые питаются по-разному.

Проще всего запомнить, что все признаки организма и все их изменения могут определяться или средой, или генами. Те признаки, которые связаны с генами и изменениями генов, наследуются, а те, которые вызваны изменениями среды, не наследуются.

В некоторых случаях нам известен момент, когда генетический признак впервые появляется в природе. Так, например, дикий подсолнечник однажды породил мутацию, отличающуюся большим числом лепестков; потомство этого многолепесткового мутанта и размножил голландский ботаник Гуго де Фриз (1848—1935), основоположник учения о мутациях. Иногда нам удается создавать генетические изменения искусственным путем. Все виды ионизирующего облучения вызывают мутации, то же делает ультрафиолетовый свет. В одном эксперименте у пшеницы, обработанной рентгеновскими лучами, получили семь разных мутаций. У каждого мутанта какой-то признак был измененным: высота и гибкость стебля, или размер

колоса, или число зерен в нем, или остистость. На этот раз ни одна из се-* ми мутаций не оказалась хозяйственно-полезной, но в других экспериментах получали и полезные изменения.

В самом деле, чаще всего мутации неблагоприятны. А иначе и быть не может: ведь генетический аппарат организма обеспечивает существование огромного множества свойств и признаков, которые хорошо пригнаны друг к другу. Изменился один признак — пострадали другие. И лишь иногда мутационное изменение одного из признаков идет организму на пользу и дает ему преимущества перед другими особями вида; тогда мутировавшая форма начинает усиленно размножаться. Так было у червецов с мутантами, устойчивыми к ядохимикатам.

Мутации — случайные изменения какой-то части генетического аппарата, большинство из них бесполезно. Но отбор — искусственный или естественный — отбрасывает бесполезные мутации, выуживая немногочисленные полезные. Мутация — это руда, из которой добывается эволюция, а отбор — способ добычи. Мутации дают кирпичи, отбор же строит здание.

Иногда выпадает счастливая возможность зримо увидеть процесс эволюции. У березовой пяденицы защитная светлая окраска; бабочка совсем сливается с заросшей лишайником древесной корой, на которой сидит днем. У пяденицы есть черный мутант, и было время, когда коллекционеры бабочек охотились за этим мутантом как за большой редкостью. Но где-то в пятидесятых годах XIX века черная форма начала встречаться все чаще и чаще в промышленных районах Западной Европы, и к 1900 году во многих местах черная бабочка стала обычной, а исходная светлая форма редкой.

Тщательно проведенные исследования дали следующие результаты:

1) черная форма возникла в результате мутации только одного гена;

2) черная пяденица — более грубая и невкусная пища для птиц, чем светлая;

3) когда в сельской местности на коре сидят и светлые и черные пяденицы, птицы гораздо чаще склевывают и съедают черных, но на покрытых копотью деревьях промышленных районов жертвой птиц, как правило, становятся светлые бабочки.

В сельской местности светлая окраска спасает пядениц от гибели, хотя они и вкуснее черных. Но в промышленных районах эта окраска уже перестает быть защитной, да вдобавок еще гусеницы черных пядениц оказались менее чувствительными к тем ядам, которые содержатся в копоти. В результате в каждом поколении выживало все больше черных и все меньше светлых бабочек, пока черные не стали «нормальными», а светлые — редкостью. Итак, в сельской местности естественный отбор шел на пользу светлым пяденицам, в промышленной — темным.

Это очень серьезный довод в пользу существования эволюционного процесса: естественный отбор приспосабливает животных и растения к меняющимся условиям среды, потому что он отдает предпочтение формам, которые — генетически — оказываются более приспособленными.

Иногда факты показывают, что эволюция имела место, хотя непосредственно ее никто не наблюдал. Есть такая маленькая птица крапивник; на Шетландских островах, расположенных к северу от Шотландии, крапивники отличаются от тех, которые живут в самой Шотландии. На островах эти птички покрупнее, клювик у них помассивней, окраска потемнее и песня совсем другая. Но нам известно, что в ледниковую эпоху на Шетландских островах не могло быть крапивников, и местная раса могла возникнуть там только после потепления климата, то есть не более 10 ООО лет назад. Чем именно шотландский крапивник оказался лучше приспособленным к местным условиям, мы не знаем, но нам ясно, что здесь происходил эволюционный процесс. Естественный отбор автоматически сохраняет такие мутации и такие генные сочетания, которые дают своим носителям преимущества в борьбе за существование, и на основе этого выбора из поколения в поколение строится наследственная конституция вида. В результате организма постепенно совершенствуются, становятся все более приспособленными к условиям жизни.

Порой результатом совершенствования бывает хорошо заметная адаптация, то есть приспособление к особому образу жизни данного организма. Яркие цветки многих растений — это адаптации: они привлекают насекомых-опылителей, которые переносят пыльцу с тычинок на пестики. Для привлечения насекомых служит и нектар — сладкий сок, выделяемый цветками. Крупные размеры цветков, их броская расцветка — все это для того, чтобы насекомым легче было их увидеть. Иногда на цветках бывают, особые метки, по которым насекомые находят дорогу к нектару, при этом цветок устроен так, что на своем пути к нектару насекомое измазывается в пыльце, а потом той же пыльцой мажет рыльце пестика.

Замечательны адаптации орхидей, обеспечивающие перекрестное опыление, то есть такое опыление, когда пыльца одного цветка попадает на лепестик другого. Засовывая свой хоботок в глубь цветка пятнистого ятрышника, пчела касается головой особого клювика, стенка которого разрывается, обнажая два булавовидных пыльника. Эти мешки, набитые пыльцой, приклеиваются своими липкими подушечками к хоботку, и пчела вытаскивает их из цветка. На воздухе ножки пыльников подсыхают и изгибаются так, что начинают торчать вправо и влево от хоботка. Когда пчела прилетает на другой цветок и пытается просунуть в него хоботок, на пути пыльцевых мешков оказываются два пестика, и часть пыльного просыпается на рыльце. Как все это происходит, нетрудно увидеть собственными глазами, если вместо хоботка пчелы просунуть в цветок орхидеи остро заточенный карандаш.

В природе немало других примеров адаптации. Взять хотя бы животных (или их детенышей, или даже яйца), которые окрашены под цвет окружающей среды, чтобы их нельзя было заметить. А как удивительно приспособлены клювы и ноги разных птиц к образу жизни каждого вида!

Организмы вынуждены адаптироваться к условиям своей среды. Пингвины, например, прекрасно приспособлены для охоты за морскими рыбами — их крылья превратились в сильные весла. Но живут они большими колониями на совершенно открытом месте, зачастую занесенном снегом. Почему пингвины и многие другие беззащитные птицы живут в Антарктике? Только потому, что там нет наземных форм млекопитающих, которые могли бы их истребить. В отличие от Антарктики на далеком севере, в Арктике, обитают хищные наземные животные, например песцы и белые медведи. Потому здесь в процессе эволюции возник всего лишь один вид птиц, неспособных к полету, — бескрылая гагарка. Крылья этой птицы, подобно пингвиньим, превратились в органы, приспособленные для плавания. Размножаться бескрылая гагарка могла только вдали от хищных млекопитающих на удаленных от суши маленьких островах. Последнюю бескрылую гагарку убил в 1844 году самый большой хищник — человек.

Ближе всех других птиц к южному полюсу живут императорские пингвины. Они адаптировались к холоду: стали крупнее (а значит, меньше теряют тепла) и обзавелись кожаной складкой, в которой вынашивают в тепле яйца и птенцов.

Южноамериканские обезьяны живут в бескрайних тропических лесах. У них цепкие хвосты, на которых они повисают на деревьях, а передние и нижние конечности устроены так, чтобы можно было хвататься за ветви и держать какие-нибудь предметы.

В глубине морей совсем темно, поэтому там нет зеленых растений, нет корма, а значит, нет и травоядных животных. Те немногочисленные животные, которые там обитают, вынуждены существовать или за счет погибших организмов, которые падают из верхних слоев воды, или за счет друг друга. У глубоководных хищников, как правило, огромная пасть, большой желудок. Из-за полной темноты животные, обитающие в глубине морей, часто бывают совсем слепыми, а если и имеют глаза, то очень большие. Но у некоторых обитателей глубин есть особые светящиеся органы, с помощью которых можно подавать друг другу сигналы, увидеть или приманить жертву. Чтобы остаться незамеченными, глубоководные животные' обычно окрашены в черный цвет, иногда в темно-красный, который при слабом свете кажется черным. Один из частых обитателей морских глубин — удильщик, или морской черт, известен тем, что привлекает жертву особой светящейся приманкой.

Немало и других поразительных адаптации к среде обитания. Многие лесные животные приспособлены для лазания по деревьям. Животные степей, как правило, — прекрасные бегуны с отличным зрением и слухом. Крупные обитатели поверхностных морских вод — большей частью стремительные пловцы с обтекаемой формой тела: таковы и рыбы, и кальмары, и киты. Напротив, мелкие обитатели обычно неторопливо дрейфуют по морю, вылавливая еще более мелких животных своими щупальцами; некоторые из них приспособились к питанию микроскопическими морскими растениями, которые держатся поближе к поверхности воды. Большинство растений — одноклеточные. Благодаря естественному отбору в каждой среде обитания формируются организмы с особыми, адаптированные именно к этой среде признаками.

Физофора — животное, приспособленное к существованию па самой поверхности морской воды. Это организм, родственный медузам и полипам. Между особями, образующими колонию, существует разделение труда: один особи (пектофоры) пульсируют наподобие колокола медузы, обеспечивая тем самым медленное продвижение всей колонии; через другие она получает пищу. В верхней части у колонии есть пузырь, газом, еще у нее имеются длинные, как щупальца, усеянные гранулами стрекательных клеток. Клетки стрекаются, и парализует жертву, а щупальца окружают добычу и подтягивает ее к многочисленным ртам. К физофоре близок другой вид — португальский кораблик. У этого вида щупальца намного длиннее (20 метров в расправленном состоянии), а стрекательные клетки намного опаснее. У португальского кораблика нектофоров нет, зато наполненный газом пузырь такой большой, что он высовывается из воды, подобно парусу, и ветер гонит кораблик по океану.

Медуза ведет сходный образ жизни, но ее приспособления совсем иные. Медузы не живут колониями, каждая особь делает все сама. Она передвигается благодаря сокращениям крупного уплощенного колокола, по краю колокола имеются щупальца со стрекательными клетками, а на нижней его поверхности — рот.

Известная многим росянка (Drosera) —не единственное растение, которое «поедает» животных, чтобы восполнить потребность в азоте. Имеются и другие подобные растения; у них для той же цели в процессе эволюции развились адаптации, которые приводят к такому же результату, хотя и совсем иным способом. Так, у одного из кувшиноносных растений (Nepenthes) усики на концах листьев превратились в полые кувшинчики, наполненные жидкостью. Она выделяется специальными железистыми клетками и содержит пищеварительный фермент. Края у кувшинчика гладкие и скользкие, потому что там выделяется другая жидкость, напоминающая нектар. Нектар привлекает бегущих мимо насекомых, но их лапки теряют опору на скользком краю кувшинчика — насекомые падают на его дно и тонут в жидкости, которая их переваривает.

Водное растение пузырчатка (Utricularia) ловит водяных блох и прочих мелких рачков в особые пузырьки, у которых есть заслонка. Ткнувшись в нее, рачок открывает ее и попадает внутрь пузырька, но обратно ему уже не вылезти. Он погибает, разлагается, а растворимые продукты разложения поглощаются растением, у которого для этого есть особые микроскопические ворсинки.

Рассматривая адаптации, связанные с какой-то определенной функцией организма, скажем, с питанием, обнаружим, что они оказывают влияние и на другие стороны жизни организма. Морской моллюск — гребешок — добывает себе пищу, фильтруя воду и выцеживая из нее мельчайшие частицы. У гребешка крупные жабры, на которых сидят длинные реснички. Реснички все время движутся, создавая ток воды сквозь решетчатые жабры, и частицы, находящиеся в воде, прилипают при этом к слизи, которая доставляет их в глотку.

Комары кормятся питательной жидкостью, которую они высасывают из других организмов: самцы сосут соки растений, а самки пьют кровь позвоночных. В длинном хоботке комариной самки есть и жало, чтобы проколоть кожу, и особые устройства, придающие хоботку устойчивость при сосании, и тонкая трубочка, по которой высасывается кровь. Комариха выделяет в ранку вещество, препятствующее свертыванию крови.

Слоны питаются растительной нищей. В большинстве случаев у крупных травоядных длинная шея — так им легче доставать пищу. Слоны, эти очень крупные животные, адаптировались иначе: они достают пищу хоботом — удлиненным гибким носом с «пальцем» на конце. Хоботом можно дотянуться и до земли и до древесной кроны. Хоботом можно брать предметы.

Зубы, которыми слон пережевывает пищу, тоже имеют любопытные приспособления. Они огромны, с поперечными пластинками, которые хорошо перетирают грубые части растений. Замечательнее всего, что как только зуб снашивается и выпадает, на его месте появляется новый. Такое

приспособление позволяет животному нормально питаться на протяжении всей его долгой жизни.

Самые различные адаптации к хищному образу жизни встречаются у морских улиток. Часто можно встретить двустворчатых моллюсков с небольшим отверстием на раковине: его просверлила хищная улитка. Язык улитки — длинная терка, усаженная рядами очень мелких роговых зубцов. В задней части рта есть особый карман, в котором нарастают новые части терки взамен стершихся на противоположном конце. Просверлив отверстие в раковине, хищная улитка пожирает живую ткань.

У каждого животного — свои приспособления для питания. У клеста надклювье и подклювье перекрещиваются, чтобы удобнее было щелкать семечки из шишек. Китовый ус — это огромное фильтровальное устройство, которым кит выцеживает рачков и другую мелочь из морской воды. У муравьеда длинный липкий язык, которым он выуживает муравьев и термитов. У бабочек и мотыльков свернутый хоботок, который может распрямляться, когда надо достать нектар из цветка.

Одно усовершенствование может повлечь за собой другое. Адаптация к какому-то одному условию жизни может открыть путь к общему расцвету вида. Наша собственная эволюция — живой тому пример. По-видимому, человек мог произойти только от тех млекопитающих, которые сначала жили на деревьях, а потом спустились на землю. Жизнь на деревьях дала обезьянам хватательную ладонь — такая форма руки оказалась удобной для того, чтобы манипулировать предметами. При древесном образе жизни мать вынуждена таскать детенышей на себе, поэтому постепенно их число сократилось до одного. И эта адаптация имела последствия, важные для эволюции человека. Когда животное рождает много детенышей, то зародыши с замедленным ростом нередко погибают еще до рождения. Когда детеныш один, ничто не мешает ему расти медленно — и до рождения и после. А это значит, что у него больше времени для приобретения жизненного опыта.

Бесхвостые обезьяны передвигаются в древесной кроне, раскачиваясь

на передних лапах и перелетая с ветви на ветвь. В ходе эволюции это вело к тому, что передние конечности становились все более непохожими на задние. Когда древние человекообразные обезьяны спустились с деревьев, рукам уже не нужно было цепляться за ветви, и они развились в органы, целиком предназначенные для манипулирования предметами. Теперь предкам человека нужно было научиться защищать себя от наземных врагов, совместно охотиться на крупную добычу: это способствовало развитию интеллекта, умению общаться друг с другом. А это привело к изготовлению орудий, появилась речь. Стала возможной культурная эволюция.

 


Загрузка...
Яндекс.Метрика Google+