Эволюционная биология развития кратко
Обновлено: 05.07.2024
Эволюционная биология является неотъемлемой частью биологии в целом и теории эволюции организмов, в частности. Эволюционная биология занимается изучением происхождения видов через генетическую вариацию и естественный отбор, а также общего происхождения видов от общих предков.
Хотя концепция эволюции, основанная на трудах Дарвина, восходит к временам публикации его работы "О происхождении видов" в 1859 году, современная эволюционная биология возникла из современного эволюционного синтеза только в 1930-1940-х годах, и только в 1970-х и 1980-х годах университеты начали создавать кафедры с термином "эволюционная биология" в качестве части их названий. Огромное количество ископаемых останков, открытых в начале и середине 20-го века, позволило легко проследить эволюцию многих организмов с течением времени.
Задачи эволюционной биологии
Одна из задач эволюционной биологии - попытка выяснить, когда впервые появились определенные адаптивные особенности и сколько раз они эволюционировали в независимых линиях. Например, эволюционные биологи определили, что раковины эволюционировали по крайней мере в 18 линиях, глаз эволюционировал только один раз, полет эволюционировал четыре раза (насекомые, птерозавры, птицы и летучие мыши), скольжение эволюционировало в десятках случаев, внутренний скелет эволюционировал независимо только один раз, а камуфляж эволюционировал сотни, если не тысячи раз. Чем структурно сложнее данная адаптация, тем реже она развивается независимо.
Эволюционная биология стремится проследить происхождение современных организмов как можно дальше, видя, как они развились из иногда менее сложных прародителей. Например, все современные млекопитающие, как полагают, произошли от небольшой группы мезозойских тетрапод под названием терапсид. Эти животные жили на протяжении всего периода динозавров, полных 180 миллионов лет. Иначе современных млекопитающих не существовало бы. Крупный прорыв в эволюционной биологии произошел, когда, опираясь на ископаемые свидетельства, сложилось общее мнение, что современные птицы произошли от динозавров.
Готовые работы на аналогичную тему
Другая задача эволюционных биологов - решить давние эволюционные загадки, например, происхождение современных амфибий и черепах. В настоящее время неясно, какая древняя группа земноводных породила современных земноводных и происходят ли черепахи от более поздних рептилий или они отделились от рептилий вскоре после того, как группа развилась.
Цели эволюционной биологии
Эволюционная биология преследует две цели:
- открыть историю жизни на земле: то есть определить предка-потомка, отношения между всеми видами, которые когда-либо жили; определить время, когда они возникли и вымерли и определить происхождение и ход изменения их характеристик;
- понять причинные процессы эволюции, то есть понять происхождение наследственные вариации; как различные процессы влияют на судьбу этих вариаций; относительная важность многих взаимодействующих процессов изменения; как быстро происходят изменения; как возникли такие процессы, как мутация, естественный отбор и генетический дрейф; как популяции становятся разными видами.
Практически вся биология держится на этом понимании причин эволюции и, в свою очередь, понимание процессов эволюции информируют каждую область биологии.
Дисциплины эволюционной биологии
Эволюционная биология включает в себя множество дисциплин, которые различаются по своему предмету и методам. Некоторые из основных дисциплин:
Поведенческая эволюция (также называемая поведенческой экологией). Поведенческие эволюционисты изучают эволюцию адаптаций, таких как брачные системы, поведение ухаживания, механизмы побега хищников и сотрудничество. Поведенческие характеристики развиваются во многом так же, как и структурные особенности. Изменения в нервной, гормональной системах и механизмы, лежащие в основе поведения, также являются объектами эволюционного изучения, как и адаптивные различия между видами в памяти, паттернах обучения и других когнитивных процессах, некоторые из них отражаются на различиях в структуре мозга. Поведение, физиология, структура, и картины истории жизни часто развиваются согласованно;
Эволюционная биология развития. Эта область стремится понять эволюционные изменения в процессе, которых переводится генетическая информация, содержащаяся в ДНК организма (его генотип) в его анатомические и другие характеристики (его фенотип). В частности, она направлена на описание изменений на генетическом уровне, которые приводят к изменению характеристик, которые влияют выживание и размножение. Возможно, его величайшее значение заключается в его способности раскрыть степень, в которой процессы развития смещают, ограничивают или облегчают эволюцию фенотип;
Эволюционная экология. Это область рассматривает, как история жизни, питания и другие экологические особенности эволюции видов влияют на состав и свойства сообщества и экосистемы, и как виды эволюционируют в ответ друг на друга;
Эволюционная генетика. Эволюционная генетика (которая включает популяционную генетику) является центральной дисциплиной в изучении эволюционных процессов. Она использует как молекулярный, так и классический генетические методы для понимания происхождения вариации путем мутации и рекомбинации. Описывает закономерности генетической изменчивости внутри и между популяциями и видами и использует как эмпирическое исследование, так и математическую теорию, чтобы обнаружить, как эта вариация влияет на такие процессы, как генетический дрейф, поток генов и естественный отбор. Математическая теория эволюционная генетика необходима для интерпретации генетических вариаций и прогнозирования эволюционные изменения при взаимодействии многих факторов. Она также обеспечивает прочную основу для понимания эволюции специальных классов характеристик, таких как структура генома и история жизни;
Эволюционная палеонтология. Эта область, часто называемая палеобиологией, обращается к крупномасштабным эволюционным закономерностям. В ней рассматриваются происхождение и судьбы родословные, эволюционные тенденции и другие изменения в анатомии во времени. Она также стремится понять физические и биологические процессы и уникальные исторические события, которые сформировались в ходе эволюции.
Эволюционная биология — междисциплинарная область исследований, поскольку она включает в себя как полевые, так и лабораторные направления различных наук. Вклад в эволюционную биологию вносят исследования в таких узкоспециальных областях, как териология, орнитология или герпетология, которые обобщаются для получения ясной картины развития всего органического мира. Палеонтологи и геологи анализируют окаменелости, чтобы получить сведения о темпах и формах эволюции, а популяционная генетика исследует эти же вопросы теоретически. Экспериментаторы используют селекцию дрозофил для лучшего понимания многих проблем эволюционной биологии, например эволюции старения. В 1990-х годах биология развития вернулась в эволюционную биологию после длительного забвения в виде новой синтетической дисциплины — эволюционной биологии развития.
Содержание
История
Эволюционная биология широко использует методы смежных наук. Опыт, накопленный палеонтологией, морфологией, генетикой, биогеографией, систематикой и другими дисциплинами, стал той базой, которая позволила превратить метафизические идеи о развитии живых существ в научный факт. Далее приводится описание различных методов приблизительно в той последовательности, в которой они входили в исследования по эволюции.
Палеонтологические методы
Практически все методы палеонтологии применимы для изучения эволюционных процессов [8] . Наибольшую информацию палеонтологические методы дают о состоянии биосферы на различных этапах развития органического мира вплоть до современности, о последовательности смен флор и фаун. Важнейшие из этих методов: выявление ископаемых промежуточных форм, восстановление филогенетических рядов и обнаружение последовательности ископаемых форм.
Биогеографические методы
Биогеографические методы основаны на анализе распространения ныне существующих видов, что дает информацию о местонахождении очагов происхождения таксонов, путях их расселения, влиянии климатических условий и изоляции на развитие видов. Особое значение имеет изучение распространения реликтовых форм [8] .
Морфологические методы
Морфологические (сравнительно-анатомические, гистологические и др.) методы позволяют на основе сравнения сходств и различий в строении организмов судить о степени их родства. Методы сравнительной анатомии, наряду с палеонтологическими, были одними из первых, позволивших поставить эволюционные представления на рельсы биологической науки.
Молекулярно-генетические методы
В современной эволюционной биологии сосуществует несколько теорий, описывающих эволюционные процессы. Такое сосуществование, хотя и не всегда мирное, объясняется тем, что каждая из теорий уделяет основное внимание ограниченной группе факторов. Так синтетическая теория делает упор на популяционно-генетические процессы, а эпигенетическая — на онтогенетическое развитие. Проблемы, связанные с эволюцией биоценозов как целого, освещает экосистемная теория эволюции, находящаяся в начальной стадии разработки. В то же время теория прерывистого равновесия дает представление о сменах режимов эволюционного процесса, хотя мало что может сказать об их причинах.
Синтетическая теория эволюции
Синтетическая теория в её нынешнем виде образовалась в результате переосмысления ряда положений классического дарвинизма с позиций генетики начала XX века. После переоткрытия законов Менделя (в 1901 г.), доказательства дискретной природы наследственности и особенно после создания теоретической популяционной генетики трудами Р. Фишера (1918—1930), Дж. Б. С. Холдейна-младшего (1924), С. Райта (1931; 1932), учение Дарвина приобрело прочный генетический фундамент.
Нейтральная теория молекулярной эволюции
Сравнительная характеристика теорий филетического градуализма (вверху) с теорией прерывистого равновесия (внизу): прерывистое равновесие достигается за счёт быстрых изменений в морфологии
Теория прерывистого равновесия
В 1972 году палеонтологами Нильсом Элдриджем и Стивеном Гулдом была предложена теория прерывистого равновесия, утверждающая, что эволюция существ, размножающихся половым путём, происходит скачками, перемежающимися с длительными периодами, в которых не происходит существенных изменений. Согласно этой теории, фенотипическая эволюция, эволюция свойств, закодированных в геноме, происходит в результате редких периодов образования новых видов ( Эволюционная биология развития
В последние десятилетия эволюционная теория получила импульс от исследований в области биологии развития. Открытие Экспериментальная эволюционная биология
Тля из подсемейства Опыты Шапошникова
Эксперимент по эволюции E. coli
Уникальный эксперимент по эволюции бактерии Ричарда Ленски в университете штата Мичиган . В процессе эксперимента прослежены генетические изменения, происходившие в 12 популяциях E. coli на протяжении 50 000 поколений. Эксперимент начался 24 февраля 1988 года и продолжается более 20 лет [9] [10]
Эволюционное учение (теория эволюции) — наука, изучающая историческое развитие жизни: причины, закономерности и механизмы. Различают микро- и макроэволюцию.
Микроэволюция — эволюционные процессы на уровне популяций, приводящие к образованию новых видов.
Макроэволюция — эволюция надвидовых таксонов, в результате которой формируются более крупные систематические группы. В их основе лежат одинаковые принципы и механизмы.
Развитие эволюционных идей
Учение Дарвина сводится к следующему:
- каждая особь того или иного вида обладает индивидуальностью (изменчивость);
- черты индивидуальности (хотя и не все) могут передаваться по наследству (наследственность);
- особи производят большее количество потомков, чем доживает до половой зрелости и начала размножения, то есть в природе существует борьба за существование;
- преимущество в борьбе за существование остаётся за наиболее приспособленными особями, которые имеют больше шансов оставить после себя потомство (естественный отбор);
- в результате естественного отбора происходит постепенное усложнение уровней организации жизни и возникновение видов.
Факторы эволюции по Ч. Дарвину — это
- наследственность,
- изменчивость,
- борьба за существование,
- естественный отбор.
На основе дарвинизма перестроились все биологические и многие другие естественные науки.
В настоящее время наиболее общепризнанной является синтетическая теория эволюции (СТЭ). Сравнительная характеристика основных положений эволюционного учения Ч. Дарвина и СТЭ дана в таблице.
Сравнительная характеристика основных положений эволюционного учения Ч. Дарвина и синтетической теории эволюции (СТЭ)
| Признаки | Эволюционная теория Ч. Дарвина | Синтетическая теория эволюции (СТЭ) |
| Основные результаты эволюции | 1) Повышение приспособленности организмов к условиям среды; 2) повышение уровня организации живых существ; 3) увеличение многообразия организмов | |
| Единица эволюции | Вид | Популяция |
| Факторы эволюции | Наследственность, изменчивость, борьба за существование, естественный отбор | Мутационная и комбинативная изменчивость, популяционные волны и дрейф генов, изоляция, естественный отбор |
| Движущий фактор | Естественный отбор | |
| Трактовка термина естественный отбор | Выживание более приспособленных и гибель менее приспособленных форм | Избирательное воспроизводство генотипов |
| Формы естественного отбора | Движущий (и половой как его разновидность) | Движущий, стабилизирующий, дизруптивный |
Возникновение приспособлений. Каждое приспособление вырабатывается на основе наследственной изменчивости в процессе борьбы за существование и отбора в ряду поколений. Естественный отбор поддерживает только целесообразные приспособления, которые помогают организму выживать и оставлять потомство.
Приспособленность организмов к среде не абсолютна, а относительна, так как условия среды обитания могут изменяться. Доказательством этого служат многие факты. Например, рыбы прекрасно приспособлены к водной среде обитания, но все эти адаптации совершенно непригодны для других сред обитания. Ночные бабочки собирают нектар со светлых цветков, хорошо заметных ночью, но часто летят на огонь и гибнут.
Элементарные факторы эволюции — факторы, изменяющие частоту аллелей и генотипов в популяции (генетическую структуру популяции).
Выделяют несколько основных элементарных факторов эволюции:
• мутационный процесс;
• популяционные волны и дрейф генов;
• изоляция;
• естественный отбор.
Мутационная и комбинативная изменчивость.
Мутационный процесс приводит к возникновению новых аллелей (или генов) и их сочетаний в результате мутаций. В результате мутации возможен переход гена из одного аллельного состояния в другое (А→а) или изменение гена вообще (А→С). Мутационный процесс, в силу случайности мутаций, не обладает направленностью и без участия других факторов эволюции не может направлять изменение природной популяции. Он лишь поставляет элементарный эволюционный материал для естественного отбора. Рецессивные мутации в гетерозиготном состоянии составляют скрытый резерв изменчивости, который может быть использован естественным отбором при изменении условий существования.
Комбинативная изменчивость возникает в результате образования у потомков новых комбинаций уже существующих генов, унаследованных от родителей. Источниками комбинативной изменчивости являются перекрёст хромосом (рекомбинация), случайное расхождение гомологичных хромосом в мейозе, случайное сочетание гамет при оплодотворении.
Популяционные волны и дрейф генов.
Популяционные волны (волны жизни) — периодические и непериодические колебания численности популяции как в сторону увеличения, так и в сторону уменьшения. Причинами популяционных волн могут быть периодические изменения экологических факторов среды (сезонные колебания температуры, влажности и т. д.), непериодические изменения (природные катастрофы), заселение видом новых территорий (сопровождается резкой вспышкой численности).
В качестве эволюционного фактора популяционные волны выступают в малочисленных популяциях, где возможно проявление дрейфа генов. Дрейф генов — случайное ненаправленное изменение частот аллелей и генотипов в популяциях. В малых популяциях действие случайных процессов приводит к заметным последствиям. Если популяция мала по численности, то в результате случайных событий некоторые особи независимо от своей генетической конституции могут оставить или не оставить потомство, вследствие этого частоты некоторых аллелей могут резко меняться за одно или несколько поколений. Так, при резком сокращении численности популяции (например, вследствие сезонных колебаний, сокращения кормовых ресурсов, пожара и т. д.) среди оставшихся в живых немногочисленных особей могут быть редкие генотипы. Если в дальнейшем численность восстановится за счёт этих особей, то это приведёт к случайному изменению частот аллелей в генофонде популяции. Таким образом, популяционные волны являются поставщиком эволюционного материала.
Изоляция обусловлена возникновением разнообразных факторов, препятствующих свободному скрещиванию. Между образовавшимися популяциями прекращается обмен генетической информацией, в результате чего начальные различия генофондов этих популяций увеличиваются и закрепляются. Изолированные популяции могут подвергаться различным эволюционным изменениям, постепенно превращаться в разные виды.
Различают пространственную и биологическую изоляцию. Пространственная (географическая) изоляция связана с географическими препятствиями (водные преграды, горы, пустыни и др.), а для малоподвижных популяций и просто с большими расстояниями. Биологическая изоляция обусловлена невозможностью спаривания и оплодотворения (в связи с изменением сроков размножения, строения или других факторов, препятствующих скрещиванию), гибелью зигот (вследствие биохимических различий гамет), стерильностью потомства (в результате нарушения конъюгации хромосом при гаметогенезе).
Эволюционное значение изоляции состоит в том, что она закрепляет и усиливает генетические различия между популяциями.
Естественный отбор. Изменения частот генов и генотипов, вызванные рассмотренными выше факторами эволюции, носят случайный, ненаправленный характер. Направляющим фактором эволюции является естественный отбор.
Естественный отбор — процесс, в результате которого выживают и оставляют после себя потомство преимущественно особи с полезными для популяции свойствами.
Отбор действует в популяциях, его объектами являются фенотипы отдельных особей. Однако отбор по фенотипам является отбором генотипов, так как потомкам передаются не признаки, а гены. В результате в популяции происходит увеличение относительного числа особей, обладающих определённым свойством или качеством. Таким образом, естественный отбор — это процесс дифференциального (выборочного) воспроизводства генотипов.
Действию отбора подвергаются не только свойства, повышающие вероятность оставления потомства, но и признаки, которые не имеют прямого отношения к воспроизводству. В ряде случаев отбор может быть направлен на создание взаимоприспособлений видов друг к другу (цветки растений и посещающие их насекомые). Также могут создаваться признаки, вредные для отдельной особи, но обеспечивающие выживание вида в целом (ужалившая пчела гибнет, но, нападая на врага, она сохраняет семью). В целом отбор играет творческую роль в природе, поскольку из ненаправленных наследственных изменений закрепляются те, которые могут привести к образованию новых групп особей, более совершенных в данных условиях существования.
Различают три основные формы естественного отбора: стабилизирующий, движущий и разрывающий (дизруптивный) (табл.).
Формы естественного отбора
Краткая история эволюции органического мира
Возраст Земли около 4,6 млрд лет. Жизнь на Земле возникла в океане более 3,5 млрд лет назад.
Краткая история развития органического мира представлена в таблице. Филогенез основных групп организмов отражен на рисунке.
Историю развития жизни на Земле изучают по ископаемым останкам организмов или следам их жизнедеятельности. Они встречаются в горных породах разного возраста.
Геохронологическая шкала истории Земли разделена на эры и периоды.
Эволюция представляет собой необратимый процесс исторического развития живой природы, начиная от появления первых признаков жизни на Земле и вплоть до современной биосферы. В основе биологической эволюции лежат наследственная изменчивость, борьба за существование и естественный отбор. Благодаря этим факторам живая природа нашей планеты отличается удивительным многообразием форм и находится в непрерывном процессе развития.
Общие сведения
Многообразие живых организмов на Земле является результатом биологической эволюции. Этот термин означает естественный процесс развития живой природы, который сопровождается изменением генетического состава популяций, формированием адаптаций, видообразованием и вымиранием видов, преобразованием экосистем и биосферы в целом.
Понятие эволюции применимо не только для популяций или биосферы, но также для отдельных систематических групп и частей организма: органов, тканей, систем органов и даже отдельных белков, которые также проходят эволюционный путь развития.
Рис. 1. Эволюция конечностей животных.
Биологическая эволюция характеризуется следующими признаками:
- Преемственность. С момента возникновения жизни на Земле (около 4,5 млрд лет назад) ныне живущие организмы связаны с самыми первыми примитивными формами жизни непрерывной цепью поколений.
- Целесообразность. Все без исключения живые существа приспособлены к своей среде обитания и способны не только выживать в ней, но и давать потомство.
- Совершенствование и усложнение живых организмов. Развитие жизни на Земле началось с одноклеточных существ, которые эволюционировали в многоклеточные беспозвоночные животные, а затем — в рыб, амфибий, рептилий, птиц и млекопитающих.
Рис. 2. Простейшие одноклеточные организмы.
Движущие силы эволюции
Согласно теории Дарвина, эволюционное развитие на планете возможно под влиянием нескольких важных факторов:
- Наследственная изменчивость — способность живого организма изменять свой генотип. Благодаря генотипической изменчивости особь может приобретать признаки, ранее не свойственные её виду. Обусловлена возникновением разных типов мутаций и их комбинаций. Благодаря наследственной изменчивости у организмов существенно увеличиваются шансы на выживание.
- Борьба за выживание — разнообразные взаимоотношения организмов с факторами среды и друг с другом. Ради выживания и возможности произвести на свет потомство живые существа защищают себя и детенышей от хищников и паразитов, конкурируют за пищу, место обитания.
- Естественный отбор — процесс, в ходе которого выживают наиболее приспособленные к окружающей среде особи. В результате естественного отбора происходит передача наиболее полезных признаков из поколения в поколение, формирование эффективных приспособлений к окружающей среде.
Рис. 3. Естественный отбор в природе.
Движущие силы эволюции, действуя на протяжении длительного времени, формируют приспособления у живых существ к разным средам обитания. Они участвуют в преобразовании одних видов в другие, возникновении более сложных форм жизни из наиболее примитивных. Таким образом и происходит эволюция на Земле.
Что мы узнали?
Что такое эволюция в биологии, можно кратко рассмотреть в докладе по биологии для 9 класса. Это сложный процесс естественного развития живой природы от первых архейских форм жизни до многообразия флоры и фауны современности. В основе эволюции лежат 3 фактора: наследственная изменчивость, борьба за существование и естественный отбор.
Читайте также: