Реферат: Изменения в популяциях и приспособленность организмов
Различить надвидовые таксоны, как правило, довольно легко, четкое разграничение самих видов имеет определенные трудности. Часть видов занимает географически разделенные области обитания (ареалы) и потому не скрещивается, а в искусственных условиях дает плодовитое потомство. Общепринятое краткое определение вида как группы особей, свободно скрещивающихся между собой и дающих плодовитое потомство, неприменимо к организмам, размножающимся партеногенетически или бесполым путем (бактерии и одноклеточные животные, многие высшие растения), а также к вымершим формам.
Совокупность отличительных признаков вида называют его критерием.
Морфологический критерий основан на сходстве особей одного вида по комплексу признаков внешнего и внутреннего строения. Морфологический критерий — один из основных, но в ряде случаев морфологического сходства оказывается недостаточно. Малярийным комаром ранее называли шесть не скрещивающихся похожих видов, из которых только один разносит малярию. Существуют так называемые виды-двойники. Два вида черных крыс, внешне практически неразличимых, живут изолированно и не скрещиваются. Самцы многих существ, например, птиц (воробьев, снегирей, фазанов), внешне мало похожи на самок. Взрослые самец и самка нитехвостого угря так непохожи между собой, что ученые 50 лет помещали их в разные роды, а иногда даже в разные семейства и подпорядки.
Физиолого-биохимический критерий. В его основе лежит сходство процессов жизнедеятельности особей одного вида. Часть видов грызунов обладает способностью впадать в спячку, у других она отсутствует. Многие близкие виды растений различаются по способности синтезировать и накапливать определенные вещества. Биохимический анализ позволяет различить виды одноклеточных организмов, не размножающихся половым путем. Бациллы (лат. bacillum палочка) сибирской язвы имеют белки, которые не встречаются у других видов бактерий. Возможности физиолого-биохимического критерия имеют ограничения. Часть белков обладает не только видовой, но и индивидуальной специфичностью. Существуют биохимические признаки, одинаковые у представителей не только разных видов, но даже отрядов и типов. Первичные структуры ядерных белков-гистонов (см. § 5) Н4 коровы и гороха различаются всего двумя аминокислотными остатками. Сходным образом могут протекать у разных видов и физиологические процессы. Так, интенсивность обмена веществ у некоторых арктических рыб такая же, как и у рыб южных морей других видов.
Генетический критерий. Все особи одного вида обладают сходным кариотипом. Особи разных видов имеют разные хромосомные наборы, не могут скрещиваться и живут в естественных условиях отдельно друг от друга. У двух видов-двойников черных крыс разное количество хромосом — 38 и 42. Кариотипы шимпанзе, горилл и орангутанов различаются расположением генов в гомологичных хромосомах. Аналогичны отличия кариотипов зубра и бизона, имеющих в диплоидном наборе по 60 хромосом. Различия в генетическом аппарате некоторых видов могут быть еще более тонкими и состоять, например, в разном характере включения и выключения отдельных генов. Применение только генетического критерия иногда оказывается недостаточным. Один вид долгоносика объединяет диплоидные, триплоидные и тетраплоидные формы, домовая мышь также имеет различные наборы хромосом, а ген ядерного белка-гистона Н1 человека отличается от гомологичного ему гена гороха всего одним нуклеотидом. В геноме растений, животных и человека обнаружены такие изменчивые последовательности ДНК, что по ним у людей можно различать братьев и сестер.
Репродуктивный критерий (лат. reproducere воспроизводить) основан на способности особей одного вида давать плодовитое потомство. Важную роль при скрещивании играет поведение особей — брачный ритуал, видоспецифические звуки (пение птиц, стрекотание кузнечиков). По характеру поведения особи узнают брачного партнера своего вида. Особи сходных видов могут не скрещиваться по причине несоответствия поведения при спаривании или несовпадения мест размножения. Так, самки одного вида лягушек мечут икру по берегам рек и озер, а другого — в лужах. Похожие виды могут не скрещиваться из-за различия брачных периодов или сроков спаривания при обитании в разных климатических условиях. Разные сроки цветения у растений препятствуют перекрестному опылению и служат критерием принадлежности к разным видам.
Репродуктивный критерий тесно связан с генетическим и физиологическим критериями. Жизнеспособность гамет зависит от успешности конъюгации, а значит — от сходства или различия кариотипов скрещивающихся особей. Резко понижает возможность скрещивания различие в суточной физиологической активности (дневной или ночной образ жизни).
Применение только репродуктивного критерия не всегда позволяет четко разграничить виды. Существуют виды, хорошо различимые по морфологическому критерию, но дающие при скрещивании плодовитое потомство. Из птиц это некоторые виды канареек, зябликов, из растений — разновидности ив и тополей. Представитель отряда парнокопытных бизон обитает в степях и лесостепях Северной Америки и никогда в естественных условиях не встречается с зубром, обитающим в лесах Европы. В условиях зоопарка эти виды дают плодовитое потомство. Так была восстановлена популяция европейских зубров, практически истребленная во время мировых войн. Скрещиваются и дают плодовитое потомство яки и крупный рогатый скот, белые и бурые медведи, волки и собаки, соболи и куницы. В царстве растений межвидовые гибриды встречаются еще чаще, среди растений существуют даже межродовые гибриды.
Эколого-географический критерий. Большинство видов занимает определенную территорию — ареал. Лютик едкий растет на лугах и полях, в более сырых местах распространен другой вид — лютик ползучий, а по берегам рек и озер — лютик жгучий.
Применение эколого-географического критерия ограничено рядом причин. Ареал представителей одного вида может быть прерывист. Видовой ареал зайца-беляка — острова Исландия и Ирландия, север Великобритании, Альпы и северо-запад Европы. Некоторые близкородственные виды имеют одинаковый ареал, например: два вида черных крыс; душистый тополь и амурская лиственница. Сходные виды, обитающие в одном ареале, могут занимать разные экологические ниши, например, питаться различной пищей. Есть виды, распространенные почти повсеместно — сорные растения, насекомые-вредители и мыши.
Проблема определения вида иногда вырастает в сложную научную задачу и решается с привлечением комплекса критериев. Таким образом, вид — совокупность особей, занимающих определенный ареал, обладающих наследственным сходством морфологических, физиолого-биохимических и генетических особенностей, в природных условиях скрещивающихся и дающих плодовитое потомство.
Популяции
Группы особей одного вида, населяющие территории, разделенные естественными преградами (реками, горами, пустынями), являются относительно самостоятельными, поскольку скрещивание между ними затруднено. Такие группы называют популяциями. Вид, таким образом, состоит из популяций, каждая из которых занимает часть ареала вида. За многие поколения в генофондах популяций накапливаются те аллели исходных популяций, которые обеспечивают наибольшую приспособленность к местам обитания. Вследствие особенностей в исходном генном составе и обитания в разных природных условиях генофонды изолированных популяций отличаются частотой встречаемости различных аллелей, поэтому один и тот же признак в разных популяциях может проявляться по-разному. Так, северные популяции млекопитающих имеют более густой мех, а южные — более темный. В этом параграфе мы рассмотрим реально наблюдаемые изменения в популяциях, а также некоторые правдоподобные гипотезы о формировании сходных видов.
Согласно Священному Писанию, живые организмы, как и сама планета, созданы Творцом. Однако их природа мобильна. Чтобы понять, какие основные группы сотворил Господь, а какие изменения в организмах могли произойти впоследствии, нам необходимо выяснить возможную степень изменчивости живых существ. Подтверждают ли реально наблюдаемые изменения гипотезу эволюции (лат. evolutio развертывание) — исторического саморазвития материи? Ученые различают микро- и макроэволюцию. Под микроэволюцией понимается развитие популяций в ряду последовательных поколений вплоть до образования новых видов, гипотеза макроэволюции предполагает последовательное появление всех видов на планете друг из друга посредством саморазвития.
Рассмотрим два основных типа изоляции и обусловленные ими изменения.
Географическая изоляция. Особи пространственно изолированных популяций могут развиваться различными путями. Существа разных популяций могут перестать скрещиваться по причине различий в сроках брачных периодов, в инстинктах сооружения гнезд и нор, в поведении в период спаривания. У особей может измениться брачная окраска (рыбы, птицы), брачные песни (птицы, земноводные, насекомые) или брачные танцы (птицы, рыбы, членистоногие). Растения разных популяций могут иметь различные периоды цветения, скорости прорастания пыльцы, разные взаимоотношения с опыляющими насекомыми. Процесс расхождения признаков в популяциях носит название дивергенции.
Популяции лиственницы сибирской заселили огромную территорию от Урала до Байкала. В зонах ареала с наиболее суровыми климатическими условиями обитает вид лиственницы даурской. На Дальнем Севере произрастает вид мака с быстрым развитием коротких цветоносов и ранним цветением, не характерный для умеренных широт. Ученые предполагают, что эти виды развились от исходного, хотя, конечно же, этого никто не наблюдал, а проверить реальность подобных микроэволюционных изменений в большинстве случаев не представляется возможным.
Растение прострел имеет в Европе обширный непрерывный ареал. У западной формы прострела листья тонкие, цветки поникшие. Восточная форма, обитающая в засушливых условиях, имеет более широкие листья и стоячие цветки, по которым вода стекает к корню. Между западным и восточным прострелом существует непрерывный ряд промежуточных форм, имеющих выраженный приспособительный характер.
Вид синица большая представлен тремя подвидами, обитающими в трех группах ареалов — евроазиатской, южноазиатской и восточноазиатской. Южноазиатские синицы в южной и восточной зонах контакта скрещиваются с двумя другими подвидами. Восточноазиатские и евроазиатские, обитая совместно в долинах Амура, не скрещиваются. Ученые предполагают, что подвиды синиц сформировались с наступлением четвертичного оледенения.
С оледенением связано, по мнению ученых, и возникновение родственных видов ландыша. Единый ареал вида, возможно, был разорван ледником на несколько изолированных частей. Ландыш, переживший оледенение, вновь широко распространился по всей лесной зоне, образовав в Европе новый более крупный вид с широким венчиком, а на Дальнем Востоке — вид с красными черешками и интенсивным восковым налетом на листьях.
В средней полосе произрастает около 20 видов лютика. Они занимают различные места обитания — луга, леса, берега рек и озер и т.д. Ученые предполагают, что вследствие изоляции лютики обособились сначала в подвиды, а затем — в виды.
На Галапагосских островах обитает 10 видов птичек-вьюрков. Каждый вид имеет свои особенности. Например, большой земляной вьюрок питается семенами растений и имеет толстый массивный клюв, а дятловый вьюрок длинным прямым клювом достает из-под коры насекомых. По мнению Чарльза Дарвина, английского ученого, впервые подробно изучившего галапагосских вьюрков, предковые особи этих видов, в далеком прошлом залетев на острова, развивались изолированно.
Формирование новых видов, связанное с географической изоляцией, эволюционисты patris родина)+называют аллопатрическим (греч. allos иной видообразованием.
Экологическая изоляция. Другая причина, приводящая к дивергенции видов, — различие экологических ниш.
Вид окунь обыкновенный в крупных озерах образует две популяции. Одни окуни живут в прибрежной зоне, питаются мелкими животными и растут медленно, другие обитают на большей глубине, питаются рыбой и икрой, растут быстро. Популяции форели нерестятся в устьях различных горных речек и ручьев, поэтому спаривание между ними сильно затруднено, и развитие происходит изолированно. Некоторые лососевые рыбы мечут икру через год. В одно и то же нерестилище попеременно приходят на нерест разные популяции: одна в четные годы, другая в нечетные.
Виды летучих мышей различаются способом питания: одни — хищные, а другие плодоядные. Некоторые виды пираньи с мощными челюстями и острыми зубами питаются исключительно растениями. Панда похожа на бурого медведя, но питается в основном бамбуком. Лишь изредка панды поедают других животных. Среди видов крокодила одни охотятся на животных, другие питаются только рыбой, а некоторые ископаемые виды были растительноядными.
Пять видов синиц сформировались, как предполагают ученые, вследствие различной пищевой специализации. Синица хохлатая питается семенами хвойных деревьев, лазоревка добывает мелких насекомых из расщелин древесной коры, синица большая ловит крупных насекомых в городских садах и парках, а гаичка и московка — в лесах.
Близкие виды обыкновенных европейских бабочек-белянок — капустница, репница и брюквенница — питаются на личиночной стадии различной пищей. Гусеницы капустницы и репницы поедают только культурные виды крестоцветных, а брюквенницы — дикие. Вид черный дрозд в настоящее время существует в двух формах. Одни дрозды селятся вблизи жилья человека, а другие — в глухих лесах. Эти два подвида внешне неразличимы.
По мнению ученых, некоторые виды растений в поймах крупных рек образовали виды, дающие семена до или после разлива. Виды, считающиеся исходными, растут на незаливаемых местах и опыляются, как правило, во время разлива.