Реферат: Трансформации эволюции, связанные с переходом из водной среды в воздушную

Необратимость и обратимость эволюции

Палеонтологи одними из первых признали, что палеонтологическая летопись создает картину эволюции, направление которой, по-видимому, в основном необратимо. Как указывает Бэбин, эволюция необратима в том смысле, что это исторический процесс, безвозвратно уходящий в прошлое; воспроизвести прошедшие события с абсолютной точностью нельзя ввиду непрерывных изменений, происходящих в пространстве и во времени. Тем не менее, известно немало случаев неоднократного появления одинаковых структур и функций в разных группах и возврата к структурам, имевшимся у предков. У представителей нескольких типов можно найти примеры прогрессивного развития некоторых органов, ведущего к возникновению форм, сходных с предковыми. Классическим примером конвергенции служат китообразные. По гидродинамическим свойствам они сходны со своими далекими рептильными предками – ихтиозаврами, хотя их самые недавние предки – это четвероногие млекопитающие, обитавшие на суше.

Крупное эволюционное событие – "завоевание суши" водными млекопитающими – результат специфического химического сигнала.

Албертс и др. выделяют два типа реакции клетки на химические сигналы: 1) быстрые и преходящие; 2) медленные и длительные. К реакциям первого типа принадлежит реакция, вызываемая гормоном инсулином, который за несколько минут стимулирует клетки печени к поглощению глюкозы. Примером реакций второго типа является реакция клеток на гормон тироксин, вырабатываемый щитовидной железой. Это низкомолекулярное соединение, вызывающее у большинства клеток повышение метаболической активности.

Прошло уже немало лет с тех пор, как стало известно, что тироксин оказывает сильнейшее действие на развитие амфибий. Первые стадии развития таких амфибий, как лягушки, проходят в воде. На этих стадиях они обладают морфологическими и физиологическими признаками водных млекопитающих. Главные из них – общая форма тела, уплощенный с боков хвост и наружные жабры, позволяющие дышать в воде. Превращение во взрослое животное происходит без всякого участия отбора, а индуцируется простым химическим соединением, синтезируемым в организме лягушки.

Это эволюционное событие, описываемое обычно как классический пример "завоевания суши" позвоночными, совершается благодаря десятикратному повышению содержания тироксина в крови головастика. Это низкомолекулярное соединение ответственно за необратимые изменения, вынуждающие животное перейти от водного к наземному образу жизни. Такое превращение сопровождается рассасыванием хвоста, переходом к легочному дыханию и другими резкими изменениями в организме.

Роль тиреоидного гормона в развитии подтверждена рядом экспериментов. Если у развивающегося эмбриона лягушки удалить щитовидную железу, то метаморфоз не наступает и животное продолжает расти, сохраняя структуры и функции головастика, связанные с водным образом жизни. После введения такому гигантскому головастику тиреоидного гормона происходит его превращение в лягушку с приобретением признаков, характерных для животного, обитающего на суше.

Наблюдения и эксперименты на представителях других групп амфибий показывают, что это явление обусловлено как наличием внутренней химической информации, так и поступлением химического сигнала извне. Эти данные имеют первостепенное значение для углубления нашего понимания процесса эволюции.

1. Некоторые виды амфибий закрепились на переходной стадии между водной и наземной формами. У этих видов половозрелая, т.е. способная к размножению, стадия наступает тогда, когда животное еще продолжает дышать при помощи жабер, живет в воде и сохраняет уплощенный хвост. Одним примером служит американский протей, другим – мексиканский аксолотль.

2. Введение аксолотлю тиреоидного гормона показало, что он представляет собой переходную физиологическую стадию. После этого химического сигнала метаморфоз у аксолотля возобновлялся и он приобретал признаки наземного животного.

Рис. 1. Различия между водными и наземными стадиями у амфибий

А. Различные стадии метаморфоза лягушки. Все эти резкие изменения в процессе развития от головастика до взрослой особи индуцируются тиреоидным гормоном. При удалении щитовидной железы метаморфоз прекращается, и животное продолжает расти, сохраняя облик головастика. Инъекция тироксина вызывает превращение головастика в лягушку. Б. Аксолотль – хвостатая амфибия, относящаяся к роду Ambystoma. Вверху – наземная форма; внизу – водная личиночная, но половозрелая стадия. Обратите внимание на различную форму тела и наличие у аксолотля жабер.

Считается, что остановка развития на промежуточной стадии обусловлена недостаточностью тироксина в крови животного.

3. Такая же трансформация может произойти под действием химического сигнала, поступающего из среды. При переносе аксолотля в местообитание, в котором нет воды, он также превращается в наземную форму: хвост из уплощенного становится округлым в поперечном сечении, а функция дыхания переходит от жабер к легким. В этом случае отсутствие воды как быстимулирует выделение тироксина, т.е. перед нами пример того, как химический сигнал из среды управляет внутренним сигналом. Эволюционная трансформация – двойственный процесс. Она зависит от внутреннего сигнала, но может быть запущена и сигналом извне.

4. У личинок тритонов, обитающих в воде, имеются жабры, исчезающие по достижении зрелости. Взрослые тритоны выходят на сушу, возвращаясь в воду для размножения. Но если личинку тритона постоянно держать в воде, она начнет размножаться, не выходя из личиночной стадии, т.е. сохраняя жабры и способность дышать в воде. И в этом случае трансформация во взрослую стадию зависит от внешнего химического сигнала – наличия воды.

5. Аксолотль – это личинка амфибии, распространенной в Северной и Центральной Америке. Как было сказано выше, личинки этого животного живут в воде, у них имеются наружные жабры, а хвост уплощенный, с кожной плавниковой складкой на спинной стороне. Половозрелые амбистомы живут на суше, жабры у них исчезают, заменяясь легкими, а хвост становится округлым в поперечном сечении. Личинки амбистомы способны к размножению. Различие между двумя стадиями настолько велико, что обитающие в воде личинки и наземные взрослые формы долгое время считались разными видами, а это существенно с эволюционной точки зрения. Личинку назвали Siredonpisciformis,а взрослую особь – Ambystotnamexicanum. После введения Siredonгормонов он превратился в Ambystoma. Животные, которых прежде считали представителями разных видов и даже разных родов, отделившихся друг от друга в результате тысяч случайных мутаций, вдруг оказались принадлежащими к одному и тому же виду. Животному, форма которого приспособлена к передвижению в водной среде и дышащему с помощью жабер, для превращения в животное, приспособленное к передвижению в воздухе и дышащее легкими, оказалось достаточным вместо эволюции на протяжении многих миллионов лет получить всего лишь простые химические сигналы.

Никаких изменений в генетической конституции при этом не произошло, так как мы имеем дело с одним и тем же животным. Эксперимент с гормональным воздействием показывает, что глубокие структурные и функциональные превращения, которые приписывают модификациям, ведущим к появлению различных родов, могут быть достигнуты без изменения генетической конституции. Вмешательство регуляторных молекул может за несколько дней создать то, что, как считалось, занимает много миллионов лет.

Из всего этого вытекают следующие выводы:

1) одна из основных ступеней эволюции, описываемая обычно как "завоевание позвоночными суши", может быть воспроизведена путем воздействия химического сигнала – гормона тироксина;

2) возникающие при этом изменения затрагивают морфологию и анатомию организма, физиологические процессы и способность к размножению;

3) эти изменения можно получить экспериментально, вводя животному гормон щитовидной железы или удаляя эту железу;

4) одним из внешних химических сигналов, воздействующих на этот процесс, служит также вода;

5) возможно, зависимость между внешним и внутренним химическими сигналами носит такой же характер, как и при инициации секреции медиаторов. В этом случае рецепторы клеточной поверхности связываются гидрофильными сигнальными молекулами, что ведет к секреции химического агента;

6) совершенно очевидно, что столь важный эволюционный процесс занимает всего несколько дней, не требуя никаких медленных и постепенных модификаций.

Трансформация кристаллов при переносе из водной среды в воздушную

Структура простых химических веществ также изменяется при переносе в среды с различным содержанием воды. Детально изученный пример такого рода – снежинки. По мере перемещения снежинок из воздуха в тучу, а затем снова в воздух форма кристаллов быстро изменяется и становится очень разнообразной. На этот процесс влияет также температура.

Примечательно, что все варианты снежинок имеют гексагональную форму. Таким образом, сохраняется основной тип структуры, эквивалентный генотипу живых организмов, но в то же время этот тип допускает широкую изменчивость формы, что эквивалентно фенотипу растений и животных.

--> ЧИТАТЬ ПОЛНОСТЬЮ <--