Біологія. 9 клас. Шаламов

§ 41. Розвиток еволюційних поглядів

Перша еволюційна теорія була сформульована на початку ХІХ століття

Здавна люди намагалися пояснити спостережуване різноманіття життя. У XVIII столітті практично всі вчені дотримувалися креаціоністських поглядів, тобто були упевнені в тому, що життя на Землі було створено вищими силами. Проте й ці науковці поділилися на два табори. Одні з них вважали, що всі живі організми створені такими, які вони є зараз, і з моменту творення не змінювалися. Друга, прогресивніша, група припускала, що види змінюються з плином часу й сучасні види є нащадками більш давніх. Серед них варто зазначити Еразма Дарвіна (діда Чарльза Дарвіна), Йоганна Вольфґанґа фон Ґете та Дені Дідро. Але на той час ще не була розроблена теорія, яка б пояснювала причини та механізми подібних змін. Першою теорією, що спробувала пояснити походження видів живих істот, була еволюційна теорія Жана Батиста Ламарка.

Ламарк припускав, що всім живим організмам властиве «прагнення до досконалості» — бажання стати кращими та складнішими. Людина, на «безпристрасну» думку Ламарка, була найуспішнішою в цій нелегкій справі. Згідно з його теорією, живий організм може натренувати якийсь орган, а потім передати цю ознаку своїм нащадкам у покращеному вигляді. Тобто якщо ви щодня займатиметесь у спортзалі, то ваші діти будуть сильнішими, — приблизно так розмірковував Ламарк. Предок жирафи протягом багатьох поколінь тягнув шию, аби дістатися листя на гілках дерев. У результаті шия тренувалася та видовжувалась із кожним поколінням, що й привело до появи сучасної жирафи (рис. 41.1). Тут варто зауважити, що до теорії Ламарка поставала низка запитань. Наприклад, як з її допомогою пояснити появу панцира в черепахи? Ламарк дав сміливу відповідь: черепаха виростила собі панцир силою волі. Чому, якщо всі організми намагаються стати складнішими, усе ще існують бактерії? Ламарк відповідав: життя безперервно зароджується з неживої матерії, сучасні бактерії з’явилися зовсім нещодавно й ще не встигли розвинутися в щось складніше.

Нижче наведено основні постулати теорії Ламарка.

  • 1. Усім живим організмам властиве «прагнення до досконалості».
  • 2. Якщо орган тренується — він розвивається, якщо ні — з часом відмирає.
  • 3. Набуті ознаки можуть передаватися нащадкам.
  • 4. Живі організми безперервно виникають із неживої матерії.

Теорія Ламарка мала суто теоретичний характер і використовувала багато надприродних понять, зокрема «прагнення до досконалості» у дріжджів чи «силу волі» в черепах. Згодом цю теорію було відкинуто1, проте вона має важливе історичне значення як перша еволюційна теорія.

Рис. 41.1. Формування довгої шиї жирафи за Ламарком

Предок жирафи тягнувся за листям через внутрішнє ««прагнення до досконалості», і шия поступово витягувалася.

1 Треба сказати, що, згідно із сучасними дослідженнями, деякі набуті ознаки, такі як противірусний імунітет у бактерій, усе ж успадковуються. Проте це є радше винятком, аніж правилом.

Жан Батист Ламарк

Народився 1744 року у французькому місті Базантен. Після служби в армії навчався у Вищій медичній школі в Парижі. Однак згодом захоплення ботанікою перемогло, і лікарем Ламарк не став. Уже 1778 року виходить його праця «Флора Франції», яка зробила вченого всесвітньо відомим ботаніком. Пізніше Ламарк змінив напрям своїх досліджень, зацікавившись зоологією. Йому й тут удалося досягти успіхів: саме Ламарк увів у наукову мову термін «безхребетні», поділив їх на 10 класів, описав багато нових видів. На початку ХІХ століття Ламарк запропонував термін, написаний на обкладинці нашого підручника, — «біологія» — для позначення науки про життя. Головною працею Ламарка стала книга, видана 1809 року, — «Філософія зоології», у якій він сформулював свої погляди на розвиток живої природи, на те, як змінювалися з часом тварини й рослини, як вони досягли сучасного вигляду. Це означає, що Ламарк став творцем першої теорії еволюції! Однак ніхто із сучасників не сприйняв його ідей. Усі відвернулися від дослідника, і він залишився на самоті. Тільки донька Корнелія до кінця була відданою батькові. Ламарк утратив зір і помер у бідності 1829 року. У Корнелії не було навіть грошей, аби купити труну. Його поховали з безхатченками, що померли того дня в Парижі. Отож сьогодні ми не знаємо точно, де похований один із найвидатніших учених світу. Лише 1909 року до 100-річчя виходу «Філософії зоології» Ламарку було встановлено пам’ятник. На барельєфі зображено старого сліпого вченого, поруч стоїть його донька. Під барельєфом викарбувано слова Корнелії: «Нащадки пишатимуться Вами, тату. Вони помстяться за Вас». Так і сталося.

Теорія природного добору стверджує, що виживає найпристосованіший

Важко уявити собі теорію, яка б вплинула на розвиток не лише науки, а й світової цивілізації більше, ніж теорія природного добору Чарльза Дарвіна1. Геніальність Дарвіна в тому, що замість абстрактних висновків (як, наприклад, щодо сили волі в черепахи), він наважився на нечувану на ті часи зухвалість — описати спостережувані явища, ґрунтуючись на фактах і мисленнєвих експериментах! Треба врахувати, що Дарвін нічого не знав про генетику та механізми спадковості, проте використав сам факт спадкової передачі ознак. Спосіб міркувань Дарвіна такий.

Гіпотеза № 1. Якщо дати організмам розмножуватися необмежено, то їхня чисельність збільшуватиметься в геометричній прогресії, демонструючи експоненціальний тип зростання (докладніше про це йшлося в § 40). Достатньо згадати задачу Фібоначчі про кролів2. Саме необмеженим зростанням Дарвін пояснював у своїй книзі «Походження видів шляхом природного добору» послідовність Фібоначчі.

Очевидний факт № 1. У природі необмежене, експоненціальне зростання не може спостерігатися впродовж тривалого часу. Навпаки, як правило, популяції мають фіксовану чисельність, яка може незначно коливатися (за винятком, звісно, популяцій, чисельність яких хаотично коливається, але там за періодами сплеску настають періоди прискореного скорочення чисельності популяції).

1 Насправді вперше теорію природного добору розробив Альфред Воллес, який надіслав її у вигляді невеличкої статті Чарльзові Дарвіну на рецензування. Виявилося, що запропонована теорія збігається з тією, яку вже понад 20 років розробляв Дарвін. Проте ґрунтовну розробку теорії, пошук і пояснення доказів, відстоювання її в наукових дискусіях здійснював саме Дарвін, що й дає підстави вважати цю теорію його творінням.

2 Фібоначчі писав: «Людина посадила пару кролів до загону, обнесеного з усіх боків стіною. Скільки пар кролів за рік може привести на світ ця пара, якщо відомо, що кожен місяць, починаючи з другого, кожна пара кролів приводить на світ ще одну пару?» Можете переконатися, що число пар у кожен із дванадцяти наступних місяців буде 1, 1, 2, 3, 5, 8, 13, 21, 34, 55, 89, 144... Це не є геометрична прогресія, але подібна послідовність чисел передає дух вибухового зростання чисельності популяції.

Висновок № 1. У реальних популяціях не може досягатися виживання всіх нащадків (наслідок факту № 1). Багато з них через ті чи ті причини гине до настання репродуктивного віку, так і не залишивши нащадків. Виникають запитання: хто гине, а хто виживає й від чого це залежить?

Очевидний факт № 2. У популяціях живих організмів спостерігається мінливість. Живі організми різняться розміром, кольором, формою окремих частин тіла, особливостями поведінки та іншими ознаками.

Очевидний факт № 3. Деякі ознаки, для яких характерна мінливість, успадковуються. Так, у світловолосого подружжя може народитися лише світловолоса дитина, а в темноволосого подружжя — найімовірніше, темноволоса. Тобто мінливість має спадковий характер.

Не такий очевидний факт № 4. В особин, що мають різні ознаки, шанси залишити нащадків різні, а саме: шанси особин з ознакою А залишити потомство й передати йому ознаку А вищі, ніж шанси особин з ознакою Б.

Сукупність усіх взаємин між організмами та довкіллям Дарвін називав боротьбою за існування. У ній організми борються з організмами свого виду (як вовченята за кусень м’яса), з організмами інших видів (як зайці, що втікають від вовків) та з довкіллям (як ведмеді, що переживають холодну зиму). «Перемагатиме» в боротьбі за існування той організм, який за наявних умов найкраще пристосований та залишає більше нащадків.

Висновок № 2. Якщо ознака має кілька альтернативних проявів у популяції (факт № 2), вони успадковуються (факт № 3), а наявність одного з них дає вищі шанси залишити потомство (факт № 4), то частка особин із таким проявом ознаки збільшуватиметься, а частка особин з альтернативним проявом ознаки — зменшуватиметься. Цей процес і називають природним добором.

Розглянемо, як діє природний добір (рис. 41.2). Припустімо, що є популяція жуків одного виду, у яких одна ознака — колір надкрил — має альтернативні прояви: зелені та сині. При цьому колір надкрил успадковується. Нехай ще є якась зовнішня сила: наприклад птахи, що їдять жуків. Синіх жуків у зеленій траві їм знайти легше, тому в синього жука більше шансів бути з’їденим і менше шансів залишити нащадків і передати їм свої гени. Відповідно протягом багатьох поколінь сині жуки сильніше «виїдатимуться» птахами, ніж їхні зелені брати. При цьому частка синіх жуків зменшуватиметься в кожному поколінні. Із часом, оскільки популяція жуків не безмежна в чисельності (а це так!), ознака «надкрила синього кольору» може бути повністю втрачена й усі жуки в популяції виявляться зеленими.

Таким чином, природний добір тримається на трьох стовпах.

  • 1. Мінливість: потрібні альтернативні прояви ознаки.
  • 2. Спадковість: передача альтернативних проявів ознаки від батьків нащадкам.

Рис. 41.2. Дія природного добору

Чарльз Дарвін

Народився 1809 року в англійському місті Шрусбер. Навчався в Единбурзькому й Кембриджському університетах на медичному та богословському факультетах. 1831 року вирушив у п’ятирічну навколосвітню подорож на дослідницькому судні «Бігль» як природодослідник. Чарльз працював сумлінно й зібрав багату колекцію мінералів, викопних решток, зразків рослин і тварин. Усе побачене дослідником у подорожі було описано й проаналізовано. Ці матеріали й стали відправною точкою у створенні відомої теорії еволюції шляхом природного добору. Усі роки після експедиції Дарвін опрацьовує матеріали, знаходить нові, і ось 1859 року виходить його головна праця «Походження видів шляхом природного добору, або збереження обраних рас у боротьбі за життя». Вихід цієї книги поділив історію розвитку біології на «до виходу» й «після нього». Створення теорії еволюції Чарльза Дарвіна стало найвидатнішою подією в біології ХІХ століття. Це була друга після Ламаркової теорія еволюції, і її так само далеко не всі біологи сприйняли схвально. Шквал нападів на вченого посилився після виходу ще однієї його геніальної роботи «Походження людини й статевий добір». Помер учений 1882 року в Лондоні. Похований у Вестмінстерському абатстві поруч із могилами Ньютона, Фарадея, Діккенса, Кітса, Шеллі й інших видатних британців. Один із творців соціології, небіж Дарвіна, Френсіс Гальтон стверджував, що його дядько Чарльз був потомком київської княжни, королеви Франції Анни Ярославни.

  • 3. Різні шанси залишити плідне (тобто здатне розмножуватися) потомство в особин з альтернативними проявами ознаки. Що вищий шанс, то більша кількість копій певної ознаки буде передана плідному потомству, тобто більшим буде так званий репродуктивний успіх.

Важливо зазначити, що природний добір немов «харчується» мінливістю й сам її знищує в ході боротьби за існування!

А тепер найголовніше: якщо природний добір відбуватиметься протягом тривалого часу, то він змінить популяцію «до невпізнаваності», що спричинить виникнення нового виду.

Треба віддати Дарвінові належне: наведена послідовність логічних міркувань не потребувала «вищих сил» — це була цілком наукова теорія. Ба більше, це була перша теорія, що описувала асиметричний у часі процес. Подібні теорії у фізиці, що описують нерівноважні процеси, які вимагають залучення «стріли часу», з’являться набагато пізніше1.

Варто згадати, що в первісному вигляді обґрунтування теорії Дарвіна наразилося на певні труднощі. По-перше, за часів Дарвіна не був відомий точний вік Землі: вважали, що він дорівнює кільком десяткам, максимум — сотням тисяч років, а отже, здавалося, що цього часу замало для виникнення нових видів шляхом природного добору. По-друге, не були відомі механізми спадковості. Праця Менделя (1865 рік) вийшла лише за кілька років після публікації дослідження Дарвіна (1859 рік) і була мало відома в наукових колах до 1900 року. По-третє, Дарвін абсолютно не знав, звідки береться мінливість. Це було дуже слабким місцем його теорії! Він просто постулював, що мінливість є і звідкись постійно виникає (бо, інакше, природний добір просто винищив би її!). По-четверте, Дарвін не знав, чи може його теорія пояснити виникнення таких складних органів, як око чи мозок. Так, із кольором жуків набагато простіше! Але, попри всі ці недоліки, теорію Дарвіна можна вважати одним із найвеличніших проривів в історії науки!

1 Повноцінно це зробить тільки бельгійський хімік, Нобелівський лауреат Ілля Пригожин, майже через 90 років!

Синтетична теорія еволюції об’єднала дарвінізм із генетикою

Із часів Чарльза Дарвіна теорія природного добору значно змінилася. Наше розуміння спадковості, а також самого життя розширилося, що дало змогу подолати ті труднощі, з якими в середині XIX століття стикнувся Чарльз Дарвін. Поєднання генетики, екології та теорії природного добору породило нову теорію — синтетичну теорію еволюції, яка може чимало пояснити та передбачити. Розглянемо стисло основні положення цієї теорії, розробленої в середині ХХ століття Феодосієм Добржанським, Ернстом Майєром, Джуліаном Хакслі та іншими видатними біологами.

  • 1. Матеріалом для еволюції слугує спадкова мінливість — випадкові мутації та рекомбінації спадкової інформації.
  • 2. Найменша одиниця еволюції — популяція, а елементарна еволюційна подія — зміна частот зустрічності алелів у популяції.
  • 3. Природний добір має адаптивний характер: він веде до добору корисних для виживання та розмноження мутацій і відкидає шкідливі.
  • 4. Крім природного добору, важливу роль відіграють й інші процеси, такі як популяційні хвилі та дрейф генів, про які йтиметься далі.
  • 5. Нові види утворюються завдяки репродуктивній ізоляції вихідних популяцій.
  • 6. Усі клітинні форми життя походять від останнього універсального спільного предка — LUCA1. Можна зобразити дерево життя, де листки відображатимуть організми, що існують нині, а гілки — їхню еволюційну історію. Гілки будуть зливатися одна з одною, сходячись у результаті до єдиного організму в основі дерева — LUCA.
  • 7. Мутації розподіляють не тільки на корисні та шкідливі, більшість із них нейтральні.

Поміркуймо

Знайдіть одну правильну відповідь

1. Із факту № 1 міркувань Дарвіна, наведених у параграфі, випливає висновок № 1, оскільки

  • А якби всі виживали, то розміри популяції безперервно зростали б
  • Б у реальних популяціях завжди є якась смертність
  • В фіксована чисельність зумовлена припиненням розмноження
  • Г у природі часто спостерігається тривале експоненціальне зростання
  • Д що більша чисельність популяції, то менше в ній виживання

2. Ураховуючи думку Ламарка щодо бактерій та одноклітинних, можна стверджувати, що не всі організми стали досконалими, як люди, тому що

  • А у них не було до цього внутрішнього прагнення
  • Б їм не вистачило часу
  • В вони погано тренували свої органи
  • Г не всі набуті ознаки успадковуються
  • Д спостерігається значна мінливість

3. Репродуктивний успіх тим вищий, чим

  • А менша кількість нащадків в організму
  • Б більша кількість нащадків в організму
  • В рідше організм парується
  • Г частіше організм парується
  • Д менш плідні нащадки цього організму

1 LUCA — last universal common ancestor (останній універсальний спільний предок), найближчий спільний предок усіх живих організмів, що нині мешкають на Землі. Жив, за припущеннями, 3,5—3,8 млрд років тому.

4. Найпростішою еволюційною подією в синтетичній теорії еволюції є

  • А збільшення кількості людей в Африці, що страждають на серпуватоклітинну анемію
  • Б поява нового виду малярійних комарів
  • В поява мутації в клітині шкіри та виникнення родимки
  • Г народження нового організму
  • Д вимирання груп бактерій унаслідок активного використання антибіотиків

5. Припинення перенесення генів з однієї популяції до іншої спричиняє

  • А вимирання виду
  • Б вмикання природного добору
  • В посилення боротьби за існування
  • Г утворення нового виду
  • Д підвищення мінливості

Сформулюйте відповідь кількома реченнями

6. Чому що інтенсивніше відбувається природний добір, то менше варіантів мінливості залишається в популяції?

7. Який вид боротьби за існування описано в прикладі з жуками? Чому «перемагають» зелені жуки?

8. Які причини того, що у факті № 4 міркувань Дарвіна, наведених у параграфі, в особин з ознаками А та Б нерівні шанси залишити нащадків і передати їм свою ознаку?

9. Що спільного в еволюційних теоріях Дарвіна та Ламарка?

10. Запропонуйте експерименти та власні спостереження, які дають змогу спростувати теорію еволюції Ламарка.

11. Які причини створення синтетичної теорії еволюції?

Знайди відповідь і наблизься до розуміння природи

12. Чарльз Дарвін свого часу не міг спростувати «страхіття Дженкіна», тому науковцю довелося вносити зміни до своєї теорії. Спростуй «страхіття Дженкіна».

13. Багатьом організмам властивий статевий добір: самець, що переміг у спарингах з іншими, майстерніший у співі чи будуванні житла, досягає репродуктивного успіху та розмножується, а той, що програв, — ні. Який еволюційний сенс у статевому доборі? Чи не суперечить такий добір природному?

Дізнайся самостійно та розкажи іншим

14. Поясни виникнення довгої шиї в жирафа з погляду природного добору.

15. Які біологічні спостереження Чарльза Дарвіна привели його до створення еволюційної теорії?

16. Які докази має сучасний неоламаркізм? Чи не суперечить він синтетичній теорії еволюції?