Учение о микроэволюции

Урок 13. Учение о микроэволюции. Популяция – элементарная единица эволюции. Понятие о популяции. Структура и основная характеристика популяции. Изменчивость и наследственность, их роль в эволюции. Естественный отбор – движущая сила эволюции. Борьба за существование, ее виды. Вид – основной этап эволюции. Критерии вида. Структура вида.

Цели:

Образовательная: сформировать у учащихся понятие о популяции, рассказать о важности естественного отбора для выживания видов

Развивающая: развивать умения слушать лекцию и вести записи конспекта материала урока, анализировать, выделять главное, сравнивать, систематизировать, доказывать, объяснять, ставить и разрешать проблемы.

Воспитательная: сформировать мировоззрение учащихся, систему взглядов и убеждений, воспитание личности социально активной, мобильной и адаптивной.

Оборудование: учебник Беляева Д.К. «Общая биология», 10-11 класс.

Тип урока: изучение нового материала.

Ход урока

I. Изучение нового материала

Микроэволюция — эволюционные изменения, которые идут внутри вида и приводят к его дифференцировав, завершаясь видообразованием.

Термин микроэволюция ввел в биологию в 1938 г. русский генетик II. В. Тимофеев-Ресовский. В результате микроэволюции образуются популяции, подвиды и виды. Генофонд (лат. gems — "род, происхождение", фр. fond — "основание") — совокупность (комплекс) всех генов группы популяции или вида и изменение популяции в результате естественного отбора.

 Популяция (лат. populus — "народ, население") — совокупность особей одного вида, населяющих определенное пространство, свободно скрещивающихся между собой и дающих потомство, составляющее отдельную генетическую систему. Популяция — это особи одного вида, которые в течение нескольких поколений существуют на определенной территории. Впервые термин популяция введен в науку в 1903 г. датским биологом В. Иогансеном (1857—1927).

Изменение популяции. В природе нет ни одного вида (растения и животные), численность которого не подвергалась бы изменениям в течение нескольких лет или поколений. Размеры всех популяций, численность особей в них постоянно меняются. Это связано с влиянием внешних факторов, происхождением внутри популяции элементарного эволюционного процесса. Свободное скрещивание половозрелых особей внутри популяций, устойчивое развитие в природе, экологические, генетические свойства доказывают, что популяция — это элементарная эволюционная единица.

Изменчивость и наследственность. На основании анализа материалов, собранных во время экспедиции, Ч. Дарвин выделил две формы изменчивости: определенную (групповую) и неопределенную (индивидуальную). При определенной (групповой) изменчивости все особи породы или сорта (растений) изменяются одинаковым образом под влиянием условий ухода. На активный рост культурных растений влияют плодородная почва, удобрение. Но если недостаточно влаги, минеральных веществ и почва неплодородна, то их рост замедляется. Ненаследственная изменчивость признака организма под влиянием условий внешней среды была названа Ч. Дарвиным определенной.
Определенная изменчивость связана с условиями внешней среды. Известно, что вегетативные органы (корень, стебель, листья) диких растений хорошо развиваются на плодородной почве. При хорошем уходе и кормлении животные набирают вес, изменяются. На изменение организма влияют также тепло, холод, влажность, свет, состав почвы. Например, окраска цветов примулы, выросшей при низкой температуре, отличается розовым цветом, а при высокой температуре — белым. Особое внимание селекционеры уделяли определенной изменчивости при выведении новых форм растений и животных.

Неопределенная (индивидуальная) изменчивость. Дарвин заметил, что среди особей вида существует особенная изменчивость в морфологии, поведении.

Отдельные, еле уловимые признаки изменчивости у животных в стаде или растений в поле называются неопределенной изменчивостью. Такую изменчивость могли определить только опытные селекционеры.   

Главная особенность неопределенной изменчивости — наследуемость. Ч. Дарвин пришел к выводу, что только наследственная изменчивость организмов полезна и играет решающую роль в процессе эволюции. Неопределенная изменчивость, наследственные изменения в половой системе организма, возникающие под воздействием косвенных факторов окружающей среды, называются мутацией. Мутация (лат. mutatio — "изменение, перемена") — вид наследственной изменчивости, случайно возникшее стойкое изменение генотипа, затрагивающее целые хромосомы, их части или отдельные гены. Мутации связаны с преобразованием химической структуры ДНК, входящей в состав хромосом. Мутации затрагивают разнообразные стороны и функций организма. Признаки мутаций — их скачкообразный характер и наследуемость. Многие возникающие мутации неблагоприятны для организма и даже могут вызвать гибель. Большинство таких мутаций рецессивны.
Мутационная, или наследственная, изменчивость по характеру изменений генотипа делится на несколько типов:
1) генная мутация — изменение последовательности нуклеотидов в хромосомной ДНК, выпадение одних и включение других нуклеотидов меняют состав образующейся на ДНК молекулы РНК; 2) хромосомная мутация — изменение строения хромосом; 3) геномная мутация — изменение количества хромосом; 4) цитоплазматическая мутация — изменение органоидов (хлоропластов, митохондрий), имевших в своем составе молекулы ДНК. Цитоплазматическая мутация передается поколению через материнский организм, так как оплодотворенная зигота получает цитоплазму только из материнского организма.
Случаи изменения отдельных частей растения, например изменение ветвей, развившихся из какой-нибудь одной почки, Ч. Дарвин назвал почковой вариацией у растений. Например, дерево желтой сливы дало ветку, на которой росли красные сливы; черный виноград дал побег с белыми плодами. Хризантемы неоднократно давали почковые вариации с измененной окраской и формой цветков. Многие почковые вариации были получены у яблонь, груш, смородины, крыжовника, роз и др. При размножении видоизмененных побегов путем прививки они не теряли вновь приобретенных свойств. Это давало возможность использовать почковые вариации для создания новых сортов. В настоящее время это явление носит название соматической изменчивости.
Ч. Дарвин полагал, что скрещивание различных пород и сортов также способствует изменчивости. Он определил, что многие породы домашних животных получены путем скрещивания. Этот вид наследственной изменчивости в генетике называется комбинативной изменчивостью. Подробнее об этом вы уже знаете из темы "Взаимодействие генов" (10 кл.). При скрещивании кур с гороховидным и розовидным гребешками были получены в нескольких поколениях куры с ореховидными гребешками. Таким образом, на примере многих опытов Ч. Дарвин доказал, что изменчивость и наследственность — эволюционные факторы развития органического мира.

При искусственном отборе человек сохраняет особи с полезными признаками для размножения и устраняет все остальные. А как же этот процесс происходит в природе? В природе также постоянно происходит отбор. Для всех живых организмов характерна наследственная изменчивость, поэтому все они оставляют значительное потомство. Ч. Дарвин доказал, что у представителей диких видов животных и растений индивидуальная изменчивость представлена очень широко. Индивидуальная изменчивость может быть полезной, нейтральной и вредной для организма. Все ли особи оставляют потомство? Какие факторы способствуют сохранению полезных особей и устраняют остальных? Чтобы ответить на эти вопросы, Ч. Дарвин обратился к анализу размножения организмов.

Все организмы оставляют потомство и стремятся к размножению. В коробочке мака созревает до 2 900—3 тыс. и более семян. Если на одном растении мака вырастает 10 коробочек, то ежегодно попадают в почву 30 тыс. семян. Такой же пример можно привести и с животными. Одна особь осетра живет 50 лет и ежегодно мечет в среднем 3—6 млн. икринок. Одна комнатная муха за 5 дней откладывает 20 тыс. яиц. Одна хмелиная вошь за лето приносит потомство 13 раз, в каждом поколении откладывает в среднем 100 яиц. Черви-паразиты ежедневно откладывают около 10 тыс. яиц. Однако такой интенсивный рост численности бывает не всегда, только в благоприятных условиях. Чем больше погибает организмов, тем интенсивнее развитие, потому что активное развитие — это "орудие" сохранения вида. Только 10— 30% млекопитающих и птиц в природе выживает. Причины гибели разнообразны: действие неблагоприятных факторов среды, недостаток пищи, влаги, света, нападение врагов.

Сравнительная таблица особенностей искусственного и естественного отбора

Выживание наиболее приспособленных к определенным условиям среды видов Ч. Дарвин назвал естественным отбором.
В природе идет непрерывная борьба за существование. Докажем это на примерах.
Когда лев отнимает добычу у гиен, то идет борьба за пищу; растение, растущее на краю пустыни, борется против засухи. Хищники — тигр, лев — поедают травоядных животных, отсутствие добычи обрекает их на голод. Травоядные животные, чтобы выжить, питаются растительностью, уничтожая ее. Растительностью питаются насекомые и голые слизни, сами являясь пищей для птиц. Мелкими птицами питаются хищники. Такие сложные взаимосвязи в природе Ч. Дарвин назвал "борьбой за существование".

Борьба за существование — совокупность многообразных и сложных взаимоотношений между организмами и окружающей средой.

Виды борьбы за существование.
Ч. Дарвин выделил три формы борьбы за существование:

1. межвидовая;

2. внутривидовая;

3. борьба с неблагоприятными условиями среды.

Межвидовая борьба — борьба особей разных видов. Это хищничество, паразитизм, конкуренция:
а) хищничество — и волки, и лисы охотятся на зайцев, поэтому между волком и зайцем, между лисой и зайцем идет борьба за существование. В то же время между волком и лисой существует борьба за пищу. Среди растений разных видов идет борьба за свет, влагу, пищу. Выживают те, которые пробивают почву, затем взрослое растение дает потомство;
б) паразитизм — первый пример: вьющиеся растения тропических лесов (лианы) (рис.17). Тонкие вьющиеся стебли лианы, удлиняясь с каждым годом, обвивают ствол дерева. Достигнув вершины дерева, лианы переходят на другое дерево. Так, в период роста лианы обвивают растущие деревья. Молодые лианы не причиняют особого вреда деревьям. Но с одревеснением стеблей лианы глубоко внедряются в дерево, тем самым лишая хозяина значительной части минерального питания и иссушая его;

 второй пример: в 1918 г. европейский натуралист Ж. Арнольди нашел самые крупные на земном шаре тропические цветы раффлезий (диаметр — 1м, вес —14 кг) (рис. 18). Корень, стебель и листья цветка видоизменены в нити, и поэтому цветы располагаются под деревом. Питаясь соком дерева, они задерживают его рост. Цветок имеет запах тухлого мяса, привлекающий мух, жуков, других насекомых для опыления. Это удивительное растение, совершенно утратившее способность самостоятельно питаться, настоящий паразит по отношению к своему хозяину;

 третий пример: все, наверное, видели летом вдоль дорог, в огороде, на полях желтоватую повилику (рис. 19).

 Повилика обвивается вокруг стеблей диких и культурных растений, внедряясь в них присосками, и питается соками растений. Листья и корни у нее отсутствуют, тонкие (нитевидные) желтые стебли повилики, обвивая растение — хозяина, присасываются своими присосками (зубчиками). Когда присоски — органы питания — глубоко проникают в тело растения, их очень трудно отделить от него. Постепенно появляются розоватые и белые цветочки. Известно, что на одном растении повилики образуется до 4 ООО соцветий, 2 700 семян. Цветет в июне-июле. Быстрая всхожесть семян говорит о приспособленности к паразитическому образу жизни. Семена прорастают при температуре 20—30 С на третий день, а при 13—14°С — на девятый день.
Паразитизм среди животных — это также межвидовая борьба. Самка наездника откладывает свои яйца в тело взрослых тлей или гусеницы бабочки-капустницы. Личинки наездников развиваются за счет тканей гусеницы и тли. Когда личинки выходят из тела гусеницы или тли, последние погибают.
Межвидовая борьба — это отношения хищника и жертвы, травоядных животных и растений; насекомоядных и насекомых; борьба между культурными и сорными растениями; между различными деревьями в лесу; между различными растениями на лугу; антагонизм между микроорганизмами и т. д.

История развития концепции вида

Микроэволюционные процессы, проте­кающие в популяциях, могут приводить к возникновению новых видов — централь­ному и важнейшему этапу эволюции живого на Земле. С появлением нового вида исчезает возможность нивелировки, сглаживания различий, достигнутых в про­цессе микроэволюции отдельными популя­циями и их группами. Прекращение нивели­ровок путем устранения скрещиваний опре­деляет возможность возникновения того многообразия органических форм, которое наблюдается в природе.

Аристотель употреблял термин «вид» для характеристики сходных животных. По­сле появления работ Д. Рея (1686) и осо­бенно К. Линнея (1751 —1762) понятие о виде прочно закрепляется в биологии в ка­честве основного. «Без понятия вида вся биология превращалась в ничто», все ее от­расли нуждались в нем в качестве основы. Однако представление о виде как о качест­венно своеобразном и основном этапе эво­люционного процесса возникло не сразу.

Факты устойчивости и постоянства ви­дов в природе привели к господству идеи о неизменности и сотворении видов (креа­ционизм, см. гл. 3). В борьбе с креациониз­мом развивался трансформизм (Ж Бюф-фон). Ж. Ламарк, увлекшись идеей изме­няемости видов, стал отрицать реальность вида вообще, сводя любую изменчивость в природе к видообразованию.

Ч. Дарвин, не отрицая реальности ви­дов, развил представления об их неустойчи­вости и динамичности. Правильное пред­ставление, но не обоснованное достаточным знанием генетических процессов, текущих внутри вида, впоследствии вновь приводило некоторых исследователей к отрицанию ре­альности вида в природе.

В начале XX в. происходит ломка пред­ставлений о виде как о морфологически од­нородном единстве («типологическая» или «монотипическая» концепция вида). В изу­ченных группах растений и животных основ­ной единицей классификации стала геогра­фическая раса, считавшаяся далее недели­мой. Вид стал рассматриваться как группа таких географических рас (или подвидов); в дополнение к биноминальной возникла три-номинальная номенклатура: в латинское название стали входить название рода, вида и подвида (например, Vulpes vulpes vulpes — среднерусская лиса, Vulpes v. stepensis — степная лиса).

Следующими важными шагами в разви­тии представлений о виде было открытие сезонных, экологических или физиологиче­ских рас внутри, казалось бы, однородных подвидов

Но настоящий переворот во взглядах на вид произошел в связи с успеха­ми генетики. Экспериментальными работа­ми генетиков была выявлена сложная ге­нетическая структура вида. На первых порах это привело некоторых исследовате­лей к отрицанию реальности вида: традици­онные «линнеевские» виды распадались на сотни и тысячи наследственно устойчивых мелких форм. Благодаря такому дроблению вид мягкой пшеницы, например, был разде­лен на несколько тысяч форм («жордано-нов» — «мелких константных видов»). Лишь в начале 30-х годов XX в. в основном благодаря работам генетиков школ Н.И. Вавилова в России и Дж. Клаузена в США проблема вида стала приближаться к реше­нию. Вид оказался сложной генетической системой. Особи одного вида имеют общий генофонд и защищены от проникновения ге­нов другого вида барьерами изоляции (био­логическая концепция вида, Э. Майр, 1942). Вид может включать различные по образу жизни и строению формы (подвиды, группы популяций), и представители этих форм время от времени могут скрещиваться и давать плодовитое потомство. Такое пони­мание вида способствовало развитию со­временной концепции политипического вида. Так в наше время соединились воеди­но, казалось бы, противоречивые точки зре­ния на вид как на основную структурную единицу органического мира и на вид как на сложную, многоликую и порой трудно уста-новимую в природе динамическую систему.

Виды распределяются неравномерно по классам, семействам и родам, есть группы с огромным числом видов и группы — даже высокого таксономического ранга,— пред­ставленные немногими видами в современ­ной фауне и флоре. Например, целый под­класс рептилий представлен лишь одним видом — гаттерией (Sphenodon punctatus), тогда как другой подкласс того же класса рептилий представлен несколькими тысяча­ми видов

Вид — качественный этап процесса эволюции.

Вид — это совокупность особей, обладающих общими морфофизиологиче-скими признаками и объединенных воз­можностыо скрещивания друг с другом1, формирующих систему популяции, ко­торые образуют общий (сплошной или частично разорванный) ареал; в при­родных условиях виды обычно отделены друг от друга и представляют генети­чески устойчивые системы.

Приведенная формулировка требует до­полнений. Любой вид представляет также систему популяций, формирующих сово­купность экологических ниш в соответ­ствующих биогеоценозах. Эта система популяций обладает общей эволюционной судьбой. Наконец, большинство видов по­литипично, т. е. представлены группами разнообразных по многим морфофизиологическим признакам особей (иногда эти груп­пы достигают ранга подвидов).

Лишь ничтожная часть видов живых организмов в настоящее время изучена настолько полно, чтобы при их описании удовлетворить всем требованиям приведен­ной формулировки Практически же виды в природе могут различаться либо морфоло­гическими, либо физиологическими, либо экологическими или этологическими при­знаками, либо, наконец, географическим распространением. Теоретически важней­шим признаком вида служит его гене­тическая устойчивость в природных ус­ловиях, обусловливающая независи­мость эволюционной судьбы.

II. Закрепление изученного материала

1. Назовите условия, влияющие на изменение популяции.

2. В чем причина отличий популяций друг от друга?

3. Заполните таблицу, кратко опишите понятия Ч. Дарвина об изменчивости:

   Определенная изменчивость		Неопределенная изменчивость
   Причины	Примеры	Причины	Примеры

4. В каких условиях возникает конкурентная борьба? Дайте определение борьбы за существование

5. Лабораторная работа №5

III. Домашнее задание

ʂ50-51стр.184-187