Макроэволюция. Доказательства эволюции органического мира. Биологическая классификация - ОСНОВЫ ГЕНЕТИКИ

Цели: сформировать у учащихся знания о процессе макроэволюции и системе органического мира; познакомить с доказательствами макроэволюции, подробнее с теми, которые исследует палеонтология, раскрыть ее методы, добытые факты; использовать доказательства эволюции для отстаивания взглядов на реальность исторического развития живой природы, продолжить формирование научного мировоззрения учащихся при раскрытии картин эволюции органического мира; продолжить формирование умений раскрывать причинно-следственные связи между путями и результатами эволюции, давать материалистическое объяснение исторических изменений живой природы; научить учащихся объективно оценивать степень убедительности доказательств эволюции.

Оборудование: таблицы “Эволюция предков лошади”, “Родословное древо животного мира”, “Систематические категории в ботанике”, “Систематические категории в зоологии”, “Гомология передних конечностей позвоночных животных”, “Рудименты и атавизмы”; ископаемые остатки, окаменелости, отпечатки листьев, древних растений на горных породах.

Ход урока

I. Организационный момент

II. Проверка знаний

1. Индивидуальная работа по карточкам (См. приложение 2). Ответ к карточке № 1:

Этот вопросник можно использовать для терминологического диктанта, при этом учитель зачитывает последовательно вопросы, учащиеся записывают их порядковые номера и соответствующие термины.

2. Фронтальная работа с классом.

Раздаточный материал на столах. Карточка №3 (См. приложение 2).

3. Постановка проблемного вопроса.

— В отличие от микроэволюции, макроэволюция совершается миллионы, миллиарды лет, человек не был ее свидетелем. Но как он мог узнать пути развития живой природы?

Учащиеся высказывают свое мнение.

III. Изучение нового материала

I. Вступительное слово учителя.

Доказательства эволюции органического мира многообразны. Их можно объединить в несколько групп. Первой следует рассматривать группу доказательств единства происхождения органического мира на Земле:

а) все живые организмы (растения, животные, грибы и бактерии) имеют общий элементарный химический состав;

б) единство живого на молекулярном уровне выражается прежде всего в наличии у всех живых существ белков, нуклеиновых кислот;

в) всеобщность клеточного строения и сходства строения клеток организмов разных царств органического мира;

г) всеобщность клеточного строения и сходства строения клеток организмов разных царств органического мира;

д) единство функционирования клеток.

Мало вероятно, что такое большое сходство в строении и функционировании живых организмов было следствием случайного совпадения.

Вывод: сходство в составе, строении и функционировании живых организмов является результатом их общего происхождения и указывает на единый “корень” жизни на Земле.

Следующая группа доказательств — это сравнительно- аналитические, сравнительно-морфологические доказательства.

Сравнительная анатомия и морфология — биологическая дисциплина, изучающая особенности строения и развития органов и систем органов путем сопоставления организмов различных систематических групп.

К доказательствам эволюции этой группы относятся:

1) Наличие в современной флоре и фауне живых переходных форм.

Ископаемые формы, сочетающие признаки древних и более молодых групп высокого систематического ранга называются переходными.

Примерами могут служить ехидна, утконос, латимелия, зеленая эвглена, ланцетник и др.

Вопрос. Признаки каких групп организмов они сочетают? О чем свидетельствуют эти переходные формы?

Переходные формы свидетельствуют о преемственности в эволюции и о том, что эволюция идет в направлении от низших форм к высшим формам.

2) Наличие гомологичных органов.

Сравнительно-анатомические исследования показали, что строения передних конечностей некоторых позвоночных, например, ласты кита, лапы крота, крокодила, крылья птицы, летучей мыши, руки человека, несмотря на выполнение совершенно разных функций, в принципиальных чертах строения сходны. Некоторые кости в скелете конечностей могут отсутствовать, другие срастаются, относительные размеры костей могут меняться, но их гомология, то есть сходство, основанное на общности происхождения, совершенно очевидно.

3) Наличие аналогичных органов.

Гомологии противостоит аналогия. Не всякое сходство органов свидетельствует в пользу их родства. Крыло бабочки и крыло птицы выполняют сходную функцию, но их строение совершенно различно. Сходство вызвано образом жизни, приспособлением к полету, возникшим независимо друг от друга у бабочек и птиц, а не родственным происхождением этих форм. Органы, имеющие внешнее сходство, вызванное сходными приспособлениями к сходным условиям жизни, но различное строение называются аналогичными.

4) Наличие рудиментов.

Рудименты (от лат. “rudimentum” — зачаток, первооснова) — сравнительно упрощенные, недоразвитые, по сравнению с гомологичными структурами предков, органы, утратившие свое основное значение в организме в ходе эволюционного процесса. Рудименты закладываются во время зародышевого развития организма, но полностью не развиваются. Они встречаются у всех особей определенного вида.

Примеры. Рудименты тазовых костей кита, рудимент третьего века, мышцы, двигающие ушную раковину, остатки волосяного покрова на теле человека, аппендикс — отросток слепой кишки.

5) Наличие атавизмов.

Атавизмы (от лат. “atavus” — предок) — признаки, появляющиеся у отдельных особей определенного вида, которые существовали у отдаленных предков, но были утрачены в процессе эволюции.

Примеры: многососковость у человека, рождение детей с первичным волосяным покровом, с длинным хвостиком и т.д.

Причины их появления заключаются в том, что гены, ответственные за данный признак, сохраняются в эволюции данного вида, но их действие при нормальном развитии блокируется генами- репрессорами.

Таким образом, данные сравнительной морфологии и анатомии убедительно свидетельствуют об изменяемости органического мира.

Все то, что мы рассмотрели ранее, является косвенным доказательством эволюции органического мира. Существуют ли прямые доказательства развития органического мира? Да, это ископаемые остатки, которые являются подлинными документами прошлого живой природы. Эти доказательства предоставляет наука палеонтология.

Палеонтология (от греч. “palaios” — древний, “ontos” — существо, “logos” — учение) — наука о животных и растениях прошлых геологических эпох, изучаемых по ископаемым остаткам и следам жизнедеятельности.

К палеонтологическим доказательствам относятся:

1) Ископаемые остатки, среди них окаменелости, отпечатки на горных породах.

2) Сведения об ископаемых переходных формах, которые не дожили до наших дней и присутствуют только в виде ископаемых остатков.

Примеры: древние кистеперые рыбы, семенные папоротники, ксилолиты, зверозубые ящеры, археоптерикс и др.

3) Сведения о филогенетических (эволюционных) рядах, которые не только являются прекрасной иллюстрацией эволюции, но и позволяют узнать причину эволюции отдельных групп организмов. В этом плане интересны исследования В.О. Ковальского истории развития лошадей.

2. Рассказ учителя “Эволюция предков лошади”.

Таблица служит для иллюстраций палеонтологических доказательствах исторического развития органического мира, на примере эволюции лошади. Она показывает, что причиной эволюции органической природы является изменение условий среды.

На таблице показаны изменения размеров и строения тела (в особенности черепа, зубов и конечностей) предков лошади в связи с переменой условий жизни, происходившей на протяжении последних пятидесяти миллионов лет геологической истории.

В нижней половине таблицы помещены рисунки важнейших частей скелета (черепа, скелеты передних конечностей, зубы) некоторых предков лошади (эогиппуса, мезогиппуса и меригиппуса) и рисунок таких же частей скелета современной дикой лошади Пржевальского. В верхней половине таблицы изображен внешний вид ископаемых предков лошади и дикой лошади Пржевальского.

Используя ископаемые остатки животных ученые-палеонтологи восстанавливают (реконструируют) внешний облик вымерших животных, основываясь на законе соотношения органов, который установил основоположник современной сравнительной анатомии и палеонтологии Ж. Кювье.

Историческое прошлое современной дикой лошади

Лошадь является представителем отряда непарнокопытных млекопитающих. У непарнокопытных ось конечности проходит через третий палец, наиболее развитый. Остальные пальцы развиты значительно слабее или сохранились только в виде рудиментов. Отряд состоит из трех семейств: тапиров, носорогов и лошадей. В семейства лошадей входят три рода: зебры (полосатые лошади), ослы и лошади.

В ледниковое и послеледниковое время в Европе, Сибири и даже в Арктике жило несколько видов степных, пустынных и лесных лошадей. Они вели стадный образ жизни: табуны диких лошадей паслись на обширных, чаще всего открытых пространствах. В настоящее время сохранился один вид дикой лошади — лошадь Пржевальского, открытый в 1879 г. великим русским путешественником Н.М. Пржевальским. Она обитает в пустынях Джунгарии, в Центральной Азии. Держится обычно стадами в 5—20 голов, состоящими из взрослого жеребца, самок и жеребят. Домашние лошади ведут начало от нескольких диких видов. Предполагается, что один из этих предков — лошадь Пржевальского.

Раскрытию эволюции предков лошади наука обязана прежде всего исследованиям русского ученого, основоположника эволюционной палеонтологии — В.О. Ковалевского.

Современные лошади по размерам тела, строению конечностей, черепа и в особенности зубов являются животными, приспособленными к питанию травами (преимущественно твердыми злаками) и к жизни на открытых пространствах. Поэтому, как доказал В.О. Ковалевский, происхождение лошади связано с возникновением травянистой растительности, развитием степей и вытеснением ими лесов на обширных пространствах Европы, Азии и Америки. Палеонтология предоставила неоспоримые свидетельства того, что предками всех непарнокопытных, в том числе и лошади, были животные с пятипалой конечностью. Древнейшими предками лошади были лесные животные величиной с кошку и лисицу, передвигавшиеся по мягкой почве и питавшиеся сочными листьями.

В дальнейшем размеры представителей семейства лошадиных постепенно увеличивались, количество пальцев на конечностях уменьшалось, а зубы видоизменялись. Это происходило благодаря переходу лошадиных из леса, на твердую почву открытых степных пространств и на питание жесткой травянистой растительностью. Изменение зубов сказывалось на строении челюстей и всего черепа, который постепенно приобретал характерную удлиненную лошадиную форму.

В левой части таблицы (первый вертикальный ряд рисунков) изображен древний примитивный предок лошади эогиппус. Он был размером с небольшую собаку и жил в лесах около 50 млн лет назад. Под изображением эогиппуса помещаются рисунки правой передней конечности этого животного (нарисованной спереди и сбоку), его черепа и коренных зубов.

Эогиппус отличался от прародительской пятипалой формы (от которой ведут начало все копытные животные, в том числе и непарнопалые) тем, что у него уже происходит редукция пальцев; на передних конечностях было по четыре пальца, а на задних — только по три, хотя и сохранились следы исчезнувших двух боковых пальцев в виде маленьких грифельных косточек. Зубы отличаются невысокой коронкой и коническими выступами на жевательной поверхности.

Появление травянистой растительности и вытеснение лесов степью способствуют укрупнению размеров последующих предков лошади и дальнейшей редукции боковых пальцев. Этот процесс идет постепенно, в течение многих миллионов лет. Он обусловлен естественным отбором, так как в степных условиях более крупное животное, обладающее конечностями, хорошо приспособленными к бегу, лучше защищено от хищников. Большие размеры животного обеспечивают возможность далеко просматривать степное пространство, своевременно заметить хищника и уйти от него. К тому же однопалая конечность, снабженная копытом, лучше обеспечивает быстрый бег по твердому степному грунту, по сравнению с пятипалой лапой животных, приспособленных к передвижению по мягкой лесной почве. В этом заключаются биологические причины, обусловившие постепенное увеличение размеров тела у предков лошади и превращение конечности из пятипалой в однопалую, которое происходило на протяжении многих миллионов лет.

Следующий вертикальный ряд рисунков характеризует дальнейший этап эволюции лошадиных. На верхнем рисунке изображен мезогиппус, живший около 40 миллионов лет назад. Это уже типично трехпалая форма, причем хотя все три пальца касаются земли, основная опора приходится на более развитый средний палец. Это животное крупнее эогиппуса (в типичном случае — с крупную овчарку). Щечные зубы имеют более высокую коронку и более похожи по форме на лошадиные в связи с дальнейшим приспособлением животного к питанию травой.

Еще сильнее выражены лошадиные черты организаций у более позднего предка лошади — меригиппуса, который жил около 20 миллионов лет назад. Это еще более крупное животное (величиной с пони). Хотя нога у него трехпалая, однако боковые пальцы уже не достигают земли и не служат средством опоры. Теперь это бесполезные рудименты. Щечные зубы меригиппуса еще более удлинились; коронка стала высокой, а жевательная поверхность сделалась более плоской, что свидетельствует о дальнейшем приспособлении предков лошади к питанию травянистыми растениями. Меригиппус — уже типичная степная форма, живущая на открытых пространствах и питающаяся травами.

В правом вертикальном ряду помещен рисунок лошади Пржевальского, под ним — ее передняя конечность (спереди и сбоку), череп и зубы. Этот современный вид лошади появился в четвертичном периоде, около 1 миллиона лет назад. Конечности современных лошадей однопалые, хотя следы двух боковых пальцев еще сохранились в виде слабых рудиментов, так называемых грифельных косточек, которые видны по бокам (см. рисунок конечности).

Обратите внимание на характерное для современной лошади строение черепа. Челюсти удлинены, нижняя челюсть очень массивна. Типично расположение резцов (по три на каждой половине челюсти), приспособленных для захвата и щипания травы. Позади резцов, отделенные от них пустым промежутком (диастемой), иногда расположены слаборазвитые клыки, которые у разных особей варьируются по размерам и форме. Это свидетельствует о рудиментарности клыков. За клыками следует еще один длинный пустой промежуток (диастема), за которым располагаются щечные зубы, служащие для перетирания пищи. В каждой половине челюсти имеется по шести таких перетирающих (предкоренных и коренных) зубов.

На протяжении 50 миллионов лет возникло много видов лошадиных (более двухсот). На таблице показаны лишь важнейшие промежуточные формы.

Приручение диких лошадей человеком происходило в Европе и Азии. Хотя в Америке прежде были дикие лошади, но они давно вымерли; домашние лошади завезены туда европейцами после открытия американского континента (в XVI в.).

Параллельно изменению конечностей происходило, как мы заметили, преобразование всего организма: увеличение размеров тела, изменение формы черепа и усложнение строения зубов, а также возникновение свойственного травоядным млекопитающим пищеварительного тракта и многое другое.

В.О. Ковалевский обнаружил последовательные ряда ископаемых форм лошадиных. Такие ряды видов, последовательно сменяющих друг друга, называются филогенетическими и свидетельствуют о существовании эволюционного процесса.

Несмотря на неполноту, палеонтологическая летопись предоставляет убедительные доказательства эволюции органического мира.

Все вышесказанные можно изобразить в виде схемы “Группы доказательств эволюционного процесса” (См. приложение 1).

3. Заключительный этап урока.

На заключительном этапе урока рассматривается вопрос о современной системе органического мира как отображении эволюции.

С помощью таблиц “Систематические категории в ботанике” и “Систематические категории в зоологии” (с ними учащиеся уже знакомы из курсов ботаники и зоологии) учащиеся актуализируют знания о систематических категориях. Вспоминают, что каждый более крупный таксон возник из более мелких таксонов, имеющих общего предка (род из нескольких родственных видов, семейств из нескольких родственных родов и т.д.).

С помощью таблицы “Родословное древо животного мира” учащиеся устанавливают родственные отношения между растениями и животными, определяют, что родословное древо наглядно показывает прогрессивный и дивергентный характер эволюции.

Дивергенция — расходящаяся эволюция (общий предок дает начало двум или большему количеству форм, которые, в свою очередь, становятся родоначальниками многих видов и родов.

Образному представлению о происхождении многообразия органического мира способствует его сравнение с разветвленным деревом, на котором каждый пучок ветвей представляет собой группу видов (или более крупных, например, таксонов), возникших от одной исходной формы. Все группы животных, объединенных в подтип Черепные или Позвоночные, отходят от одной ветви. В их организации много общего, несмотря на разнообразие классов, семейств, родов и видов, входящих в этот подтип. Таким образом, все многообразие видов органического мира возникло благодаря наследственной изменчивости, борьбе за существование и естественному отбору, обусловившему дивергенцию признаков.

Рассмотрим следующий пример из таблицы “Родословное древо животного мира”. Отряды Насекомоядные, Рукокрылые, Грызуны, Хищные, Китообразные, Ластоногие, Приматы, Парнокопытные, Непарнокопытные объединяются в класс млекопитающие (сюда входят все позвоночные животные, имеющие молочные железы для вскармливания детенышей). Классы Млекопитающие, Птицы, Пресмыкающиеся, Земноводные, Рыбы объединяются в подтип Черепные, или Позвоночные, а последний вместе с подтипом Бесчерепные в тип Хордовые и т.д.

Современная классификация является естественной, то есть она отражает естественное родство организмов. Естественные классификации позволяют предсказывать наличие тех или иных свойств в зависимости от положения организма в системе.

Современная классификация является также и эволюционной, то есть каждая таксономическая категория соответствует группе организмов, которые имеют общего предка.

Домашнее задание

По учебнику А.А. Каменского, §7.8, §4.3, вопросы после параграфа, записи в тетради, продумать пример, термины.

Придумайте пример, доказывающий это (§4.3, с. 143, пункт “Классификация и эволюция”, предложение 2).