4,5……………………………Методы изучения макро и микроэволюции

Методы изучения макроэволюционных процессов.

Для изучения макроэволюционного процесса используются палеонтологические методы; их несколько. Палеонтологические методы позволяют установить формы ископаемых форм. Благодаря ископаемым данным, можно понять как шло развитие жизни на Земле.

Палеонтологические методы.

Эти методы дают возможность изучать остатки ископаемых растений, их отпечатки.

Например – изучение ископаемых спор и пыльцевых зерен (проводится споро-пыльцевой анализ). Споры и пыльца содержат уникальную оболочку, пропитанная одним из самых устойчивых биополимеров – спорополлигрином, споры и пыльца сохраняются длительное время в ископаемой форме. Их изучение играет роль в изучении филогенетической систематике растений.

Также хорошо сохраняются семена и плоды (фоссилизированными – фоссилис ископаемый, добытый из породы земли). Фоссилизация – это переход в ископаемое состояние с сохранением структуры (органические вещества заменяются минеральными веществами, это явление обычно наблюдается в водной среде).

Палеоботанические данные не только позволяют проследить историю таксонов прошлого, но и имеют прикладное, практическое значение.

Например – вопросы стратиграфии (раздел исторической биологии) – использовать, чтобы искать и разрабатывать полезные ископаемые.

Для эволюционной систематике имеют также большое значение ископаемые переходные формы. Они дают возможность проследить изменения и возникновения живых форм во времени. К ископаемым переходным формам относят ихтиостега (примитивное земноводное). Переходная форма между кистеперыми рыбами и амфибиями. Они, ископаемые формы амфибий, сохранили черты рыбы. В настоящее время с помощью биохимических и молекулярно-генетических данных доказано, что именно кистеперые рыбы были предками наземных позвоночных животных.

Звероподобные рептилии из группы терансид. Терансиды – это переходная форма от рептилий к млекопитающим.

Семенные папоротники – дали начало двум крупным группам растений: голосеменные и покрытосеменные.

Доказательством эволюции также служат филогенетические или палеонтологические ряды. Это ряды ископаемых форм, которые отражают ход филогенеза (по ним можно судить как шла эволюция данной группы организмов). Установлены ряды лошадей, носорогов, слонов, морских ежей и моллюсков.

Метод тройного параллелизма. Его ввел в науку немецкий зоолог Эрнст Геккель. Его метод основывается на данных сравнительной анатомии, с эмбриологии и с палеонтологии, для установления родственных анатомических соотношений между исследуемыми группами животных.

В настоящее время используется методы современной палеонтологии (палеоцитология, палеоэкология, палеохимия, палеомагнитология, бактериальная палеонтология и молекулярная палеонтология).

Все эти современные методы дают возможность изучать смену флоры и фауны, изучать эволюцию экосистем. Применение палеонтологических и палеохимических методов позволяет выявить особенности климата особенности существ ископаемых форм. С помощью палеоэкологических методов можно объяснить те или иные особенности экологических систем. При этом в палеоэкологической реконструкции используется принцип актуализма (исторические изменения земной коры определяются действием тех же сил, которые исподволь и незаметно действуют и сегодня). Его ввел в науку Ч. Лайеля (1797 - 1875). Согласно этому принципу, процессы, предшествующие возникновению жизни на Земле, несомненно, совершались на основе тех же физических и химических законов, которые действуют и на Земле и ныне. Этот принцип позволяет утверждать, что происхождение жизни связанно с последовательным и вероятным протеканием определенных химических и реакций на поверхности первичной планеты. Физические и химические свойства воды (высокий дипольный момент, вязкость, теплоемкость и др.) и углерода (способность к восстановлению и образованию линейных соединений) определили то, что они оказались у колыбели жизни. В общих чертах – по настоящему, можно судить о прошлом.

Использования принципа историзма.

Те факторы, которые существовали в прошлой экологической эпохи, могли влиять на настоящие. С помощью прошлого, можно показать настоящее и будущее.

Бактериальная палеонтология.

Одним из современным палеонтологических методов, является бактериальная палеонтология. Она сформировалась в последние годы. Изучение ископаемых бактерий началось в последние 50 лет. Единственные породы, где можно обнаружить ископаемые бактерии – породы из селена. Когда с помощью электронного микроскопа изучали фосфориты и другие объекты, обнаружили что, бактерии сохранились во многих осадочных образований.

Молекулярная палеонтология изучает молекулярные следы жизнедеятельности организмов в прошлом. Так, в последние 20 лет появились исследования по изучению ДНК вымерших форм. Этот метод дает возможность вычислить генетическое расстояния у организмов, т.е. насколько родственны разные таксоны между собой. Первые остатки ДНК вымерших животных были выделены из шкуры Кваги (предок современной зебры) в 1984 году. В дальнейшем были изучены некоторые последовательности ДНК из образца головного мозга первобытного человека, возраст ДНК которого был 7 тыс. лет назад. Изучен ДНК из ископаемых форм мамонтов, возраст остатков которого был 10 – 50 тыс. лет, кроме того, исследовался возраст ископаемых остатков и пород, в которых сохранились останки мамонта.

Возраст ископаемых остатков и горных пород изучали методами геохронологии. Которые делятся на относительные и абсолютные.

Различия между относительными и абсолютными методами.

Методы относительной геохронологии исходят из следующих представлений: более поверхностный пласт породы, моложе лежащий под ним пласта (если не было смещения пластов), т.е. относительные методы датированы – это те методы, которые определяют возраст предмета относительно друг друга. Это так называемый стратиграф или геологическое наложение. При относительном методе датирования, учитывается и тот факт, что для геологической эпохе характерен свой облик и специфический набор животных и растений. На основе эволюции растительного и животного мира разработана геохронологическая шкала, которая дает возможность разделить развития на эры и периоды.

Методы абсолютной геохронологии.

Они основаны на естественной радиоактивности некоторых химических элементов. Как эталон времени, который предложи французский ученый Пьер Кюри. Скорость радиоактивного распада строго постоянна. Некоторые химические элементы встречаются в нестабильной форме в виде изотопа. Время их существования соизмеримо с возрастом Земли и ее образования. Нестабильные изотопы распадаются с образованием стабильных элементов. Скорость распада выражается периодом полураспада, время в течении которого любое исходное количество атомов уменьшается в 2 раза, это постоянный промежуток времени в течении которого средний объем вещества изотопа превращается в стабильную форму. Зная период полураспада и продукты этого распада, можно определить возраст породы.

Также можно выделить несколько методов абсолютной геохронологии.

Период полураспада U²⁵⁸ = 4,5 млрд. лет. 1 килограмм урана в любых породах через 10 миллионов лет дает 15 гр. Рb, 2 гр. Не и 900 гр. U. Чем больше в породах уранового свинца, тем пласт породы древнее. Так называемый Pb – метод изотопная геохронология. В зависимости от пород радиоактивного распада, большое применение получил углеродный метод.

К – аргоновый метод.

При любом изотопном методе возраст определяется всегда по соотношению стабильных и нестабильных изотопов.

Для определения геологического возраста до 50 тысяч лет применяется радиоуглеродный метод, если же возраст остатков довольно значителен более 500 тысяч лет, то используется К – аргонов метод, превращающий калий (не стабильный) в аргон (стабильный) через 1,3 млрд. лет.

С помощью радиоуглеродного метода можно определить возраст таких органических остатков, как уголь, костей, дерева (эпохи оледенения, древних цивилизаций). Возраст ископаемых людей определяется с помощью К – аргонного метода.

Использование дендрологического метода.

Учитывая годичные кольца древесины, по годовым приростам можно точно узнать возраст древесных пород.

Проводят изучение кораллов, у них внешняя часть скелета покрыта тонким известковым слоем (эпитекой). При хорошем сохранении эпитеки, хорошо видны кольца (при периодичном изменении скорости отложения Са СО₃).

Помимо этих методов, широкое применение для изучения макроэволюции, используется:

• биогеографический метод – сравнение флоры и фауны с точки зрения особенностей развития современных континентов, т.е. сравнивают изменения флоры и фауны с теми формами, когда континенты были единым целым.

• Изучение особенностей распространения близких форм дает возможность судить о темпах эволюции этих групп и выявить центры происхождения различных групп.

• Изучение островных форм и реликтов (relictum - остаток). Животные или растения сохраняются с прошлых эпох.

Например моллюск неопелина сохраняется в почти неизменном виде в течении 400 млн. лет. Это самый примитивный моллюск из эпохи теплых морей.

Мечехвосты – обитатели тропических прибрежных теплых морей Юго-восточной Азии сохраняются с селура 400 млн. лет.

Ящер гаттерия хорошо сохранилась на изолированных островах Новой Зеландии.

Растения из голосеменных, встречаются в Японии и Китае как декоративное растение (Гинкго), в восточном Китае растет на небольших территориях. Это дает представление о древних формах растений, которые росли в Юрский период.

Иногда наблюдаются явления сохранения реликтовых ландшафтов.

Морфологические методы.

1). Это сравнительно анатомический и гистологический показатель, что внутреннее сходство является результатом родства сравниваемых форм.

2). Это изучение гомологичных органов, которые имеют общее происхождение, сходные по строению, но выполняют разные функции. Это дает представление о родственных связях живых организмов друг с другом.

3). Изучение рудиментов (недоразвитие, утрата) и атавизмов (возврат признаков, которые были утрачены ранее), дает возможность установить генеалогические связи между организмами.

Современные исследования в области морфологии отличаются от работ в недавнем прошлом.

1). С помощью электронного микроскопа (трансмиссионного и сканирующего). Морфологический анализ растений показал, что для многих признаков растений разработаны критерии примитивности и специализации, отражающую эволюцию этих групп растений, в частности цветковых, т.к. они имеют наиболее важное значение для человеческого общества.

2). Помимо морфологического метода, используются эмбриологические методы. Применяется выявление зародышевого сходства. Это свидетельствует об общности происхождения сравниваемых форм. Сравнительно-эмбриологический анализ установил ряды признаков. Отражает степень эволюционной продвинутости организмов.

3). Паразитологический метод. Он основан на тесном эволюционном единстве паразита со своим хозяином. По паразитофауне, можно судить об эволюции видов и родов хозяев и даже семейств. Идет процесс сопряжения эволюции (коэволюции).

Что касается микроэволюции, то в данном случае применяются отдельные генетические методы:

1). Кореологический метод – метод основан на изучении числа и особенности строения хромосом близких видов. Это изучение различных мутаций (хромосомных инверсий, транслокации, дупликации).

2). Метод генетики популяций – заключается в исследовании и изменении генетической структуры популяций под влиянием одного или нескольких факторов среды. Этот метод является довольно трудоемким.

3). Метод фенетики популяций (phen – признак). Он жестко генетически определен и фенотипически определяется у особей с генами, который определяет фенотипический признак. По внешнему признаку можно судить о распространении гена в популяции.

4). Этологический метод – изучает особенности поведения животных. Этот метод позволяет установить родство между группами на основе гомологии генетически обусловленных элементов поведения.

Для изучения макроэволюции.

1). Методы молекулярной биологии – определение последовательности аминокислот в белках или секвенирование белков. В настоящее время такая последовательность определяется для жизненно важных белков (гемоглобин, миоглобин, цитохром с и др.).

2). Определение последовательности нуклеотидов в нуклеиновых кислотах (секвенирование ДНК). Это имеет важное значение для установления степени родства между разными систематическими группами. Осуществляется программа «геном человека» - определение последовательности ДНК у разных организмов, у бактерий, вирусов, дрожжей, одноклеточных и многоклеточных эукариот. Эти исследования важны для будущего прогресса науки, медицины, сельского хозяйства.

3). Используются иммунологические методы для определения групп крови, иммунологических реакций. Эти методы подтверждают связь человека и высших обезьян.

4). Метод гибридизации ДНК. Метод заключается в разделении двойной спирали ДНК у разных видов. Берут одинарные цепочки у двух разных видов, охлаждают их и смотрят, на сколько усиленно будут образовываться новые двойные цепи спирали. По углу цепи и скорости их образования, смотря родственность форм. Чем выше степень совпадений, тем больше родство. Акод Белозерский установил, что:

у человека и шимпанзе количество сходных нуклетидных последовательностей – 91 %.

у человека и гиббона – 76 %

у человека и макаки – резуса – 66 %

Иначе говоря, чем ближе в систематическом отношении животного к человеку, тем выше сходство между ними в молекулярной структуре ДНК.

5) Биохимические методы (для макро и микроэволюции). Имеет важное значение в биохимической систематике растений. Эти методы основаны на закономерной связи между систематическим положением и особенностями их химического состава. Это изучение различных белков, их структуры; вторичных метаболитов.

Биохимические исследования показали, что по сходству белков - альбуминов, наиболее близки к человеку шимпанзе, горилла, орангутан. Совсем далеки по этому признаку от человека – долгопяты и лемуры.

Для изучения микро и макроэволюции осуществляются моделирования разных эволюционных процессов на ЭВМ. Оно дает возможность проанализировать результаты взаимодействия разных факторов микроэволюции. Проводят моделирования развития биоценозов и даже развитие всей биосферы в результате действия климатических или техногенных факторов.

К изучению эволюции подключены те же теории вероятности, теории информации, равновесной термодинамики, синергетика.

В настоящее время используется комплексы антергративы и системы подходов при изучении процессов эволюции.