Реферат на тему Палеобиология и эволюционная теория Время и изменения
Работа добавлена на сайт bukvasha.net: 2015-05-08Поможем написать учебную работу
Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
от 25%
Подписываем
договор
Реферат
на тему:
«Палеобиология и эволюционная теория. Время и изменения»
План
1. Абсолютное и относительное время
2. Происхождение многоклеточных организмов
3. Разрывы, недостающие звенья и эволюционные механизмы
4. Скорости эволюции
5. Скорости изменения размеров
1. Абсолютное и относительное время
...Слыша доносящийся издалека шум великих морей, омывающих берега, давным-давно ими же разрушенные, и крики морских птиц, что исчезли с лица земли.
Дж. Р. Р. Толкиен
С самого начала следует четко сказать, что наша попытка объяснить морфологическую эволюцию в терминах генетики развития будет постоянно тормозиться своеобразием предмета, доводящим порой до отчаяния. В отличие от очевидных физиологических или морфогенетических изменений, которые возникают в жизни отдельной особи и которые можно непосредственно наблюдать и изучать экспериментально, эволюционные изменения живых организмов ускользают от наблюдения и масштабы их ограничены. Вследствие этого большая часть наших сведений о морфологической эволюции получена путем изучения не организмов, а их ископаемых остатков, которые мы можем рассматривать как организмы, пользуясь всеми знаниями, почерпнутыми из биологии. Этим мы вовсе не хотим сказать, что единственным источником наших данных об эволюции служит палеонтологическая летопись; мы просто хотели привлечь внимание к тому, что сведения, получаемые при изучении ископаемых остатков, качественно иные, нежели результаты биохимических, эмбриологических и генетических исследований, составляющие большую часть этой книги. Лишь обратившись к палеонтологической летописи, мы можем воссоздать подлинную эволюционную историю не только ныне живущих организмов, но и давно вымерших линий. Столь же важное значение имеют геологические данные, позволяющие измерять абсолютное время, на основании которого можно вычислить скорости эволюционного процесса.
В действительности существуют две шкалы геологического времени - относительная и абсолютная. Относительная шкала была создана в XIX в.; в ее основе лежит открытие английского инженера и маркшейдера Уильяма Смита (William Smith), что некоторые характерные ископаемые остатки, когда бы и где бы он их ни находил, всегда бывают расположены в слоях породы в одной и той же последовательности по отношению друг к другу. Это открытие легло в основу большинства геологических методов. Метод относительного датирования исходит из двух простых допущений. Первое состоит в том, что более молодые слои лежат поверх более древних, а второе - в том, что для каждого определенного геологического слоя характерны, как это обнаружил Смит, свои определенные ископаемые остатки. Среди них встречаются виды, которые жили только короткое время, и поэтому их можно обнаружить лишь в небольшом интервале стратиграфической летописи. Они послужили руководящими ископаемыми, которые дали возможность коррелировать слои горных пород на обширных территориях и построить относительную шкалу времени. Относительной шкалой времени пользовались задолго до того, как Дарвин опубликовал «Происхождение видов» (1859 г.), однако ее связь с абсолютным временем была в лучшем случае весьма слабой. В XVIII в. стали понимать, хотя и очень медленно, что описанная в Библии хронология событий, которую в общем принимали не только обычные люди, но и ученые, охватывает слишком короткий период времени, чтобы в него могли вместиться огромные изменения, произошедшие в истории Земли, даже если согласиться с теорией катастроф, гласившей, что жизнь многократно уничтожалась опустошительными стихийными бедствиями. Считалось, что Всемирный потоп был лишь последней из этих катастроф, раз за разом уничтожавших все, что было сотворено прежде.
Но историю Земли и жизни на ней можно было рассматривать и с иной точки зрения. Ее выдвинул в 1795 г. Дж. Хаттон (J. Hutton) в своей «Теории Земли». Хаттон утверждал, что происходящие сейчас процессы эрозии и воздыманий могли бы за достаточное время полностью изменить лицо Земли. Эту тему исчерпывающим образом разработал Чарлз Лайель (Charles Lyell) в своей книге «Основы геологии», впервые опубликованной в 1830 г. Она доминировала в геологии под названием доктрины униформизма. Ни в каких катастрофах или силах, не наблюдаемых на Земле в настоящее время, нет нужды: дожди и морозы и просто время могут сравнять горы с землей. Беспредельность времени - вот ключ к познанию истории Земли. Хаттон писал: «Мы не можем найти никаких следов начала и никаких наметок конца».
Дарвиновская эволюция, приводящая к постепенным изменениям путем отбора мелких вариаций, требовала очень продолжительного времени: теория униформизма обеспечила это время. Однако за этим последовал тяжелый удар. Физик Уильям Томсон (William Thomson), позднее лорд Кельвин, в работах, опубликованных в 1862 г. и позднее, показал, что принцип униформизма противоречит второму закону термодинамики. Неограниченное время невозможно, потому что, хотя суммарная энергия во Вселенной остается постоянной, количество энергии, доступной для использования, уменьшается. Таким образом Вселенная должна приближаться к своему концу. В этом Томсон был абсолютно прав. Только данная им оценка времени, остающегося до этого конца, была слишком занижена. Единственным известным в XIX в. механизмом, который мог бы нагревать Солнце, было гравитационное сжатие. Томсон показал, что такой механизм ограничивает жизнь Солнца, а тем самым и Земли сроком менее 100 млн. лет. Это очень сильно урезало время, имевшееся в распоряжении эволюции, так как лишь в последней пятой части истории Земли обнаружены следы многоклеточных организмов.
2. Происхождение многоклеточных организмов
В своей книге «Феномен человека» Тейяр де Шарден (Teilhard de Chardin) пишет по поводу одной из самых трудных загадок палеонтологической летописи - внезапного появления новых организмов: «Начальные стадии обладают досадной, но неизбежной хрупкостью, которую необходимо иметь в виду всем, кто занимается историей». Хрупкость начальных стадий и трудность их выявления, несомненно, обусловлены отчасти разрушительными воздействиями времени, постепенно уничтожающими палеонтологическую летопись. Однако становится все более ясно, что дело не только в этом. Внезапные появления новых форм - не просто артефакты. Эволюции несвойственно плавное и безмятежное течение. Скорости эволюции подвержены резким изменениям, причем многие важные и даже революционизирующие изменения в морфологии возникли за сравнительно короткое время, а, кроме того, в эволюции происходили и качественные сдвиги.
Палеонтологическая летопись первых четырех пятых истории жизни резко отличается от последней пятой ее части, в которой в изобилии содержатся остатки многоклеточных организмов. Почти на всем протяжении бесконечно долгого докембрия эволюция происходила главным образом на клеточном и биохимическом уровнях. К сожалению, у нас нет данных о самых ранних событиях, связанных с возникновением жизни и появлением наиболее примитивных организмов. Прокариотические клетки, по-видимому, уже существовали 3,4-3,0 · 109 лет назад, поскольку в породах этого возраста найдены ясные следы жизни и древнейших ископаемых бактерий.
Прокариоты - клетки, не имеющие ограниченного мембраной ядра, - господствовали на протяжении большей части докембрия. Это была эра бактерий и сине-зеленых водорослей, метаболически активных, но однообразных. Тем не менее именно от некоторых прогрессировавших прокариот произошли первые ядерные клетки - эукариоты. Самые древние эукариоты возникли, по-видимому, примерно 1,3 · 109 лет назад и были представлены по большей части простыми шарообразными и нитевидными водорослями. Однако среди них были и удивительные макроскопические формы - лентовидные водоросли, описанные Уолтером (Walter) и его сотрудниками. Определение времени возникновения эукариот на основании палеонтологической летописи затруднительно, так как критериев, с помощью которых можно было бы отличать самых ранних эукариот от прокариот, немного и в некоторых случаях они вызывают возражения. Шопф (J. W. Schopf) составил список ряда критериев, основанных на величине, форме и морфологической сложности ископаемых клеток. Среди структур, интерпретируемых как эукариоты, есть ветвящиеся нити с внутренними поперечными перегородками, сложные (например, бутылеобразные) микроископаемые, крупные цисты водорослей, клетки, содержащие плотные тельца, напоминающие остатки органелл эукариотических клеток, и тетрады клеток или спор, вероятно представляющие собой продукты мейоза. По мнению Шопфа, эти тетрады служат указанием на возникновение у эукариот пола примерно 0,9 · 109 лет назад. К сожалению, принадлежность некоторых из этих структур эукариотическим клеткам вызывает сомнение, поскольку эксперименты, проведенные Ноллом и Баргхорном (Knoll, Barghoorn) на культурах ныне живущих сине-зеленых водорослей, показали, что в дегенерирующих клетках этих водорослей появляются образования, напоминающие органеллы. Браун (Brown) и Болд (Bold), а также Элер (Oehler) и его сотрудники нашли сине-зеленые водоросли, образующие тетрады, не имеющие отношения к мейозу. При интерпретации таких трудных объектов, как ископаемые клетки, известная доля скептицизма уместна, однако мы, вероятно, имеем основания признать, что формация Биттер-Спрингс возрастом 0,9-109 лет, описанная Шопфом, содержит скопление разнообразных эукариот и что общие черты организации эукариотических клеток к этому времени уже вполне определились. Одна из выдающихся особенностей организации эукариотической клетки - это наличие в ней окруженных мембранами органелл - митохондрий и хлоропластов, содержащих небольшие собственные ДНК-геномы и синтезирующих ограниченное число собственных белков. Эти геномы, которые имеют жизненно важное значение для сборки и функционирования органелл и для выживания клетки в целом, возникли на ранних этапах истории эукариот. Рэф (Raff) и Малер (Mahler) предложили механизм, с помощью которого они могли развиться. Главные последствия эволюции геномов у органелл эукариот заключались в том, что наличие в пределах одной клетки нескольких геномов сделало необходимой эволюцию механизмов, регулирующих и координирующих их функциональные взаимодействия. Геномы органелл контролируются ядерным геномом, и их деятельность координирована с деятельностью ядерных генов. Ядерные геномы таким образом могут взаимодействовать с другими связанными с ними геномами. Это, возможно, оказалось одной из решающих преадаптаций к развитию многоклеточной организации, которая требует координации между геномами разных клеток данного организма. Большая часть генетических и молекулярных механизмов, необходимых для развития и дифференцировки многоклеточных организмов, возникла в процессе эволюции одноклеточных эукариот. На существование такой преадаптаций указывают многочисленные независимые попытки перехода к многоклеточности в разных группах эукариот. В своей книге «Эволюция развития» Дж. Боннер (J. Bonner) перечисляет по крайней мере десять таких попыток, результаты которых до сих пор сохранились в виде живых организмов. Проблема многоклеточности решалась по-разному. У слизевиков скопления независимых амебоидных клеток образуют многоклеточную репродуктивную фазу. Вольвокс - зеленая водоросль, состоящая из нескольких тысяч клеток, - обладает единственным в своем роде планом строения, сложным типом развития, и линия соматических клеток обособлена у нее от зародышевой линии. В процессе эволюции независимо возникли координированные и высокодифференцированные многоклеточные формы - растения, грибы, губки и животные. Радиация многоклеточных животных впервые произошла в конце докембрийской эры. Остатки первых мягкотелых Metazoa сохранились в породах возрастом 0,7-0,6 · 109 лет в Австралии, Канаде, Англии и Южной Африке. Эта фауна получила название эдиакарской по местности в Австралии, где были обнаружены ископаемые наилучшей сохранности. Причины, вызвавшие радиацию Metazoa, и время, когда она происходила, породили множество спекуляций, поскольку фактических данных, которые сдерживали бы воображение, очень мало. Эукариоты уже существовали в течение нескольких миллионов лет, прежде чем появились первые известные нам Metazoa. Этот промежуток времени, возможно, понадобился для эволюции механизмов, необходимых для возникновения многоклеточности. Но столь же вероятно, что эти механизмы уже существовали задолго до эволюции Metazoa и что радиация последних стала в конечном счете возможной благодаря экологическим изменениям, произошедшим в конце докембрийской эры. Одна серьезная возможность, которую выдвинули Беркнер (Berkner) и Маршалл (Marshall), состоит в том, что только в позднем докембрии содержание свободного кислорода в среде достигло такого уровня, при котором могли существовать Metazoa. Обсуждению подверглись также некоторые биохимические следствия, вытекающие из этой гипотезы. Тауе (Towe) высказал мнение, что до тех пор, пока содержание кислорода в среде не достигло достаточно высокою уровня, животные вырабатывали слишком мало коллагена, для синтеза которого необходим молекулярный кислород; поэтому тело их оставалось мягким, а размеры небольшими. Рэф и Рэф (Raff, Raff) показали, что при низком напряжении кислорода примитивные Metazoa, у которых снабжение тканей кислородом происходило путем диффузии, должны были быть ограничены в отношении своей толщины и сложности строения, а Клауд (Claud) отмечает, что животные, составляющие эдиакарскую фауну, подтверждают эту гипотезу. У некоторых червей, относящихся к эдиакарской фауне, распластанное тело занимало довольно большую площадь, будучи при этом чрезвычайно тонким и мягким. Возникновение циркуляторных систем, способных переносить кислород к тканям, стало возможным только после того, как содержание кислорода в атмосфере достигло такого уровня, при котором дыхательные белки с различным сродством к кислороду могли передавать его по цепи, такой как цепь гемоглобин-миоглобин-цитохром, найденная у многих животных. Лишь после этого могло произойти замещение эдиакарских «призраков» организмами с более массивными телом и наружным скелетом.
С другой стороны, Стенли (Stanley) указал на то, что в докембрии преобладали экосистемы с одним трофическим уровнем, отличавшиеся малым разнообразием и состоявшие главным образом из сине-зеленых водорослей. Разнообразие было ограничено, потому что несколько видов водорослей наилучшим образом использовали доступное пространство и ресурсы, исключая все другие виды. Возникновение в процессе эволюции первых растительноядных форм означало, что разнообразие уже не могло контролироваться конкурентным исключением, так что стало возможным большее разнообразие продуцентов. Это в свою очередь привело к увеличению числа ниш для растительноядных форм и создало возможность для появления плотоядных организмов, а тем самым и нескольких трофических уровней. По мнению Стенли, такими экологическими первопроходцами были простейшие, но затем появление новых экологических ниш вызвало «взрывные скорости эволюции», что привело к возникновению многоклеточности. События, происходившие на самом деле, затеряны в прошлом, но одно, по-видимому, ясно, и это отражается в гипотезах происхождения Metazoa. Радиация многоклеточных животных началась спустя значительное время после возникновения эукариот, однако, начавшись, она происходила быстро. Возникновение разнообразных и сложных морфологии, типов развития и всех основных тканей совершилось самое большее за те 200 млн. лет, которые разделяют одноклеточных эукариот формации Биттер-Спрингс, существовавшей 0,9 · 109 лет назад, и Metazoa эдиакарской фауны, возраст которой равен 0,7-109 лет. Эдиакарскую фауну подробно изучал Глеснер (Glaessner); она целиком состоит из бесскелетных форм, среди которых преобладают кишечнополостные и кольчецы, но содержит также очень примитивных членистоногих и, возможно, одно иглокожее. В целом в ней представлены семь классов, принадлежащих к четырем типам. Среди других Metazoa одного возраста с эдиакарской фауной можно назвать маленькую коническую раковину, возможно принадлежащую моллюску из верхнего докембрия Калифорнии, описанному Тейлором (Taylor), и два других описанных Журавлевой организма из верхнего докембрия СССР, систематическое положение которых неясно. Хотя не менее пяти типов Metazoa впервые были найдены в верхнем докембрии, обильная фауна Metazoa появилась, в сущности, в нижнекембрийских отложениях, где стали часто встречаться животные с хорошо сохраняющимися твердыми частями. Симпсон (Simpson) описал из нижнего кембрия 12 классов, относящихся к 8 типам, а позднее Стенли (Stanley) выделил в этих же типах 18 классов. К середине кембрийского периода число типов, представленных и в современной фауне, по данным Валентайна (Valentine), достигло 12. Как полагают Конвей (Conway), Морис (Morris) и Уитингтон (Whittington), некоторые другие своеобразные животные, обнаруженные в среднекембрийских сланцах Берджес в Британской Колумбии, принадлежат к 10 типам, которые целиком вымерли, возможно, вследствие неудачного плана строения, возникшего в период бурной первоначальной радиации многоклеточных животных. В кембрии появилось много очень сложно организованных животных: иглокожие; трилобиты и другие членистоногие; замковые и беззамковые брахиоподы; несколько классов моллюсков, в том числе головоногие; все они были представлены довольно разнообразными формами, а их предки установлены не были.
3. Разрывы, недостающие звенья и эволюционные механизмы
Отсутствие предковых форм или форм, промежуточных между отдельными ископаемыми видами, не является некой странной особенностью ранней истории Metazoa. Разрывы представляют собой общее явление и встречаются по всей палеонтологической летописи. Дарвина смущало отсутствие в палеонтологической летописи непрерывного ряда промежуточных в эволюционном отношении форм, поскольку, согласно его теории, наличия таких переходных форм следовало ожидать: «...в таком случае число существовавших когда-то промежуточных разновидностей должно быть поистине огромным. Почему же тогда каждая геологическая формация и каждый слой не переполнены такими промежуточными звеньями?» В «Происхождении видов» Дарвин затратил много усилий, пытаясь ответить на этот вопрос и дать ему рациональное объяснение. Он выдвинул три основные причины. Первая из них - неполнота палеонтологической летописи. Разрывы вызваны полным уничтожением ископаемых остатков в результате эрозии и других процессов или же несохранением когда-то существовавших промежуточных форм.
Вторая причина состоит в искажении летописи таксономическими артефактами, создаваемыми самими исследователями. Интерградирующим формам иногда присваивают видовые названия, затемняя таким образом их переходный характер. Современные статистические и стратиграфические методы позволяют избегать таксономических артефактов. Здесь уместно, однако, привести один важный пример. До недавнего времени покрытосеменные из меловых отложений относили к современным родам на основании формы листьев; в результате возникновение современных родов цветковых растений представлялось более внезапным, чем это было на самом деле, о чем свидетельствуют новые исследования морфологии ископаемых листьев и цветков, как это обсуждается в работах Дильхера (Dilcher).
Третья причина, по Дарвину, заключается в том, что разрывы могут быть следствием природы самого эволюционного процесса. Эволюционные превращения, согласно Дарвину, вероятно, обычно происходили в небольших географически ограниченных популяциях, после чего новая форма быстро распространялась по более обширному ареалу предкового вида, или «...период, в течение которого каждый вид претерпевал модификации, хотя он длителен, если измерять его в годах, был, возможно, невелик по сравнению с тем периодом, в течение которого он не претерпевал никаких изменений». Локальные или быстро эволюционирующие популяции лишь в редких случаях могут сохраниться в палеонтологической летописи. Палеонтологическая летопись очень необъективна. В некоторых обстановках, таких как мелководные морские бассейны, образование отложений, содержащих ископаемые остатки, более вероятно, чем в других, таких как горные хребты. Некоторые организмы сохраняются лучше, чем другие. Например, моллюски, позвоночные и иглокожие очень хорошо представлены в палеонтологической летописи, насекомые представлены в ней довольно слабо, а от планарий и нематод, чрезвычайно широко распространенных в современных фаунах, практически не осталось следов. Однако разрывы существуют даже в палеонтологической летописи тех типов, история которых отражена в ней очень хорошо.
В 1959 г., в статье, посвященной столетию дарвиновского «Происхождения видов», Симпсон (G. G. Simpson) писал, что, несмотря на продолжавшееся все это время интенсивное изучение ископаемых форм и многочисленные их находки, известная нам часть палентологическои летописи дает лишь очень слабое и неадекватное представление о существовавшей в прошлом жизни. Симпсон привел результаты очень интересного «бумажного эксперимента», который он проделал, чтобы выяснить возможные последствия неполноты летописи. Эксперимент состоит в следующем: берут случайную выборку, содержащую 10% видов, относящихся к гипотетическому филогенетическому древу, которое состоит из нескольких семейств, делящихся на ряд родов, подразделяющихся в свою очередь на многочисленные виды. Виды, включенные в выборку, отображают неполноту палеонтологической летописи. Эти «найденные» виды распределяют по родам и семействам, как если бы они были настоящими ископаемыми остатками. Как и можно было ожидать для небольшой случайной выборки, большая часть попавших в нее видов никак не была связана друг с другом, так что лишь в нескольких случаях удалось построить непрерывный ряд видов, представляющих собой прямую последовательность от предков к потомкам. Средняя длина разрывов (число отсутствующих «неизвестных» видов между «найденными» видами) возрастает с повышением таксономического ранга, так что между всеми обнаруженными семействами получаются разрывы, соответствующие большому числу видов. Получилась картина, сходная с настоящей палеонтологической летописью, где разрывы между группами высших таксономических рангов наблюдаются всегда и обычно бывают велики.
4. Скорости эволюции
До сих пор мы рассматривали скорости эволюции вообще, не пытаясь определить, какие изменения морфологии за 1 млн. лет соответствуют горотелическим или тахителическим скоростям. Однако из палеонтологической летописи можно извлечь конкретные эволюционные данные, позволяющие в сочетании с достаточно точными измерениями абсолютного времени произвести некоторые количественные оценки скоростей эволюции. Из палеонтологической летописи можно извлечь сведения о трех обширных категориях эволюционных скоростей: скоростях таксономического изменения, скоростях изменения размеров и скоростях изменения формы. Эти скорости, конечно, не независимы друг от друга, но операционально их можно рассматривать по отдельности. Скорости таксономического изменения наиболее субъективны, потому что отдельные систематики, занимающиеся близкими организмами, могут пользоваться разными критериями при установлении таких категорий, как роды и семейства. «Объединитель» может поместить десять близких видов в один род, а его коллега-«дробитель» отнесется к этому неодобрительно и сочтет, что они принадлежат к трем разным родам. Кроме того, и это более серьезно, систематики, работающие с сильно различающимися группами, неизбежно используют в своей работе очень разные морфологические признаки, термины и критерии. Трудно решить, имеют ли такие таксономические категории, как роды или семейства, одинаковое эволюционное значение при сравнениях организмов, принадлежащих к разным классам или типам со своими особыми планами строения и эволюционными историями. Тем не менее, не упуская из виду эти трудности, можно использовать обширные таксономические данные, добытые из палеонтологии, для оценки скоростей эволюции, особенно среди родственных организмов, или для оценки изменений скорости эволюции в пределах одной линии. Сравнения между неродственными группами более условны, однако таксономию нельзя считать совсем уж произвольной. Одни и те же общие принципы применяются исследователями всех групп, когда они пытаются создать иерархические классификации, отражающие эволюционное родство между разными группами организмов и в пределах отдельных групп. Таким образом, таксономические категории представляют собой итог произведенных систематиком оценок степени эволюционной дивергенции и отражают уровень морфологических различий между классифицируемыми организмами. При наличии данных об абсолютных возрастах, как это иногда бывает, имеется возможность оценить время, необходимое для достижения существенных морфологических изменений. Эти оценки могут позволить нам выяснить, какая точность определения времени необходима для изучения прерывистых событий, и установить, сколь значительными могут быть горотелические скорости в действительности. В 1953 г. Симпсон (Simpson) указал, что существует несколько способов выведения эволюционных скоростей из таксономических данных. Филогенетические скорости - это те скорости, с которыми эволюционируют таксоны, такие как виды или роды в пределах одной филогенетической линии. В идеале могут быть определены скорости для эволюционирующей линии, в которой виды или роды возникают в известное время от известных предков и исчезают не в результате вымирания, а давая начало известным группам-потомкам.
5. Скорости изменения размеров
Изменение размеров представляет собой одно из наиболее часто встречающихся эволюционных явлений. В общем увеличение размеров - преобладающее направление эволюции. В таких различных группах, как фораминиферы и динозавры, известны примеры гигантов, возникших от мелких предковых форм. Однако «больше» это не всегда «лучше», и крупные животные (вроде слонов) иногда давали начало карликовым формам. Скорости изменения величины в процессе эволюции определить легко. Размеры гомологичных структур, таких как раковины, кости или зубы, у эволюционно близких организмов можно точно измерить, и, зная продолжительность периода, в течение которого произошло изменение размеров, определить его скорость. Такие измерения позволяют получить простейшую количественную меру эволюции, и их можно производить независимо от преобразований формы, которые гораздо труднее оценить количественно. Эти измерения позволяют оценить эволюционные изменения, обходя проблему объективности, возникающую при определении скоростей таксономических изменений. Сравнения абсолютных изменений размеров обычно бесполезны, потому что в общем приходится для начала сравнивать организмы разной величины. Поэтому необходима какая-то мера относительного или процентного изменения размеров за некоторый отрезок времени, принятый за стандарт. Подобную относительную меру предложил Холдейн (Haldane, 1949). Скорости изменения размеров могут сильно варьировать по степени и продолжительности. Так, например, по оценкам Симпсона (Simpson), высота коронки зубов у лошадей линии от Hyracotherium (Eohippus) к Mesohippus на протяжении эоцена-олигоцена увеличивалась со средней скоростью, равной примерно 25 миллидарвин. От раннеолигоценового Mesohippus до миоценового Hypohippus эта скорость несколько возросла, достигнув 45 миллидарвин. Все эти формы объедали листву молодых деревьев и кустарников. Ныне живущая лошадь Equus - обитатель равнин, питающийся травой. Лошади, щиплющие траву, дивергировали от форм, объедавших листву, в миоцене; это линия Mesohippus - Merychippus, в которой скорость увеличения высоты коронки зубов повысилась до 80 миллидарвин, что привело к увеличению высоты коронки в четыре раза примерно за 20 · 106 лет. Эта умеренно высокая скорость увеличения размера зубов была лишь частью, хотя и существенной, эволюции лошадей, щиплющих траву. Одновременно происходили модификации формы черепа, совершенствование головного мозга и глубокие изменения в строении стопы, ноги и других частей скелета, необходимых для быстрого бега. Увеличение высоты коронки сопровождалось радикальными изменениями строения зубов: увеличением числа бугорков и переходом от сравнительно простых зубов, состоявших из дентина, покрытого эмалью, к зубам, на поверхностях которых имеются высокие складки эмали, а промежутки между складками заполнены твердым цементом, в результате чего создается эффективный и прочный жевательный аппарат. Размеры зубов увеличились у Merychippus не так заметно, как их форма, однако изменения формы не могли бы произойти без сопутствующего увеличения высоты зубной коронки. Подробное описание этих изменений можно найти в увлекательной книге Симпсона «Лошади».
на тему:
«Палеобиология и эволюционная теория. Время и изменения»
План
1. Абсолютное и относительное время
2. Происхождение многоклеточных организмов
3. Разрывы, недостающие звенья и эволюционные механизмы
4. Скорости эволюции
5. Скорости изменения размеров
1. Абсолютное и относительное время
...Слыша доносящийся издалека шум великих морей, омывающих берега, давным-давно ими же разрушенные, и крики морских птиц, что исчезли с лица земли.
Дж. Р. Р. Толкиен
С самого начала следует четко сказать, что наша попытка объяснить морфологическую эволюцию в терминах генетики развития будет постоянно тормозиться своеобразием предмета, доводящим порой до отчаяния. В отличие от очевидных физиологических или морфогенетических изменений, которые возникают в жизни отдельной особи и которые можно непосредственно наблюдать и изучать экспериментально, эволюционные изменения живых организмов ускользают от наблюдения и масштабы их ограничены. Вследствие этого большая часть наших сведений о морфологической эволюции получена путем изучения не организмов, а их ископаемых остатков, которые мы можем рассматривать как организмы, пользуясь всеми знаниями, почерпнутыми из биологии. Этим мы вовсе не хотим сказать, что единственным источником наших данных об эволюции служит палеонтологическая летопись; мы просто хотели привлечь внимание к тому, что сведения, получаемые при изучении ископаемых остатков, качественно иные, нежели результаты биохимических, эмбриологических и генетических исследований, составляющие большую часть этой книги. Лишь обратившись к палеонтологической летописи, мы можем воссоздать подлинную эволюционную историю не только ныне живущих организмов, но и давно вымерших линий. Столь же важное значение имеют геологические данные, позволяющие измерять абсолютное время, на основании которого можно вычислить скорости эволюционного процесса.
В действительности существуют две шкалы геологического времени - относительная и абсолютная. Относительная шкала была создана в XIX в.; в ее основе лежит открытие английского инженера и маркшейдера Уильяма Смита (William Smith), что некоторые характерные ископаемые остатки, когда бы и где бы он их ни находил, всегда бывают расположены в слоях породы в одной и той же последовательности по отношению друг к другу. Это открытие легло в основу большинства геологических методов. Метод относительного датирования исходит из двух простых допущений. Первое состоит в том, что более молодые слои лежат поверх более древних, а второе - в том, что для каждого определенного геологического слоя характерны, как это обнаружил Смит, свои определенные ископаемые остатки. Среди них встречаются виды, которые жили только короткое время, и поэтому их можно обнаружить лишь в небольшом интервале стратиграфической летописи. Они послужили руководящими ископаемыми, которые дали возможность коррелировать слои горных пород на обширных территориях и построить относительную шкалу времени. Относительной шкалой времени пользовались задолго до того, как Дарвин опубликовал «Происхождение видов» (1859 г.), однако ее связь с абсолютным временем была в лучшем случае весьма слабой. В XVIII в. стали понимать, хотя и очень медленно, что описанная в Библии хронология событий, которую в общем принимали не только обычные люди, но и ученые, охватывает слишком короткий период времени, чтобы в него могли вместиться огромные изменения, произошедшие в истории Земли, даже если согласиться с теорией катастроф, гласившей, что жизнь многократно уничтожалась опустошительными стихийными бедствиями. Считалось, что Всемирный потоп был лишь последней из этих катастроф, раз за разом уничтожавших все, что было сотворено прежде.
Но историю Земли и жизни на ней можно было рассматривать и с иной точки зрения. Ее выдвинул в 1795 г. Дж. Хаттон (J. Hutton) в своей «Теории Земли». Хаттон утверждал, что происходящие сейчас процессы эрозии и воздыманий могли бы за достаточное время полностью изменить лицо Земли. Эту тему исчерпывающим образом разработал Чарлз Лайель (Charles Lyell) в своей книге «Основы геологии», впервые опубликованной в 1830 г. Она доминировала в геологии под названием доктрины униформизма. Ни в каких катастрофах или силах, не наблюдаемых на Земле в настоящее время, нет нужды: дожди и морозы и просто время могут сравнять горы с землей. Беспредельность времени - вот ключ к познанию истории Земли. Хаттон писал: «Мы не можем найти никаких следов начала и никаких наметок конца».
Дарвиновская эволюция, приводящая к постепенным изменениям путем отбора мелких вариаций, требовала очень продолжительного времени: теория униформизма обеспечила это время. Однако за этим последовал тяжелый удар. Физик Уильям Томсон (William Thomson), позднее лорд Кельвин, в работах, опубликованных в 1862 г. и позднее, показал, что принцип униформизма противоречит второму закону термодинамики. Неограниченное время невозможно, потому что, хотя суммарная энергия во Вселенной остается постоянной, количество энергии, доступной для использования, уменьшается. Таким образом Вселенная должна приближаться к своему концу. В этом Томсон был абсолютно прав. Только данная им оценка времени, остающегося до этого конца, была слишком занижена. Единственным известным в XIX в. механизмом, который мог бы нагревать Солнце, было гравитационное сжатие. Томсон показал, что такой механизм ограничивает жизнь Солнца, а тем самым и Земли сроком менее 100 млн. лет. Это очень сильно урезало время, имевшееся в распоряжении эволюции, так как лишь в последней пятой части истории Земли обнаружены следы многоклеточных организмов.
2. Происхождение многоклеточных организмов
В своей книге «Феномен человека» Тейяр де Шарден (Teilhard de Chardin) пишет по поводу одной из самых трудных загадок палеонтологической летописи - внезапного появления новых организмов: «Начальные стадии обладают досадной, но неизбежной хрупкостью, которую необходимо иметь в виду всем, кто занимается историей». Хрупкость начальных стадий и трудность их выявления, несомненно, обусловлены отчасти разрушительными воздействиями времени, постепенно уничтожающими палеонтологическую летопись. Однако становится все более ясно, что дело не только в этом. Внезапные появления новых форм - не просто артефакты. Эволюции несвойственно плавное и безмятежное течение. Скорости эволюции подвержены резким изменениям, причем многие важные и даже революционизирующие изменения в морфологии возникли за сравнительно короткое время, а, кроме того, в эволюции происходили и качественные сдвиги.
Палеонтологическая летопись первых четырех пятых истории жизни резко отличается от последней пятой ее части, в которой в изобилии содержатся остатки многоклеточных организмов. Почти на всем протяжении бесконечно долгого докембрия эволюция происходила главным образом на клеточном и биохимическом уровнях. К сожалению, у нас нет данных о самых ранних событиях, связанных с возникновением жизни и появлением наиболее примитивных организмов. Прокариотические клетки, по-видимому, уже существовали 3,4-3,0 · 109 лет назад, поскольку в породах этого возраста найдены ясные следы жизни и древнейших ископаемых бактерий.
Прокариоты - клетки, не имеющие ограниченного мембраной ядра, - господствовали на протяжении большей части докембрия. Это была эра бактерий и сине-зеленых водорослей, метаболически активных, но однообразных. Тем не менее именно от некоторых прогрессировавших прокариот произошли первые ядерные клетки - эукариоты. Самые древние эукариоты возникли, по-видимому, примерно 1,3 · 109 лет назад и были представлены по большей части простыми шарообразными и нитевидными водорослями. Однако среди них были и удивительные макроскопические формы - лентовидные водоросли, описанные Уолтером (Walter) и его сотрудниками. Определение времени возникновения эукариот на основании палеонтологической летописи затруднительно, так как критериев, с помощью которых можно было бы отличать самых ранних эукариот от прокариот, немного и в некоторых случаях они вызывают возражения. Шопф (J. W. Schopf) составил список ряда критериев, основанных на величине, форме и морфологической сложности ископаемых клеток. Среди структур, интерпретируемых как эукариоты, есть ветвящиеся нити с внутренними поперечными перегородками, сложные (например, бутылеобразные) микроископаемые, крупные цисты водорослей, клетки, содержащие плотные тельца, напоминающие остатки органелл эукариотических клеток, и тетрады клеток или спор, вероятно представляющие собой продукты мейоза. По мнению Шопфа, эти тетрады служат указанием на возникновение у эукариот пола примерно 0,9 · 109 лет назад. К сожалению, принадлежность некоторых из этих структур эукариотическим клеткам вызывает сомнение, поскольку эксперименты, проведенные Ноллом и Баргхорном (Knoll, Barghoorn) на культурах ныне живущих сине-зеленых водорослей, показали, что в дегенерирующих клетках этих водорослей появляются образования, напоминающие органеллы. Браун (Brown) и Болд (Bold), а также Элер (Oehler) и его сотрудники нашли сине-зеленые водоросли, образующие тетрады, не имеющие отношения к мейозу. При интерпретации таких трудных объектов, как ископаемые клетки, известная доля скептицизма уместна, однако мы, вероятно, имеем основания признать, что формация Биттер-Спрингс возрастом 0,9-109 лет, описанная Шопфом, содержит скопление разнообразных эукариот и что общие черты организации эукариотических клеток к этому времени уже вполне определились. Одна из выдающихся особенностей организации эукариотической клетки - это наличие в ней окруженных мембранами органелл - митохондрий и хлоропластов, содержащих небольшие собственные ДНК-геномы и синтезирующих ограниченное число собственных белков. Эти геномы, которые имеют жизненно важное значение для сборки и функционирования органелл и для выживания клетки в целом, возникли на ранних этапах истории эукариот. Рэф (Raff) и Малер (Mahler) предложили механизм, с помощью которого они могли развиться. Главные последствия эволюции геномов у органелл эукариот заключались в том, что наличие в пределах одной клетки нескольких геномов сделало необходимой эволюцию механизмов, регулирующих и координирующих их функциональные взаимодействия. Геномы органелл контролируются ядерным геномом, и их деятельность координирована с деятельностью ядерных генов. Ядерные геномы таким образом могут взаимодействовать с другими связанными с ними геномами. Это, возможно, оказалось одной из решающих преадаптаций к развитию многоклеточной организации, которая требует координации между геномами разных клеток данного организма. Большая часть генетических и молекулярных механизмов, необходимых для развития и дифференцировки многоклеточных организмов, возникла в процессе эволюции одноклеточных эукариот. На существование такой преадаптаций указывают многочисленные независимые попытки перехода к многоклеточности в разных группах эукариот. В своей книге «Эволюция развития» Дж. Боннер (J. Bonner) перечисляет по крайней мере десять таких попыток, результаты которых до сих пор сохранились в виде живых организмов. Проблема многоклеточности решалась по-разному. У слизевиков скопления независимых амебоидных клеток образуют многоклеточную репродуктивную фазу. Вольвокс - зеленая водоросль, состоящая из нескольких тысяч клеток, - обладает единственным в своем роде планом строения, сложным типом развития, и линия соматических клеток обособлена у нее от зародышевой линии. В процессе эволюции независимо возникли координированные и высокодифференцированные многоклеточные формы - растения, грибы, губки и животные. Радиация многоклеточных животных впервые произошла в конце докембрийской эры. Остатки первых мягкотелых Metazoa сохранились в породах возрастом 0,7-0,6 · 109 лет в Австралии, Канаде, Англии и Южной Африке. Эта фауна получила название эдиакарской по местности в Австралии, где были обнаружены ископаемые наилучшей сохранности. Причины, вызвавшие радиацию Metazoa, и время, когда она происходила, породили множество спекуляций, поскольку фактических данных, которые сдерживали бы воображение, очень мало. Эукариоты уже существовали в течение нескольких миллионов лет, прежде чем появились первые известные нам Metazoa. Этот промежуток времени, возможно, понадобился для эволюции механизмов, необходимых для возникновения многоклеточности. Но столь же вероятно, что эти механизмы уже существовали задолго до эволюции Metazoa и что радиация последних стала в конечном счете возможной благодаря экологическим изменениям, произошедшим в конце докембрийской эры. Одна серьезная возможность, которую выдвинули Беркнер (Berkner) и Маршалл (Marshall), состоит в том, что только в позднем докембрии содержание свободного кислорода в среде достигло такого уровня, при котором могли существовать Metazoa. Обсуждению подверглись также некоторые биохимические следствия, вытекающие из этой гипотезы. Тауе (Towe) высказал мнение, что до тех пор, пока содержание кислорода в среде не достигло достаточно высокою уровня, животные вырабатывали слишком мало коллагена, для синтеза которого необходим молекулярный кислород; поэтому тело их оставалось мягким, а размеры небольшими. Рэф и Рэф (Raff, Raff) показали, что при низком напряжении кислорода примитивные Metazoa, у которых снабжение тканей кислородом происходило путем диффузии, должны были быть ограничены в отношении своей толщины и сложности строения, а Клауд (Claud) отмечает, что животные, составляющие эдиакарскую фауну, подтверждают эту гипотезу. У некоторых червей, относящихся к эдиакарской фауне, распластанное тело занимало довольно большую площадь, будучи при этом чрезвычайно тонким и мягким. Возникновение циркуляторных систем, способных переносить кислород к тканям, стало возможным только после того, как содержание кислорода в атмосфере достигло такого уровня, при котором дыхательные белки с различным сродством к кислороду могли передавать его по цепи, такой как цепь гемоглобин-миоглобин-цитохром, найденная у многих животных. Лишь после этого могло произойти замещение эдиакарских «призраков» организмами с более массивными телом и наружным скелетом.
С другой стороны, Стенли (Stanley) указал на то, что в докембрии преобладали экосистемы с одним трофическим уровнем, отличавшиеся малым разнообразием и состоявшие главным образом из сине-зеленых водорослей. Разнообразие было ограничено, потому что несколько видов водорослей наилучшим образом использовали доступное пространство и ресурсы, исключая все другие виды. Возникновение в процессе эволюции первых растительноядных форм означало, что разнообразие уже не могло контролироваться конкурентным исключением, так что стало возможным большее разнообразие продуцентов. Это в свою очередь привело к увеличению числа ниш для растительноядных форм и создало возможность для появления плотоядных организмов, а тем самым и нескольких трофических уровней. По мнению Стенли, такими экологическими первопроходцами были простейшие, но затем появление новых экологических ниш вызвало «взрывные скорости эволюции», что привело к возникновению многоклеточности. События, происходившие на самом деле, затеряны в прошлом, но одно, по-видимому, ясно, и это отражается в гипотезах происхождения Metazoa. Радиация многоклеточных животных началась спустя значительное время после возникновения эукариот, однако, начавшись, она происходила быстро. Возникновение разнообразных и сложных морфологии, типов развития и всех основных тканей совершилось самое большее за те 200 млн. лет, которые разделяют одноклеточных эукариот формации Биттер-Спрингс, существовавшей 0,9 · 109 лет назад, и Metazoa эдиакарской фауны, возраст которой равен 0,7-109 лет. Эдиакарскую фауну подробно изучал Глеснер (Glaessner); она целиком состоит из бесскелетных форм, среди которых преобладают кишечнополостные и кольчецы, но содержит также очень примитивных членистоногих и, возможно, одно иглокожее. В целом в ней представлены семь классов, принадлежащих к четырем типам. Среди других Metazoa одного возраста с эдиакарской фауной можно назвать маленькую коническую раковину, возможно принадлежащую моллюску из верхнего докембрия Калифорнии, описанному Тейлором (Taylor), и два других описанных Журавлевой организма из верхнего докембрия СССР, систематическое положение которых неясно. Хотя не менее пяти типов Metazoa впервые были найдены в верхнем докембрии, обильная фауна Metazoa появилась, в сущности, в нижнекембрийских отложениях, где стали часто встречаться животные с хорошо сохраняющимися твердыми частями. Симпсон (Simpson) описал из нижнего кембрия 12 классов, относящихся к 8 типам, а позднее Стенли (Stanley) выделил в этих же типах 18 классов. К середине кембрийского периода число типов, представленных и в современной фауне, по данным Валентайна (Valentine), достигло 12. Как полагают Конвей (Conway), Морис (Morris) и Уитингтон (Whittington), некоторые другие своеобразные животные, обнаруженные в среднекембрийских сланцах Берджес в Британской Колумбии, принадлежат к 10 типам, которые целиком вымерли, возможно, вследствие неудачного плана строения, возникшего в период бурной первоначальной радиации многоклеточных животных. В кембрии появилось много очень сложно организованных животных: иглокожие; трилобиты и другие членистоногие; замковые и беззамковые брахиоподы; несколько классов моллюсков, в том числе головоногие; все они были представлены довольно разнообразными формами, а их предки установлены не были.
3. Разрывы, недостающие звенья и эволюционные механизмы
Отсутствие предковых форм или форм, промежуточных между отдельными ископаемыми видами, не является некой странной особенностью ранней истории Metazoa. Разрывы представляют собой общее явление и встречаются по всей палеонтологической летописи. Дарвина смущало отсутствие в палеонтологической летописи непрерывного ряда промежуточных в эволюционном отношении форм, поскольку, согласно его теории, наличия таких переходных форм следовало ожидать: «...в таком случае число существовавших когда-то промежуточных разновидностей должно быть поистине огромным. Почему же тогда каждая геологическая формация и каждый слой не переполнены такими промежуточными звеньями?» В «Происхождении видов» Дарвин затратил много усилий, пытаясь ответить на этот вопрос и дать ему рациональное объяснение. Он выдвинул три основные причины. Первая из них - неполнота палеонтологической летописи. Разрывы вызваны полным уничтожением ископаемых остатков в результате эрозии и других процессов или же несохранением когда-то существовавших промежуточных форм.
Вторая причина состоит в искажении летописи таксономическими артефактами, создаваемыми самими исследователями. Интерградирующим формам иногда присваивают видовые названия, затемняя таким образом их переходный характер. Современные статистические и стратиграфические методы позволяют избегать таксономических артефактов. Здесь уместно, однако, привести один важный пример. До недавнего времени покрытосеменные из меловых отложений относили к современным родам на основании формы листьев; в результате возникновение современных родов цветковых растений представлялось более внезапным, чем это было на самом деле, о чем свидетельствуют новые исследования морфологии ископаемых листьев и цветков, как это обсуждается в работах Дильхера (Dilcher).
Третья причина, по Дарвину, заключается в том, что разрывы могут быть следствием природы самого эволюционного процесса. Эволюционные превращения, согласно Дарвину, вероятно, обычно происходили в небольших географически ограниченных популяциях, после чего новая форма быстро распространялась по более обширному ареалу предкового вида, или «...период, в течение которого каждый вид претерпевал модификации, хотя он длителен, если измерять его в годах, был, возможно, невелик по сравнению с тем периодом, в течение которого он не претерпевал никаких изменений». Локальные или быстро эволюционирующие популяции лишь в редких случаях могут сохраниться в палеонтологической летописи. Палеонтологическая летопись очень необъективна. В некоторых обстановках, таких как мелководные морские бассейны, образование отложений, содержащих ископаемые остатки, более вероятно, чем в других, таких как горные хребты. Некоторые организмы сохраняются лучше, чем другие. Например, моллюски, позвоночные и иглокожие очень хорошо представлены в палеонтологической летописи, насекомые представлены в ней довольно слабо, а от планарий и нематод, чрезвычайно широко распространенных в современных фаунах, практически не осталось следов. Однако разрывы существуют даже в палеонтологической летописи тех типов, история которых отражена в ней очень хорошо.
В 1959 г., в статье, посвященной столетию дарвиновского «Происхождения видов», Симпсон (G. G. Simpson) писал, что, несмотря на продолжавшееся все это время интенсивное изучение ископаемых форм и многочисленные их находки, известная нам часть палентологическои летописи дает лишь очень слабое и неадекватное представление о существовавшей в прошлом жизни. Симпсон привел результаты очень интересного «бумажного эксперимента», который он проделал, чтобы выяснить возможные последствия неполноты летописи. Эксперимент состоит в следующем: берут случайную выборку, содержащую 10% видов, относящихся к гипотетическому филогенетическому древу, которое состоит из нескольких семейств, делящихся на ряд родов, подразделяющихся в свою очередь на многочисленные виды. Виды, включенные в выборку, отображают неполноту палеонтологической летописи. Эти «найденные» виды распределяют по родам и семействам, как если бы они были настоящими ископаемыми остатками. Как и можно было ожидать для небольшой случайной выборки, большая часть попавших в нее видов никак не была связана друг с другом, так что лишь в нескольких случаях удалось построить непрерывный ряд видов, представляющих собой прямую последовательность от предков к потомкам. Средняя длина разрывов (число отсутствующих «неизвестных» видов между «найденными» видами) возрастает с повышением таксономического ранга, так что между всеми обнаруженными семействами получаются разрывы, соответствующие большому числу видов. Получилась картина, сходная с настоящей палеонтологической летописью, где разрывы между группами высших таксономических рангов наблюдаются всегда и обычно бывают велики.
4. Скорости эволюции
До сих пор мы рассматривали скорости эволюции вообще, не пытаясь определить, какие изменения морфологии за 1 млн. лет соответствуют горотелическим или тахителическим скоростям. Однако из палеонтологической летописи можно извлечь конкретные эволюционные данные, позволяющие в сочетании с достаточно точными измерениями абсолютного времени произвести некоторые количественные оценки скоростей эволюции. Из палеонтологической летописи можно извлечь сведения о трех обширных категориях эволюционных скоростей: скоростях таксономического изменения, скоростях изменения размеров и скоростях изменения формы. Эти скорости, конечно, не независимы друг от друга, но операционально их можно рассматривать по отдельности. Скорости таксономического изменения наиболее субъективны, потому что отдельные систематики, занимающиеся близкими организмами, могут пользоваться разными критериями при установлении таких категорий, как роды и семейства. «Объединитель» может поместить десять близких видов в один род, а его коллега-«дробитель» отнесется к этому неодобрительно и сочтет, что они принадлежат к трем разным родам. Кроме того, и это более серьезно, систематики, работающие с сильно различающимися группами, неизбежно используют в своей работе очень разные морфологические признаки, термины и критерии. Трудно решить, имеют ли такие таксономические категории, как роды или семейства, одинаковое эволюционное значение при сравнениях организмов, принадлежащих к разным классам или типам со своими особыми планами строения и эволюционными историями. Тем не менее, не упуская из виду эти трудности, можно использовать обширные таксономические данные, добытые из палеонтологии, для оценки скоростей эволюции, особенно среди родственных организмов, или для оценки изменений скорости эволюции в пределах одной линии. Сравнения между неродственными группами более условны, однако таксономию нельзя считать совсем уж произвольной. Одни и те же общие принципы применяются исследователями всех групп, когда они пытаются создать иерархические классификации, отражающие эволюционное родство между разными группами организмов и в пределах отдельных групп. Таким образом, таксономические категории представляют собой итог произведенных систематиком оценок степени эволюционной дивергенции и отражают уровень морфологических различий между классифицируемыми организмами. При наличии данных об абсолютных возрастах, как это иногда бывает, имеется возможность оценить время, необходимое для достижения существенных морфологических изменений. Эти оценки могут позволить нам выяснить, какая точность определения времени необходима для изучения прерывистых событий, и установить, сколь значительными могут быть горотелические скорости в действительности. В 1953 г. Симпсон (Simpson) указал, что существует несколько способов выведения эволюционных скоростей из таксономических данных. Филогенетические скорости - это те скорости, с которыми эволюционируют таксоны, такие как виды или роды в пределах одной филогенетической линии. В идеале могут быть определены скорости для эволюционирующей линии, в которой виды или роды возникают в известное время от известных предков и исчезают не в результате вымирания, а давая начало известным группам-потомкам.
5. Скорости изменения размеров
Изменение размеров представляет собой одно из наиболее часто встречающихся эволюционных явлений. В общем увеличение размеров - преобладающее направление эволюции. В таких различных группах, как фораминиферы и динозавры, известны примеры гигантов, возникших от мелких предковых форм. Однако «больше» это не всегда «лучше», и крупные животные (вроде слонов) иногда давали начало карликовым формам. Скорости изменения величины в процессе эволюции определить легко. Размеры гомологичных структур, таких как раковины, кости или зубы, у эволюционно близких организмов можно точно измерить, и, зная продолжительность периода, в течение которого произошло изменение размеров, определить его скорость. Такие измерения позволяют получить простейшую количественную меру эволюции, и их можно производить независимо от преобразований формы, которые гораздо труднее оценить количественно. Эти измерения позволяют оценить эволюционные изменения, обходя проблему объективности, возникающую при определении скоростей таксономических изменений. Сравнения абсолютных изменений размеров обычно бесполезны, потому что в общем приходится для начала сравнивать организмы разной величины. Поэтому необходима какая-то мера относительного или процентного изменения размеров за некоторый отрезок времени, принятый за стандарт. Подобную относительную меру предложил Холдейн (Haldane, 1949). Скорости изменения размеров могут сильно варьировать по степени и продолжительности. Так, например, по оценкам Симпсона (Simpson), высота коронки зубов у лошадей линии от Hyracotherium (Eohippus) к Mesohippus на протяжении эоцена-олигоцена увеличивалась со средней скоростью, равной примерно 25 миллидарвин. От раннеолигоценового Mesohippus до миоценового Hypohippus эта скорость несколько возросла, достигнув 45 миллидарвин. Все эти формы объедали листву молодых деревьев и кустарников. Ныне живущая лошадь Equus - обитатель равнин, питающийся травой. Лошади, щиплющие траву, дивергировали от форм, объедавших листву, в миоцене; это линия Mesohippus - Merychippus, в которой скорость увеличения высоты коронки зубов повысилась до 80 миллидарвин, что привело к увеличению высоты коронки в четыре раза примерно за 20 · 106 лет. Эта умеренно высокая скорость увеличения размера зубов была лишь частью, хотя и существенной, эволюции лошадей, щиплющих траву. Одновременно происходили модификации формы черепа, совершенствование головного мозга и глубокие изменения в строении стопы, ноги и других частей скелета, необходимых для быстрого бега. Увеличение высоты коронки сопровождалось радикальными изменениями строения зубов: увеличением числа бугорков и переходом от сравнительно простых зубов, состоявших из дентина, покрытого эмалью, к зубам, на поверхностях которых имеются высокие складки эмали, а промежутки между складками заполнены твердым цементом, в результате чего создается эффективный и прочный жевательный аппарат. Размеры зубов увеличились у Merychippus не так заметно, как их форма, однако изменения формы не могли бы произойти без сопутствующего увеличения высоты зубной коронки. Подробное описание этих изменений можно найти в увлекательной книге Симпсона «Лошади».
