Paleontologia - nauka o historii życia
Paleontologia - to nauka o kopalnych organizmach, które w przeszłości zamieszkiwały naszą Ziemię. Głównym zadaniem paleontologii jest rekonstrukcja wyglądu zewnętrznego oraz osobliwości zachowania, fizjologii i ekologii organizmów wymarłych.
Historia Ziemi liczy około 4,54 mld lat. Właśnie wtedy w wyniku zagęszczania się pyłu kosmicznego otaczającego Słońce uformowała się planeta Ziemia. Sądzi się, że pierwsze żywe organizmy pojawiły się na młodej Ziemi około 3,8 mld lat temu w epoce, która nosi nazwę eonu archaicznego. W ciągu miliardów lat życie reprezentowały jednokomórkowe organizmy bezjądrowe. A pierwsze wiarygodne szczątki kopalne organizmów wielokomórkowych datowane są na około 1,2 mld lat temu i należą już do okresu następnego neonu - proterozoiku1.
Około 540 min lat temu zaczęła się nowa epoka rozwoju życia na Ziemi - fane-rozoik albo epoka „jawnego” życia. Fanerozoik dzieli się na trzy ery: paleozoik, mezo-zoik, kenozoik. W paleozoiku powstają i rozwijają się zwierzęta kręgowe, pojawiają się pierwsze rośliny lądowe, po nich na ląd „wychodzą” owady i płazy. Koniec paleozoiku cechuje pojawienie się roślin nagonasiennych i gadów oraz najobszerniejsze wymieranie organizmów żywych za całą historię Ziemi. W mezozoiku obserwujemy rozkwit gadów, pojawienie się ogromnej różnorodności dinozaurów, pterozaurów, ichtiozaurów, plezjozaurów i inz. Pojawiają się rośliny kwiatowe, ptaki i ssaki. Następna era - kenozoik - zaznaczyła się rozkwitem ssaków i ptaków. Należy pamiętać, że era kenozoiczna trwa i my w niej żyjemy. Zmiany epok i okresów można przedstawić w postaci skali geochronologicznej (tab. 44.1).
Tabelka 44.1. Skala geochronologiczna i podstawowe etapy rozwoju życia na Ziemi
1 Tu chodzi o szczątki krasnorostów, szczątki zwierząt wielokomórkowych pojawiają się później.
2 Przypomnijmy, że wbrew rozpowszechnionemu mniemaniu wszystkie te grupy mają różne pochodzenie i nie należą do nadrzędu dinozaurów.
Paleontologiczne dowody ewolucji w postaci szczątków kopalnych
Jednym z najlepszych dowodów ewolucji służy obecność tzw. form przejściowych -organizmów, które łączą w sobie cechy budowy charakterystyczne dla kilku grup systematycznych. Takie połączenie cech obowiązkowo wynika w procesie postępowego przejścia od jednego planu budowy do innego. Zwykle formy przejściowe posiadają bardziej prymitywne cechy budowy niż ich potomkowie, ale i bardziej progresywne cechy niż ich przodkowie. Charles Darwin przypuszczał obecność podobnych organizmów, jednak w chwili powstania teorii doboru naturalnego formy przejściowe jeszcze nie były znane. W 1863 roku w Bawarii znaleziono szkielet archeopteryksa - małego gada żyjącego wjurze (ryc. 44.1). Archeopteryks łączył w sobie cechy, które były charakterystyczne dla płazów (zęby, typowa dla gadów budowa żeber i miednicy), ale miał też szereg cech charakterystycznych dla ptaków (pióra, skrzydła). Powstało przypuszczenie, że archeopteryks jest przejściowym ogniwem od gadów do ptaków i stało się oczywiste, że ptaki pochodzą od jakichś progresywnych gadów spokrewnionych z archeopteryksem1.
Obecnie znamy wiele form przejściowych. Przy tym czasami formy przejściowe udaje się uporządkować w drzewa filogenetyczne - kolejność gatunków, które zmieniały się w trakcie ewolucji tej czy innej grupy istot żywych. W postaci takiego drzewa może być ukazana ewolucja koni, słoni, wielorybów czy innych grup. Uważa się, że walenie pochodzą od drobnych lądowych parzystokopytnych, które z początku przeszły do półwodnego, a potem do całkowicie wodnego stylu życia. W trakcie tego przejścia przednie końcówki przekształciły się w płetwy, tylne - zmniejszyły się, zęby stały się jednakowe, kopyta i sierść zniknęły (ryc. 44.2).
Między embrionami różnych grup zwierząt istnieje podobieństwo
Badając rozwój zarodków różnych zwierząt, wyjaśniono, że między embrionami i osobnikami dorosłymi różnych grup organizmów istnieje podobieństwo. Na przykład w trakcie rozwoju zarodka człowieka w 4.-6. miesiącu ciąży u embriona w obrębie głowy formuje się 5 par łuków skrzelowych z miękkiej tkanki zarodkowej (ryc. 44.3). Wciągu dalszego rozwoju zarodka te łuki formują elementy dolnej części głowy i szyi. Jak już wiesz, łuki skrzelowe są charakterystyczne dla ryb, u których one są podstawą skrzeli. Prócz tego mają je kijanki płazów. Dziwnym odkryciem stała się obecność skrzeli u embrionów gadów i ptaków, jak i wszystkich ssaków.
1 Obecnie większość uczonych jest zdania, że archeopteryks był nie przodkiem współczesnych ptaków, lecz najprawdopodobniej przedstawicielem „siostrzanej grupy” jaszczuroogonowych, która wymarła, ale rozwijała się równolegle ze współczesnymi ptakami neognatycznymi. Jednak przyjęto sądzić, że wszystkie współczesne ptaki są bezpośrednimi potomkami dinozaurów.
Jeszcze jednym podobnym
przykładem jest obecność ogona: zarodek człowieka i naczelnych bezogonowych na określonych etapach rozwoju ma ogon, który potem zanika. Wiele innych przykładów daje podstawę stwierdzać, że to nie jest przypadkowość, lecz zasada. Podobne odkrycia potwierdzają kolejność ewolucji istot żywych: wraz z komplikowaniem się budowy dorosłego organizmu cechy podobieństwa z formami przodków „chowały się” coraz głębiej i głębiej w rozwoju embrionalnym. Jednak możemy stwierdzać, że wszystkie lądowe zwierzęta kręgowe powstały od przodków wodnych ze skrzelami, naczelne bezogonowe - od przodków ogonowych, a embrionalne walenie mają wszystkie cztery kończyny przodków parzystokopytnych.
Różne grupy organizmów mają jednakowe cechy budowy ciała
Georges Cuvier w XVIII-na pocz. XIX wieku zaczął porównywać budowę organizmów różnych grup. Obraz okazał się pod wieloma względami podobny do embriologicznego: różne grupy organizmów posiadały podobne cechy budowy ciała. Szkielety pięciopaico-wych kończyn różnych czworonożnych kręgowców są podobne do siebie pod względem zestawu kostek i ich odnośnego rozmieszczenia (ryc. 44.4). Podobieństwo, oczywiście, nie jest całkowite: na przykład u konia w kończynach pozostał jeden długi palec, a pozostałe cztery zmniejszyły się lub zniknęły; u wielorybów na przednich kończynach pojawiły się dodatkowe paiczki, a od tylnych kończyn pozostało kilka kostek. Te zmiany są związane ze stylem życia: konie muszą szybko biegać po twardej, równej powierzchni, a wieloryby - szybko pływać. Taką rozbieżność cech odziedziczonych od wspólnego przodka nazywamy dywergencją. Jednak ogólny plan budowy narządów i części ciała pozostał taki sam, co świadczy o wspólnym pochodzeniu tych grup organizmów.
Prócz tego u wielu organizmów pozostały uproszczone elementy narządów charakterystycznych dla ich ewolucyjnych przodków. Palce konia, szkielet miednicy i kończyn tylnych wieloryba - dobitne przykłady takich narządów rudymentarnych. U człowieka pomiędzy cienkim i grubym jelitem jest jelito ślepe i wyrostek robaczkowy, które u innych ssaków są dobrze rozwinięte i zasiedlone bakteriami biorącymi udział w trawieniu pokarmu roślinnegoi.
Georges Cuvier
Urodził się w 1769 roku we francuskim miasteczku Montbeliard. Wykształcenie zdobył w Stuttgarcie na Uniwersytecie. Georges Cuvier założył podstawy i został twórcą dwóch nauk biologicznych - anatomii porównawczej i paleontologii. Za pomocą swoich badań porównawczo - anatomicznych ustalał wielkość i wygląd zewnętrzny wielu zwierząt na podstawie szczątków kopalnych. Wciągu życia opisał około 150 gatunków kopalnych płazów i ssaków. Wprowadził termin „pterodaktyl’’ na oznaczenie grupy wymarłych płazów skrzydlatych. Był przeciwnikiem idei ewolucji, twierdził, że gatunki są niezmienne i powstają kilka razy po wielkich katastrofach. Te błędne poglądy uczonego nie przeszkadzały mu w wyciąganiu progresywnych wniosków i odkryć. Badacz nazywał siebie zwykłym naturalistą, chociaż tak na prawdę był członkiem Francuskiej Akademii Nauk, kawalerem Legionu Honorowego, obejmował wysokie stanowiska państwowe. Georges Cuvier zmarł na 65. roku życia w Paryżu. Jego imię wniesiono na listę najwybitniejszych uczonych Francji, która znajduje się na pierwszym piętrze Wieży Eiffla.
Wraz z przejściem przodków człowieka na pokarm zwierzęcy zapotrzebowanie na bakterie prawie odpadło. Dlatego wielkość wyrostka robaczkowego znacznie się zmniejszyła, chociaż ten narząd bierze udział w pracy układu odpornościowego w pierwszych latach życia dziecka1. Podobnie ma się sytuacja z błoną migawkową oka człowieka - rudymentem trzeciej powieki - i z kręgami ogonowymi - rudymentem ogonowego odcinka kręgosłupa.
Ewolucja organizmów powiązana jest z ewolucją ich genomów
Proces ewolucji organizmów żywych bezpośrednio powiązany jest z ewolucją ich genomów. DNA poddawany jest różnorodnym mutacjom, w wyniku czego nieustannie się zmienia. Bez wątpienia, 50 min lat temu wspólny przodek waleni i parzystoko-pytnych miał gen mioglobiny - białka mięśni, który przypomina hemoglobinę i bierze udział w wiązaniu tlenu w mięśniach. Z upływem czasu ten zwierz dał początek dwom liniom, które niezależnie się rozwijały w ciągu 50 milionów lat. Cały ten czas geny mioglobiny u parzystokopytnych i waleni gromadziły mutacje niezależnie. W wyniku tego kaszalot i krowa obecnie mają różne kolejności genu mioglobiny. Jednak te kolejności mają jeszcze wiele wspólnego, aby można było przypuszczać, że obydwa te geny powstały od wspólnego przodka.
Możemy wyjawić, że struktura genu mioglobiny jest podobna do struktury genu innego białka wiążącego tlen - hemoglobiny. I rzeczywiście, te geny mają wspólne pochodzenie i biorą swój początek od genu globiny, która była u naszych dalekich przodków na zaraniu ewolucji zwierząt wielokomórkowych. W wyniku duplikacji ten gen podwoi się, a jego kopie rozpoczęły niezależną ewolucję: jedna z nich doprowadziła do powstania mioglobiny, druga - hemoglobiny (ryc. 44.5).
Jeśli spojrzymy za granice królestwa zwierząt, to tam są dowody bardziej dawnego wydarzenia ewolucyjnego w historii globin. Okazało się, że u roślin motylkowatych obecna jest leghemoglobina -wiążące tlen białko, które znajduje się w brodawkach korzeniowych i zabarwia je na czerwono. Leghemoglobina potrzebna jest do ochrony bakterii korzeniowych przed tlenem, ponieważ on przeszkadza procesowi przyswajania azotu (dokładniej ten proces został opisany w § 52). A więc leghemoglobina też ma wspólne pochodzenie z mioglobiną i hemoglobiną.
1 Właśnie dlatego zaliczanie wyrostka robaczkowego do narządów rudymentarnych nie jest całkowicie poprawne.
Zastanów się
Wybierz jedną poprawną odpowiedź
1
Pierwsze organizmy, które pojawiły się na Ziemi, były podobne do A ludzi В gadów C mięczaków D pełzaków E bakterii
2
Obecność łuków skrzelowych w rozwoju embrionalnym jest charakterystyczne dla takich organizmów jak:
A człowiek i krab В gołąb i okoń C żółw i ośmiornica
D dżdżownica i krokodyl E szczur i chrząszcz
3
Odmienna budowa dłoni u ssaków jest wynikiem
A powstania form przejściowych В powstania narządu rudymentarnego C dywergencji D podobieństwa rozwoju embrionalnego
E duplikacji genu dłoni
4
Zgodnie z analizą genów podjednostek hemoglobiny najnowocześniejszego wspólnego przodka mają:
A rekin i soja В rekin i kura C kura i krowa
D krowa i człowiek E człowiek i małpa
Sformułuj odpowiedź w postaci kilku zdań
5
Podaj charakterystykę tego, jak zmieniała się komplikacja budowy organizmów w trakcie historycznego rozwoju życia na Ziemi.
6
Jakie są paleontologiczne, embrionalne i morfologiczne dowody tego, że walenie pochodzą od parzystokopytnych?
7
Dlaczego przy embrionalnym rozwoju człowieka u zarodka nie pojawiają się skrzydła (jak u owadów) czy pancerz (jak u mięczaków)?
8
U człowieka ostatnie zęby w rzędzie nazywane są zębami mądrości. One są narządem rudymentarnym. Wyjaśnij, co w procesie ewolucji człowieka doprowadziło do zaniku potrzeby tych zębów?
9
Jak na podstawie budowy genów można określić ewolucyjne pokrewieństwo gatunków?
Znajdź odpowiedź i postaraj się zrozumieć istotę problemu
10
Często twierdzi się, że większość wymarłych gatunków pozostaje nieznana paleontologii. Dlaczego paleontologia jest taką „nieefektywną” nauką? Jakie warunki powinny być dotrzymane, aby szczątki istoty zachowały się w ciągu tysiącleci?
11
Niektóre organizmy w postembrionalnym rozwoju powtarzają rysy embrionalnego czy poczwarkowego rozwoju gatunków - przodków. Jakie cechy budowy organizmu człowieka powstały, być może, tą drogą? Jakie znaczenie dla ewolucji ma takie „powtórzenie"?
12
Udowodnij, że obecność unikalnej fauny w Australii i na sąsiednich wyspach jest dowodem ewolucji.
Dowiedz się samodzielnie i opowiedz innym
13
Ptaki i owady mają skrzydła o absolutnie różnej budowie. W jaki sposób obecność takich różnych pod względem budowy narządów i części ciała służy dowodem ewolucji?
14
Czy można obserwować ewolucję w eksperymentalnych warunkach? Podaj przykłady takich eksperymentów.
Źródło: Biologia podręcznik dla klasy 9 Szałamow