Краткое содержание: Параграф § 16 / Биология 11 класс

Молекулярно-биохимические, генетические и математические методы в изучении эволюции

Палеонтологические, биогеографические, эмбриологические и сравнительно-морфологические методы изучения эволюции являются классическими. В XX в. с развитием молекулярной биологии, биохимии, цитологии и генетики, а также в связи с распространением ЭВМ появились новые методы исследования эволюционного процесса, дополнившие и обогатившие классические.

Молекулярно-биохимические методы

Химический анализ клеток различных организмов показал, что все они имеют сходный элементарный состав: в них встречаются одни и те же белки, углеводы, липиды и нуклеиновые кислоты. В состав белков всех организмов входят 20 обязательных аминокислот. У представителей разных систематических групп встречаются сходные по строению, составу и функциям белки. Так, сходное строение имеют хлорофилл растений и гемоглобин животных. Идентичное строение имеют многие гормоны позвоночных животных. Например, гормоны гипофиза найдены у всех групп позвоночных. Гормон инсулин имеется у всех млекопитающих.

Изучение аминокислотной последовательности белков различных организмов позволяет установить их эволюционное родство. Наглядный пример тому — родство белков миоглобина и гемоглобина. Сходство наблюдается у различных организмов и в процессах обмена веществ. Например, у зародышей птиц на ранних стадиях эмбрионального развития в качестве конечного продукта белкового обмена образуется аммиак, на более поздних стадиях — мочевина, а у взрослых организмов — мочевая кислота. У головастиков лягушки белковый обмен заканчивается образованием аммиака, что свойственно рыбам, а у взрослых земноводных конечный продукт белкового обмена — мочевина.

Универсальность генетического кода доказывает единство всех организмов на Земле. Изучение первичной структуры ДНК показало, что у многих организмов имеются ряды сходных последовательностей нуклеотидов. У близкородственных видов это сходство очень велико. Например, анализ структуры митохондриальной ДНК гориллы, орангутана и человека позволил построить родословную гоминид. Оказалось, что митохондриальный ген горного отличатся от аналогичного гена человека на 10%, а орангутана — на 17%. Вероятно, эти различия обусловлены мутациями, которые возникали у каждого вида в процессе эволюции.

В пределах одного класса или типа состав уникальных генов у разных организмов имеет большое сходство. Подобное сходство обнаружено в геноме человека и бактерий. Это свидетельствует о медленном процессе появления мутаций и консервативной природе наследственности. Иначе обстоит дело с повторяющимися последовательностями нуклеотидов. У разных видов организмов они могут существенно отличаться как по составу, так и по количеству. Такая хромосомная мутация, как дупликация (удвоение генов на участке хромосомы), происходит у различных организмов в процессе эволюции с разной скоростью.

Таким образом, общность химического состава клеток разных организмов указывает на биохимическую гомологию, подобную морфологической, что свидетельствует о реальном в эволюционного процесса.

Генетические методы

Генетические методы основаны на изучении особенностей строения и выявлении количества хромосом у близкородственных организмов, а также характера наследственной изменчивости. С их помощью выясняются эволюционные взаимоотношения между организмами. Например, у всех человекообразных обезьян хромосомный набор \( 2n \) составляет 48, а у человека — 46 хромосом. Исследования показали, что уменьшение числа хромосом в кариотипе человека связано, по всей вероятности, со слиянием двух негомологичных хромосом шимпанзе. На близкое родство этих организмов указывает одинаковая частота встречаемости в популяциях человека и шимпанзе отдельных генов, таких как альбинизм, резус-фактор и др.

Другим примером использования генетических методов для изучения эволюции является исследование хромосомного набора различных видов пшеницы. Они оказались полиплоидами по отношению к древнему дикой пшенице.

Таким образом, генетика значительно дополнила свидетельства реальности существования эволюционных процессов в природе.

Математические методы

В последнее время появилась возможность использовать математические методы изучения эволюции, в частности метод компьютерного моделирования. Современные ЭВМ позволяют ускорить «процесс эволюции» и составить прогноз развития эволюционных событий при различных сочетаниях условий. Особое внимание при моделировании уделяется выбору необходимых и достаточных исходных данных.

Отечественными учёными была составлена компьютерная программа, в которую заложили описание прототипа хордовых животных, аналогичного дожившему до наших дней ланцетнику.

Ключевые понятия и методы

• Молекулярно-биохимические методы: Изучение химического состава клеток (белки, углеводы, липиды, нуклеиновые кислоты), аминокислотных последовательностей белков (например, миоглобина и гемоглобина) и универсальности генетического кода для установления эволюционного родства и биохимической гомологии.
• Биохимическая гомология: Общность химического состава клеток различных организмов, указывающая на их родство.
• Генетические методы: Изучение строения и числа хромосом, характера наследственной изменчивости (мутаций, полиплоидии) для выяснения эволюционных взаимоотношений (например, у человека и человекообразных обезьян, разных видов пшеницы).
• Математические методы: Использование компьютерного моделирования для ускорения «процесса эволюции», составления прогнозов развития эволюционных событий и проверки гипотез.
• Универсальный генетический код: Доказательство единства всех организмов на Земле.
• Дупликация: Хромосомная мутация, представляющая собой удвоение генов на участке хромосомы.
• Полиплоидия: Увеличение числа хромосомных наборов, характерное для некоторых видов растений (например, пшеницы).