15. Эмбриологические и сравнительно-морфологические методы изучения эволюции

Определения и обозначения

Эмбриологический метод — изучение сходства и различий зародышей разных видов на последовательных стадиях развития как свидетельства их эволюционного родства. Он позволяет сопоставить не только внешний облик организмов, но и порядок появления общих структур. Поэтому сходство зародышей помогает искать признаки общего предка.

Сравнительно-морфологический метод — сопоставление строения организмов и их органов для выявления общих черт, различий и возможных эволюционных преобразований. Морфология — это наука о форме и строении организмов. Метод помогает установить, какие особенности указывают на родство, а какие возникли как сходные приспособления.

Гомологичные органы — органы общего происхождения и сходного плана строения, которые могут выполнять разные функции. Их сравнение показывает, как один исходный орган мог изменяться у потомков общего предка. Функция при этом важна, но сама по себе не определяет гомологию.

Аналогичные органы — органы разного происхождения и строения, сходные по выполняемой функции. Такое сходство появляется, когда организмы приспосабливаются к похожим условиям независимо друг от друга. Понятие помогает не принять одинаковую роль органа за доказательство близкого родства.

Как это устроено

Взрослые организмы могут сильно различаться, потому что в ходе развития формируются признаки, связанные с образом жизни каждого вида. На ранних стадиях многие из этих различий ещё не появились, а общие особенности развития уже заметны. Если зародыши разных видов сходны в важных чертах, это может указывать на наследование общего плана от предка. Вывод делают не по одному сходному признаку, а по совокупности данных.

У позвоночных на ранних этапах развития возникают сходные закладки органов и общие структуры, хотя затем они преобразуются по-разному. Это связано с тем, что позвоночные унаследовали основные особенности плана строения от общего предка. По мере развития закладки формируются в органы, соответствующие особенностям конкретного вида. Поэтому сравнение последовательных стадий позволяет проследить и общность исходного плана, и последующие различия.

При сравнении органов нужно отдельно выяснить их происхождение, план строения и функцию. Общее происхождение и сходное расположение частей позволяют говорить о гомологии, даже если функции не совпадают. Если же органы выполняют сходную задачу, но возникли из разных структур и устроены по-разному, это аналогия. Такое разделение важно: сходная среда может приводить к похожим приспособлениям у неродственных организмов.

Рудимент — это орган, который в ходе эволюции уменьшился или изменился по сравнению с состоянием у предков, но обычно не исчез полностью и может сохранять функцию. Атавизм — редкое появление у отдельной особи признака, свойственного далёким предкам. Оба явления указывают на исторические изменения организмов и сохранение наследственных предпосылок прежних признаков. Однако рудимент встречается как характерная особенность вида, а атавизм — как исключительное проявление.

Биогенетический закон Геккеля — Мюллера связывает индивидуальное развитие организма с эволюционной историей его группы. Его нельзя понимать так, будто зародыш последовательно становится взрослыми формами всех своих предков: развитие не воспроизводит историю буквально. Причина в том, что сами этапы развития изменялись и перестраивались в ходе эволюции. Поэтому сходство зародышей служит свидетельством родства, но его оценивают вместе с другими данными и на протяжении всего развития.

Сравнение методов изучения эволюции

В таблице сначала определите, что именно сравнивают: развитие зародышей, устройство органов или признаки предков. Затем проверьте, на каком основании делается вывод — по происхождению, плану строения, функции или истории развития. Пример помогает применить критерий, но вывод не должен выходить за пределы приведённых данных.

Разбор задач

У зародышей рыбы, птицы и млекопитающего на ранних стадиях обнаружены сходные структуры. Нужно определить, какой метод использован, и сформулировать допустимый вывод. Сходство зародышей относится к развитию организмов, а не к сравнению их взрослых органов. Поэтому здесь применим эмбриологический метод.

1. Определяем объект сравнения: это зародыши разных видов на ранней стадии, значит, использован эмбриологический метод. Такой подход рассматривает развитие, а не только готовое строение взрослых животных. Он позволяет учитывать, когда появляются общие структуры.

2. Оцениваем сходство осторожно: общие структуры могут быть унаследованы от общего предка. Но из условия не следует, что зародыши полностью одинаковы или что взрослые животные одинаково устроены. Для более точного вывода потребовались бы дополнительные признаки.

Ответ: применён эмбриологический метод; сходство ранних стадий может свидетельствовать об общности происхождения рыбы, птицы и млекопитающего, но не доказывает полного тождества их зародышей.

Передняя конечность человека, крыло летучей мыши и ласт кита имеют общий план строения, но выполняют разные функции. Требуется классифицировать эти органы и объяснить, о чём говорит их разнообразие. Решающий признак здесь — не одинаковая роль, а общее строение конечности. Различия функций отражают преобразование исходного органа.

1. Сопоставляем план строения: у всех трёх органов это передняя конечность позвоночного с соответствующими частями скелета. Общее строение указывает на происхождение от общего предкового органа. Следовательно, органы гомологичные.

2. Сравниваем функции: рука приспособлена к разнообразным действиям, крыло — к полёту, ласт — к плаванию. Различия возникли при изменении органов в разных направлениях у родственных организмов. Это пример дивергенции.

Ответ: передняя конечность человека, крыло летучей мыши и ласт кита — гомологичные органы; их общий план строения указывает на общее происхождение, а разные функции — на эволюционное расхождение.

Крылья птицы и бабочки помогают летать, но отличаются строением и развитием. Их нужно сопоставить с передними конечностями позвоночных и не смешать сходную функцию с общим происхождением. Важно также помнить, что крыло птицы включает скелет передней конечности. Поэтому один объект может иметь разные отношения сходства с другими.

1. Сравниваем крылья птицы и бабочки: их функция сходна, но строение и происхождение различаются. Значит, как органы полёта они аналогичны. Из одной лишь общей функции нельзя заключить, что птицы и насекомые близкородственны.

2. Отдельно рассматриваем скелет крыла птицы: он представляет собой преобразованную переднюю конечность позвоночного. По происхождению и плану строения он гомологичен передним конечностям других позвоночных. Следовательно, аналогия крыльев не отменяет гомологии костей конечности.

Ответ: крылья птицы и бабочки аналогичны как органы полёта, а скелет крыла птицы гомологичен передним конечностям позвоночных. Сопоставление показывает, что функцию и происхождение нужно анализировать раздельно.

Типичные ошибки

Ошибка — считать зародыши разных видов тождественными из-за сходства. Её допускают, когда замечают общие черты и не следят за изменениями на поздних стадиях. Сходство обычно выражено сильнее в раннем развитии, но зародыши не одинаковы. Проверь себя: сформулируй вывод как указание на возможное родство, а не на полное совпадение.

Ошибка — называть органы гомологичными только потому, что они выполняют одну функцию. Так происходит, если функция заметнее, чем происхождение и строение органа. Для гомологии нужны общий источник и сходный план строения; сходной функции достаточно лишь для поиска аналогии. Проверь себя: сравни части органа и его развитие, а не только то, что он делает.

Ошибка — считать рудимент полностью бесполезным органом. Уменьшенный размер может создать такое впечатление, но орган часто сохраняет строение или ограниченную функцию. Рудимент не обязательно бесполезен, хотя его роль могла измениться. Проверь себя: различай утрату прежнего значения и полное отсутствие любой функции.

Ошибка — понимать биогенетический закон как буквальное повторение зародышем всех взрослых стадий предков. Такое толкование возникает из упрощённого выражения о связи индивидуального и исторического развития. В действительности развитие само изменялось, поэтому полного повторения не происходит. Проверь себя: говори о свидетельстве родства и сходстве отдельных особенностей, а не о последовательной смене взрослых форм предков.

Связь с другими темами

Для понимания эмбриологических сравнений нужно знать основные этапы эмбрионального развития, а также различать зародышевые листки и закладки органов. Эти знания объясняют, какие структуры сопоставляют и почему их сходство может быть значимым. Выводы об эволюционном родстве опираются на понятия вида, общего предка и приспособления, изученные в курсе эволюции. Позже сравнительно-морфологические данные помогают разбирать доказательства эволюции, филогенетические связи и принципы систематики организмов.

Что запомнить

• Сходство ранних стадий развития может указывать на родство организмов.
• Эмбриологические данные оценивают с учётом всего хода развития.
• Гомологичные органы имеют общее происхождение, но могут выполнять разные функции.
• Аналогичные органы сходны по функции, но различаются происхождением и планом строения.
• Рудименты и атавизмы помогают судить о признаках предков.
• Биогенетический закон не означает буквального повторения эволюционной истории в индивидуальном развитии.