Естественный отбор и его результаты

Задачи экскурсии. Образовательные: обратить внимание на различные примеры наследственной и ненаследственной изменчивости; на ряде примеров изменчивости растений и животных, приспособленности их к условиям внешней среды закрепить понимание сущности и значения естественного отбора и познакомиться с различными формами борьбы за существование в природе; убедиться в многообразии приспособлений живых организмов к условиям внешней среды; познакомиться с путями возникновения покровительственных окрасок и форм у растений и животных; убедиться в наличии дивергенции у растений и животных. Воспитательные: на основе материала экскурсии развивать у учащихся диалектико-материалистическое понимание учения об естественном отборе и его результатах.

Подготовка учителя. Лучшее время проведения экскурсии - май, июнь, после изучения курса общей биологии в IX классе.

Если маршрут экскурсии пройдет через такие биотопы, как смешанный или сосновый лес, пойменный луг с озерами и болотами, - учитель имеет полную возможность "раскрыть" эту тему на конкретных примерах. Изучение специальной литературы позволит учителю выделить из всего многообразия приспособлений живых организмов наиболее интересные объекты, разработать задания для самостоятельной работы учащихся на экскурсии, продумать формы использования материала экскурсии для атеистического и природоохранного воспитания. Экскурсию лучше проводить с группой 12-15 человек; большее число участников резко сократит ее учебные возможности.

Подготовка учащихся к экскурсии. Посоветуйте учащимся повторить материал о естественном отборе по учебнику и научно-популярной литературе и иметь на экскурсии удобную обувь, одежду, бинокль, фотоаппарат, блокнот и карандаш.

Проведение экскурсии. В начале экскурсии напомните учащимся определение изменчивости (возникновение различий между особями одного вида) и тот факт, что изменчивость есть общее свойство каждого живого организма, а также в беседе выясните знания учащихся о ненаследственной и наследственной (модификациях и мутациях) формах изменчивости.

Еще в городе или в селе вы непременно увидите полудомашних сизых голубей (один вид). Сравнение особей этого вида между собой даже без бинокля убедит вас в факте неопределенной изменчивости: вам никогда не придется увидеть двух птиц, полностью тождественных. Все особи по тем или иным признакам отличаются друг от друга. Беспорядочное скрещивание сизых голубей с домашними породами этого вида резко усиливает проявление мутационной изменчивости.

Из города или села ваш маршрут идет в смешанный лес (во втором ярусе растут береза, дуб, липа, клен) или в дубраву. Соберите 40-50 листьев дуба, попробуйте среди них найти два листа, полностью тождественных. Сделайте то же самое с листьями березы, липы, клена. В серии одного вида вы не найдете двух листьев, размеры и строение которых были бы совершенно одинаковы.

Это примеры неопределенной изменчивости. А теперь обратите внимание на ландыши, обильно цветущие в это время года под пологом смешанного леса. Каждая пара листьев, охватывающая цветоносные стебли ландышей, имеет различные размеры листовых пластинок и черешков. Несмотря на то что многие из растений развиваются на одних и тех же корневищах, на побегах вы обнаружите различное количество цветов (или бутонов): от 3 до 8. Таким образом, у ландыша внутривидовая изменчивость проявляется в величине и форме листовых пластинок, длине черешка, в особенностях цветоносного стебля (высота, количество цветков, их величина). Подобные явления можно наблюдать у майника двулистного, грушанки круглолистной, земляники лесной, любки двулистной.

Во время сбора листьев ученикам полезно дать индивидуальные или групповые домашние задания. Каждая группа получает примерно такие задания: собрать 40-50 листьев какого-либо одного вида деревьев; измерить их длину и ширину; составить вариационный ряд по длине листьев; подсчитать среднюю арифметическую длину листа; составить графический рисунок вариационного ряда листьев.

Если на пути окажется участок одновозрастного соснового леса (например, посадки одного года), воспользуйтесь этим и продемонстрируйте учащимся пример внутривидовой борьбы. Напомните вначале сущность борьбы за существование и формы ее проявления в природе (три формы борьбы). В сосновом лесу легко наблюдать деревья различной высоты и мощности, разной степени развития, от самых маленьких, тонких, полузасохших до крупных и высоких. Хорошо развитая корневая система последних обеспечивает доставку из почвы к кронам воды с растворенными минеральными веществами. Развитая крона высоких деревьев поглощает основную массу солнечных лучей; другие деревья с небольшими кронами получают меньшее количество солнечных лучей. Более высокие мощные деревья, находясь в лучших микроусловиях, подавляют рост и развитие соседних особей до полного их истощения и гибели.

Еще раньше, не выходя из смешанного леса, на месте старой вырубки, занятой молодым лиственным лесом (в основном береза и осина), вы можете показать пример межвидовой борьбы. Участок сплошной вырубки обычно зарастает светолюбивыми, быстро растущими видами деревьев: осиной, березой, ольхой. Смешанный лес на этом участке уступает место вторичным насаждениям - лиственным. Лишь через 10-15 лет под пологом лиственного леса появляется пороет ели. Деревца, вначале маленькие и разобщенные, с каждым годом набирают силу и через некоторое время ели опередят в росте и развитии лиственные породы и выйдут в 1-й ярус. Березы и осины под кронами хвойных не находят оптимальных условий жизни и постепенно, одна за другой, погибают. В итоге на этом участке восстанавливается смешанный лес, в котором лиственные виды составляют лишь примесь, сохранившуюся в большей или меньшей степени (обычно во 2-м ярусе и в подлеске). Так, на примере смешанного леса можно продемонстрировать факт межвидовой борьбы за существование и восстановительную силу природных комплексов. Человек всегда может сохранить или создать благоприятные условия для восстановления любого естественного (живого) комплекса - такова диалектика природы.

В смешанном лесу удобно продемонстрировать примеры межвидовой взаимопомощи. Смешанный лес, как природный комплекс, исторически сформировался очень давно. Все элементы этого комплекса (деревья разных видов, кустарники, мхи, травянистые растения, почва и др.) хорошо приспособлены к определенной совокупности внешних условий, связаны друг с другом и взаимообусловлены. Их совместное существование оказывается взаимно полезным. В смешанном лесу в отличие от открытых биотопов создается особый температурный, водный и воздушный режим, что определяет общий характер и особенности комплекса. Как правило, доминируют ель, ель и сосна, ель и береза; сопутствуют им сосна, береза, осина, липа; в подлеске характерны группы молодых елей, берез и осин. Липы и клены, рябины и орешник всегда располагаются во 2-м и 3-м ярусе под кронами спелых елей и сосен, иногда дубов, формирующих 1-й ярус смешанного леса. Для такого леса характерен определенный набор кустарников и травянистых растений: под пологом деревьев вы непременно найдете теневыносливые "пирамидальные" кусты можжевельника, малину, ежевику, чернику, а также мхи, папоротники.

В смешанном лесу вы можете наблюдать у птиц более яркую окраску самцов (зяблик, малая мухоловка, мухоловка-пеструшка, иволга и др.). С чем это связано? Почему у птиц поют только самцы? Почему все птицы проявляют заботу о своем потомстве (постройка гнезда, выкармливание, "воспитание" птенцов)? В период гнездования зяблик, например, занимает в лесу определенный участок и активно защищает его от других особей своего вида. На этих и других примерах сложных внутривидовых взаимоотношений можно вспомнить с учащимися явления конкуренции за гнездовую территорию, за пищу и др. Внутривидовые отношения в целом направлены на сохранение потомства, на процветание вида. Так, распределение между парами зябликов гнездовых участков и упорная защита последних обеспечивает выкармливание птенцов и их охрану в каждой семье.

Здесь же, в смешанном лесу, вы столкнетесь и с другими примерами естественного отбора у растений и животных. У многих растений пыльца из пыльников тычинок попадает на рыльце пестика того же цветка. Такой способ оплодотворения называют самоопылением. Самоопыление можно сравнить с близкородственным скрещиванием (инбридингом), снижающим жизнестойкость вида.

В процессе эволюции у растений возникли своеобразные приспособления к перекрестному опылению. Опытным путем доказано, что перекрестное опыление растений обогащает наследственные качества их потомства, обеспечивает развитие жизнеспособных, экологически стойких и более плодовитых организмов.

В мае вы непременно увидите в лесу цветущую медуницу лекарственную, а на опушке или на лесной полянке-первоцвет лекарственный (баранчики). У одних экземпляров этих растений цветки имеют длинный столбик с рыльцем и короткие тычинки (эти цветки крупнее!). У цветков других экземпляров, наоборот, тычинки расположены выше рыльца пестика. Чтобы опыление привело к образованию плода, пыльца с высоко расположенных пыльников должна попасть на высокий пестик, а с коротких тычинок - на короткий пестик. Обычно так и происходит: насекомые, собирающие нектар на цветках с короткими тычинками, уносят пыльцу на голове и оставляют ее на рыльце короткого пестика. И наоборот, пыльца с высоких пыльников прилипает к брюшку насекомого и переносится на цветок с высоким пестиком. Такое приспособление к перекрестному опылению, когда у одного вида растений имеются две формы цветков, называется гетеростилией.

Гетеростилия свойственна насекомоопыляемым растениям (энтомофилия). В весеннем лесу вы встретите много цветущих растений, возле которых летают различные насекомые. В мае всюду видны бело-розовые цветки ветреницы дубравной, желтые - ветреницы лютичной, сине-фиолетовые - хохлатки плотной, медуницы лекарственной и сочевичника весеннего. Несколько позже выбрасывают кисти душистых цветков ландыш майский, майник двулистный, седмичник европейский. Цветки этих растений разнообразны, но все они обладают сходными приспособлениями для привлечения насекомых: яркой окраской венчика, липкой пыльцой, обильным выделением нектара и ароматических веществ.

В лесу встречается много растений, перенос пыльцы у которых осуществляется ветром (анемофилия). Цветки у этих растений обычно невзрачные, мелкие, собраны в соцветия типа сзрежки, сложного колоса, метелки. Рассмотрите соцветия (сережки) березы. Мужские сережки гораздо крупнее женских (однополый цветки!). Они закладываются в конце лета, зимуют, а весной при распускании листьев раскрываются, и многочисленные тычинки выбрасывают огромное количество мелкой сухой пыльцы, которая разносится ветром. Эта пыльца попадает на женские пестичные цветки, собранные в небольшие зеленые сережки. У большинства древесных анемофильных растений улавливание пыльцы рыльцами пестиков облегчается тем, что цветение происходит до распускания листьев (орешник, ольха) или одновременно с ним (береза, дуб, тополь).

Некоторые растения успевают образовать плоды и семена в мае - июне. Все хорошо знают одуванчик лекарственный, у которого плод (семянка), имеет пушинку в виде парашютика; последний позволяет плоду при помощи ветра переноситься на большое расстояние. Семена ивы, осины, тополя окружены тонкими белыми волосками ("пух"), они также легко переносятся ветром.

Естественный отбор и его результаты хорошо иллюстрировать примерами покровительственных окрасок и форм у лесных животных. Криптическая окраска-окраска животного, гармонирующая с фоном. Она очень широко распространена в природе. Примером может служить серая, в мелкую рябь, окраска верхней стороны передних крыльев многих бабочек пядениц и совок; на серой поверхности коры деревьев, где бабочки сидят в дневное время, они мало заметны (рис. 23). Однотонная окраска многих жуков (жуки-усачи, сосновые долгоносики и др.), живущих на стволах деревьев, хорошо гармонирует с цветом коры. Так же незаметны на фоне опавших сухих листьев неподвижно сидящие на "лесном полу" вальдшнеп и козодой. Не всегда криптическая окраска - скромная, невзрачная. Яркое лимонно-желтое оперение иволги превосходно маскирует ее среди листьев древесных крон, освещенных солнцем.

Рис. 23. Бабочка-пяденица на коре

Предостерегающая окраска, яркая, часто пестрая, контрастная, выделяет животное на естественном фоне. Насекомые с такой демонстрационной окраской как бы говорят другим животным": не трогайте меня, а то вам будет плохо". Среди наших насекомых отчетливо предостерегающей окраской обладают божьи коровки, красноклоп, различные жуки-листоеды, из которых особенно демонстративен тополевый листогрыз - черно-синий жук с ярко-оранжевыми элитрами, длиной до 1 см. Контрастная окраска обычно сочетается либо с ядовитостью животного (божьи коровки, жуки-листоеды и др.), либо со специфическим отпугивающим запахом (красноклоп, беленовый клоп и др.)" либо с наличием у животного активных средств защиты или нападения (осы, шмели, пчелы и др.). Насекомые с предостерегающей окраской несъедобны для большинства животных. Следовательно, хорошо заметная окраска полезна этим животным, так как враги лучше запоминают их; быстрее вырабатывается "рефлекс ненападения".

Насекомые, обладающие такой расцветкой, не нуждаются в большой подвижности. Например, у бабочки- пестрянки передние крылья синие с красными пятнами, а задние - ярко-малиновые. Она не спешит слетать с соцветий при вашем приближении. Летает она плохо. Естественный отбор идет у пестрянок не по линии развития быстрого полета (как у других бабочек), а в направлении образования яркой окраски и ядовитых веществ в крови, что определяет их несъедобность. Скопления бабочек-пестрянок вы можете встретить на лесных опушках и дорогах.

У некоторых насекомых одна часть тела имеет криптическую окраску, другая - предостерегающую; при появлении опасности животное неожиданно открывает ярко окрашенный участок - это усиливает эффект демонстрации. Так окрашены ночные бабочки из группы ленточниц: передние крылья серые, под цвет коры деревьев, на которых часто сидят бабочки, задние - яркие, с алыми или синими широкими извилистыми полосами. У тополевых и глазчатых бражников передние крылья также имеют криптическую окраску, а задние - предостерегающую. В спокойном состоянии бражники сидят на стволах деревьев, сложив крылья, - они незаметны; а при угрозе нападения раздвигают передние крылья и внезапно показывают ярко-рыжие округлые пятна задних крыльев, что отпугивает хищников.

Естественным отбором вы легко объясните и примеры подражательного сходства животных с предметами неживой природы: сучками, побегами, засохшими листьями, камешками и т. п. Зеленовато-серая гусеница бабочки-пяденицы, ползая по древесным веткам (криптическая окраска), при виде опасности откидывает переднюю часть тела в сторону и в таком положении замирает (рис. 24, 2), имитируя сухой сучок. Подражательное сходство с мелкими ветками и сучками особенно ярко выражено у палочников. Внешний вид ночной бабочки - лунки серебристой - при сложенных крыльях очень напоминает сломанный побег: в покое верхняя сторона ее передних крыльев похожа на крышу и окрашена, как кора сухой ветки, а круглое бело-желтое пятно на вершине каждого из них великолепно имитирует поперечный излом побега (рис. 24, У). Эти примеры иллюстрируют более совершенные формы камуфляжа: сочетание криптической окраски и внешнего сходства животного с каким-либо предметом.

Рис. 24. Подражательное сходство: 1 - лунка серебристая (имитация обломанного сучка); 2 - гусеница пяденицы (имитация веточки)

У многих животных естественный отбор идет в направлении развития их сходства с другими животными, имеющими активные средства защиты. Это явление получило название мимикрии. Повсюду на лесных полянах и опушках, на соцветиях зонтичных и сложноцветных растений живут мухи-журчалки (величиной, примерно, с комнатную муху). Одни из них имеют яркополосатое брюшко, как у вооруженных жалом ос, другие - окраску и опушение, напоминающее шмелей. Большинство насекомоядных животных (птицы) избегают хватать жалящих насекомых; они не трогают и мух-журчалок, принимая их за ос, пчел и шмелей. Эти мухи так и называются: мухи-осовидки, мухи-пчеловидки, мухи-шмелевидки.

Пестрый муравьежук, размерами и окраской очень напоминает крупного рыжего лесного муравья. Он смело, не таясь, охотится за короедами и их личинками. Этот жук совершенно безобиден, но насекомоядные животные принимают жука за муравья и не "берут" его.

Иногда подражатели в ходе естественного отбора, получая внешнее сходство с ядовитыми или жалящими моделями, теряют свои важнейшие систематические признаки. Так, характерным признаком бабочек служат окрашенные восковые чешуйки на крыльях. У бражников-шмелевидок восковые чешуйки на крыльях практически исчезли, последние стали очень сходны с прозрачными крыльями шмелей. Но на теле окрашенные чешуйки сохранились в изобилии; они имитируют яркий и пестрый рисунок шмеля.

Рис. 25. Экотипы стрелолиста

Вы идете по луговой дороге, невольно наступая ногами на различные растения. Особенно часто на дорогах растет подорожник большой - широко распространенное у нас многолетнее растение. Обратите внимание на широкие листья этого растения - они лежат на земле. Попробуйте найти на дороге среди десятков и сотен особей подорожника хотя бы две особи, полностью тождественные. Вам не удастся это сделать, так как все живые организмы обладают неопределенной изменчивостью. Но посмотрите в стороны от дороги, и там, среди множества луговых трав, вы увидите много кустиков подорожника среднего. В отличие от формы, растущей на дорогах, у подорожника, который вы видите в стороне, более крупные листья, направленные вверх. Здесь изменчивость особей одного вида объясняется разными условиями местообитания. Еще одним примером фено-типической изменчивости может служить стрелолист (водное и полуводное растение), образующий несколько форм, морфологически различных, так как они встречаются в разных местообитаниях. У формы стрелолиста, обитающего на глубине 1-2 м, развиваются лишь подводные листья. У формы, растущей на глубине 60-80 см, сохраняются подводные листья и появляются плавающие стреловидные листья. У типичной формы, связанной с глубиной 10-30 см, также сохраняются лентовидные подводные листья, а плавающие пластинки развиваются в характерные надводные листья (рис. 25).

Одна из форм борьбы за существование - "борьба" растений и животных с неблагоприятными условиями существования. Под неблагоприятными условиями подразумеваю не только природные факторы (отрицательное влияние весенних паводков на жизнь многих видов животных речных пойм, летней засухи на развитие растений поля, луга и трофически связанных с ними животных и т. п.). В районах, густо населенных людьми, главным неблагоприятным фактором в жизни растений и животных стал человек с его постоянно активизирующейся хозяйственной деятельностью. Наиболее страдают рыбы, обитающие в реках и озерах. "Издержки" технического прогресса XX в. обусловили превращение многих рек и речек в потоки отходов промышленных и бытовых предприятий, хотя во многих странах, особенно в нашей, проводится значительная работа по сдерживанию процесса загрязнения и очистке вод.

Большинство видов рыб не выдерживает загрязнения внешней среды. Неочищенные сточные воды изменяют газовый режим водоемов, резко нарушают дыхание рыб, и те погибают от удушья или от прямого отравления ядовитыми веществами. Численность рыб быстро сокращается, из водоемов исчезает один вид за другим. Первыми погибают кислородолюбивые виды - стерлядь, голавль, жерех; не выдерживают сильного и длительного загрязнения судак, лещ, карп, ерш, щука. В грязных и отравленных озерах и реках влачат жалкое существование лишь мелкие окуни, плотвички и вьюны. Таковы пока результаты "борьбы" населения рыб с неблагоприятными условиями среды.

Возможно, в районе вашей школы обитают птицы, гнездящиеся колониями: озерные чайки, крачки, золотистые щурки, береговые ласточки. Чайки и крачки гнездятся на старых зарастающих озерах и болотах, на озерных островках и "плавнях" из водных и болотных растений. Гнездовые колонии запрещено посещать в период выведения птенцов. Посмотрите издали, как яростно десятки и сотни птиц колонии атакуют коршуна или болотного луня, оказавшегося возле колонии, и как поспешно улетает хищник от наседающих на него чаек. Коллективная защита своего потомства - одно из важнейших приспособлений животных. Оно появилось и закрепилось в ходе естественного отбора у чайковых и других колониально гнездящихся птиц. Это приспособление иногда не спасает от гибели отдельных чаек; ведь коршун, спасаясь от неистово орущих вокруг него птиц, обороняется, и его тяжелая лапа, вооруженная острыми когтями, наносит смертельные удары. Биологическое значение этого приспособления в том, что оно полезно для потомства, для вида в целом. Естественный отбор закрепил в ходе эволюции колониальную форму гнездования чаек и их коллективный способ защиты потомства от многочисленных врагов.

Итоги экскурсии. На экскурсии мы познакомились с примерами как наследственной (цветки растений одного вида, листья березы или клена, сизые голуби и др.), так и ненаследственной изменчивости (подорожник большой, стрелолист), обе формы которой свойственны всем растениям и животным. Конечно, для эволюции видов имеют значение лишь наследственные изменения.

В любом природном ландшафте в ходе размножения живых организмов появляется во много раз больше, чем их может прожить. Возникает несоответствие между числом живых особей и наличием условий, обеспечивающих выживаемость (пища, убежища, свет, влажность и т. п.). По причине этого несоответствия возникает борьба за существование; в результате ежегодно погибает огромное количество растений и животных, особенно молодых. На экскурсии мы убедились в наличии трех форм борьбы за существование: внутривидовой, межвидовой и "борьбы" растений и животных с неблагоприятными условиями среды.

В ходе естественного отбора - главной и направляющей силы эволюции - у растений и животных возникают различные приспособительные особенности, которые способствуют их выживанию и размножению. Следовательно, под естественным отбором нужно понимать сохранение в природе организмов с полезными для их жизни признаками и исчезновение (гибель) организмов с признаками бесполезными или вредными. На экскурсии мы наблюдали многообразие приспособлений растений и животных к конкретным условиям среды: приспособления растений к перекрестному опылению, к распространению семян и плодов; пути возникновения покровительственных окрасок и форм у животных.

Естественный отбор обусловливает дивергентный характер процесса эволюции. Дивергенция (расхождение признаков) происходит в природе постоянно; одна исходная форма дает множество различных форм.

В природе все взаимосвязано и взаимообусловлено. Любой биогеоценоз (смешанный лес, сосновый лес, лесостепная дубрава, заливной луг и др.) представляет собою относительно устойчивую экологическую систему, сложившуюся в течение миллионов лет. К изменению таких экологических систем нужно подходить разумно и осторожно, с учетом диалектики развития биогеоценоза. Необходимо помнить, что изменение одного элемента экосистемы влечет изменение других элементов. Воздействие человека на биогеоценоз в процессе хозяйственной деятельности приводит к сложным, часто отрицательным последствиям.

продвижение сайтов