План-конспект занятия «Движущие силы эволюции, их влияние на генофонд популяции. Синтетическая теория эволюции. Результаты эволюции. Сохранение многообразия видов как основа устойчивого развития биосферы»

Богуцкая Лилия Николаевна

преподаватель биологии

ГОБУ СПО ВО «Воронежский техникум строительных технологий»

План-конспект учебного занятия

«Движущие силы эволюции, их влияние на генофонд популяции. Синтетическая теория эволюции. Результаты эволюции. Сохранение многообразия видов как основа устойчивого развития биосферы»

Цели: сформировать у учащихся систему знаний о факторах эволюции, естественном отборе и его роли в эволюции; добиться четкого понимания учащимися, что естественный отбор - ведущий фактор эволюции, что только естественный отбор создает новые формы, приспособленные к среде обитания; способствовать усвоению учащимися знаний о механизме возникновения новых видов под воздействием естественных материальных факторов (наследственной изменчивости, борьбы за существование, естественного отбора); продолжить формировать умения выявлять приспособления к среде обитания у различных биологических объектов; сформировать знания о процессе макроэволюции.

Тип урока: Комбинированный.

Методическое обеспечение урока:

А) Учебные пособия: учебник «Общая биология» В.И. Сивоглазов 10-11 класс; учебная доска; мел.

Б) Средства контроля: опрос.

Основные понятия урока: Эволюция, эволюционная теория, наследственность, изменчивость, борьба за существование, естественный отбор, популяционные волны, дрейф генов, изоляция, адаптации (мимикрия, покровительственная окраска, маскировка, биохимические, физиологические и поведенческие адаптации), видообразование, дивергенция, микроэволюция, прогресс, регресс, макроэволюция, ароморфоз, идиоадаптация, общая дегенерация; синтетическая теория эволюции (СТЭ).

Ход урока:

1. Оргмомент

2. Проверка и актуализация приобретённых знаний.

Опрос:

1. 1. Дайте определение вида.

   2. Расскажите, какие биологические механизмы препятствуют обмену генами между видами.

   3. В чем причина бесплодия межвидовых гибридов?

   4. Какие критерии используют ученые для характеристики вида?

   5. Что такое ареал вида?

   6. Дайте определение понятию «популяция».

   7. Какими параметрами характеризуется каждая популяция?

   8. При каких условиях численность популяции может быстро достичь максимально возможной величины?

   9. От чего зависит возрастная структура популяции?

   10. У каких популяций не определяется половая структура?

   11. Какими качествами должна обладать элементарная единица эволюции?

   12. Что такое генофонд популяции?

   13. Кто поставляет материал для эволюции?

   14. Назовите условия, необходимые для осуществления эволюции.

2. Изучение новой темы.

- Ребята, давайте вспомним с вами:

1. Какие существуют причины изменения численности особей в популяции?

2. В чем заключается роль мутаций в процессе эволюции?

(педагог дает оценку ответов учащихся, подводит их к тому, какие существуют основные факторы эволюции)

- Давайте рассмотрим факторы эволюции, их влияние на генофонд популяций и создание условий для главного эволюционного фактора - естественного отбора.

Факторы эволюции:

1. Наследственная изменчивость:

Фактор, обеспечивающий возникновение нового генетического материала в популяции, - наследственная (генотипическая) изменчивость.

Существует две формы такой изменчивости: комбинативная и мутационная (мы с вами разбирали ее ранее).

Мутации с определенной частотой возникают у всех живых организмов.

Мутации возникают ненаправленно, не имеют приспособительного значения.

Доминантные мутации проявляются в первом же поколении, и их дальнейшая судьба зависит от их значимости. Вредные мутации приведут к гибели организма или снижению его жизнеспособности.

Нейтральные и полезные мутации сохранятся в следующих поколениях.

Однако гораздо чаще происходят рецессивные мутации, которые могут в течение длительного времени в скрытом виде передаваться из поколения в поколение. С течением времени мутации могут перейти в гомозиготное состояние и их судьба также будет зависеть от степени значимости (полезные признаки будут сохраняться, а вредные удаляться с помощью естественного отбора).

Роль мутаций: приводят к увеличению генетического разнообразия популяции.

Мутационный процесс является лишь поставщиком элементарного эволюционного материала. Его давление на популяции поддерживает их генетическое разнообразие на высоком уровне.

Но т.к. мутации случайны, то мутационный процесс не способен оказывать направляющее влияние на процесс эволюции.

2. Популяционные волны:

В естественных условиях численность популяции постоянно меняется. Такие периодические и непериодические (случайные) колебания численности особей, составляющих популяцию, называют популяционными волнами.

Пример: нехватка корма, эпидемии, влияние хищников - уменьшается кол-во особей в популяции.

В маленькой по размеру популяции некоторые особи в силу случайных причин могут оставить или не оставить потомства, что приведет к изменению частот встречаемости тех или иных аллелей популяции. Некоторые аллели могут вообще исчезнуть из популяции.

Процесс случайного ненаправленного изменения частот аллелей в популяции называют дрейфом генов. В итоге генофонд оставшейся популяции будет отличаться от генофонда исходной популяции.

Явление, при котором популяция проходит через период малой численности, носит название эффект «бутылочного горлышка».

Результат эффекта «бутылочного горлышка».

Слева показана первоначальная родительская популяция.

Затем она значительно уменьшена тем или иным окружающим событием.

Генофонд популяции оказался сокращенным.

Генотипическая структура будет отражением генотипов тех особей, которые прошли через «бутылочное горлышко».

Таким образом, колебания численности (популяционные волны) вызывают изменения генетической структуры популяции.

Для того чтобы в дальнейшем популяция могла развиваться независимо на основе своего собственного генофонда, необходима ее изоляция от других подобных популяций.

3. Изоляция:

Изоляция - это ограничение или полное отсутствие скрещиваний особей разных популяций.

Пока между популяциями существует поток генов, они не могут накопить существенные генетические различия.

Роль: Изоляция приводит к прекращению обмена наследственной информацией и превращает популяцию в самостоятельную генетическую систему. Изоляции закрепляют и усиливают генетические различия между популяциями, создают предпосылки для дальнейшего преобразования этих популяций в отдельные виды.

Виды изоляции:

1. Пространственная изоляция - связана с существованием географических преград между популяциями, например, горных хребтов, пустыней, водоемов и т.д.

2. Экологическая изоляция - связана с невозможностью скрещивания различных популяций вследствие разделения экологическими препятствиями в пределах одного ландшафта. Например, обитатели одного болота имеют мало шансов встретиться в период размножения с обитателями другого болота.

Вывод: Такие факторы эволюции, как наследственная изменчивость, популяционные волны и изоляция изменяют генофонд популяций и обеспечивают их независимое существование, создавая условия для действия главного эволюционного фактора - естественного отбора.

Естественный отбор - главная движущая сила эволюции.

Естественный отбор - это преимущественное выживание и размножение наиболее приспособленных особей каждого вида и гибель менее приспособленных организмов.

Именно естественный отбор направляет эволюционный процесс и обеспечивает закрепление в популяции определенных изменений.

Материал для естественного отбора - наследственная изменчивость (генетическое разнообразие).

Обычно с большой вероятностью выживают и оставляют потомство те особи, которые максимально приспособлены к данным условиям обитания, имеют определенные преимущества. Наименее приспособленные имеют меньше шансов оставить потомство и чаще погибают. Таким образом, естественный отбор - это результат борьбы за существование.

Естественный отбор играет в природе творческую роль, потому что из всего многообразия ненаправленных наследственных изменений он отбирает и закрепляет только те, которые обеспечивают популяции или виду в целом оптимальные приспособления к данным условиям существования.

Виды отбора:

1. Движущий - в популяции, которая находилась в стабильных условиях существования и имела признаки относительно некой средней величины, могут измениться условия внешней среды. Тогда преимущество будут иметь особи, чье проявление отклоняется от средней величины. Давление отбора будет приводить к сдвигу среднего значения признака или свойства в популяции и появлению новой средней величины, соответствующей изменившимся условиям.

Примеры: явление индустриального меланизма у бабочки березовой пяденицы; устойчивость насекомых к ядохимикатам; утрата глаз у крота или редукция крыльев у некоторых насекомых, живущих в ветреных районах на морских побережьях.

2. Стабилизирующий - действует в постоянных условиях среды, направлен на сохранение ранее сложившегося среднего значения признака или свойства. Действие этой формы отбора направлено на уничтожение особей, несущих признаки, значительно уклоняющиеся от средней нормы.

Эта форма отбора не сдвигает среднюю величину значения признака, однако размах фенотипической изменчивости снижается.

Примеры: Во время сильных бурь в прибрежных районах Англии погибают в основном воробьи с длинными и короткими крыльями, а птицы со средними размерами крыльев выживают.

В большом помете у млекопитающих обычно гибнут те детеныши, которые наиболее резко отклоняются по каким-то признакам от средних величин.

До нашего времени благодаря стабилизирующему отбору сохранились виды, жившие млн лет назад: древовидные папоротники, акулы, кистеперая рыба латимерия, пресмыкающееся гаттерия.

3. Дизруптивный- разрывающий отбор, благоприятствующий 2 или нескольким направлениям изменчивости (классам фенотипов), но не благоприятствующий среднему (промежуточному) состоянию признака (фенотипа). При действии дизруптивного отбора внутри популяции обычно возникает полиморфизм - несколько отчетливо различающихся фенотипических форм.

Адаптации организмов к условиям обитания как результат действия естественного отбора:

- Ребята, на основании собственных наблюдений приведите примеры приспособленности организмов к условиям существования (педагог выслушивает ответы учащихся, анализируют их в группе)

Морфологические адаптации:

Связаны с особенностями строения тела. Различают общие (затрагивают обычно крупные таксоны - отряды, классы, типы) и специальные адаптации (связаны с более узкими условиями существования - виды, группы видов).

Примеры: возникновение крыла у птиц - впоследствии на его основе возникали вторичные и третичные адаптации - бреющий полет буревестника и маневренный полет колибри; разнообразная форма птичьих клювов в зависимости от типа их питания; строение тела рыб - плоское у придонных и торпедообразное у акул; густой шерстяной покров у северных млекопитающих; гибкое тело у норных животных; в высокогорных районах и тундре - стелющиеся и подушковидные формы растений, устойчивые к сильным ветрам, легко укрывающиеся снегом и не повреждающиеся в сильные морозы.

Покровительственная окраска: Служит способом защиты от врагов для многих видов животных. Благодаря ей животные становятся менее заметны.

Примеры: самки птиц, гнездящихся на земле, практически сливаются с общим фоном местности, их яйца и птенцы также незаметны; неразличимы в траве зеленые кузнечики; в пустыне - песочно-желтые ящерицы, на снегу - полярные песцы; яркая окраска с чередованием светлых и темных полос или пятен (тигры, леопарды, пятнистые олени, детеныши кабана) - она имитирует чередование света и тени в природе и делает животных менее заметными в густых зарослях; в зависимости от условий освещенности способны менять окраску хамелеоны, осьминоги.

Предостерегающая окраска:

Такая окраска, как правило, свойственна жалящим или имеющим ядовитые железы насекомым.

Пример: птица вряд ли будет пытаться съесть ярко-полосатого шмеля или ядовитую божью коровку.

Маскировка:

Маскировка - это соответствие формы тела объектам неживой природы. Сходство с предметами окружающей среды позволяет многим животным избегать нападения хищников.

Примеры: практически неразличима в зарослях рыба-игла; форма тела некоторых насекомых напоминает листья, кору, веточки, колючки растений.

Мимикрия:

Многие безобидные животные приобрели сходство с ядовитыми видами.

Мимикрия - это явление подражания беззащитного вида хорошо защищенным и имеющим предостерегающую окраску неродственным видам.

Примеры: муха-журчалка; многие неядовитые змеи похожи на ядовитых; узор на крыльях некоторых бабочек напоминает глаза хищников.

Биохимические адаптации:

Многие животные и растения способны образовывать различные вещества, которые служат им для защиты от врагов, для нападения на другие организмы: пахучие вещества клопов, яды змей, пауков, скорпионов, токсины растений; особая структура белков и липидов позволяет организмам существовать в горячих источниках или в условиях вечной мерзлоты.

Физиологические адаптации:

Связаны с перестройкой обмена веществ. Без них невозможно поддержание гомеостаза в постоянно меняющихся условиях внешней среды.

Примеры: птицы и рептилии, обитающие в морях, приобрели специальные железы, которые позволяют им быстро избавляться от избытка солей; пустынные животные перед наступлением засушливого сезона накапливают много жира: при его окислении образуется большое количество воды.

Поведенческие адаптации:

Помогают в борьбе за выживание.

Примеры: затаивание или отпугивающее поведение при приближении врага; запасание корма на неблагоприятный период года; спячка животных и сезонные миграции, позволяющие пережить холодный или засушливый период.

Многие виды адаптаций формируются параллельно.

Пример: животные с покровительственной окраской в минуту опасности замирают; предостерегающая окраска, наоборот, сочетается с демонстрационным поведением, отпугивающим хищника.

Важную особенность играют поведенческие адаптации, связанные с продолжением рода: брачное поведение, выбор партнера, образование семьи, забота о потомстве - эти все типы поведения являются врожденными и видоспецифичными, т.е. у каждого вида существует своя программа полового и детско-родительского поведения.

Вывод: Таким образом, все живые организмы приспособлены к условиям своего обитания. Каждый организм имеет множество адаптаций, которые образовывались в результате действия естественного отбора в определенных условиях среды. При изменении условий адаптации могут менять свою приспособительную ценность, т.е. адаптации имеют относительную целесообразность.

В результате действия движущих сил эволюции у организмов возникают и совершенствуются адаптации к условиям среды, а их закрепление в изолированных популяциях может привести к образованию новых видов.

Видообразование - это процесс возникновения видов. Видообразование является результатом микроэволюции.

Способы видообразования:

• Преобразование одного вида в другой

• Гибридизация двух видов, в результате которой происходит третий, новый вид (межвидовое образование)

• Истинное видообразование - расхождение (дивергенция) признаков

Пути видообразования:

1. Географическое - основано на пространственной изоляции. При этом ареал исходного вида расчленяется на отдельные фрагменты, которые полностью или частично изолированы друг от друга. Естественный отбор в подобных фрагментах идет в разных направлениях. В результате вид распадается на географические подвиды, которые с течением времени могут превратиться в самостоятельные дочерние виды.

Географическое видообразование - процесс медленный, происходит на протяжении сотен тысяч поколений.

2. Экологическое видообразование - базируется на биологической изоляции.

Пример: 5 видов синиц - отличие по пищевой специализации -

большая синица питается крупными насекомыми в садах и парках;

лазоревка - мелкими насекомыми в трещинах коры и почках деревьев;

хохлатая синица - семенами хвойных деревьев;

гаичка и московка - преимущественно лесными насекомыми.

Географическое и экологическое видообразование носят дивергентный характер.

Дивергенция (от лат. divergo - отклоняюсь) - расхождение признаков у родственных групп в процессе эволюции.термин был предложен Ч.Дарвином при рассмотрении видообразования. Основная причина дивергенции по Ч.Дарвину - внутривидовая конкуренция и естественный отбор.

3. Гибридогенное видообразование - может происходить при быстром изменении кариотипа (при возникновении полиплоидии). Пример: у хризантем, картофеля, табака, пшеницы и т.д. Полиплоидные формы крупные и могут существовать в более суровых условиях, чем диплоидные. Благодаря этому в высокогорьях и в Арктике число полиплоидных видов резко увеличено.

Пр-р: терен (2n = 32) + алыча (2n=16) = слива (2n=48) и последующее удвоение числа хромосом; рябинокизильник в Южной Якутии; виды малины, табака, брюквы, ирисов - полиплоиды гидридогенного происхождения.

- Давайте для закрепления раздела «Микроэволюция» составим схему «Эволюционные факторы».

Эволюционные факторы

Направляющие эволюционный процесс Ненаправляющие эволюционный процесс

Естественный отбор Наследственная изменчивость

(на фоне борьбы за существование) Изоляция Дрейф генов

Волны жизни

Действуют в популяции, изменяя ее генофонд

Возможный результат: возникновение новых популяций, подвидов, видов (видообразование)

Макроэволюция - процесс формирования надвидовых таксонов.

- Ребята, как вы считаете, какие процессы помимо изменения генетического состава популяций, формирования адаптаций и образования видов, являются результатами эволюции? (ребята выдвигают свои теории)

- Макроэволюция - качественно другой процесс по сравнению с микроэволюцией.

Макроэволюция - это процесс формирования на основе микроэволюции надвидовых таксонов: родов, семейств, отрядов, классов и т.д.

Как было выяснено, одни виды способны развиваться относительно быстро, другие - относительно медленно, т.е. одни склонны к «взрывной» эволюции, а другие - к «застойной».

Макроэволюционные процессы идут в двух основных направлениях - биологический прогресс и биологический регресс.

Биологический прогресс - достижение группой организмов успеха в борьбе за существование, каким бы путем этот успех ни был достигнут - усложнением или упрощением организации.

Примеры: увеличение численности организмов; расширение занимаемого ареала; возникновение новых таксономических категорий (прогресс у покрытосеменных растений - появление цветка и плода - позволил увеличить их численность, освоить среды обитания и снизить зависимость от влияния факторов среды).

У насекомых - малые размеры, высокая плодовитость, короткий жизненный цикл, достаточно высокий уровень развития нервной системы, органов чувств; смягчена внутривидовая конкуренция между личинками и взрослыми особями вследствие пространственного и пищевого разобщения. Это позволило насекомым освоить все основные среды жизни и стать самой многочисленной группой животного мира, расселившейся по всему земному шару.

Биологический регресс - характеризуется снижением численности, сужением ареала, он может привести к вымиранию определенной систематической группы организмов.

Пример: сужение ареала и численности отдела папоротниковидных в каменноугольный период. Изменение климатических условий (в т.ч. изменение влажности) обусловило регресс папоротников, размножение которых зависит от наличия воды в окружающей среде.

Пути достижения биологического прогресса: (разработаны нашим соотечественником - А.Н. Северцовым 1866-1936).

1. Ароморфоз - процесс возникновения в ходе эволюции адаптаций, которые существенно повышают уровень организации живых организмов. Они ведут к освоению видами новых сред обитания. Пр-р: выход позвоночных на сушу обусловлен появлением парных конечностей, легких, внутреннего оплодотворения. У растений - появлением механических тканей, восковой кутикулы, сосудистой системы, появление фотосинтеза, полового размножения.

Ароморфозы - длительный эволюционный процесс, происходящий на основе мутаций, естественного отбора и других факторов эволюции. Развитие каждой систематической группы организмов сопровождается ароморфозами.

2. Идиоадаптации - это процесс приспособления организмов к разнообразным условиям окружающей среды, не сопровождающийся повышением уровня организации.

Пример: разнообразные способы опыления - насекомоопыляемые растения имеют яркие цветки или цветки, собранные в соцветия, обладающие ароматом. Ветроопыляемые растения - невзрачные, имеют соцветия, нет нектара и запаха, пыльца легкая и сухая, длинные тычиночные нити свисают из цветка.

Идиоадаптации насекомоядных млекопитающих: землеройка, крот и прыгунчик; крот и златокрот; выхухоль, кутора и выдровая землеройка.

3. Общая дегенерация - резкое упрощение организации, сопровождающееся утратой ряда органов и систем органов, потерей их функций.

Пример: ленточные черки - утратили пищеварительную систему; блохи и вши утратили крылья вследствие паразитического образа жизни; растения-паразиты частично или полностью утратили органы - корень, стебель (петров крест, раффлезия Арнольди).

Несмотря на то что общая дегенерация приводит к значительному упрощению организации, виды, развивающиеся по такому пути, могут увеличивать свою численность, расширять ареал обитания, образовывать новые виды и другие систематические группы, т.е. достигать биологического прогресса.

Пути эволюции органического мира либо сочетаются друг с другом, либо сменяют друг друга, но ароморфозы происходят сравнительно редко, а идиоадаптация - процесс постоянный.

НО именно ароморфозы определяют новые этапы в развитии органического мира.

Ароморфоз → идиоадаптация → многообразие форм организмов

(иногда завершается дегенерацией).

- В начале XX века в науке возникла парадоксальная ситуация: эволюционное учение распространялось, а теория естественного отбора жестко подвергалась критике, т.к. естественный отбор не мог объяснить крупные изменения у организмов, в то время не существовало четких понятий о наследственности и изменчивости. Недопонимание встретило эволюционное учение со стороны развивающейся генетики. Открытие законов наследственности и изучение мутаций привели к неравноправному противопоставлению учения о мутациях дарвинизму. Распространилось мнение, что мутации сами по себе, без участия естественного отбора, могут двигать эволюцию. Сложилась конфликтная ситуация, когда генетики и сторонники классического дарвинизма не могли понять друг друга. В итоге в середине 20-х годов прошлого века многие ученые утверждали, что теория Ч. Дарвина полностью опровергнута. Однако такие выводы оказались преждевременными.

В 1926 г. важным событием стало опубликование работ С.С. Четверикова, который заложил основы генетики популяций, он показал, что природные популяции насыщены разнообразными рецессивными мутациями, составляющими «резерв наследственной изменчивости». Такое открытие позволило снять одно из возражений дарвинизму - тезис о нехватке материала для естественного отбора. Оказалось, что естественный отбор «работает» не только с вновь возникающими мутациями, но и с огромным фондом мутаций, накопленных в популяции. В ходе «переработки» этих мутаций под действием естественного отбора и осуществляется процесс эволюции. Таким образом, популяционная генетика сыграла важную роль в возрождении эволюционных идей Дарвина (дарвинизма).

Основные положения синтетической теории эволюции:

(сформулирована окончательно в 1937 г.)

• Эволюция носит постепенный и длительный характер;

• Материалом для эволюции служат мутации. Мутационная изменчивость поставляет материал для естественного отбора; мутации носят случайный характер; возникают спонтанно и в случайных местах генома;

• Единственный направляющий фактор эволюции - естественный отбор, основанный на сохранении и накапливании мелких и случайных мутаций;

• Наименьшая эволюционная единица - популяция, а не особь;

• Эволюция носит дивергентный характер, означающий, что систематический таксон может быть предком нескольких дочерних таксонов;

• Вид состоит из многих морфологических и генетически различающихся, но репродуктивно не изолированных единиц - популяций;

• Обмен генами (аллелями) возможен лишь внутри вида.

4. Закрепление знаний.

Опрос выборочно по карточкам:

1. 1. Какое значение эволюционное учение Дарвина имело для развития биологических наук?

   2. Как вы считаете, почему современную теорию эволюции можно назвать синтетической теорией?

   3. Перечислите способы видообразования.

   4. Какую роль играет изоляция в процессе эволюции?

   5. Перечислите способы видообразования.

   6. Какие два основных направления эволюции вам известны?

   7. Что такое биологический прогресс и регресс?

   8. Что является показателем биологического прогресса? Регресса?

   9. Какое направление биологической эволюции поднимает группу организмов на более высокую ступень организации?

   10. Каковы причины вымирания видов?

2. Домашнее задание.

Гл. 4. §4.8-4.13 с.228 - 262 В.И. Сивоглазов 10-11 кл.

6. Рефлексия (итог урока):

Подводятся итоги занятия, выставляются оценки за работу.