Эволюция: курьёзная и логичная. 100 открытых задач

Задача 8. Растения или животные?***

Иногда растения и животные оказываются настолько близки, что учёные спорят: растение это или животное? Например, одноклеточные эвглена и вольвокс. Они сочетают признаки и растений, и животных. Ботаники относят их к водорослям, а зоологи — к жгутиковым простейшим.

Почему даже учёные не могут точно определить, что за организм перед ними?

Подсказка: сравните их строение, питание и движение.

Контрольный ответ

У эвглены зелёной не клеточная стенка, как у растений, а плотная оболочка; есть светочувствительный глазок, помогающий находить освещённые участки. На свету эвглена, как растение, образует органические вещества с помощью хлоропластов, а в темноте, как животное, заглатывает готовую пищу. Активно передвигается с помощью жгутика.

Вольвокс образует шарообразные колонии, как животные. У периферийных клеток есть хлоропласты, которые обеспечивают фотосинтез. Вся колония скоординированно активно перемещается с помощью жгутиков.

Эвглена и вольвокс обладают признаками разных царств. Ботаники рассматривают эвглену и вольвокс как растения — водоросли из-за наличия хлоропластов и способности к фотосинтезу, а из-за активного движения и особенностей строения зоологи относят их к животным — жгутиковым простейшим. Эти организмы занимают промежуточное положение между растениями и животными, и в этом их эволюционная важность как переходных форм.

Подумайте****

И растительные, и животные организмы состоят из клеток, в которых есть ядро. Эта общность клеточного строения говорит о родстве животного и растительного миров.

Но кем были первые эукариотические организмы: растениями или животными?

Контрольный ответ

Первые одноклеточные эукариоты не были ни растениями, ни животными. От них возникли первые предки растений, животных и грибов.

Кстати

Ключевым событием в происхождении растений стал эндосимбиоз — включение в состав клетки фотосинтезирующих цианобактерий, которые впоследствии эволюционировали в хлоропласты.

Животные произошли от подвижных гетеротрофных одноклеточных эукариот. Они сохранили способность к фагоцитозу и активному передвижению.

Грибы возникли от неподвижных гетеротрофных организмов, они перешли к поглощению растворённых веществ через клеточную стенку (осмотрофное питание).

Первые эукариотические организмы были основой для дальнейшей эволюции всех царств эукариот и дали начало современному биоразнообразию.

Задача 9. Как нам выйти из воды?***

Жизнь зародилась в воде, и древнейшие растения — водоросли — росли в воде миллионы лет. Но пришло время — и растения вышли на сушу. Условия в этой среде сильно отличались от водной, и чтобы жить в новой среде, растениям пришлось сильно измениться.

Как отличались новые условия жизни растений от прежних?

Что нового появилось у растений, чтобы они могли приспособиться к новым условиям?

Какие противоречия возникали при выходе растений на сушу?

Какие задачи «решали» растения для того, чтобы выжить на суше?

Контрольный ответ

Толща воды — это единая однородная среда, где каждой клетке водорослей одинаково доступны растворённые в воде вещества и солнечная энергия.

А что же на суше? На суше растения оказались в двух совершенно различных средах. В почве были вода и минеральные вещества, но там не было света и газов, а в воздухе был солнечный свет, кислород и углекислый газ для фотосинтеза, но не было воды. Растениям пришлось одновременно находиться и в почве, и в воздухе. Для этого они как бы разделились сами в себе: часть осталась в почве, а другая часть — в воздухе, и эти части стали выполнять разные функции. Появились специализированные клетки, из которых развились специализированные ткани. Корневые волоски всасывают воду, листья на свету синтезируют питательные вещества. Чтобы связать эти две части, у растений появились проводящие ткани. Покровные ткани защищают от засухи и повреждений, механические помогают поддерживать вертикальное положение и противостоять ветрам, дождям. Чтобы пережить зиму, понадобилась запасная ткань. А размножение с помощью семян позволило растениям расселяться без воды.

Кстати

Современные данные по эволюции растений указывают на то, что высшие растения не переселялись на сушу как многоклеточные организмы. Скорее всего, формирование многоклеточных структур происходило прямо на суше из их одноклеточных предков, которые ранее адаптировались к наземным условиям.

Подумайте***

Растения на суше столкнулись с воздействием гравитации. В водной среде она была существенно меньше, и растениям пришлось адаптироваться к её влиянию.

Как растения приспосабливались к этому условию?

Контрольный ответ

Растениям пришлось «учиться» расти в определённом направлении, причём разные части растения стали реагировать на силу тяжести по-разному: корни росли строго вниз, к центру Земли, даже если растение лежало на боку, а стебли и побеги изгибались вверх, к свету, преодолевая силу тяжести.

Кстати

Это явление называется гравитропизмом, или геотропизмом. Сигнал подают содержащиеся в клетках специальные крахмальные гранулы, которые оседают под действием силы тяжести и показывают, где «низ». Гормон ауксин перераспределяется и «заставляет» органы расти в нужном направлении, вызывая асимметричный рост: у корня верхняя сторона растёт быстрее, чем нижняя, а у стебля нижняя сторона растёт активнее верхней — и в результате происходит изгиб в нужном направлении.

Хотите знать больше?

Подробнее о том, как растения учились чувствовать гравитацию, можно почитать в статье Кирилла Стасевича на сайте журнала «Наука и жизнь» по запросу «Когда растения почувствовали гравитацию».

А о том, как растения при выходе на сушу не только произвели «зелёную революцию», но и едва не погубили всё живое на Земле, вызвав глобальное оледенение и превратив Землю в «снежок», можно узнать из статьи Владислава Стрекопытова на сайте Элементы.ру по запросу «Стремительное распространение растений по суше вызвало одно из самых суровых оледенений».

Задача 10. Прожиточный минимум***

Болотистые почвы бедны фосфором, калием и особенно азотом. Растения, обитающие на заболоченных почвах, страдают от недостатка полезных веществ, заметно отстают в росте и находятся в угнетённом состоянии. Но и на болотах, на таком невероятно скудном пайке, некоторые растения приспособились обеспечивать себе необходимый «набор продуктов».

Как растения на болотах могут добывать отсутствующие в почве вещества?

Контрольный ответ

Нужных питательных веществ нет в почве, но они есть… в воде и в воздухе! Некоторые растения в ходе эволюции обзавелись приспособлениями для ловли и переваривания насекомых. Поедая насекомых, они пополняют недостаток растворимых соединений азота. У таких растений развились ловчие органы — видоизменённые листья, снабжённые железами, которые выделяют пищеварительные ферменты и органические кислоты, что помогает растению усваивать пойманную добычу.

Кстати

В происхождении животного способа питания растений главную роль могло сыграть то, что в болотах перепревает множество трупов насекомых, ракообразных и других мелких животных. Они могли служить пищей для сапрофитных растений. В процессе эволюции некоторые растения приспособились сами ловить и переваривать насекомых и ракообразных. Получается, что растения при определённых условиях могут питаться и гетеротрофно, как питаются животные. Такой способ питания встречается также у тропических растений.

Задача 11. Почему опадают листья?***

Приходит осень — и деревья сбрасывают листву. Зимой деревьям не выжить с листьями, ведь вода в почве замерзает, а листья продолжат её испарять даже на морозе, обезвоживая дерево. Но, оказывается, листопад бывает и в тропиках. Листья опадают и у вечнозелёных растений, но постепенно, без связи с сезонами года.

Зачем деревьям в тропиках листопад?

Какое эволюционное значение имеет это приспособление?

Контрольный ответ

Листопад помогает растениям выживать при наступлении неблагоприятных условий: морозов в северных и умеренных широтах, засухи — в тропических и субтропических регионах. Эволюционно этот механизм возник и развился у лиственных деревьев, чтобы адаптироваться к сезонным изменениям климата, уменьшить потерю воды и пережить неблагоприятные периоды.

Сбрасывание старых листьев ещё и очищает дерево от накопившихся солей и вредных веществ. А все полезные дереву вещества перед листопадом перемещаются из листьев в ствол и корни.

Подумайте**

Ели, сосны и другие хвойные растения не сбрасывают листья (хвою), хотя растут в холодном климате, где зимой бывают суровые морозы.

Что помогает хвойным деревьям выживать с иголками?

Контрольный ответ

У иголок хвои небольшая площадь поверхности, восковая плотная оболочка уменьшает испарение, эфирные масла, смолы и сахара в высокой концентрации превращают клеточный сок в густой вязкий сироп, который не кристаллизуется и не замерзает даже в морозы.

Кстати

Листопад регулируется генетически и гормонально. Фоторецепторы улавливают сокращение светового дня, запускают выработку гормона старения листа. Этот гормон размягчает клеточные стенки, чтобы лист легко отделился от ветки. Активируются гены, которые расщепляют хлорофилл — хлоропласты превращаются в геронтопласты. У основания черешка начинают делиться клетки, образуя рыхлый отделительный слой, а на стволе в этом месте образуется пробковый слой, который закрывает место разрыва.

Задача 12. Как цветки спасали дерево***

Эколог Данни Кесслер (Danny Kessler) изучал растение Nicotiana attenuata — дикорастущий табак, который ещё называют табаком койота, — и его связи с опылителями. Ночью нектар из его цветков собирают бабочки — бражники. Поэтому обычно растение открывает цветки, когда начинает смеркаться. На рассвете пить нектар прилетают колибри, для них новые цветки открываются примерно до 9 часов утра.

Однажды Кесслеру понадобилась фотография, на которой будет запечатлён момент опыления растения. Рано утром, когда рассвело, Данни отправился за нужным снимком и заметил, что бутонов, которые только начали раскрываться, необычно много — получалось, что те цветки, которые должны были открыться вечером и оставаться открытыми всю ночь для опыления, тоже только начали распускаться. Учёный обратил внимание и на то, что на растении, к тому же, появилось немало гусениц, поедающих листья.

Что же произошло? Почему растение изменило время раскрытия цветков?

Цветок табака койота / Wikimedia, Stan Shebs, CC BY-SA 3.0

Контрольный ответ

Бражники, лакомясь нектаром, ещё и откладывали на листья яйца. Вскоре из яиц вышли гусеницы и начали поедать листья. И табак стал защищаться от нашествия бражников: вместо того чтобы раскрывать цветки вечером, он начал делать это преимущественно утром. В результате опылять цветки стали только колибри, которые листья не едят.

Кстати

Чтобы проверить эту идею, экологи провели несколько экспериментов. Они подсадили гусениц на те растения, где их не было, и уже через 8 дней смещение времени открытия бутонов стало заметным: утром распускались 35% цветков вместо обычных в это время 11%. Потом они надре́зали листья и капнули на них вещество, выделяемое гусеницами — тот же эффект. Растение табака сдвигало время открывания цветков, реагируя на гусениц, и меняло образ жизни с ночного на дневной.

Причём новые цветки были больше «подстроены» под колибри: они испускали меньше веществ, которые нравились бражникам, в нектаре становилось меньше сахаров, а сам цветок стал более удлинённым по форме, что подходило для длинных клювов колибри. Форма цветков табака и время их раскрытия запрограммированы генетически, но, как доказали учёные, эти показатели можно изменить.

Кстати

Когда гусеницы поедают листья, растение начинает выделять летучие вещества, которые привлекают жуков-геокорисов — большеглазых клопов рода Geocoris. Эти хищные насекомые поедают гусениц.

Задача 13. Месть фиговых деревьев***

Фиговые деревья, или инжир, (лат. Fícus cárica) и инжирные плодовые наездники, или фиговые осы (лат. Blastophaga psenes) осы дружат давно: насекомые опыляют фиги, а фига позволяет осам откладывать яйца в плоды, чтобы в них развивались личинки. Почти каждому виду растения — а их более 700 видов — соответствует свой вид насекомого-опылителя. Но некоторые осы начали жульничать и не выполнять договор: они откладывали личинку, но при этом не опыляли растение.

Оказывается, фига наказывает таких мошенников. Как?

Контрольный ответ

Дерево сбрасывает незрелый плод, в котором развивается личинка. Он падает на землю, и личинка погибает.

Плоды и листья инжира / Wikimedia, Forest & Kim Starr, CC BY 3.0 us

Кстати

Учёные из Корнеллского университета и Смитсонианского института тропических исследований выяснили, как дерево определяет «жульничество». Когда оса откладывает яйцо в завязь цветка, растение получает химический сигнал и «проверяет», произошло ли опыление. Если при этом опыления не произошло, и пыльца не попала на рыльце пестика, в плоде меняется соотношение растительных гормонов ауксинов и этилена, снабжение плода питательными веществами прерывается и начинается процесс отделения плодоножки. Так фиговое дерево реагирует на отсутствие опыления.

Учёные считают: такие «санкции» свидетельствуют о длительной эволюции симбиотических отношений инжира и ос-наездников. Инжир и осы эволюционировали вместе миллионы лет, они не могут существовать друг без друга. Такой механизм позволяет сохранить симбиоз и поддерживать честные отношения, исключая эгоистическое использование.

Задача 14. Защита в пустыне***

Растения в пустыне — большая редкость. И уж если пустынное животное нашло пустынное растение — животное его съест. Кактусы, верблюжьи колючки, древесные аргании колючие пытаются спасаться от поедания с помощью острых шипов. Но в пустыне есть и растения, которые почему-то шипы не отрастили. Однако они «изобрели» другие механизмы выживания.

Как пустынные растения без шипов защищают себя от травоядных?

Контрольный ответ

Известны разнообразные эволюционные приспособления растений для защиты от травоядных животных: резкий неприятный запах, ядовитость, симбиоз с жалящими насекомыми.

Листья некоторых пустынных растений вырабатывают клейкое вещество, на которое налипает поднятый ветром песок. Это создаёт эффект наждачной бумаги для зубов животных и отбивает у них желание полакомиться растением.

Хотите знать больше?

То, что пустынные растения выделяют липкий секрет, чтобы приклеивать к себе песок, учёные замечали не раз. Выдвигались различные гипотезы об эволюционном значении этого защитного механизма, в том числе — его участии в терморегуляции или для маскировки. Однако ранее экспериментально гипотезы не проверялись.

Недавно американские учёные в течение двух месяцев проводили эксперименты с песчаной вербеной (лат. Abronia latifolia) и наварретией (лат. Navarretia mellita) и доказали, что этот механизм нужен растению именно для защиты от растительноядных животных и связан исключительно с «наждачным» эффектом песка.

Ознакомиться с результатами исследования можно в статье Олега Лищука на сайте N+1 (nplus1.ru) по запросу «Растения защитились от съедения естественной «наждачной бумагой».

Лист прибрежной песчаной вербены, демонстрирующий псаммофорию — налипание песка / Wikimedia, MeadowLore, CC BY-SA 4.0

Задача 15. Зачем ядовитому дереву сладкие плоды?***

На островах Карибского моря в прибрежных рощах на очень бедных песчаных почвах растёт дерево манчинелла, или манцинелла (лат. Hippomane mancinella), похожее на нашу яблоню. И плоды у него как небольшие яблочки. Само дерево вырастает до 15 метров в высоту. Манцинелловое дерево — одно из самых опасных деревьев на планете. Ядовитый млечный сок содержится и в его плодах-яблочках, и в любой другой его части. Даже прикосновение к коре дерева или просто сидение под ним вызывает ожоги.

И тем не менее плоды манцинеллы — сладкие, с ароматным запахом, напоминающим жасмин и грушу! Но зачем дереву заботиться об их вкусе и аромате? Сладкие плоды обычных деревьев предназначаются для того, чтобы их съедали животные, а потом вместе с навозом, как с удобрением, «высевали» семена, расселяя таким образом растения. Но если животное попробует ядовитые плоды манцинеллы, то погибнет — а даже если выживет, то никогда больше не будет их есть.

Тогда какой биологический и эволюционный смысл в сладких ядовитых плодах?

Плод и листья манцинеллы / Wikimedia, Hans Hillewaert, CC BY-SA 3.0

Контрольный ответ

Манцинеллы растут на очень бедных песчаных почвах, в которых совсем мало питательных веществ. Поэтому дереву выгодно, чтобы животные, соблазнённые вкусом и ароматом плодов, охотно ели их и умирали от яда прямо под деревом. Жертвы становятся для растения удобрением и снабжают его питанием.

ТИП ГУБКИ

Задача 16. Почему природа любила круги?*

Давным-давно, 3,5 миллиарда лет назад, первые живые существа были похожи на крошечные шарики. Такая шарообразная форма была простой и удобной: всё равномерно, ничего не торчит.

Жизнь усложнялась, и появлялись многоклеточные организмы. И тут природа не ушла от самого простого и красивого — от «круглого» плана строения и радиальной симметрии. Эта древняя форма существует и сегодня: среди современных животных тоже есть организмы, у которых от центра во все стороны расходятся одинаковые части. Трубкообразные черви, сферические морские ежи, кольцевые медузы… Или вот, например, менее известные — губки. Эти существа без головы, глаз и ног похожи на пористые мешочки с дырочками. Они тихо сидят на дне моря или реки и пропускают через себя воду с мельчайшими кусочками пищи. Эти удивительные создания умеют восстанавливаться: даже если губку разорвать, каждая её часть может вырасти в новый организм.

Почему радиальная симметрия была эволюционно выгодной для ранних форм жизни?

Какие эволюционные и физиологические преимущества даёт радиальная симметрия?

Какие ограничения были у радиальной симметрии и к чему привели эти ограничения в эволюционном плане?

Гигантские бочкообразные губки (лат. Xestospongia testudinaria) / Wikimedia, Albert Kok, общественное достояние

Контрольный ответ