21: Вступ до еволюції
- Page ID
- 7999
Теорія еволюції - це об'єднуюча теорія біології, тобто це рамки, в яких біологи задають питання про живий світ. Його сила в тому, що вона забезпечує напрямок для прогнозів про живі істоти, які виносяться в експерименті після експерименту. Американський генетик українського походження Феодосій Добжанський хвацько писав, що «нічого не має сенсу в біології, окрім як у світлі еволюції» (Добжанський, 1964). Він мав на увазі, що принцип того, що все життя еволюціонувало і диверсифікувалося від спільного предка, є основою, з якої ми підходимо до всіх питань біології.
Еволюція шляхом природного відбору описує механізм того, як види змінюються з часом. Ця зміна видів була запропонована та обговорена задовго до того, як Дарвін почав досліджувати цю ідею. Думка про те, що види були статичними і незмінними, була заснована в працях Платона, проте існували і стародавні греки, які висловлювали еволюційні ідеї. У вісімнадцятому столітті уявлення про еволюцію тварин знову представив натураліст Жорж-Луї Леклерк Граф де Буффон, який зауважив, що різні географічні регіони мають різні популяції рослин і тварин, навіть коли середовище схоже. Було також прийнято, що існують вимерлі види.
За цей час Джеймс Хаттон, шотландський натураліст, запропонував, щоб геологічні зміни відбувалися поступово шляхом накопичення невеликих змін від процесів, що працюють так, як вони є сьогодні протягом тривалих періодів часу. Це контрастувало з переважною думкою про те, що геологія планети була наслідком катастрофічних подій, що відбуваються протягом відносно короткого минулого. Погляд Хаттона був популяризований в дев'ятнадцятому столітті геологом Чарльзом Лайеллом, який став другом Дарвіну. Ідеї Лайєлла вплинули на мислення Дарвіна: уявлення Лайєлла про більший вік Землі давало більше часу для поступової зміни видів, а процес змін надав аналогію для поступової зміни видів. На початку дев'ятнадцятого століття Жан-Батіст Ламарк опублікував книгу, в якій детально описувався механізм еволюційних змін. Цей механізм зараз називається успадкуванням придбаних характеристик, завдяки яким модифікації людини спричинені її середовищем, або використання або невикористання структури протягом її життя може успадковуватися її потомством і, таким чином, призвести до зміни виду. Хоча цей механізм еволюційних змін був дискредитуваний, ідеї Ламарка мали важливий вплив на еволюційну думку.
Чарльз Дарвін і природний відбір
В середині дев'ятнадцятого століття фактичний механізм еволюції був самостійно задуманий і описаний двома натуралістами: Чарльзом Дарвіном і Альфредом Расселом Уоллесом. Важливо, що кожен натураліст витрачав час на вивчення природного світу на експедиціях в тропіки. З 1831 по 1836 рік Дарвін подорожував по всьому світу на H.M.S. Beagle, включаючи зупинки в Південній Америці, Австралії та південній частині Африки. Уоллес їздив до Бразилії, щоб збирати комах в тропічних лісах Амазонки з 1848 по 1852 рік та до Малайського архіпелагу з 1854 по 1862 рік. Подорож Дарвіна, як і пізніші подорожі Уоллеса до Малайського архіпелагу, включала зупинки на декількох острівних ланцюгах, останньою з яких були Галапагоські острови на захід від Еквадору. На цих островах Дарвін спостерігав види організмів на різних островах, які були явно схожі, але мали чіткі відмінності. Наприклад, наземні в'юрки, що мешкають на Галапагоських островах, складали кілька видів з унікальною формою дзьоба (рис.\(\PageIndex{1}\)). Вид на островах мав градуйований ряд розмірів і форм дзьоба з дуже невеликими відмінностями між найбільш схожими. Він зауважив, що ці в'юрків тісно нагадували ще один вид в'юрків на материковій частині Південної Америки. Дарвін уявляв, що острівні види можуть бути видозміненими з одного з оригінальних видів материка. Після подальшого вивчення він зрозумів, що різноманітні дзьоби кожного в'юрка допомагали птахам придбати певний вид їжі. Наприклад, у насіннєвих в'юрків були більш міцні, товсті дзьоби для розбивання насіння, а в'юрки, що їдять комах, мали дзьоби, схожі на спис, для того, щоб заколоти свою
Уоллес і Дарвін спостерігали подібні закономірності в інших організмах, і вони самостійно розробили однакове пояснення того, як і чому такі зміни можуть відбуватися. Дарвін назвав цей механізм природним відбором. Природний відбір, також відомий як «виживання найсильніших», - це більш плідне відтворення людей зі сприятливими рисами, які переживають екологічні зміни через ці риси; це призводить до еволюційних змін.
Наприклад, популяція гігантських черепах, знайдених на Галапагоському архіпелазі, спостерігала Дарвін, щоб мати довші шиї, ніж ті, що жили на інших островах з сухими низовинами. Ці черепахи були «відібрані», тому що вони могли досягти більше листя і отримати доступ більше їжі, ніж ті, з короткими шиями. У часи посухи, коли буде доступно менше листя, ті, які могли б досягти більшої кількості листя, мали більше шансів поїсти та вижити, ніж ті, хто не міг дістатися до джерела їжі. Отже, черепахи з довгою шиєю, швидше за все, будуть репродуктивно успішними і передають довгошию рису своєму потомству. Згодом в популяції були б присутні тільки довгошийні черепахи.
Природний відбір, стверджував Дарвін, був неминучим результатом трьох принципів, які діяли в природі. По-перше, більшість характеристик організмів передаються у спадок, або передаються від батьків до потомства. Хоча ніхто, включаючи Дарвіна і Уоллеса, не знав, як це сталося в той час, це було загальним розумінням. По-друге, виробляється більше потомства, ніж здатне вижити, тому ресурси на виживання і розмноження обмежені. Здатність до розмноження у всіх організмів випереджає наявність ресурсів для підтримки їх чисельності. Таким чином, існує конкуренція за ці ресурси в кожному поколінні. І Дарвіном, і Уоллесом розуміння цього принципу виникло з читання есе економіста Томаса Мальтуса, який обговорював цей принцип стосовно людського населення. По-третє, потомство варіюється між собою щодо їх характеристик, і ці варіації передаються у спадок. Дарвін і Уоллес міркували, що потомство з успадкованими характеристиками, які дозволяють їм найкраще конкурувати за обмежені ресурси, виживе і матиме більше потомства, ніж ті особини з варіаціями, які менш здатні конкурувати. Оскільки характеристики передаються у спадок, ці риси будуть краще представлені в наступному поколінні. Це призведе до зміни популяцій протягом поколінь у процесі, який Дарвін назвав спуском з модифікацією. Зрештою, природний відбір призводить до більшої адаптації населення до місцевого середовища; це єдиний механізм, відомий адаптивною еволюцією.
Статті Дарвіна та Уоллеса, що представляють ідею природного відбору, були прочитані разом у 1858 році перед Ліннейським товариством в Лондоні. Наступного року була опублікована книга Дарвіна «Про походження видів». Його книга досить докладно виклала його аргументи на користь еволюції шляхом природного відбору. Важливо зазначити, що Дарвін є глибоко проблемною фігурою і що багато його внески в науку запам'ятовуються через його привілей і силу. Дарвін мав багато расистських і образливих переконань, і той факт, що його часто відзначають на уроках біології, є прикладом систематичного расизму в класі. Вчені та педагоги повинні робити кращу роботу з визнання упереджень у наших матеріалах та висвітлення шляхів сприяння расовій справедливості.
Демонстрації еволюції шляхом природного відбору трудомісткі і важко отримати. Один з кращих прикладів був продемонстрований у тих самих птахів, які допомогли надихнути теорію Дарвіна: Галапагоські в'юрки. Пітер і Розмарі Грант та їхні колеги щороку вивчали популяції галапагоських в'юрків з 1976 року та надавали важливі демонстрації природного відбору. Гранти виявили зміни від одного покоління до наступного у розподілі форм дзьоба із середнім земним в'юрком на Галапагоському острові Дафна-Майор. Птахи успадкували варіації у формі купюри, деякі птахи мають широкі глибокі купюри, а інші мають більш тонкі купюри. У період, коли кількість опадів була вищою за норму через Ель-Ніньо, великі тверді насіння, які їли крупноклювні птахи, зменшилися; однак було велика кількість дрібних м'яких насіння, які їли дрібноклюві птахи. Тому виживання і розмноження були набагато кращими в наступні роки для дрібноклювих птахів. У роки після цього Ель-Ніньо Гранти вимірювали розміри дзьоба в популяції і виявили, що середній розмір купюри був меншим. Оскільки розмір рахунків є успадкованою рисою, батьки з меншими купюрами мали більше потомства, а розмір купюр еволюціонував, щоб бути меншим. Оскільки умови покращилися в 1987 році, а більші насіння стали більш доступними, тенденція до меншого середнього розміру купюри припинилася.
Книга Джонатана Вайнера «Дзьоб зяблика: історія еволюції в наш час» - чудове дослідження творчості Пітера і Розмарі Грант. Якщо ви хочете дізнатися більше, я настійно рекомендую перевірити це.
Процеси і закономірності еволюції
Природний відбір може відбуватися лише за наявності варіацій або відмінностей серед особин у популяції. Важливо, що ці відмінності повинні мати деяку генетичну основу; інакше селекція не призведе до змін у наступному поколінні. Це має вирішальне значення, оскільки варіації серед людей можуть бути викликані негенетичними причинами, такими як людина вище через краще харчування, а не різні гени.
Генетичне різноманіття в популяції походить від двох основних механізмів: мутації та статевого розмноження. Мутація, зміна ДНК, є кінцевим джерелом нових алелів або нових генетичних варіацій у будь-якій популяції. Генетичні зміни, спричинені мутацією, можуть мати один з трьох результатів фенотипу. Мутація впливає на фенотип організму таким чином, що дає йому знижену придатність - нижчу ймовірність виживання або меншу кількість потомства. Мутація може виробляти фенотип з благотворним впливом на фітнес. І багато мутацій також не вплинуть на придатність фенотипу; їх називають нейтральними мутаціями. Мутації також можуть мати цілий спектр розмірів впливу на придатність організму, що виражає їх у своєму фенотипі, від невеликого ефекту до великого ефекту. Статеве розмноження також призводить до генетичного різноманіття: коли два батьки розмножуються, унікальні комбінації алелів збираються для отримання унікальних генотипів і, отже, фенотипів у кожному з потомства.
Спадкова риса, яка допомагає виживанню і розмноженню організму в його теперішньому середовищі, називається адаптацією. Вчені описують групи організмів, які адаптуються до свого середовища, коли з часом відбувається зміна діапазону генетичних варіацій, що збільшує або підтримує «придатність» популяції до навколишнього середовища. Перетинчасті лапки качкопи - пристосування для плавання. Густе хутро снігових барсів - пристосування для життя в холод. Швидка швидкість гепардів - пристосування для лову здобичі.
Чи є ознака сприятливою, залежить від умов навколишнього середовища в той час. Одні і ті ж риси не завжди вибираються, оскільки умови навколишнього середовища можуть змінюватися. Наприклад, розглянемо вид рослини, яке росло у вологому кліматі і не потребувало збереження води. Великі листя були відібрані, оскільки вони дозволяли рослині отримувати більше енергії від сонця. Великі листя вимагають більше води для підтримки, ніж дрібні листя, а вологе середовище забезпечила сприятливі умови для підтримки великих листя. Через тисячі років клімат змінився, і в районі більше не було надлишку води. Напрямок природного відбору змістився так, що рослини з невеликим листям були відібрані, оскільки ці популяції змогли зберегти воду, щоб вижити в нових умовах навколишнього середовища.
Еволюція видів призвела до величезних варіацій у формі та функції. Іноді еволюція породжує групи організмів, які надзвичайно відрізняються один від одного. Коли два види розвиваються в різних напрямках із загальної точки, це називається дивергентною еволюцією.
В інших випадках подібні фенотипи еволюціонують самостійно у віддалено споріднених видів. Наприклад, політ розвинувся як у кажанів, так і у комах, і вони обидва мають структури, які ми називаємо крилами, які є пристосуваннями до польоту. Однак крила кажанів і комах еволюціонували з дуже різних оригінальних споруд. Це явище називається конвергентною еволюцією, де подібні риси еволюціонують самостійно у видів, які не мають спільного походження. Два види прийшли до однієї функції, літаючи, але робили це окремо один від одного.
Ці фізичні зміни відбуваються протягом величезних проміжків часу і допомагають пояснити, як відбувається еволюція. Природний відбір діє на окремі організми, які в свою чергу можуть формувати цілий вид. Хоча природний відбір може працювати в одному поколінні на людину, для еволюції генотипу цілого виду може знадобитися тисячі або навіть мільйони років. Саме за ці великі часові проміжки життя на землі змінилося і продовжує змінюватися.
Посилання
Добжанський, Т. 1964. «Біологія, молекулярна та організматична». Американський зоолог 4, № 4:449.
OpenStax, Біологія. OpenStax CNX. 23 червня 2020 року. https://cnx.org/contents/GFy_h8cu@10.137:noBcfThl@7/Understanding-Evolution.
Мініатюра: Силует еволюції людини. (CC BY-SA 3.0; Tkgd2007 через Вікісховище).