5.2: Походження біорізноманіття

Last updated
Save as PDF

Page ID: 3081

\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

Який біологічний процес відповідає за біорізноманіття?

Усі види - від бактерій на нашій шкірі до птахів зовні - еволюціонували в певний момент з іншого виду. Хоча може здатися, що живі істоти сьогодні залишаються однаковими з покоління в покоління, це не так, оскільки еволюція триває. Еволюція - це процес, завдяки якому характеристики виду змінюються з часом, що в кінцевому підсумку може спричинити появу нових видів.

Малюнок\(\PageIndex{1}\). Різноманітність життя на Землі є результатом еволюції, безперервного процесу, який все ще відбувається. (Кредит «вовк»: модифікація роботи Гарі Крамера, USFWS; кредит «корал»: модифікація роботи Вільяма Харрігана, NOAA; кредит «річка»: модифікація роботи Войтеха Достала; кредит «найпростіший»: модифікація роботи Шерон Франклін, Стівен Аусмус, USDA ARS; кредит «риба» модифікація роботи Крістіана Мехльфюрер; кредит «гриб», «бджола»: модифікація твору Кори Занкера; кредит «дерево»: модифікація твору Джозефа Кранака)

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, крім як в світлі еволюції». Він мав на увазі, що принцип, що все життя еволюціонувало і диверсифікувалося від спільного предка, є основою, з якої ми розуміємо всі інші питання в біології.

Виявлення того, як змінюється населення

Теорія еволюції шляхом природного відбору описує механізм того, як види можуть змінюватися з часом. Ця зміна видів була запропонована і обговорювалася задовго до Дарвіна. Думка про те, що види незмінні, була заснована в працях Платона, все ж існували і стародавні греки, які висловлювали еволюційні ідеї.

У вісімнадцятому столітті уявлення про еволюцію тварин були знову впроваджені різними натуралістами. У той же час Джеймс Хаттон, шотландський натураліст, запропонував, щоб геологічні зміни відбувалися поступово шляхом накопичення невеликих змін від процесів (протягом тривалих періодів часу), як і ті, що відбуваються сьогодні. Це контрастувало з переважною думкою про те, що геологія планети була наслідком катастрофічних подій, що відбуваються протягом відносно короткого минулого. Пізніше погляд Хаттона був популяризований геологом Чарльзом Лайеллом в дев'ятнадцятому столітті. Лайелл став другом Дарвіну, і його ідеї були дуже впливовими на мислення Дарвіна. Лайелл стверджував, що більший вік Землі давав більше часу для поступової зміни видів, і процес надав аналогію для поступової зміни видів.

Чарльз Дарвін і природний відбір

Природний відбір як механізм еволюції був незалежно задуманий і описаний двома натуралістами, Чарльзом Дарвіном і Альфредом Расселом Уоллесом, в середині дев'ятнадцятого століття. Важливо, що кожен витратив роки на вивчення природного світу в експедиціях в тропіки. З 1831 по 1836 рік Дарвін подорожував по всьому світу на H.M.S. Beagle, відвідуючи Південну Америку, Австралію та південну частину 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 по Малайському 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, кожен з яких мав унікальну форму дзьоба (рис.\(\PageIndex{2}\)). Він зауважив як, що ці в'юрків тісно нагадують інший вид в'юрків на материковій частині Південної Америки, так і що група видів на Галапагосах утворила градуйовану серію розмірів і форм дзьоба, з дуже невеликими відмінностями між найбільш схожими. Дарвін уявляв, що острівні види можуть бути всіма видами, модифікованими від одного оригінального материкового виду. У 1860 році він писав: «Побачивши цю градацію та різноманітність структури в одній невеликій, тісно пов'язаній групі птахів, можна було б справді уявити, що з початкової нестачі птахів на цьому архіпелазі один вид був взятий і модифікований для різних цілей».

Малюнок\(\PageIndex{2}\). Дарвін зауважив, що форма дзьоба різниться серед видів в'юрків. Він постулював, що дзьоб родового виду з часом пристосувався, щоб обладнати в'юрків для придбання різних джерел їжі. На цій ілюстрації показані форми дзьоба для чотирьох видів земляка: 1. Geospiza magnirostris (великий земляний в'юрок), 2. G. fortis (середньоземний в'юрок), 3. G. parvula (маленький деревовидний в'юрок), і 4. Certhidea olivacea (зелено-очеретявий в'юрок).

Уоллес і Дарвін спостерігали подібні закономірності в інших організмах і самостійно задумали механізм пояснення, як і чому такі зміни можуть відбуватися. Дарвін назвав цей механізм природним відбором. Природний відбір, стверджував Дарвін, був неминучим результатом трьох принципів, які діяли в природі. По-перше, існує різниця в рисах серед осіб всередині популяції, і ці риси успадковуються або передаються від батьків до потомства. По-друге, виробляється більше потомства, ніж здатне вижити; іншими словами, ресурси для виживання і розмноження обмежені. І нарешті, існує конкуренція за ці ресурси в кожному поколінні. З цих трьох принципів 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». Підсумовуючи, ми можемо визначити природний відбір як процес, який призводить до того, що корисні риси з часом стають більш поширеними у популяції, змушуючи населення еволюціонувати.

Малюнок\(\PageIndex{3}\). (а) Чарльз Дарвін і (б) Альфред Уоллес написали наукові праці про природний відбір, які були представлені разом перед Ліннейським товариством в 1858 році.

Статті Дарвіна і Уоллеса (рис.\(\PageIndex{3}\)), 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», в якій досить докладно виклали його аргументи на користь еволюції шляхом природного відбору.

Природний відбір може відбуватися лише за наявності варіацій або відмінностей серед особин у популяції. Важливо, що ці відмінності повинні мати певну генетичну основу, інакше природний відбір не призведе до змін у наступному поколінні, оскільки не було б можливості передати ці риси від одного покоління до наступного.

Генетичне різноманіття в популяції походить від двох основних джерел: мутації та статевого розмноження. Мутація, постійна зміна послідовності ДНК є кінцевим джерелом нових генетичних варіацій у будь-якій популяції. Особа, яка має мутований ген, може мати іншу рису, ніж інші особи в популяції. Без варіації в рисах природа не змогла б вибрати риси, які найкраще пристосовані для навколишнього середовища організмів у той конкретний час.

Еволюційна зміна дії

Розвиток стійких до антибіотиків бактерій є прикладом еволюції шляхом природного відбору, і це безпосередньо спостерігали вчені. Як це відбувається? Уявіть собі людину, яка має бактеріальну інфекцію: їх організм піддається нападу мільярдів бактерій. Оскільки існує генетична різниця в популяціях, деякі окремі бактерії можуть вже мати риси, які дозволяють їм переносити антибіотичні препарати. Коли зараженій людині призначаються антибіотики, препарат атакує і вбиває все населення, крім тих бактерій, які можуть протистояти препарату. Ці бактерії виживають, тому що вони мали корисну рису, і, таким чином, природа вибрала для неї. Все, що вижила популяція буде стійкою до препарату і продовжуватиме розмножуватися, розмножуватися і передавати цю корисну рису всьому потомству. Зараз популяція розвивалася, оскільки всі особини мають стійку до антибіотиків рису, тоді як раніше це було рідко. Важливо усвідомити, що еволюція відбувається на рівні популяції і залежить від генетичних варіацій, які вже були присутні. Без цієї варіації немає нічого для природи, щоб вибрати. Зростання і поширення антибіотикорезистентних бактерій є новою екологічною проблемою і буде розглянуто в наступному розділі.

Атрибуція

«Виявлення того, як змінюється населення» від Open Stax ліцензується відповідно до CC BY 4.0. Змінено з оригіналу Метью Р. Фішером.