Введение в эволюцию - Introduction to evolution

«Палеонтологическое древо позвоночных» из 5-го издания «Эволюции человека» (Лондон, 1910) Эрнста Геккеля . Эволюционная история вида описывалась как дерево , из одного ствола которого выросло множество ветвей.

Эволюция - это процесс изменения всех форм жизни на протяжении поколений, а эволюционная биология - это изучение того, как происходит эволюция . Биологические популяции развиваются через генетические изменения , которые соответствуют изменениям в организмах " наблюдаемых признаках . Генетические изменения включают мутации , которые вызваны повреждением или ошибками репликации в ДНК организмов . По мере того как генетическая изменчивость популяции случайным образом дрейфует от поколения к поколению, естественный отбор постепенно приводит к тому, что признаки становятся более или менее общими, в зависимости от относительного репродуктивного успеха организмов с этими признаками.

Возраст Земли составляет около 4,5 миллиарда лет. Самое раннее неоспоримое свидетельство существования жизни на Земле датируется по крайней мере 3,5 миллиарда лет назад. Эволюция не пытается объяснить происхождение жизни (вместо этого покрывается абиогенезом ), но она объясняет, как ранние формы жизни эволюционировали в сложную экосистему, которую мы видим сегодня. Основываясь на сходстве между всеми современными организмами, предполагается , что вся жизнь на Земле произошла в результате общего происхождения от последнего универсального предка, от которого все известные виды разошлись в процессе эволюции.

У всех особей есть наследственный материал в виде генов, полученных от родителей, которые они передают любому потомству. У потомства существуют вариации генов из-за введения новых генов посредством случайных изменений, называемых мутациями, или путем перетасовки существующих генов во время полового размножения . Потомство отличается от родителя незначительным случайным образом. Если эти различия полезны, у потомства больше шансов выжить и воспроизвести. Это означает, что большее количество потомков в следующем поколении будет иметь это полезное различие, и у людей не будет равных шансов на репродуктивный успех. Таким образом, признаки, которые приводят к лучшей адаптации организмов к условиям их жизни, становятся более распространенными в потомках популяций. Эти различия накапливаются, что приводит к изменениям в популяции. Этот процесс отвечает за множество разнообразных форм жизни в мире.

Современное понимание эволюции началось с публикации в 1859 году книги Чарльза Дарвина « О происхождении видов» . Кроме того, работа Грегора Менделя с растениями помогла объяснить наследственные закономерности генетики . Открытия окаменелостей в палеонтологии , достижения в популяционной генетике и глобальная сеть научных исследований предоставили дополнительные детали механизмов эволюции. Ученые теперь хорошо понимают происхождение новых видов ( видообразование ) и наблюдали процесс видообразования в лаборатории и в дикой природе. Эволюция - это основная научная теория, которую биологи используют для понимания жизни, и она используется во многих дисциплинах, включая медицину , психологию , природоохранную биологию , антропологию , судебную медицину , сельское хозяйство и другие социально-культурные приложения.

Простой обзор

Основные идеи эволюции можно резюмировать следующим образом:

Формы жизни воспроизводятся и поэтому имеют тенденцию становиться более многочисленными.
Такие факторы, как хищничество и конкуренция, работают против выживания людей.
Каждое потомство отличается от своего родителя (ей) второстепенным, случайным образом.
Если эти различия благоприятны, у потомства больше шансов выжить и воспроизвести.
Это делает вероятным, что большее количество потомков в следующем поколении будет иметь полезные отличия, а меньшее количество - вредные.
Эти различия накапливаются из поколения в поколение, что приводит к изменениям внутри населения.
Со временем популяции могут разделиться или разделиться на новые виды.
Эти процессы, известные как эволюция, ответственны за множество разнообразных форм жизни, наблюдаемых в мире.

Естественный отбор

Чарльз Дарвин предложил теорию эволюции путем естественного отбора .

В 19 веке были популярны коллекции и музеи естествознания . Европейская экспансия и морские экспедиции наняли натуралистов , в то время как хранители великих музеев продемонстрировали сохранившиеся и живые образцы разнообразия жизни. Чарльз Дарвин был английским выпускником, получившим образование по естествознанию. Такие естествоиспытатели будут собирать, каталогизировать, описывать и изучать обширные коллекции образцов, хранящихся и управляемых кураторами в этих музеях. Дарвин служил корабельным натуралистом на борту HMS Beagle , который участвовал в пятилетней исследовательской экспедиции по всему миру. Во время своего путешествия он наблюдал и собирал множество организмов, будучи очень заинтересованным в разнообразных формах жизни у берегов Южной Америки и соседних Галапагосских островов .

Дарвин отметил, что орхидеи имеют сложную адаптацию, обеспечивающую опыление, и все они происходят из основных частей цветка.

Дарвин приобрел обширный опыт, собирая и изучая естественную историю форм жизни из далеких мест. В ходе своих исследований он сформулировал идею о том, что каждый вид произошел от предков со схожими чертами. В 1838 году он описал, как процесс, который он назвал естественным отбором, может сделать это возможным.

Размер популяции зависит от того, сколько и сколько ресурсов могут ее поддержать. Чтобы численность населения из года в год оставалась неизменной, необходимо наличие равновесия или баланса между численностью населения и доступными ресурсами. Поскольку организмы производят больше потомства, чем может поддержать их среда, не все особи могут выжить из каждого поколения. Должна быть конкурентная борьба за ресурсы, которые помогают выживанию. В результате Дарвин понял, что не только случайность определяет выживание. Напротив, выживание организма зависит от различий каждого отдельного организма или «черт», которые помогают или препятствуют выживанию и воспроизводству. Хорошо адаптированные особи, вероятно, оставят больше потомства, чем их менее адаптированные конкуренты. Черты, мешающие выживанию и воспроизводству, исчезнут с течением времени. Черты, которые помогают организму выжить и размножаться, будут накапливаться из поколения в поколение. Дарвин понял, что неравная способность людей выживать и воспроизводиться может вызывать постепенные изменения в популяции, и использовал термин естественный отбор для описания этого процесса.

Наблюдения за изменчивостью животных и растений легли в основу теории естественного отбора. Например, Дарвин заметил, что орхидеи и насекомые имеют тесную взаимосвязь, что позволяет опылять растения. Он отметил, что орхидеи имеют множество структур, которые привлекают насекомых, поэтому пыльца с цветов прилипает к телам насекомых. Таким образом насекомые переносят пыльцу от мужской орхидеи к женской. Несмотря на сложный внешний вид орхидей, эти специализированные части состоят из тех же основных структур, что и другие цветы. В своей книге « Оплодотворение орхидей» (1862 г.) Дарвин предположил, что цветы орхидеи были адаптированы из уже существующих частей путем естественного отбора.

Дарвин все еще исследовал и экспериментировал со своими идеями о естественном отборе, когда он получил письмо от Альфреда Рассела Уоллеса, в котором описывалась теория, очень похожая на его собственную. Это привело к немедленной совместной публикации обеих теорий. И Уоллес, и Дарвин видели историю жизни как генеалогическое древо , где каждая ветвь в ветвях дерева была общим предком. Кончики конечностей представляли современные виды, а ветви - общих предков, общих у многих различных видов. Чтобы объяснить эти отношения, Дарвин сказал, что все живые существа связаны между собой, а это означает, что вся жизнь должна происходить от нескольких форм или даже от одного общего предка. Он назвал этот процесс спуском с модификацией .

Дарвин опубликовал свою теорию эволюции путем естественного отбора в книге «Происхождение видов» в 1859 году. Его теория означает, что вся жизнь, включая человечество , является продуктом продолжающихся естественных процессов. Утверждение, что все живое на Земле имеет общего предка, встретило возражения со стороны некоторых религиозных групп . Их возражения в отличие от уровня поддержки теории на более чем 99 процентов тех , кто в научном сообществе сегодня.

Естественный отбор обычно приравнивается к выживанию наиболее приспособленных , но это выражение возникло в « Принципах биологии» Герберта Спенсера в 1864 году, через пять лет после того, как Чарльз Дарвин опубликовал свои оригинальные работы. Выживание наиболее приспособленных неправильно описывает процесс естественного отбора, потому что естественный отбор - это не только вопрос выживания, и не всегда выживают наиболее приспособленные.

Источник вариации

Теория естественного отбора Дарвина заложила основу современной эволюционной теории, а его эксперименты и наблюдения показали, что организмы в популяциях отличаются друг от друга, что некоторые из этих вариаций наследуются и что на эти различия можно воздействовать естественным отбором. Однако он не смог объяснить источник этих вариаций. Как и многие его предшественники, Дарвин ошибочно полагал, что наследуемые черты были результатом использования и неиспользования, и что черты, приобретенные в течение жизни организма, могут передаваться его потомству. Он искал примеры, такие как у крупных наземных птиц, у которых ноги становились сильнее благодаря упражнениям, и у более слабых крыльев из-за того, что они не летали до тех пор, пока, как страус , они вообще не могли летать. Это недоразумение было названо наследованием приобретенных признаков и было частью теории трансмутации видов, выдвинутой в 1809 году Жан-Батистом Ламарком . В конце 19 века эта теория получила название ламаркизма . Дарвин выдвинул неудачную теорию, которую он назвал пангенезисом, чтобы попытаться объяснить, как приобретенные характеристики могут быть унаследованы. В 1880 -х годах эксперименты Августа Вейсмана показали, что изменения от использования и неиспользования не могут передаваться по наследству, и ламаркизм постепенно утратил свою популярность.

Недостающая информация, необходимая для объяснения того, как новые особенности могут передаваться от родителя к его потомству, была предоставлена новаторской генетической работой Грегора Менделя . Эксперименты Менделя с несколькими поколениями растений гороха продемонстрировали, что наследование работает путем разделения и перетасовки наследственной информации во время формирования половых клеток и рекомбинации этой информации во время оплодотворения. Это похоже на смешивание игральных карт в разные руки , когда организм получает случайную смесь из половины карт от одного родителя и половины карт от другого. Мендель назвал информационные факторы ; однако позже они стали известны как гены. Гены - это основные единицы наследственности живых организмов. Они содержат информацию, которая управляет физическим развитием и поведением организмов.

Гены состоят из ДНК . ДНК - это длинная молекула, состоящая из отдельных молекул, называемых нуклеотидами . Генетическая информация закодирована в последовательности нуклеотидов, составляющих ДНК, точно так же, как последовательность букв в словах несет информацию на странице. Гены подобны коротким инструкциям, составленным из «букв» алфавита ДНК. В совокупности весь набор этих генов дает достаточно информации, чтобы служить «инструкцией» о том, как построить и управлять организмом. Однако инструкции, записанные этим алфавитом ДНК, могут быть изменены мутациями, и это может изменить инструкции, содержащиеся в генах. Внутри клетки гены переносятся в хромосомах , которые представляют собой пакеты для переноса ДНК. Именно перестановка хромосом приводит к уникальным сочетаниям генов в потомстве. Поскольку гены взаимодействуют друг с другом во время развития организма, новые комбинации генов, полученные в результате полового размножения, могут увеличить генетическую изменчивость популяции даже без новых мутаций. Генетическая изменчивость популяции также может увеличиваться, когда члены этой популяции скрещиваются с особями из другой популяции, вызывая поток генов между популяциями. Это может ввести в популяцию гены, которых раньше не было.

Эволюция - это не случайный процесс. Хотя мутации в ДНК случайны, естественный отбор - это не случайный процесс: окружающая среда определяет вероятность репродуктивного успеха. Эволюция - это неизбежный результат несовершенного копирования самовоспроизводящихся организмов, воспроизводящихся в течение миллиардов лет под избирательным давлением окружающей среды. Результат эволюции - это не идеально устроенный организм. Конечными продуктами естественного отбора являются организмы, адаптированные к нынешней среде обитания. Естественный отбор не предполагает продвижения к конечной цели . Эволюция не стремится к более продвинутым , более разумным или более сложным формам жизни. Например, блохи (бескрылые паразиты) произошли от крылатых предков- скорпионов , а змеи - ящерицы, которым больше не нужны конечности, хотя питоны все еще выращивают крошечные структуры, которые являются остатками задних ног их предков. Организмы - это просто результат успешных или неудачных вариаций, зависящих от условий окружающей среды в данный момент.

Быстрые изменения окружающей среды обычно вызывают исчезновение. Из всех видов, существовавших на Земле, 99,9% вымерли. С момента зарождения жизни на Земле пять крупных массовых вымираний привели к резкому и резкому сокращению разнообразия видов. Последнее, мелово-палеогеновое вымирание , произошло 66 миллионов лет назад.

Генетический дрейф

Генетический дрейф является причиной изменения частоты аллелей в популяциях вида. Аллели - это разные вариации определенных генов. Они определяют такие вещи , как цвет волос , тон кожи , цвет глаз и крови ; другими словами, все генетические черты, которые различаются у разных людей. Генетический дрейф не привносит новые аллели в популяцию, но может уменьшить вариативность внутри популяции, удалив аллель из генофонда. Генетический дрейф вызван случайной выборкой аллелей. Поистине случайная выборка - это выборка, в которой никакие внешние силы не влияют на то, что выбирается. Это все равно, что вытаскивать шарики одного размера и веса, но разного цвета из коричневого бумажного пакета. В любом потомстве присутствующие аллели являются образцами аллелей предыдущих поколений, и случайность играет роль в том, выживет ли особь, чтобы воспроизвести и передать образец своего поколения следующему. Аллельная частота популяции - это соотношение копий одного конкретного аллеля, которые имеют одну и ту же форму, по сравнению с числом всех форм аллеля, присутствующих в популяции.

Генетический дрейф влияет на более мелкие популяции больше, чем на более крупные.

Принцип Харди – Вайнберга

Принцип Харди-Вайнберга гласит, что при определенных идеализированных условиях, включая отсутствие давления отбора, у большой популяции не будет изменений в частоте аллелей по мере смены поколений. Говорят, что популяция, удовлетворяющая этим условиям, находится в равновесии Харди – Вайнберга. В частности, Харди и Вайнберг показали, что доминантные и рецессивные аллели не могут автоматически становиться более и менее частыми соответственно, как считалось ранее.

Условия равновесия Харди-Вайнберга включают отсутствие мутаций, иммиграции или эмиграции , все из которых могут напрямую изменять аллельные частоты. Кроме того, спаривание должно быть полностью случайным, при этом все самцы (или самки в некоторых случаях) одинаково желательны. Это гарантирует истинное случайное смешение аллелей. Популяция, находящаяся в равновесии Харди – Вайнберга, аналогична колоде карт ; независимо от того, сколько раз тасуется колода, новые карты не добавляются и старые не удаляются. Карты в колоде представляют аллели в генофонде населения.

На практике ни одна популяция не может находиться в идеальном равновесии Харди-Вайнберга. Конечный размер популяции в сочетании с естественным отбором и многими другими эффектами приводит к изменению частот аллелей с течением времени.

Узкое место среди населения

Модель узкого места в популяции показывает, как можно потерять аллели.

Узкое место населения происходит тогда , когда популяция вида резко снижается в течение короткого периода времени из - за внешние силы. В истинном «узком месте» популяции сокращение не благоприятствует какой-либо комбинации аллелей; это совершенно случайный шанс, что люди выживают. Узкое место может уменьшить или устранить генетическую изменчивость популяции. Дальнейшие события дрейфа после события узкого места также могут снизить генетическое разнообразие популяции . Создаваемое отсутствие разнообразия может подвергнуть население риску другого избирательного давления.

Типичным примером ограниченного количества популяций является северный морской слон . Из-за чрезмерной охоты на протяжении XIX века популяция северного морского слона сократилась до 30 или менее особей. Они полностью выздоровели, а общее количество особей составляет около 100 000 и продолжает расти. Однако эффект «узкого места» очевиден. У тюленей чаще возникают серьезные проблемы с заболеваниями или генетическими нарушениями, поскольку популяция почти не отличается разнообразием.

Эффект основателя

В эффекте основателя небольшие новые популяции содержат разные частоты аллелей от родительской популяции.

Эффект основателя возникает, когда небольшая группа из одной популяции отделяется и формирует новую популяцию, часто из-за географической изоляции. Частота аллелей этой новой популяции, вероятно, отличается от частоты исходной популяции и изменит частоту определенных аллелей в популяциях. Основатели популяции будут определять генетический состав и, возможно, выживание новой популяции для поколений.

Одним из примеров эффекта основателя является миграция амишей в Пенсильванию в 1744 году. Два основателя колонии в Пенсильвании несли рецессивный аллель синдрома Эллиса-ван Кревельда . Поскольку амиши, как правило, являются религиозными изоляторами, они скрещиваются, и на протяжении многих поколений этой практики частота синдрома Эллиса – ван Кревельда у амишей намного выше, чем частота среди населения в целом.

Современный синтез

Современный эволюционный синтез основан на концепции, согласно которой популяции организмов имеют значительные генетические вариации, вызванные мутациями и рекомбинацией генов во время полового размножения. Он определяет эволюцию как изменение частот аллелей в популяции, вызванное генетическим дрейфом, потоком генов между субпопуляциями и естественным отбором. Естественный отбор подчеркивается как важнейший механизм эволюции; большие изменения являются результатом постепенного накопления мелких изменений в течение длительных периодов времени.

Современный эволюционный синтез - это результат слияния нескольких различных научных областей с целью создания более целостного понимания эволюционной теории. В 1920-е годы Рональд Фишер , Дж. Б. С. Холдейн и Сьюэлл Райт объединили теорию естественного отбора Дарвина со статистическими моделями менделевской генетики , положив начало дисциплине популяционной генетики. В 1930-х и 1940-х годах были предприняты попытки объединить популяционную генетику, наблюдения естествоиспытателей над распределением видов и подвидов и анализ летописи окаменелостей в единую объяснительную модель. Применение принципов генетики к естественным популяциям такими учеными, как Феодосиус Добжанский и Эрнст Майр , продвинуло понимание процессов эволюции. Работа Добжанского 1937 года `` Генетика и происхождение видов '' помогла преодолеть разрыв между генетикой и полевой биологией , представив математические работы популяционных генетиков в форме, более полезной для полевых биологов, и продемонстрировав, что дикие популяции имеют гораздо большую генетическую изменчивость с географически изолированными подвидов и резервуаров генетического разнообразия в рецессивных генах, чем допускали модели ранних популяционных генетиков. Майр, на основе понимания генов и прямых наблюдений за эволюционными процессами в ходе полевых исследований, представил концепцию биологических видов, которая определяет вид как группу скрещивающихся или потенциально скрещивающихся популяций, репродуктивно изолированных от всех других популяций. И Добжанский, и Майр подчеркивали важность подвидов, репродуктивно изолированных географическими барьерами в появлении новых видов. Палеонтолог Джордж Гейлорд Симпсон помог объединить палеонтологию со статистическим анализом летописи окаменелостей, который показал закономерность, согласующуюся с ветвящимся и ненаправленным путем эволюции организмов, предсказанным современным синтезом.

Доказательства эволюции

Во время второго плавания HMS Beagle натуралист Чарльз Дарвин собрал окаменелости в Южной Америке и нашел фрагменты доспехов, которые, по его мнению, были похожи на гигантские версии чешуек современных броненосцев, живущих поблизости. По возвращении анатом Ричард Оуэн показал ему, что фрагменты принадлежали гигантским вымершим глиптодонам , связанным с броненосцами. Это была одна из моделей распределения, которая помогла Дарвину разработать свою теорию .

Научные доказательства эволюции исходят из многих аспектов биологии и включают окаменелости , гомологичные структуры и молекулярные сходства между ДНК видов.

Окаменелости

Исследования в области палеонтологии , изучения окаменелостей, подтверждают идею о том, что все живые организмы связаны между собой. Окаменелости свидетельствуют о том, что накопленные изменения в организмах за длительные периоды времени привели к появлению разнообразных форм жизни, которые мы видим сегодня. Сама окаменелость раскрывает структуру организма и отношения между нынешними и вымершими видами, что позволяет палеонтологам построить генеалогическое древо для всех форм жизни на Земле.

Современная палеонтология началась с работ Жоржа Кювье . Кювье отметил, что в осадочных породах каждый слой содержит определенную группу окаменелостей. Более глубокие слои, которые он предлагал сделать старше, содержали более простые формы жизни. Он отметил, что многих форм жизни из прошлого сегодня больше нет. Одним из успешных вкладов Кювье в понимание летописи окаменелостей было установление факта вымирания. Пытаясь объяснить вымирание, Кювье предложил идею «революций» или катастрофизма, в которой он предположил, что геологические катастрофы происходили на протяжении всей истории Земли, уничтожая большое количество видов. Теория революций Кювье была позже заменена униформистскими теориями, особенно теориями Джеймса Хаттона и Чарльза Лайелла, которые предположили, что геологические изменения Земли были постепенными и последовательными. Однако текущие свидетельства в летописи окаменелостей подтверждают концепцию массовых вымираний. В результате общая идея катастрофизма возродилась в качестве действительной гипотезы, по крайней мере, для некоторых быстрых изменений в формах жизни, которые появляются в летописи окаменелостей.

Сейчас обнаружено и идентифицировано очень большое количество окаменелостей. Эти окаменелости служат хронологической летописью эволюции. В летописи окаменелостей приводятся примеры переходных видов, которые демонстрируют наследственные связи между прошлыми и настоящими формами жизни. Одним из таких переходных окаменелостей является археоптерикс , древний организм, который имел отличительные характеристики рептилий (например, длинный костлявый хвост и конические зубы ), но также имел характеристики птиц (например, перья и поперечные рычаги ). Вывод из такой находки состоит в том, что современные рептилии и птицы произошли от общего предка.

Сравнительная анатомия

Сравнение сходства между организмами в их форме или внешнем виде частей, называемое их морфологией , долгое время было способом классификации жизни на тесно связанные группы. Это можно сделать, сравнивая структуру взрослых организмов у разных видов или сравнивая закономерности роста, деления и даже миграции клеток во время развития организма.

Таксономия

Таксономия - это раздел биологии, который называет и классифицирует все живые существа. Ученые используют морфологическое и генетическое сходство, чтобы помочь им классифицировать формы жизни на основе родственных связей. Например, орангутаны , гориллы , шимпанзе и люди принадлежат к одной таксономической группе, называемой семейством, - в данном случае семейством, называемым Hominidae . Эти животные сгруппированы вместе из-за сходства морфологии, происходящего от общего предка (называемого гомологией ).

Летучая мышь является млекопитающим и его кости предплечий были приспособлены к полету.

Убедительное доказательство эволюции дает анализ гомологичных структур: структур у разных видов, которые больше не выполняют одну и ту же задачу, но имеют схожую структуру. Так обстоит дело с передними конечностями млекопитающих . Передние конечности человека, кошки , кита и летучей мыши имеют поразительно похожие костные структуры. Однако передние конечности каждого из этих четырех видов выполняют разные задачи. Те же кости, из которых состоят крылья летучей мыши, которые используются для полета, также образуют ласты кита, которые используются для плавания. Такой «дизайн» не имеет особого смысла, если они не связаны друг с другом и специально сконструированы для своих конкретных задач. Теория эволюции объясняет эти гомологичные структуры: у всех четырех животных был общий предок, и каждое из них претерпевало изменения на протяжении многих поколений. Эти изменения в строении привели к появлению передних конечностей, приспособленных для решения различных задач.

Птицы и крыло летучей мыши являются примерами конвергентной эволюции .

Однако анатомические сравнения могут ввести в заблуждение, поскольку не все анатомические сходства указывают на близкое родство. Организмы, которые находятся в схожей среде, часто развивают схожие физические характеристики - процесс, известный как конвергентная эволюция . И акулы, и дельфины имеют схожие формы тела, но имеют лишь отдаленное родство: акулы - это рыбы, а дельфины - млекопитающие. Такое сходство является результатом того, что обе группы населения подвергаются одинаковому избирательному давлению . В обеих группах предпочтение отдается изменениям, которые помогают плаванию. Таким образом, со временем у них развился похожий внешний вид (морфология), хотя они и не были тесно связаны.

Эмбриология

В некоторых случаях анатомическое сравнение структур эмбрионов двух или более видов дает доказательства наличия общего предка, что может быть неочевидным у взрослых форм. По мере развития эмбриона эти гомологии могут быть потеряны из виду, и структуры могут брать на себя различные функции. Частью основы классификации группы позвоночных (в которую входят люди) является наличие хвоста (выходящего за пределы ануса ) и глоточных щелей . Обе структуры появляются на некоторой стадии эмбрионального развития, но не всегда очевидны у взрослой формы.

Из-за морфологического сходства, присутствующего у эмбрионов разных видов во время развития, когда-то считалось, что организмы воспроизводят свою эволюционную историю в качестве эмбриона. Считалось, что человеческие эмбрионы проходят стадию земноводных, а затем рептилию, прежде чем завершить свое развитие в качестве млекопитающих. Такая реконструкция, часто называемая теорией перепросмотра , не подтверждается научными данными. Однако происходит то, что первые стадии развития у широких групп организмов сходны. На самых ранних стадиях, например, все позвоночные появляются очень похожи, но точно не похожи на любые наследственные виды. По мере развития этого базового паттерна появляются определенные особенности.

Рудиментарные структуры

Гомологии включают уникальную группу общих структур, называемых рудиментарными структурами . Рудиментарные относятся к анатомическим частям, которые имеют минимальную ценность для организма, обладающего ими. Эти явно нелогичные структуры являются остатками органов, которые играли важную роль в предковых формах. Так обстоит дело с китами, у которых есть небольшие рудиментарные кости, которые кажутся остатками костей ног их предков, которые ходили по суше. У людей также есть рудиментарные структуры, включая мышцы ушей , зубы мудрости , аппендикс , копчик , волосы на теле (включая мурашки по коже ) и полулунную складку в углу глаза .

Биогеография

Четыре вида галапагосских зябликов , вызванные адаптивным излучением, которое разнообразило их клювы для разных источников пищи.

Биогеография - это изучение географического распространения видов. Свидетельства биогеографии, особенно биогеографии океанических островов , сыграли ключевую роль в убеждении Дарвина и Альфреда Рассела Уоллеса в том, что виды эволюционировали по ветвящейся схеме общего происхождения. На островах часто встречаются эндемичные виды, виды, которых больше нигде не встречаются, но эти виды часто связаны с видами, обитающими на ближайшем континенте. Кроме того, острова часто содержат скопления близкородственных видов, которые занимают очень разные экологические ниши , то есть имеют разные способы зарабатывать на жизнь в окружающей среде. Такие кластеры формируются в процессе адаптивного излучения, когда один предковый вид колонизирует остров, имеющий множество открытых экологических ниш, а затем диверсифицируется, эволюционируя в разные виды, адаптированные для заполнения этих пустых ниш. Хорошо изученные примеры включают вьюрков Дарвина , группу из 13 видов вьюрков , эндемичных для Галапагосских островов, и гавайских медоносов , группу птиц, которые когда-то, до вымирания, вызванного людьми, насчитывали 60 видов, выполняющих различные экологические роли, все они произошли от одинокий зяблик-предок, прибывший на Гавайские острова около 4 миллионов лет назад. Другим примером является альянс Серебряного Меча , группа видов многолетних растений, также эндемичных для Гавайских островов, которые населяют самые разные среды обитания и бывают разных форм и размеров, включая деревья, кустарники и коврики, прилегающие к земле, но которые могут быть скрещенными друг с другом и с некоторыми видами тарвика, обитающими на западном побережье Северной Америки ; Похоже, что один из этих тарвидов колонизировал Гавайи в прошлом и породил весь альянс Серебряного Меча.

Молекулярная биология

Участок ДНК

Каждый живой организм (за исключением, возможно, РНК- вирусов ) содержит молекулы ДНК, несущие генетическую информацию. Гены - это части ДНК, которые несут эту информацию, и они влияют на свойства организма. Гены определяют общий внешний вид человека и до некоторой степени его поведение. Если два организма тесно связаны, их ДНК будет очень похожей. С другой стороны, чем более отдаленно связаны два организма, тем больше у них будет различий. Например, братья тесно связаны и имеют очень похожую ДНК, в то время как двоюродные братья имеют более отдаленные отношения и имеют гораздо больше различий в своей ДНК. Сходства в ДНК используются для определения взаимоотношений между видами во многом так же, как они используются для выявления взаимоотношений между людьми. Например, сравнение шимпанзе с гориллами и людьми показывает, что ДНК человека и шимпанзе на 96 процентов сходны. Сравнение ДНК показывает, что люди и шимпанзе более тесно связаны друг с другом, чем любой вид с гориллами.

Область молекулярной систематики фокусируется на измерении сходства в этих молекулах и использовании этой информации для выяснения того, как различные типы организмов связаны в процессе эволюции. Эти сравнения позволили биологам построить древо взаимоотношений эволюции жизни на Земле. Они даже позволили ученым выяснить отношения между организмами, общие предки которых жили так давно, что не осталось никаких реальных сходств во внешнем виде организмов.

Искусственный отбор

Результаты искусственного отбора : микс чихуахуа и немецкий дог.

Искусственный отбор - это контролируемое разведение домашних растений и животных. Люди определяют, какое животное или растение будет воспроизводиться, а какое из потомков выживет; таким образом, они определяют, какие гены будут переданы будущим поколениям. Процесс искусственного отбора оказал значительное влияние на эволюцию домашних животных. Например, люди вывели разные типы собак путем контролируемого разведения. Различия в размерах между чихуахуа и немецким догом - результат искусственного отбора. Несмотря на кардинально отличающийся внешний вид, они и все другие собаки произошли от нескольких волков, одомашненных людьми на территории нынешнего Китая менее 15 000 лет назад.

Искусственный отбор дал множество растений. В случае кукурузы (кукурузы) недавние генетические данные свидетельствуют о том, что одомашнивание произошло 10 000 лет назад в центральной Мексике. До одомашнивания съедобная часть дикой формы была небольшой, и ее было трудно собрать. Сегодня Центр сотрудничества генетики кукурузы • Фондовый центр поддерживает коллекцию из более чем 10 000 генетических вариаций кукурузы, возникших в результате случайных мутаций и хромосомных вариаций исходного дикого типа.

При искусственном отборе появляется новая порода или разновидность со случайными мутациями, привлекательными для человека, тогда как при естественном отборе выживший вид - это вид со случайными мутациями, полезными для него в нечеловеческой среде. Как при естественном, так и при искусственном отборе вариации являются результатом случайных мутаций, и лежащие в основе генетические процессы по существу одинаковы. Дарвин внимательно наблюдал за результатами искусственного отбора у животных и растений, чтобы сформировать многие из своих аргументов в пользу естественного отбора. Большая часть его книги «Происхождение видов» основана на наблюдениях за множеством разновидностей домашних голубей, появившихся в результате искусственного отбора. Дарвин предположил, что если люди могут добиться резких изменений в домашних животных за короткие периоды времени, то естественный отбор, учитывая миллионы лет, может произвести различия, наблюдаемые у живых существ сегодня.

Коэволюция

Коэволюция - это процесс, в котором два или более видов влияют на эволюцию друг друга. На все организмы влияет окружающая их жизнь; однако в случае коэволюции есть свидетельства того, что генетически детерминированные черты у каждого вида являются прямым результатом взаимодействия между двумя организмами.

Широко задокументированный случай коэволюции - это связь между псевдомирмексом , одним из видов муравьев , и акацией , растением, которое муравей использует в пищу и укрытие. Отношения между ними настолько близки, что привели к развитию особых структур и поведения у обоих организмов. Муравей защищает акацию от травоядных животных и очищает лесную подстилку от семян конкурирующих растений. В ответ на этом растении образовались набухшие шипы, которые муравьи используют в качестве укрытия, и особые части цветов, которые муравьи поедают. Такая совместная эволюция не означает, что муравьи и дерево предпочитают вести себя альтруистично . Скорее, в популяции небольшие генетические изменения как у муравья, так и у дерева приносили пользу каждому. Преимущество давало немного более высокий шанс передачи характеристики следующему поколению. Со временем последовательные мутации создали отношения, которые мы наблюдаем сегодня.

Видообразование

Существует множество видов цихлид, которые демонстрируют резкие различия в морфологии .

При благоприятных обстоятельствах и достаточном времени эволюция приводит к появлению новых видов. Ученые изо всех сил пытались найти точное и всеобъемлющее определение видов . Эрнст Майр определил вид как популяцию или группу популяций, члены которой могут естественным образом скрещиваться друг с другом, давая жизнеспособное плодородное потомство. (Представители одного вида не могут производить жизнеспособное плодовитое потомство от представителей других видов). Определение Майра получило широкое признание среди биологов, но не применимо к таким организмам, как бактерии , которые размножаются бесполым путем .

Видообразование - это событие разделения родословной, в результате которого из одной общей предковой популяции образуются два отдельных вида. Широко распространенный метод видообразования называется аллопатрическим видообразованием . Аллопатрическое видообразование начинается, когда популяция становится географически разделенной. Геологические процессы, такие как возникновение горных хребтов, образование каньонов или затопление наземных мостов из-за изменений уровня моря, могут привести к появлению отдельных популяций. Чтобы произошло видообразование, разделение должно быть существенным, чтобы генетический обмен между двумя популяциями был полностью нарушен. В своей отдельной среде генетически изолированные группы следуют своим собственным уникальным эволюционным путям. Каждая группа будет накапливать разные мутации, а также подвергаться разному селективному давлению. Накопленные генетические изменения могут привести к разделению популяций, которые больше не смогут скрещиваться, если воссоединятся. Барьеры, препятствующие скрещиванию, являются либо презиготическими (предотвращают спаривание или оплодотворение), либо постзиготическими (барьеры, возникающие после оплодотворения). Если скрещивание невозможно, они будут считаться разными видами. Результат четырех миллиардов лет эволюции - это разнообразие жизни вокруг нас, которое, по оценкам, сегодня насчитывает 1,75 миллиона различных видов.

Обычно процесс видообразования идет медленно и занимает очень долгое время; таким образом, прямые наблюдения в течение человеческой жизни редки. Однако видообразование наблюдается у современных организмов, а прошлые события видообразования зафиксированы в окаменелостях. Ученые задокументировали образование пяти новых видов рыб-цихлид от одного общего предка, который был изолирован менее 5000 лет назад от родительского стада в озере Нагубаго. Доказательством видообразования в этом случае была морфология (внешний вид) и отсутствие естественного скрещивания. У этих рыб сложные брачные ритуалы и разнообразная окраска; небольшие модификации, внесенные в новые виды, изменили процесс выбора партнера, и пять возникших форм не удалось убедить в скрещивании.

Механизм

Теория эволюции широко признана в научном сообществе и служит связующим звеном между различными специальными областями биологии. Эволюция дает области биологии прочную научную основу. Значение эволюционной теории резюмируется Феодосием Добжанским как « ничто в биологии не имеет смысла, кроме как в свете эволюции ». Тем не менее теория эволюции не статична. В научном сообществе ведется много дискуссий о механизмах эволюционного процесса. Например, скорость, с которой происходит эволюция, все еще обсуждается. Кроме того, существуют противоречивые мнения относительно того, что является первичной единицей эволюционного изменения - организм или ген.

Скорость изменения

Дарвин и его современники рассматривали эволюцию как медленный и постепенный процесс. Эволюционные деревья основаны на идее о том, что глубокие различия между видами являются результатом множества небольших изменений, которые накапливаются в течение долгих периодов времени.

Градуализм был основан на работах геологов Джеймса Хаттона и Чарльза Лайеля. Точка зрения Хаттона предполагает, что глубокие геологические изменения были кумулятивным продуктом относительно медленного продолжения процессов, которые все еще можно наблюдать в действии сегодня, в отличие от катастрофизма, который продвигал идею о том, что внезапные изменения имеют причины, которые больше нельзя увидеть в действии. Для биологических изменений была принята униформистская точка зрения. Такая точка зрения может показаться противоречащей летописи окаменелостей, которая часто свидетельствует о том, что новые виды появляются внезапно, а затем сохраняются в этой форме в течение длительных периодов времени. В 1970-х палеонтологи Найлс Элдридж и Стивен Джей Гулд разработали теоретическую модель, которая предполагает, что эволюция, хотя и медленный процесс с точки зрения человека, претерпевает периоды относительно быстрых изменений (от 50 000 до 100 000 лет), чередующиеся с длительными периодами относительной стабильности. Их теория называется прерывистым равновесием и объясняет летопись окаменелостей, не противореча идеям Дарвина.

Единица изменения

Ричард Докинз

Обычной единицей отбора в эволюции является организм. Естественный отбор происходит, когда репродуктивный успех особи улучшается или снижается за счет унаследованных характеристик, а репродуктивный успех измеряется количеством выживших потомков индивидуума. Взгляды на организм оспаривались как биологами, так и философами. Ричард Докинз предполагает, что многое можно понять, если мы посмотрим на эволюцию с точки зрения гена; то есть естественный отбор действует как эволюционный механизм как на гены, так и на организмы. В своей книге 1976 года «Эгоистичный ген» он объясняет:

Индивиды - вещи нестабильные, они мимолетные. Хромосомы тоже тасуются до забвения, как руки карт вскоре после того, как они раздаются. Но сами карты переживают тасование. Карты - это гены. Гены не разрушаются при кроссинговере, они просто меняют партнеров и продолжают свой путь. Конечно, они идут дальше. Это их дело. Они репликаторы, а мы машины их выживания. Когда мы выполнили свою задачу, мы отброшены в сторону. Но гены - обитатели геологического времени: гены вечны.

Другие считают, что отбор работает на многих уровнях, а не только на одном уровне организма или гена; например, Стивен Джей Гулд призвал к иерархической перспективе отбора.

Смотрите также

использованная литература

Библиография

Боулер, Питер Дж. (2003). Эволюция: История идеи (3-е полностью исправленное и расширенное изд.). Беркли, Калифорния: Калифорнийский университет Press . ISBN 978-0-520-23693-6. LCCN 2002007569 . OCLC 49824702 .
Кэмпбелл, Нил А .; Рис, Джейн Б. (2002). «Эволюция популяций» . Биология . 6-е . Сан-Франциско, Калифорния: Бенджамин Каммингс . ISBN 978-0-8053-6624-2. LCCN 2001047033 . OCLC 47521441 .
Кэрролл, Шон Б .; Гренье, Дженнифер К .; Уэтерби, Скотт Д. (2005). От ДНК к разнообразию: молекулярная генетика и эволюция дизайна животных (2-е изд.). Мальден, Массачусетс: издательство Blackwell Publishing . ISBN 978-1-4051-1950-4. LCCN 2003027991 . OCLC 53972564 .
Койн, Джерри А. (2009). Почему эволюция верна . Нью-Йорк: Викинг . ISBN 978-0-670-02053-9. LCCN 2008033973 . OCLC 233549529 .
Далримпл, Дж. Брент (2001). «Возраст Земли в двадцатом веке: проблема (в основном) решена». В Льюисе, CLE; Knell, SJ (ред.). Возраст Земли: от 4004 г. до н.э. до н.э. 2002 . Геологическое общество, Лондон, специальные публикации . Специальное издание Геологического общества. 190 . Лондон: Геологическое общество Лондона . С. 205–221. Bibcode : 2001GSLSP.190..205D . DOI : 10,1144 / gsl.sp.2001.190.01.14 . ISBN 978-1-86239-093-5. LCCN 2003464816 . OCLC 48570033 . S2CID 130092094 .
Дарвин, Чарльз (1859). О происхождении видов путем естественного отбора или о сохранении благоприятных рас в борьбе за жизнь (1-е изд.). Лондон: Джон Мюррей . LCCN 06017473 . OCLC 741260650 .
Дарвин, Чарльз (1872). Происхождение видов посредством естественного отбора или сохранение благоприятных рас в борьбе за жизнь (6-е изд.). Лондон: Джон Мюррей. LCCN 13003393 . OCLC 228738610 .
Дарвин, Чарльз (2005). Дарвин: нестираемая марка: эволюция идеи . Отредактировано, с предисловием и комментариями Джеймса Д. Уотсона . Филадельфия, Пенсильвания: Running Press . ISBN 978-0-7624-2136-7. OCLC 62172858 .
Докинз, Ричард (1976). Эгоистичный ген (1-е изд.). Нью-Йорк: Издательство Оксфордского университета . ISBN 978-0-19-857519-1. LCCN 76029168 . OCLC 2681149 .
Даймонд, Джаред (1992). Третий шимпанзе: эволюция и будущее человеческого животного (1-е изд.). Нью-Йорк: HarperCollins . ISBN 978-0-06-018307-3. LCCN 91050455 . OCLC 24246928 .
Юенс, Уоррен Дж. (2004). Математическая популяционная генетика . Междисциплинарная прикладная математика. Я . Теоретическое введение (2-е изд.). Нью-Йорк: Springer-Verlag New York . ISBN 978-0-387-20191-7. LCCN 2003065728 . OCLC 53231891 .
Фарбер, Пол Лоуренс (2000). В поисках порядка в природе: традиция натуралистов от Линнея до Э. О. Уилсона . Джона Хопкинса: Введение в историю науки. Балтимор, Мэриленд: Издательство Университета Джона Хопкинса . ISBN 978-0-8018-6390-5. LCCN 99089621 . OCLC 43115207 .
Футуйма, Дуглас Дж. (1998). Эволюционная биология (3-е изд.). Сандерленд, Массачусетс: Sinauer Associates . ISBN 978-0-87893-189-7. LCCN 97037947 . OCLC 37560100 .
Футуйма, Дуглас Дж. (2005a). Эволюция . Сандерленд, Массачусетс: Sinauer Associates. ISBN 978-0-87893-187-3. LCCN 2004029808 . OCLC 57311264 .
Футуйма, Дуглас Дж. (2005b). «Природа естественного отбора» (PDF) . In Cracraft, Джоэл; Байби, Роджер В. (ред.). Эволюционная наука и общество: воспитание нового поколения . Колорадо-Спрингс, Колорадо: Изучение учебной программы по биологическим наукам . ISBN 978-1-929614-23-3. OCLC 64228003 . Архивировано из оригинального (PDF) 18 июля 2015 года . Проверено 6 декабря 2014 . «Пересмотренные материалы симпозиума BSCS, AIBS, ноябрь 2004 г., Чикаго, Иллинойс»
Гулд, Стивен Джей (1980). Большой палец панды: больше размышлений в естественной истории (1-е изд.). Нью-Йорк: WW Norton & Company . ISBN 978-0-393-01380-1. LCCN 80015952 . OCLC 6331415 .
Гулд, Стивен Джей (1995). Динозавр в стоге сена: размышления в естествознании . Нью-Йорк: Книги Гармонии. ISBN 978-0-517-70393-9. LCCN 95051333 . OCLC 33892123 .
Гулд, Стивен Джей (2002). Структура эволюционной теории . Кембридж, Массачусетс: Belknap Press of Harvard University Press . ISBN 978-0-674-00613-3. LCCN 2001043556 . OCLC 47869352 .
Ларсон, Эдвард Дж. (2004). Эволюция: замечательная история научной теории . Нью-Йорк: Современная библиотека . ISBN 978-0-679-64288-6. LCCN 2003064888 . OCLC 53483597 .
Лайель, Чарльз (1830). Принципы геологии, являющиеся попыткой объяснения прежних изменений земной поверхности, посредством ссылки на причины, действующие в настоящее время . Лондон: Джон Мюррей. LCCN 45042424 . OCLC 670356586 .
Майр, Эрнст (1970). Популяции, виды и эволюция: сокращение видов животных и эволюции . Кембридж, Массачусетс: Belknap Press of Harvard University Press. ISBN 978-0-674-69010-3. LCCN 79111486 . OCLC 114063 .
Майр, Эрнст (2001). Что такое эволюция . Нью-Йорк: Основные книги. ISBN 978-0-465-04426-9. LCCN 2001036562 . OCLC 47443814 .
Маккинни, Майкл Л. (1997). «Как редкие виды избегают исчезновения? Палеонтологический взгляд». В Kunin, William E .; Гастон, Кевин Дж. (Ред.). Биология редкости: причины и последствия редких — общих различий (1-е изд.). Лондон; Нью-Йорк: Чепмен и Холл . ISBN 978-0-412-63380-5. LCCN 96071014 . OCLC 36442106 .
Миллер, Г. Тайлер; Спулмен, Скотт Э. (2012). Наука об окружающей среде (14-е изд.). Бельмонт, Калифорния: Брукс / Коул . ISBN 978-1-111-98893-7. LCCN 2011934330 . OCLC 741539226 .
Национальная академия наук (1998). Учение об эволюции и природе науки . Вашингтон, округ Колумбия: Национальная академия прессы . ISBN 978-0-309-06364-7. LCCN 98016100 . OCLC 245727856 . Проверено 10 января 2015 .
Национальная академия наук; Институт медицины (2008 г.). Наука, эволюция и креационизм . Вашингтон, округ Колумбия: Национальная академия прессы. ISBN 978-0-309-10586-6. LCCN 2007015904 . OCLC 123539346 . Проверено 31 июля 2014 .
Рауп, Дэвид М. (1992) [Первоначально опубликовано в 1991 году]. Вымирание: плохие гены или неудача? . Новый ученый . 131 . Введение Стивеном Джеем Гулдом. Нью-Йорк: WW Norton & Company. С. 46–49. ISBN 978-0-393-30927-0. LCCN 90027192 . OCLC 28725488 . PMID 11540932 .
Рэйвен, Питер Х .; Джонсон, Джордж Б. (2002). Биология (6-е изд.). Бостон, Массачусетс: Макгроу-Хилл . ISBN 978-0-07-112261-0. LCCN 2001030052 . OCLC 45806501 .
Таттерсолл, Ян (1995). Ископаемый след: как мы знаем, что мы думаем, что знаем об эволюции человека . Нью-Йорк: Издательство Оксфордского университета. ISBN 978-0-19-506101-7. LCCN 94031633 . OCLC 30972979 .
Weichert, Charles K .; Преш, Уильям (1975). Элементы хордовой анатомии . Нью-Йорк: Макгроу-Хилл. ISBN 978-0-07-069008-0. LCCN 74017151 . OCLC 1032188 .

дальнейшее чтение

Чарльзуорт, Брайан ; Чарльзуорт, Дебора (2003). Эволюция: очень краткое введение . Очень короткие введения. Оксфорд; Нью-Йорк: Издательство Оксфордского университета. ISBN 978-0-19-280251-4. LCCN 2003272247 . OCLC 51668497 .
Эллис, Р. Джон (2010). Как работает наука: эволюция: учебник для начинающих . Дордрехт; Нью-Йорк: Спрингер . DOI : 10.1007 / 978-90-481-3183-9 . ISBN 978-90-481-3182-2. LCCN 2009941981 . OCLC 465370643 .
Хорвиц, Лесли Алан (2002). Полное руководство идиота по эволюции . Индианаполис, IN: Alpha Books . ISBN 978-0-02-864226-0. LCCN 2001094735 . OCLC 48402612 .
Круконис, Грег; Барр, Трейси Л. (2008). Эволюция для чайников . Хобокен, Нью-Джерси: Джон Уайли и сыновья . ISBN 978-0-470-11773-6. LCCN 2008922285 . OCLC 183916075 .
Паллен, Марк Дж. (2009). Грубый путеводитель по эволюции . Rough Guides Справочные руководства. Лондон; Нью-Йорк: грубые путеводители . ISBN 978-1-85828-946-5. LCCN 2009288090 . OCLC 233547316 .
Сис, Питер (2003). Древо жизни: книга, изображающая жизнь Чарльза Дарвина, естествоиспытателя, геолога и мыслителя (1-е изд.). Нью-Йорк: Фаррар, Штраус и Жиру . ISBN 978-0-374-45628-3. LCCN 2002040706 . OCLC 50960680 .
Томсон, Кейт (2005). Ископаемые: очень краткое введение . Очень короткие введения. Оксфорд; Нью-Йорк: Издательство Оксфордского университета. ISBN 978-0-19-280504-1. LCCN 2005022027 . OCLC 61129133 .
Вильярреал, Луис (2005). Вирусы и эволюция жизни . ASM Press.
Циммер, Карл (2010). Запутанный банк: введение в эволюцию . Гринвуд-Виллидж, Колорадо: Roberts & Company Publishers. ISBN 978-0-9815194-7-0. LCCN 2009021802 . OCLC 403851918 .

внешние ссылки

Послушайте эту статью
(4 части, 1 час 13 минут )

Эти аудиофайлы были созданы на основе редакции этой статьи от 10 июля 2012 г. и не отражают последующие правки.

«Введение в эволюцию и естественный отбор» . Ханская академия . Проверено 6 января 2015 .
Брейн, Маршалл (25 июля 2001 г.). «Как работает эволюция» . HowStuffWorks . Проверено 6 января 2015 .
"Архив Talk.Origins: Часто задаваемые вопросы об эволюции" . Архив TalkOrigins . Houston, TX: TalkOrigins Foundation, Inc . Проверено 12 января 2015 .
Мелтон, Лиза (2007); Реза, Джули (2007); Джонс, Ян (2014); Ставки, Дженнифер Трент (2014) (январь 2007). «Эволюция» . Большая картина . Лондон: Wellcome Trust . Обновлено для Интернета в 2014 году.
«Понимание эволюции: ваш универсальный ресурс для получения информации об эволюции» . Калифорнийский университет в Беркли . Проверено 8 января 2015 .
«Введение в эволюцию» . Векторы (Интернет-ресурс). Грег Гебель . Проверено 1 июня 2010 .

Languages

In other projects