Рыжий колибри (Selasphorus rufus). Длинный клюв и язык колибри эволюционировали, чтобы позволить птице глубоко проникать в цветок за нектаром.
Несколько сотен миллионов лет назад на суше не было позвоночных животных. Единственным видом позвоночных в мире были рыбы, которые жили под водой. Конкуренция за еду была острой. У некоторых видов рыб, обитавших у побережья, произошла странная мутация: они стали плавниками продираться по грязи и песку на берегу. Это дало им доступ к источникам пищи, недоступным для других рыб. Это преимущество дало им больший репродуктивный успех, поэтому мутация была передана. Это то, что мы называем естественным отбором.
Естественный отбор - двигатель эволюции. Организмы, лучше всего приспособленные к выживанию в своих конкретных обстоятельствах, имеют больше шансов передать свои черты следующему поколению. Но растения и животные очень сложным образом взаимодействуют с другими организмами и окружающей их средой. Эти факторы работают вместе, чтобы произвести удивительно разнообразный спектр форм жизни, присутствующих на Земле.
Понимая естественный отбор, мы можем узнать, почему некоторые растения производят цианид, почему кролики производят так много потомства, как животные впервые вышли из океана, чтобы жить на суше, и как некоторые млекопитающие в конечном итоге вернулись обратно. Мы даже можем узнать о микроскопической жизни, такой как бактерии и вирусы, или выяснить, как люди стали людьми.
Чарльз Дарвин ввел термин «естественный отбор». Обычно вы слышите это вместе с часто неправильно понимаемой модной фразой « выживание сильнейшего». Но выживание наиболее приспособленных - это не обязательно кровавая битва за выживание, в которой мы стараемся выжить (хотя иногда это так). Скорее, это мера того, насколько дерево эффективно рассеивает семена; умение рыбы найти безопасное нерестилище перед откладыванием икры; мастерство, с которым птица извлекает семена из глубокой ароматной чаши цветка; устойчивость бактерий к антибиотикам.
С небольшой помощью самого Дарвина мы узнаем о естественном отборе и о том, как он создал удивительную сложность и разнообразие жизни на планете Земля.
СОДЕРЖАНИЕ
- Понимание эволюции
- Фитнес
- Давление населения
- Сверхорганизм против эгоистичного гена
- Примеры использования естественного отбора
Понимание эволюции
Сканирующая электронная микрофотография (СЭМ) бактерий плода Campylobacter, увеличенная в 4976 раз.
Эволюция - это результат тенденции одних организмов к более успешному воспроизводству, чем других - естественный отбор.
Важно помнить, что различия между людьми, даже людьми из разных поколений, не составляют эволюции. Это всего лишь вариации черт. Черты - это характеристики, которые передаются по наследству - они могут передаваться от одного поколения к другому. Не все черты характера являются физическими - способность терпеть тесный контакт с людьми - это черта, которая эволюционировала у собак. Вот пример, который помогает объяснить эти концепции:
Баскетболисты обычно высокие, а жокеи - невысокие. Это вариация по признаку роста. Высокие родители, как правило, имеют высоких детей, поэтому мы видим, что эта черта передается по наследству.
А теперь представьте, что возникают некоторые условия, которые повышают вероятность успешного размножения у жокеев, чем у баскетболистов. У жокеев чаще рождаются дети, и эти дети, как правило, невысокого роста. У баскетболистов меньше детей, поэтому и высоких людей меньше. Через несколько поколений средний рост человека уменьшается. Люди стали короче.
Суть эволюции - в изменениях, но каков механизм, вызывающий эти изменения? Каждое живое существо имеет все, что связано с его строением, закодировано в особой химической структуре, называемой ДНК. Внутри ДНК есть химические последовательности, которые определяют определенный признак или набор признаков. Эти последовательности известны как гены. Часть каждого гена, которая приводит к различному выражению признаков, называется аллелем. Поскольку признак является выражением аллеля, склонность определенного признака проявляться в популяции называется частотой аллеля. По сути, эволюция - это изменение частот аллелей в течение нескольких поколений.
Различные аллели (и, следовательно, разные признаки) создаются тремя способами:
- Мутации - это случайные изменения, происходящие в генах. Они относительно редки, но за тысячи поколений они могут привести к очень глубоким изменениям. Мутации могут привнести совершенно новые черты, которые никогда раньше не появлялись у этого вида.
- Половое размножение смешивает гены каждого родителя, расщепляя, ломая и смешивая хромосомы (нити, содержащие ДНК) во время создания каждого сперматозоида и яйцеклетки. Когда сперма и яйцеклетка объединяются, некоторые гены от мужского родителя и некоторые гены от женского родителя смешиваются случайным образом, создавая уникальное сочетание аллелей в их потомстве.
- Бактерии, которые не размножаются половым путем, могут поглощать кусочки ДНК, с которыми они сталкиваются, и включать их в свой собственный генетический код с помощью различных методов генетической рекомбинации.
Что такое население?
Населения являются определенной группой организмов. С точки зрения эволюционной науки, популяция обычно относится к группе организмов, которые имеют репродуктивный доступ друг к другу. Например, зебры, обитающие на равнинах Африки, являются популяцией. Если бы в Южной Америке жили другие зебры (ни одна из них, но давайте представим, что они живут, ради примера), они представляли бы другую популяцию, потому что они слишком далеко, чтобы спариваться с африканскими зебрами. Львы, которые живут на равнинах Африки, также представляют собой другую популяцию, потому что львы и зебры биологически неспособны спариваться друг с другом.
Фитнес
Сам человек, Чарльз Дарвин.
Фитнес - это ключ к естественному отбору. Мы не говорим о том, сколько повторений калан может сжечь в тренажерном зале - биологическая подготовка - это способность организма выжить достаточно долго, чтобы размножаться. Кроме того, он также отражает способность организма к хорошему воспроизводству. Дереву недостаточно создать пучок семян. Этим семенам нужна способность попадать в плодородную почву с достаточным количеством ресурсов для прорастания и роста.
Пригодность и естественный отбор впервые были подробно объяснены Чарльзом Дарвином, который наблюдал за дикой природой по всему миру, делал многочисленные записи, а затем пытался понять, что он видел. Естественный отбор, вероятно, лучше всего объясняется его словами, взятыми из его знаменательной работы «Происхождение видов».
Организмы демонстрируют вариативность признаков. «Множество мелких различий, которые появляются у потомков одних и тех же родителей, можно назвать индивидуальными различиями. Никто не предполагает, что все особи одного и того же вида отлиты по одной и той же реальной форме».
Рождается больше организмов, чем когда-либо может поддерживаться ресурсами планеты. «Каждое существо должно претерпеть разрушение в какой-то период своей жизни, иначе, по принципу геометрического увеличения, его численность быстро станет настолько большой, что ни одна страна не сможет поддерживать продукт».
Следовательно, всем организмам приходится бороться, чтобы жить. «Поскольку рождается больше особей, чем может выжить, в каждом случае должна быть борьба за существование, либо одна особь с другой того же вида, либо с особями разных видов, либо с физическими условиями жизни».
Некоторые качества дают преимущества в борьбе. «Можем ли мы сомневаться что люди, имеющие какое-либо преимущество, пусть даже небольшое, над другими, будут иметь наилучшие шансы на выживание и размножение?»
Организмы, обладающие этими чертами, с большей вероятностью успешно воспроизведут и передадут эти черты следующему поколению. «Малейшие различия могут повернуть сбалансированную шкалу в борьбе за жизнь и таким образом сохраниться».
Успешные вариации накапливаются из поколения в поколение, поскольку организмы подвергаются давлению популяции. «Естественный отбор действует исключительно путем сохранения и накопления вариаций, которые полезны в условиях, которым подвергается каждое существо. Конечным результатом является то, что каждое существо имеет тенденцию становиться все более и более улучшенным по отношению к своим условиям».
Давайте углубимся в понятие демографического давления.
Давление населения
Жирафы и акации, Кения, заповедник Самбуру.
Процесс естественного отбора может быть значительно ускорен сильным давлением населения. Давление популяции - это обстоятельство, затрудняющее выживание организмов. Давление населения всегда есть, но такие события, как наводнения, засухи или новые хищники, могут усилить его. Под высоким давлением большее количество членов популяции умрет, не успев воспроизвести потомство. Это означает, что только те люди, у которых есть черты, которые позволяют им справляться с новым давлением, выживут и передадут свои аллели следующему поколению. Это может привести к резким изменениям частот аллелей в пределах одного или двух поколений.
Вот пример. Представьте себе популяцию жирафов с особями от 10 до 20 футов в высоту. Однажды заросший кустарником пожар уничтожает всю растительность ниже 15 футов. Только жирафы выше 15 футов могут дотянуться до более высоких листьев, чтобы поесть. Жирафы ниже этой высоты вообще не могут найти никакой еды. Большинство из них умирают от голода, прежде чем смогут воспроизвести потомство. В следующем поколении рождается очень мало невысоких жирафов. Средний рост населения увеличился на несколько футов.
Есть и другие способы быстро и резко повлиять на частоту аллелей. Один из способов - это узкое место среди населения. В большой популяции аллели равномерно распределены по популяции. Если какое-то событие, такое как болезнь или засуха, уничтожает большой процент популяции, у оставшихся особей частота аллелей может сильно отличаться от частоты аллелей большей популяции. По чистой случайности у них может быть высокая концентрация аллелей, которые раньше встречались относительно редко. По мере воспроизводства этих особей ранее редкие признаки становятся средними для популяции.
Эффект основателя также может привести к быстрой эволюции. Это происходит, когда небольшое количество особей мигрирует в новое место, «основывая» новую популяцию, которая больше не спаривается со старой популяцией. Так же, как и в случае «узкого места» популяции, эти люди могут иметь необычную частоту аллелей, в результате чего последующие поколения будут иметь очень отличные черты от исходной популяции, из которой мигрировали основатели.
Разница между медленными, постепенными изменениями на протяжении многих поколений (постепенность) и быстрыми изменениями в условиях высокого давления населения, чередующегося с длительными периодами эволюционной стабильности (прерывистое равновесие), является постоянным спором в эволюционной науке.
Эволюционная устойчивость
До сих пор мы рассматривали естественный отбор как фактор изменений. Однако, когда мы оглядываемся на мир, мы видим многих животных, которые оставались относительно неизменными в течение десятков тысяч лет, а в некоторых случаях даже миллионов лет. Акулы - один из примеров. Оказывается, естественный отбор также является фактором стабильности.
Иногда организм достигает состояния эволюции, в котором его черты очень хорошо соответствуют окружающей среде. Когда ничего не происходит, чтобы оказать сильное популяционное давление на эту популяцию, естественный отбор поддерживает уже имеющуюся частоту аллелей. Когда мутации вызывают новые признаки, естественный отбор исключает эти признаки, потому что они не так эффективны, как другие.
Сверхорганизм против эгоистичного гена
Гигантский паук-рыболов - спаривание пары.
Эволюционный биолог Ричард Докинз написал книгу под названием «Эгоистичный ген» в 1970-х годах. Книга Докинза переосмыслила эволюцию, указав, что естественный отбор способствует передаче генов, а не самого организма. После того, как организм успешно воспроизведен, естественный отбор не заботится о том, что будет дальше. Это объясняет, почему некоторые странные черты продолжают существовать - черты, которые, кажется, причиняют вред организму, но приносят пользу генам. У некоторых видов пауков самка поедает самца после спаривания. Что касается естественного отбора, самец паука, который умирает через 30 секунд после спаривания, столь же успешен, как и паук, живущий полноценной и богатой жизнью.
После публикации «Эгоистичного гена» большинство биологов согласны с тем, что идеи Докинза многое объясняют о естественном отборе, но не дают всего ответа. Один из главных камней преткновения - альтруизм. Почему люди (и многие виды животных) делают добро для других, даже если это не приносит им прямой выгоды? Исследования показали, что такое поведение инстинктивно и проявляется без культурной подготовки у младенцев. Он также появляется у некоторых видов приматов. Почему естественный отбор будет отдавать предпочтение инстинкту помощи другим?
Одна теория вращается вокруг родства. Люди, которые связаны с вами, имеют многие из ваших генов. Помогая им, вы можете гарантировать, что некоторые из ваших генов передаются по наследству. Представьте себе две семьи древних людей, которые соревнуются за одни и те же источники пищи. В одной семье есть аллели альтруизма - они помогают друг другу охотиться и делятся едой. Другая семья этого не делает - они охотятся отдельно, и каждый человек ест только то, что может поймать. Кооперативная группа с большей вероятностью добьется репродуктивного успеха, передав аллели альтруизма.
Биологи также изучают концепцию, известную как суперорганизм. По сути, это организм, состоящий из множества более мелких организмов. Модельным суперорганизмом является колония насекомых. В муравьиной колонии только королева и несколько самцов передадут свои гены следующему поколению. Тысячи других муравьев проводят всю свою жизнь в качестве рабочих или дронов, не имея абсолютно никаких шансов напрямую передать свои гены. Тем не менее, они работают, чтобы внести свой вклад в успех колонии. С точки зрения «эгоистичного гена» это не имеет большого смысла. Но если вы посмотрите на колонию насекомых как на единый организм, состоящий из множества мелких частей (муравьев), то да. Каждый муравей работает для обеспечения репродуктивного успеха всей колонии в целом. Некоторые ученые считают, что концепцию суперорганизма можно использовать для объяснения некоторых аспектов эволюции человека.
Рудиментарные и атавистические черты
Все организмы обладают чертами, которые больше не приносят им реальной пользы с точки зрения естественного отбора. Если признак не вредит организму, то естественный отбор не избавит его от него, поэтому эти признаки сохраняются на протяжении поколений. Результат: органы и поведение больше не служат своей первоначальной цели. Эти черты называются рудиментарными.
Только на человеческом теле есть много примеров. Копчик - это остаток хвоста предка, а способность шевелить ушами унаследована от более раннего примата, который мог двигать ушами, чтобы улавливать звуки. У растений также есть рудиментарные черты. Многие растения, которые когда-то размножались половым путем (требуя опыления насекомыми), развили способность к бесполому размножению. Им больше не нужны насекомые для опыления, но они по-прежнему производят цветы, которые изначально были необходимы, чтобы побудить насекомых посетить растение.
Иногда мутация приводит к более полному выражению рудиментарного признака. Это известно как атавизм. Люди иногда рождаются с маленькими хвостами. Довольно часто можно встретить китов с задними лапами. Иногда у змей есть эквивалент ногтей на ногах, хотя у них нет пальцев на ногах. Или ноги.
Примеры использования естественного отбора
Африканские слоны (Loxodonta africana) пересекают реку, заповедник дикой природы Самбуру-Исиоло, Кения
Обычно мы думаем об эволюции как о чем-то, что мы не видим происходящего прямо на наших глазах, вместо этого смотрим на окаменелости, чтобы найти доказательства того, что это происходило в прошлом. Фактически, эволюция под сильным демографическим давлением происходит так быстро, что мы видели, что это происходит в течение человеческой жизни.
У африканских слонов обычно большие клыки. Некоторые люди высоко ценят слоновую кость в бивнях, поэтому охотники десятилетиями охотились и убивали слонов, чтобы вырвать их клыки и продать их (обычно незаконно). У некоторых африканских слонов есть редкая черта - у них вообще никогда не появляются клыки. В 1930 году около 1% всех слонов не имели клыков. Охотники за слоновой костью не стали убивать их, потому что слоновой кости не было. Между тем, слонов с бивнями убивали сотнями, многие из них прежде, чем у них была возможность воспроизвести потомство.
Аллели «без бивней» передавались через несколько поколений. Результат: до 38 процентов слонов в некоторых современных популяциях не имеют клыков. К сожалению, это не совсем счастливый конец для слонов, поскольку их клыки используются для рытья и защиты.
Болл-червь, вредитель, который поедает и повреждает посевы хлопка, показал, что естественный отбор может действовать даже быстрее, чем ученые могут что-то генетически спроектировать. Некоторые хлопковые культуры были генетически модифицированы для выработки токсина, вредного для большинства коробочных червей. У небольшого числа коробочных червей была мутация, которая дала им иммунитет к токсину. Они ели хлопок и жили, в то время как все неиммунные черви умерли. Интенсивное популяционное давление привело к появлению широкого иммунитета к токсину у всего вида всего за несколько лет.
У некоторых видов клевера развилась мутация, из-за которой в клетках растения образовался цианистый яд. Это придало клеверу горький привкус, что снизило вероятность его употребления в пищу. Однако, когда температура опускается ниже нуля, некоторые клетки разрываются, высвобождая цианид в ткани растения и убивая растение. В теплом климате естественный отбор действовал в пользу клевера, производящего цианид, но там, где зимы холодные, предпочтение отдавалось нецианидному клеверу. Каждый вид существует почти исключительно в каждой климатической зоне.
А как насчет людей? Подвержены ли мы и естественному отбору? Несомненно, что мы были - люди стали людьми только потому, что набор черт (более крупный мозг, прямая ходьба) давал преимущества тем приматам, которые их развили. Но мы способны напрямую влиять на распределение наших генов. Мы можем использовать противозачаточные средства, чтобы те, кто наиболее приспособлен с точки зрения естественного отбора, вообще не передавали наши гены. Мы используем медицину и науку, чтобы позволить многим людям жить (и воспроизводить потомство), которые иначе вряд ли пережили бы свое детство. Подобно домашним животным, которых мы разводим специально для того, чтобы отдавать предпочтение определенным признакам, на людей влияет своего рода неестественный отбор.
Однако мы все еще развиваемся. У некоторых людей репродуктивный успех выше, чем у других, и факторы, влияющие на это уравнение, добавили уровень человеческой сложности к и без того сложным взаимодействиям животного мира. Другими словами, мы действительно не знаем, во что мы будем развиваться. Изменения неизбежны, но помните, что естественный отбор не заботится о том, чтобы сделать «лучших» людей, а просто сделать нас больше.
Last edited by a moderator:
