Чарльз Дарвин разработал теорию эволюции.
Теория эволюции - одна из самых известных научных теорий. Попробуйте прожить день, не употребляя и не слыша слово «эволюция», и вы увидите, насколько широко распространена эта теория.
Эволюция увлекательна, потому что она пытается ответить на один из самых основных человеческих вопросов: откуда произошли жизнь и люди? Теория эволюции предполагает, что жизнь и человек возникли в результате естественного процесса. Очень большое количество людей не верят в это, и это то, что держит эволюцию в новостях.
В этой статье мы исследуем теорию эволюции и то, как она работает. Мы также рассмотрим несколько важных областей, которые показывают дыры в текущей теории - места, где в ближайшие годы будут проводиться научные исследования, чтобы завершить теорию. Многие считают дыры доказательством того, что теория эволюции должна быть опровергнута. В результате эволюция вызывает много споров с тех пор, как она была впервые предложена.
Давайте начнем с рассмотрения основных принципов теории эволюции, рассмотрим несколько примеров, а затем исследуем дыры.
Основной процесс эволюции
Основная теория эволюции на удивление проста. Он состоит из трех основных частей:- Вполне возможно, для ДНК организма к изменению иногда, или мутировать . Мутация изменяет ДНК организма таким образом, что влияет на его потомство сразу или через несколько поколений.
- Изменения, вызванные мутацией, могут быть полезными, вредными или нейтральными. Если изменение вредно, то маловероятно, что потомство выживет для размножения, поэтому мутация вымирает и никуда не денется. Если изменение благоприятно, то вполне вероятно, что потомство будет жить лучше, чем другое потомство, и, следовательно, будет воспроизводить больше. Благодаря размножению полезная мутация распространяется. Процесс исключения плохих мутаций и распространения хороших мутаций называется естественным отбором.
- По мере того как мутации происходят и распространяются в течение длительных периодов времени, они вызывают образование новых видов. В течение многих миллионов лет процессы мутации и естественного отбора создали все виды жизни, которые мы видим сегодня в мире, от простейших бактерий до людей и всего, что между ними.
Может ли такая простая теория объяснить всю жизнь в том виде, в каком мы ее знаем сегодня? Давайте начнем с понимания того, как устроена жизнь, а затем рассмотрим несколько примеров.
Как устроена жизнь: ДНК и ферменты
В чистом виде эволюцию можно увидеть в повседневной эволюции бактерий. Если вы прочитали «Как работают клетки», значит, вы знакомы с внутренним устройством бактерий E. coli и можете пропустить этот раздел. Вот краткое изложение, чтобы выделить наиболее важные моменты в Как работают клетки:
- Бактерия - это небольшой одноклеточный организм. В случае E. coli размер бактерий составляет примерно одну сотую размера типичной клетки человека. Вы можете думать о бактериях как о клеточной стенке (представьте клеточную стенку как крошечный пластиковый пакет), заполненной различными белками, ферментами и другими молекулами, а также длинной цепью ДНК, плавающей в воде.
- Нить ДНК в E. coli содержит около 4 миллионов пар оснований, и эти пары оснований организованы примерно в 1 000 генов. Ген - это просто матрица для белка, и часто эти белки являются ферментами.
- Фермент представляет собой белок , который ускоряет определенную химическую реакцию. Например, один из 1000 ферментов в ДНК E. coli может знать, как расщепить молекулу мальтозы (простой сахар) на две молекулы глюкозы. Это все, что может делать этот конкретный фермент, но это действие важно, когда кишечная палочка ест мальтозу. После того, как мальтоза превращается в глюкозу, другие ферменты воздействуют на молекулы глюкозы, превращая их в энергию для использования клеткой.
- Чтобы создать необходимый фермент, химические механизмы внутри клетки E. coli создают копию гена из нити ДНК и используют эту матрицу для формирования фермента. Внутри кишечной палочки могут быть тысячи копий одних ферментов и лишь несколько копий других. Сбор примерно 1000 различных типов ферментов, плавающих в клетке, делает возможной всю химию клетки. Этот химический состав делает клетку «живой» - она позволяет кишечной палочке чувствовать пищу, перемещаться, есть и размножаться. См. «Как работают клетки» для получения более подробной информации.
В следующем разделе мы обсудим, как размножаются бактерии.
Как устроена жизнь: бесполое размножение
Хромосомы человека содержат ДНК генома человека. Каждый родитель вносит 23 хромосомы.
Бактерии размножаются бесполым путем. Это означает, что при расщеплении клетки бактерии обе половины расщепления идентичны - они содержат точно такую же ДНК. Потомство - клон родителя.
Как объясняется в «Как работает размножение человека», высшие организмы, такие как растения, насекомые и животные, размножаются половым путем, и этот процесс делает действия эволюции более интересными. Половое размножение может создавать огромное количество вариаций внутри вида. Например, если у двух родителей несколько детей, все дети могут сильно отличаться. У двух братьев может быть разный цвет волос, разный рост, разные группы крови и так далее. Вот почему это происходит:
- Вместо длинной петли ДНК, такой как бактерия, клетки растений и животных имеют хромосомы, которые удерживают нити ДНК. У человека 23 пары хромосом, всего 46 хромосом. У плодовых мушек пять пар. У собак насчитывается 39 пар, а у некоторых растений - до 100.
- Хромосомы бывают парами. Каждая хромосома представляет собой плотно упакованную нить ДНК. Есть две нити ДНК соединены вместе в центромеры с образованием X-образной конструкции. Одна нить идет от матери, а другая - от отца.
- Поскольку существует две цепи ДНК, это означает, что у животных есть две копии каждого гена, а не одна копия, как в клетке E. coli.
- Когда самка создает яйцеклетку или самец создает сперму, две нити ДНК должны объединиться в одну нить. Сперма и яйцеклетка матери и отца вносят по одной копии каждой хромосомы. Они встречаются, чтобы дать новому ребенку по две копии каждого гена.
- Чтобы сформировать единственную нить в сперме или яйцеклетке, случайным образом выбирается одна или другая копия каждого гена . Тот или иной ген из пары генов в каждой хромосоме передается ребенку.
Ген - это не что иное, как шаблон для создания фермента. Это означает, что в любом растении или животном на самом деле есть две матрицы для каждого фермента. В некоторых случаях два шаблона одинаковы (гомозиготны), но во многих случаях эти два шаблона различны (гетерозиготны).
Вот хорошо известный пример из растений гороха, который помогает понять, как пары генов могут взаимодействовать. Горох может быть высоким или коротким. По словам Кэрол Деппе в книге «Выращивайте свои собственные сорта овощей», разница заключается в следующем:
... в синтезе растительного гормона гиббереллина. «Высокая» версия гена обычно встречается в дикой природе. «Короткий» вариант во многих случаях имеет менее активную форму одного из ферментов, участвующих в синтезе гормона, поэтому растения короче. Мы называем два гена аллелями друг друга, когда они наследуются как альтернативы друг другу. С молекулярной точки зрения аллели - это разные формы одного и того же гена. В популяции организмов может быть более двух аллелей гена. Но любой конкретный организм имеет не более двух аллелей. Более короткие растения обычно не могут конкурировать с более высокими формами в дикой природе. Невысокий мутант на участке высоких растений будет затенен. Эта проблема не актуальна, когда человек засевает участок или поле одними лишь короткими растениями. А невысокие растения могут быть раньше высоких или менее подвержены полеганию (падению) под дождем или ветром. У них также может быть более высокая доля зерна по сравнению с остальной частью растения. Таким образом, более короткие растения могут быть полезны в качестве культурных культур. Конкретные мутации или аллели не являются хорошими или плохими сами по себе, а только в определенном контексте.. Аллель, который способствует лучшему росту в жаркую погоду, может, например, способствовать ухудшению роста в холодную погоду.
Одна вещь, которую следует отметить в цитате Деппе, - это то, что мутация в одном гене может не иметь никакого эффекта на организм, или его потомство, или его потомство. Например, представьте себе животное, у которого есть две идентичные копии гена в одном аллеле. Мутация пагубно изменяет один из двух генов. Предположим, что ребенок получил этот мутантный ген от отца. Мать вносит нормальный ген, поэтому он может не иметь никакого влияния на ребенка (как в случае «короткого» гена гороха). Мутантный ген может сохраняться на протяжении многих поколений и никогда не быть замеченным до тех пор, пока в какой-то момент оба родителя ребенка не внесут копию мутантного гена. В этот момент, взяв пример из цитаты Деппе, вы можете получить растение гороха, потому что растение не вырабатывает нормальное количество гиббереллина.
Еще одна вещь, на которую следует обратить внимание, - это то, что у одного вида может существовать множество различных форм гена. Комбинация всех версий всех генов вида называется генофондом вида. Генофонд увеличивается, когда мутация изменяет ген и мутация выживает. Генофонд уменьшается, когда ген отмирает.
Один из простейших примеров эволюции можно наблюдать в клетке E. coli. Чтобы лучше понять процесс, мы посмотрим, что происходит в этой ячейке.
Простейший пример эволюции
Процесс эволюции воздействует на клетку E. coli, создавая мутацию в ДНК. Нити ДНК бактерии E. coli нередко повреждаются. Рентген, космический луч или случайная химическая реакция могут изменить или повредить цепь ДНК. В большинстве случаев конкретная клетка E. coli с мутированной ДНК либо погибнет, либо исправит повреждение в цепи, либо не сможет воспроизвести. Другими словами, большинство мутаций ни к чему не приводят. Но время от времени мутация действительно выживает, и клетка воспроизводится.
Представьте себе, например, группу идентичных клеток E. coli, которые живут в чашке Петри. При достаточном количестве еды и правильной температуре они могут удваиваться каждые 20 минут. То есть каждая клетка E. coli может дублировать свою цепь ДНК и расщепляться на две новые клетки за 20 минут.
А теперь представьте, что кто-то наливает антибиотик в чашку Петри. Многие антибиотики убивают бактерии, поглощая один из ферментов, необходимых бактериям для жизни. Например, один распространенный антибиотик блокирует ферментный процесс, который формирует клеточную стенку. Без возможности прикрепляться к клеточной стенке бактерии не могут размножаться и в конечном итоге умирают.
Когда антибиотик попадает в блюдо, все бактерии должны погибнуть. Но представьте себе, что среди многих миллионов бактерий, живущих в блюде, одна из них приобретает мутацию, которая отличает ее фермент, строящий клеточную стенку, от нормы. Из-за разницы молекула антибиотика не прикрепляется к ферменту должным образом и, следовательно, не влияет на него. Эта одна клетка E. coli выживет, и, поскольку все ее соседи мертвы, она может воспроизвести и занять чашку Петри. В настоящее время существует штамм кишечной палочки, невосприимчивый к этому антибиотику.
В этом примере вы можете увидеть, как работает эволюция. Случайная мутация ДНК создала уникальную клетку E. coli. На клетку не действует антибиотик, убивающий всех ее соседей. Эта уникальная клетка в среде чашки Петри способна выжить.
E. coli настолько просты, насколько это возможно для живых организмов, и, поскольку они размножаются так быстро, вы можете увидеть эффекты эволюции в нормальном временном масштабе. За последние несколько десятилетий многие различные типы бактерий стали невосприимчивыми к антибиотикам. Точно так же насекомые становятся невосприимчивыми к инсектицидам, потому что они так быстро размножаются. Например, устойчивые к ДДТ комары произошли от обычных комаров.
В большинстве случаев эволюция - гораздо более медленный процесс.
Скорость мутаций
Как упоминалось в предыдущем разделе, многие вещи могут вызвать мутацию ДНК, в том числе:
- Рентгеновские лучи
- Космические лучи
- Ядерная радиация
- Случайные химические реакции в клетке
У крупных организмов, таких как люди, в среднем одна мутация на десять гамет [гамета - это половая клетка, либо сперматозоид, либо яйцеклетка], то есть существует 10-процентная вероятность того, что любая произведенная сперма или яйцеклетка будет иметь новую и наследуемое изменение генетических инструкций, составляющих следующее поколение. Эти мутации происходят случайным образом и почти всегда вредны - редко когда точная машина может быть улучшена путем случайного изменения инструкций по ее изготовлению.
Согласно «Молекулярной биологии клетки»:
Только примерно одна пара нуклеотидов из тысячи случайным образом меняется каждые 200000 лет. Даже в этом случае в популяции из 10 000 особей все возможные замены нуклеотидов будут «опробованы» примерно 50 раз в течение миллиона лет, что является коротким промежутком времени по отношению к эволюции видов. Большая часть изменчивости, созданной таким образом, будет невыгодна для организма и будет отбираться среди населения. Однако, когда предпочтительна последовательность редкого варианта, она будет быстро размножаться естественным отбором. Следовательно, можно ожидать, что у любого данного вида функции большинства генов будут оптимизированы путем случайной точечной мутации и отбора.
Согласно книге Рут Мур «Эволюция», можно ускорить мутации с помощью излучения:
Поэтому Мюллер поместил сотни плодовых мушек в желатиновые капсулы и облучил их рентгеновскими лучами. Затем облученных мух скрещивали с необработанными. За 10 дней тысячи их потомков гудели вокруг своего бананового пюре, и Мюллер ожидал беспрецедентный всплеск искусственных мутаций. Были мухи с выпученными глазами, плоскими, пурпурными, желтыми и карими глазами. У кого-то щетина вьющаяся, у кого-то нет ...
Мутации подпитывают процесс эволюции, предоставляя новые гены в генофонде вида.
Затем берет верх естественный отбор.
Естественный отбор
Как вы видели в предыдущем разделе, мутации - это случайный и постоянный процесс. Когда происходят мутации, естественный отбор решает, какие мутации будут жить, а какие вымрут. Если мутация вредна, шансы на выживание и размножение мутировавшего организма намного ниже. Если мутация полезна, мутировавший организм выживает, чтобы воспроизвести, и мутация передается его потомству. Таким образом, естественный отбор направляет эволюционный процесс, чтобы включить в вид только хорошие мутации и устранить плохие мутации.
В книге Яна Таттерсола и Джеффри Шварца «Вымершие люди» об этом говорится так:
... в каждом поколении рождается гораздо больше особей, чем когда-либо, доживают до зрелости и воспроизводят себя. Те, кто добивается успеха - «наиболее приспособленные» - обладают наследуемыми чертами, которые не только способствуют их собственному выживанию, но и передаются предпочтительно их потомству. С этой точки зрения естественный отбор - это не более чем сумма всех тех факторов, которые способствуют репродуктивному успеху одних особей (и его отсутствию у других). Добавьте измерение времени, и в течение поколений естественный отбор будет действовать, чтобы изменить цвет лица каждой развивающейся линии, поскольку выгодные вариации становятся обычным явлением в популяции за счет менее выгодных.
Давайте посмотрим на пример естественного отбора из книги «Как работают киты».
Предки китов жили на суше - есть свидетельства эволюции китов от жизни на суше к жизни в море (подробности читайте в тнмн «Как работают киты»), но как и почему это произошло? «Почему» обычно связывают с изобилием пищи в море. В основном киты уходили туда, где была еда. «Как» немного больше озадачивает: киты - это млекопитающие, как и люди, и, как и люди, они жили и ходили по твердой земле, вдыхая воздух в легкие. Как киты стали морскими существами? Один из аспектов этой эволюции, по словам Тома Харриса, автора книги «Как работают киты», объясняется следующим образом:
Чтобы совершить этот переход, китам пришлось преодолеть ряд препятствий. Прежде всего, им пришлось столкнуться с ограниченным доступом к пригодному для дыхания воздуху. Это привело к ряду замечательных приспособлений. «Нос» кита переместился с лица на макушку. Это дыхало позволяет китам легко дышать воздухом, не всплывая полностью. Вместо этого кит плавает у поверхности, выгибает тело так, что его спина ненадолго всплывает, а затем сгибает хвост, быстро унося его на меньшую глубину.
Как ни странно кажется, что «нос» кита на самом деле изменил положение, теория эволюции объясняет это явление как длительный процесс, который происходит, возможно, за миллионы лет:
- Случайная мутация привела к появлению по крайней мере одного кита, чья генетическая информация поместила его «нос» дальше назад на его голову.
- Киты с этой мутацией были более приспособлены к морской среде (где была пища), чем «нормальные» киты, поэтому они процветали и размножались, передавая эту генетическую мутацию своему потомству: естественный отбор «выбрал» эту черту как благоприятную.
- В последующих поколениях при последующих мутациях нос отодвигался дальше назад на голове, потому что киты с этой мутацией с большей вероятностью воспроизводили и передавали свою измененную ДНК. В конце концов, нос кита достиг того положения, которое мы видим сегодня.
Создание нового вида
Представьте, что вы берете группу сенбернаров и помещаете их на один остров, а на другой остров - группу чихуахуа. Сенбернары и чихуахуа сейчас являются представителями вида «собака» - сенбернар может спариваться с чихуахуа (вероятно, посредством искусственного оплодотворения) и создавать нормальных щенков. Это будут щенки странного вида, но, тем не менее, нормальные щенки.Имея достаточно времени, можно увидеть, как видообразование - развитие нового вида в результате эволюции - могло происходить у сенбернаров и чихуахуа на их островах. Что произойдет, так это то, что генофонд сенбернаров приобретет случайные мутации, общие для всех сенбернаров на острове (путем скрещивания), а чихуахуа приобретут совершенно другой набор случайных мутаций, общих для всех чихуахуа на их острове. Эти два генофонда в конечном итоге станут несовместимы друг с другом до такой степени, что две породы больше не смогут скрещиваться. На данный момент у вас есть два разных вида.
Из-за огромной разницы в размерах сенбернаров и чихуахуа можно было бы поместить оба типа собак на один и тот же остров и добиться того же самого процесса. Сенбернары естественным образом размножаются только с сенбернарами, а чихуахуа естественным образом размножаются только с чихуахуа, поэтому видообразование все равно будет происходить.
Если вы разместите две группы чихуахуа на двух отдельных островах, процесс также произойдет. Две группы чихуахуа накапливают разные коллекции мутаций в своих генофондах и в конечном итоге становятся разными видами, которые не могут скрещиваться.
Теория эволюции предполагает, что процесс, который может создать отдельные виды типа чихуахуа и видов сенбернаров, является тем же процессом, который создал все виды, которые мы видим сегодня. Когда вид разделяется на два (или более) отдельных подмножества, например, по горному хребту, океану или разнице в размерах, подмножества улавливают разные мутации, создают разные генофонды и в конечном итоге образуют разные виды.
Действительно ли так сформировались все виды, которые мы видим сегодня? Большинство людей согласны с тем, что бактерии эволюционируют небольшими путями (микроэволюция), но есть некоторые разногласия по поводу идеи видообразования (макроэволюция). Давайте посмотрим, откуда взялись эти противоречия.
Дыры в теории
Теория эволюции - это всего лишь теория. Согласно «Словарю американского наследия», теория такова:Набор утверждений или принципов, разработанных для объяснения группы фактов или явлений, особенно такой, который неоднократно проверялся или получил широкое признание и может использоваться для предсказания природных явлений.
Эволюция - это набор принципов, которые пытаются объяснить, как жизнь во всех ее разнообразных формах появилась на Земле. Теория эволюции успешно объясняет, почему мы видим, что бактерии и комары становятся устойчивыми к антибиотикам и инсектицидам. Он также успешно предсказал, например, что воздействие рентгеновских лучей приведет к тысячам мутаций у плодовых мух.
Многие теории находятся в стадии разработки, и эволюция - одна из них. Есть несколько серьезных вопросов, на которые теория эволюции не может ответить прямо сейчас. В этом нет ничего необычного. Ньютоновская физика действительно хорошо работала в течение сотен лет и до сих пор хорошо работает для многих типов задач. Однако он не объясняет многие вещи, на которые в конечном итоге ответил Эйнштейн и его теории относительности. Люди создают новые теории и изменяют существующие, чтобы объяснить необъяснимое.
Отвечая на открытые вопросы, которые все еще остаются нерешенными, теория эволюции либо станет законченной, либо будет заменена новой теорией, которая лучше объясняет явления, которые мы видим в природе. Так устроен научный процесс.
Вот три общих вопроса, которые задают о современной теории эволюции:
- Как эволюция добавляет информацию в геном для создания все более сложных организмов?
- Как эволюция может так быстро вызвать радикальные изменения?
- Как могла спонтанно возникнуть первая живая клетка, чтобы начать эволюцию?
Вопрос 1. Как эволюция добавляет информацию?
Теория эволюции объясняет, как изменяются цепи ДНК. Рентгеновские лучи, космические лучи, химическая реакция или аналогичный механизм могут изменить пару оснований в цепи ДНК, чтобы создать мутацию, и эта модификация может привести к созданию нового белка или фермента.Теория эволюции также предполагает, что миллиарды этих мутаций создали все формы жизни, которые мы видим сегодня. Спонтанно образовалась исходная самовоспроизводящаяся молекула. Он превратился в одноклеточные организмы. Они превратились в многоклеточные организмы, которые превратились в позвоночных, таких как рыбы, и так далее. В ходе этого процесса структуры ДНК эволюционировали из бесполого однонитевого формата, встречающегося сегодня у бактерий, в двухцепочечный хромосомный формат, присущий всем высшим формам жизни. Количество хромосом также увеличилось. Например, у плодовых мушек пять хромосом, у мышей - 20, у человека - 23, а у собак - 39.
Механизм мутации эволюции не объясняет, как возможен рост генома. Как точечные мутации могут создавать новые хромосомы или удлинять цепь ДНК? Интересно отметить, что во всех селекционных методах разведения собак не было изменений в основном геноме собаки. Все породы собак могут спариваться друг с другом. Люди не заметили какого-либо увеличения ДНК собак, но просто выбрали разные гены из существующего генофонда собак, чтобы создать разные породы.
Одно направление исследований в этой области сосредоточено на транспозонах или мобильных элементах, также называемых «прыгающими генами». Транспозон - это ген, который может перемещаться или копировать себя с одной хромосомы на другую. В книге «Молекулярная биология клетки» это сформулировано так:
Мобильные элементы также внесли свой вклад в разнообразие генома и другим образом. Когда два мобильных элемента, которые распознаются одним и тем же ферментом сайт-специфической рекомбинации (транспозаза), интегрируются в соседние участки хромосомы, ДНК между ними может стать предметом транспозиции транспозазой. Поскольку это обеспечивает особенно эффективный путь для дублирования и перемещения экзонов (перетасовка экзонов), эти элементы могут помочь в создании новых генов.
Другое направление исследований - полиплоидия. В процессе полиплоидии общее количество хромосом может удвоиться, или одна хромосома может дублировать себя. Этот процесс довольно распространен у растений и объясняет, почему у некоторых растений может быть до 100 хромосом.
Количество исследований в этой области поистине замечательно, и они учат ученых удивительным вещам о ДНК. Следующие ссылки дают вам представление об этом исследовании и представляют интерес, если вы хотите узнать больше по этим темам:
- Кукуруза как модель эволюции
- Онлайн-база данных геномов
- Запрос поисковой системы Genome Evolution
- Исследования вероятностного выравнивания и эволюции последовательностей
Вопрос 2: как эволюция может быть такой быстрой?
Представьте, что вы создали очень большую клетку и поместили в нее группу мышей. Вы позволяете мышам жить и размножаться в этой клетке свободно и без помех. Если бы вы вернулись через пять лет и заглянули в эту клетку, вы бы обнаружили мышей. Пять лет разведения не вызовут никаких изменений в мышах в этой клетке - они не будут развиваться каким-либо заметным образом. Вы можете оставить клетку в покое на сотню лет и снова заглянуть внутрь, и вы обнаружите в клетке мышей. Через несколько сотен лет вы заглянете в клетку и найдете не 15 новых видов, а мышей.
Дело в том, что эволюция в целом - крайне медленный процесс. Когда две мыши размножаются, потомство - мышь. Когда это потомство размножается, его потомство - мышь. Когда это потомство размножается ... И процесс продолжается. Точечные мутации существенно не меняют этот факт за короткий промежуток времени.
Карл Саган в «Драконах Эдема» выразился так:
Временной масштаб эволюционных или генетических изменений очень велик. Характерный период возникновения одного развитого вида от другого составляет, возможно, сто тысяч лет; и очень часто разница в поведении между близкородственными видами - скажем, львами и тиграми - кажется не очень большой. Примером недавней эволюции систем органов человека являются пальцы наших ног. Большой палец ноги играет важную роль в поддержании равновесия при ходьбе; другие пальцы имеют гораздо менее очевидную полезность. Они явно произошли от пальцевидных придатков для хватания и покачивания, как у древесных обезьян и обезьян. Эта эволюция представляет собой повторную специализацию. - адаптация системы органов, изначально развивавшейся для выполнения одной функции, к другой и совершенно иной функции, - для возникновения которой потребовалось около десяти миллионов лет.
Временной масштаб эволюционных или генетических изменений очень велик. Характерный период возникновения одного развитого вида от другого составляет, возможно, сто тысяч лет; и очень часто разница в поведении между близкородственными видами - скажем, львами и тиграми - кажется не очень большой. Примером недавней эволюции систем органов человека являются пальцы наших ног. Большой палец ноги играет важную роль в поддержании равновесия при ходьбе; другие пальцы имеют гораздо менее очевидную полезность. Они явно произошли от пальцевидных придатков для хватания и покачивания, как у древесных обезьян и обезьян. Эта эволюция представляет собой повторную специализацию. - адаптация системы органов, изначально развивавшейся для выполнения одной функции, к другой и совершенно иной функции, - для возникновения которой потребовалось около десяти миллионов лет.
Тот факт, что эволюции требуется 100000 или 10 миллионов лет, чтобы внести относительно небольшие изменения в существующие структуры, показывает, насколько медленной является эволюция на самом деле. На создание нового вида уходит много времени.
С другой стороны, мы знаем, что эволюция может двигаться очень быстро, чтобы создать новый вид. Одним из примеров скорости эволюции является прогресс, достигнутый млекопитающими. Вы, наверное, слышали, что около 65 миллионов лет назад все динозавры вымерли внезапно. Одна из теорий этого массового вымирания - удар астероида. Для динозавров день падения астероида был плохим, но для млекопитающих это был хороший день. Исчезновение динозавров очистило игровое поле от большинства хищников. Млекопитающие начали процветать и дифференцироваться.
Пример: эволюция млекопитающих
65 миллионов лет назад млекопитающие были намного проще, чем сегодня. Типичным млекопитающим того времени был вид Didelphodon, маленькое четвероногое существо, похожее на сегодняшнего опоссума.Согласно теории эволюции, за 65 миллионов лет каждое млекопитающее, которое мы видим сегодня (более 4000 видов), произошло от маленьких четвероногих существ, таких как дидельфодон. Благодаря случайным мутациям и естественному отбору эволюция произвела на свет млекопитающих поразительного разнообразия, исходя из этой скромной отправной точки:
- Люди
- Собаки
- Родинки
- Летучие мыши
- Киты
- Слонов
- Жирафы
- Медведи панда
- Лошади
Давайте возьмем заявление Карла Сагана о том, что «Характерный период появления одного развитого вида из другого составляет, возможно, сто тысяч лет, и очень часто разница в поведении между близкородственными видами - скажем, львами и тиграми - кажется незначительной. здорово." В 65 миллионов лет есть только 650 периодов по 100 000 лет - это 650 «тактов» эволюционных часов.
Представьте себе попытку начать с опоссума и добраться до слона за 650 шагов или меньше, даже если каждый шаг был идеальным. Мозг слона в сотни раз больше, чем мозг опоссума, он содержит в сотни раз больше нейронов, и все они идеально спаяны. Хобот слона - это цепкий придаток идеальной формы, содержащий 150 000 мышечных элементов. Начиная с морды, как у опоссума, эволюция использовала случайные мутации, чтобы создать морду слона всего за 650 тиков. Представьте, что вы пытаетесь перейти от опоссума к коричневой летучей мыши за 650 шагов. Или от опоссума до кита. У китов нет таза, у них есть сосальщики, очень странные черепа (особенно у кашалотов), есть дыры наверху, есть контроль температуры, позволяющий плавать в арктических водах, и они потребляют соленую воду, а не пресную. Многим людям трудно представить такую скорость, учитывая текущую теорию.
Пример: эволюция человеческого мозга
Вот еще один пример проблемы скорости. Современные свидетельства окаменелостей указывают на то, что современные люди произошли от вида, называемого Homo erectus. Homo erectus появился около 2 миллионов лет назад. Глядя на череп Homo erectus, мы знаем, что размер его мозга составлял порядка 800 или 900 кубических сантиметров (CCs).
Размер современного человеческого мозга в среднем составляет около 1500 CC или около того. Другими словами, примерно за 2 миллиона лет эволюция увеличила размер мозга человека прямоходящего примерно вдвое, чтобы создать человеческий мозг, который есть сегодня. Сегодня наш мозг содержит около 100 миллиардов нейронов, поэтому за 2 миллиона лет эволюция добавила 50 миллиардов нейронов в мозг человека прямоходящего (в то же время перепроектировав череп, чтобы вместить все эти нейроны, и модернизировал женский таз, чтобы позволить большему черепу во время родов и т. д.).
Предположим, что Homo erectus мог воспроизводиться каждые 10 лет. Это означает, что за 2 миллиона лет появилось 200 000 поколений Homo erectus. Есть четыре возможных объяснения происхождения 50 миллиардов новых нейронов в 200000 поколениях:
- Каждое поколение в мозг человека прямоходящего добавлялось 250 000 новых нейронов (250 000 * 200 000 = 50 миллиардов).
- Каждые 100000 лет к мозгу человека прямоходящего добавлялось 2,5 миллиарда новых нейронов (2,500,000,000 * 20 = 50 миллиардов).
- Возможно, 500000 лет назад произошел всплеск примерно 20 близко расположенных поколений, который добавлял 2,5 миллиарда нейронов за поколение.
- Однажды, спонтанно, 50 миллиардов новых нейронов были добавлены к мозгу человека прямоходящего, чтобы создать мозг человека разумного.
Одно направление текущих исследований изучает влияние очень небольших изменений в паттернах ДНК во время эмбрионального развития. Любое новое животное, будь то мышь или человек, начинает жизнь как отдельная клетка. Эта клетка дифференцируется и превращается в полноценное животное. В процессе развития между клетками происходит огромное количество сигналов, чтобы гарантировать, что все окажется в нужном месте. Незначительные изменения в этих сигнальных процессах могут иметь очень большое влияние на полученное животное. Таким образом, человеческий геном, насчитывающий не более 60000 или около того генов, может определять создание человеческого тела, содержащего триллионы клеток, миллиарды тщательно спаянных нейронов и сотни различных типов клеток, все из которых блестяще преобразованы в такие разнообразные органы, как сердце и глаза. В книге «Молекулярная биология клетки» это сформулировано так:
Люди, как род, отличный от человекообразных обезьян, существуют всего несколько миллионов лет. Таким образом, у каждого человеческого гена была возможность накопить относительно небольшое количество нуклеотидных изменений с момента нашего появления, и большинство из них было устранено естественным отбором. Например, сравнение людей и обезьян показывает, что их молекулы цитохрома-с различаются примерно на 1 процент, а их гемоглобины - примерно на 4 процента их аминокислотных положений. Ясно, что большая часть нашего генетического наследия должна была сформироваться задолго до появления Homo sapiens, во время эволюции млекопитающих (которая началась около 300 миллионов лет назад) и даже раньше. Поскольку белки таких разных млекопитающих, как киты и люди, очень похожи, эволюционные изменения, которые привели к таким поразительным морфологическим различиям, должны включать относительно небольшое количество изменений в молекулах, из которых мы состоим. Вместо этого считается, что морфологические различия возникают из-за различий во временном и пространственном паттернах экспрессии генов во время эмбрионального развития, которые затем определяют размер, форму и другие характеристики взрослого человека.
Другими словами, в ДНК человека и кита не так уж много различий, но люди и киты выглядят совершенно по-разному. Небольшие коллекции мутаций ДНК могут иметь очень большое влияние на конечный результат.
В настоящий момент сигнальные механизмы, соединяющие 100 миллиардов клеток человеческого мозга, являются чем-то вроде загадки. Как могут всего лишь 60 000 генов в геноме человека сказать 100 миллиардам нейронов, как точно подключиться к человеческому мозгу? Сейчас ни у кого нет четкого представления о том, как такое небольшое количество генов может скрупулезно связать такое количество нейронов. У развивающегося в утробе плода ДНК правильно создает и объединяет миллионы клеток в минуту . Учитывая, что ДНК действительно подключает работающий человеческий мозг каждый раз, когда рождается ребенок, вполне возможно, что ДНК обладает особыми свойствами, которые заставляют эволюцию работать более эффективно. По мере того, как механизмы станут более понятными, станут более понятными и эффекты мутаций ДНК во время развития.
* В абсолютно увлекательном эксперименте, впервые описанном в июле 2002 года, ученые модифицировали единственный ген мыши и создали мышей с мозгом на 50% больше обычного. Этот эксперимент показывает, что точечная мутация действительно может иметь огромное влияние на размер мозга. До сих пор неизвестно, делают ли мышей более крупный мозг умнее или нет, но легко представить себе более поздние мутации, улучшающие проводку этих миллионов новых нейронов.
В другом интересном исследовании ученые определили минимальные изменения в аминокислоте в одном гене, которые оказывают сильное влияние на обработку речи у людей.
Кажется, что крошечные изменения в отдельных генах могут иметь очень большое влияние на вид.
Вопрос 3: Откуда взялась первая живая клетка?
Чтобы принципы мутации и естественного отбора в теории эволюции работали, должны быть живые существа, над которыми они могли бы работать. Жизнь должна существовать, прежде чем она сможет начать диверсифицироваться. Жизнь должна была откуда-то появиться, и теория эволюции предполагает, что она возникла спонтанно из инертных химикатов планеты Земля, возможно, 4 миллиарда лет назад.Может ли жизнь возникнуть спонтанно? Если вы прочтете «Как работают клетки», то увидите, что даже примитивная клетка, такая как бактерия E. coli - одна из простейших форм жизни, существующих сегодня, - удивительно сложна. Согласно модели E. coli, клетка должна содержать как минимум:
- Какая-то клеточная стенка, содержащая клетку
- Генетический план клетки (в виде ДНК)
- Фермент, способный копировать информацию из генетической схемы для производства новых белков и ферментов.
- Фермент, способный производить новые ферменты, а также все строительные блоки для этих ферментов.
- Фермент, который может строить клеточные стенки
- Фермент, способный копировать генетический материал при подготовке к расщеплению (размножению) клеток.
- Фермент или ферменты, способные позаботиться обо всех других операциях по разделению одной клетки на две для осуществления воспроизводства (например, что-то должно отделить вторую копию генетического материала от первой, а затем клеточная стенка должна разделить и запечатать в двух новых ячейках.)
- Ферменты, способные производить молекулы энергии для питания всех ранее упомянутых ферментов.
Очевидно, что сама клетка E. coli является продуктом миллиардов лет эволюции, поэтому она сложна и запутана - намного сложнее, чем первые живые клетки. Тем не менее, первые живые клетки должны были обладать:
- Клеточная стенка
- Способность поддерживать и расширять клеточную стенку (расти)
- Способность обрабатывать «пищу» (другие молекулы, плавающие вне клетки) для создания энергии.
- Способность расщепляться для воспроизводства
В противном случае это действительно не клетка, и она не живая. Чтобы попытаться представить себе изначальную клетку с этими способностями, спонтанно создающую себя, полезно принять во внимание некоторые упрощающие предположения. Например:
- Возможно, первоначальная молекула энергии сильно отличалась от механизма, обнаруженного в современных живых клетках, и молекулы энергии оказались в большом количестве и свободно плавали в окружающей среде. Следовательно, оригинальной ячейке не пришлось бы их производить.
- Возможно, химический состав Земли способствовал спонтанному производству белковых цепей, поэтому океаны были заполнены невообразимым количеством случайных цепочек и ферментов.
- Возможно, первые клеточные стенки естественным образом образовывали липидные сферы, и эти сферы случайным образом захватывали различные комбинации химических веществ.
- Возможно, первым генетическим планом было нечто иное, чем ДНК.
Эти примеры действительно упрощают требования к «исходной клетке», но до спонтанного зарождения жизни еще далеко. Возможно, первые живые клетки полностью отличались от того, что мы видим сегодня, и никто еще не вообразил, какими они могли быть. Говоря в общих чертах, жизнь могла возникнуть только в одном из двух возможных мест:
- Спонтанное создание - случайные химические процессы создали первую живую клетку.
- Сверхъестественное создание - Бог или какая-то другая сверхъестественная сила создала первую живую клетку.
Скорее всего, пройдет много лет, прежде чем исследования смогут полностью ответить на любой из трех упомянутых здесь вопросов. Учитывая, что ДНК не была открыта до 1950-х годов, исследования этой сложной молекулы все еще находятся в зачаточном состоянии, и нам есть чему поучиться.
Будущее эволюции
Одна интересная особенность теории эволюции заключается в том, что мы можем видеть ее последствия как сегодня, так и в прошлом. Например, в книге «Эволюция» это упоминается:Самые ранние известные рептилии настолько похожи на земноводных, что их отнесение к той или иной категории в значительной степени является вопросом мнения. Однако в этой сфере жизни не было упущенного звена; все градации от земноводных до рептилий существуют с той ясностью, которую редко можно себе представить в палеонтологии.
Другими словами, существует множество свидетельств, прошлых и настоящих, в пользу какого-то эволюционного процесса. Мы видим это у бактерий и насекомых сегодня, и мы видим это в летописи окаменелостей в результате развития миллионов видов за миллионы лет.
Поразмыслив над вопросами, подобными трем, упомянутым в предыдущих разделах, разные люди приходят к разным выводам. В будущем у теории эволюции есть три возможных сценария:
- Ученые придут к полному пониманию ДНК и покажут, как мутации и естественный отбор объясняют каждую часть развития жизни на этой планете.
- Ученые разработают новую теорию, которая ответит на поставленные выше вопросы к удовлетворению почти всех, и она заменит теорию эволюции, которую мы имеем сегодня.
- Ученые увидят совершенно новый феномен, который объясняет разнообразие жизни, которое мы наблюдаем сегодня. Например, многие люди верят в креационизм . Согласно этой теории, Бог или какая-то другая сверхъестественная сила вмешивается, чтобы создать всю жизнь, которую мы видим вокруг себя. Летопись окаменелостей показывает, что сотни миллионов новых видов были созданы за сотни миллионов лет. Создание видов - это интенсивный и постоянный процесс с чрезвычайно долгой историей. Если бы ученые наблюдали за процессом сотворения, происходящим в следующий раз, когда появится новый крупный вид, они могли бы задокументировать его и понять, как он работает.
Давайте предположим, что теория эволюции в том виде, в каком она сейчас изложена, - это процесс, который действительно породил всю жизнь, которую мы видим сегодня. Возникает непреодолимый вопрос: «Что будет дальше?» Эволюция должна работать прямо сейчас. Наш вид, Homo sapiens, появился только около 40 000 лет назад. Что эволюция приготовила для людей и как это изменение проявится?
- Появится ли когда-нибудь ребенок, мозг которого будет вдвое больше обычного человеческого мозга? Если да, то каковы будут возможности этого мозга и чем он будет отличаться от мозга, наблюдаемого сегодня? Или наш мозг сейчас медленно развивается?
- Появятся ли когда-нибудь дети, у которых будет больше 23 хромосом? Если да, то каковы будут эффекты новых хромосом?
- Сможет ли человек научиться контролировать или ускорять эволюцию с помощью генной инженерии? Как только мы полностью поймем разные геномы, сможем ли мы спроектировать эволюционные шаги, которые приведут к появлению новых видов в гораздо более быстром графике? Как бы выглядели эти виды? Что бы мы сделали для них?
