Еволюция: теория, доказателства и значение в биологията

Доказателствата за еволюцията са представени в редица книги. Някои от тези доказателства са разгледани тук.

Вкаменелостите показват, че е настъпила промяна

Осъзнаването, че някои скали съдържат вкаменелости, е много важно събитие в естествената история. Тази история има три части:

1. Осъзнаване, че нещата в скалите, които изглеждат органични, всъщност са променени останки от живи същества. Това е установено през XVI и XVII в. от Конрад Геснер, Николаус Стено, Робърт Хук и други.

2. Осъзнаване, че много вкаменелости представляват видове, които не съществуват днес. Сравнителният анатом Жорж Кювие е този, който доказва, че е имало измиране и че различните пластове съдържат различни вкаменелости. ^p108

3. Осъзнаване на факта, че ранните вкаменелости са по-прости организми от по-късните вкаменелости. Също така, колкото по-късни са скалите, толкова по-подобни на съвременността са вкаменелостите.

"Най-убедителното доказателство за съществуването на еволюцията е откриването на изчезнали организми в по-стари геоложки пластове... Колкото по-стари са пластовете... толкова по-различни ще са вкаменелостите от живите представители... това може да се очаква, ако фауната и флората от по-ранните пластове постепенно са се превърнали в свои потомци. Ернст Майр ^p13

Географско разпределение

Това е тема, която е вълнувала както Чарлз Дарвин, така и Алфред Ръсел Уолъс. Когато се появяват нови видове, обикновено чрез разделяне на по-стари видове, това се случва на едно място в света. След като се установи, новият вид може да се разпространи на някои места, но не и на други.

Австралазия

Австралазия е била отделена от другите континенти в продължение на много милиони години. В основната част на континента, Австралия, 83% от бозайниците, 89% от влечугите, 90% от рибите и насекомите и 93% от земноводните са ендемични. Местните бозайници са предимно торбести, като кенгуру, бандикоот и куоли. За разлика от тях, днес торбестите животни напълно липсват в Африка и съставляват малка част от фауната на бозайниците в Южна Америка, където се срещат опосуми, шипоопашати опосуми и монито дел монте (вж. Голямата американска размяна).

Единствените живи представители на примитивните яйценосни бозайници (еднокопитните) са ехидните и платипусите. Те се срещат само в Австралазия, която включва Тасмания, Нова Гвинея и остров Кенгуру. Тези еднокопитни напълно отсъстват в останалата част на света. От друга страна, в Австралия липсват много групи плацентни бозайници, които са разпространени на другите континенти (месоядни, членестоноги, шипоопашати, катерици, лагоморфи), въпреки че има местни прилепи и гризачи, които са се появили по-късно.

Еволюционната история е, че плацентарните бозайници са се развили в Евразия и са унищожили торбестите и еднокопитните, където са се разпространили. Те са достигнали до Австралазия едва наскоро. Това е простата причина, поради която в Австралия се срещат повечето торбести и всички еднокопитни в света.

Еволюция на конете

Еволюцията на семейство коне (Equidae) е добър пример за начина, по който работи еволюцията. Най-старият фосил на кон е на около 52 милиона години. Това е било малко животно с пет пръста на предните крака и четири на задните. По онова време в света е имало повече гори, отколкото днес. Този кон е живял в горите, като е ял листа, ядки и плодове с простите си зъби. Бил е голям колкото лисица.

Преди около 30 милиона години светът започва да става по-хладен и по-сух. Горите намаляват, тревните площи се разширяват, а конете се променят. Те се хранели с трева, станали по-големи и бягали по-бързо, защото трябвало да се спасяват по-бързо от хищници. Тъй като тревата износва зъбите, конете с по-дълготрайни зъби имали предимство.

През по-голямата част от този дълъг период от време са съществували няколко вида (рода) коне. Сега обаче съществува само един род: съвременният кон Equus. Той има зъби, които растат през целия му живот, копита на единични пръсти, големи дълги крака за бягане, а животното е достатъчно голямо и силно, за да оцелее в откритата равнина. Конете са живели в Западна Канада допреди 12 000 години, но всички коне в Северна Америка са изчезнали преди около 11 000 години. Причините за това изчезване все още не са изяснени. Предполага се, че това са климатичните промени и прекомерният лов от страна на хората.

Така че учените могат да видят, че са настъпили промени. Те са се случили бавно и за дълъг период от време. Начинът, по който са настъпили тези промени, се обяснява с теорията за еволюцията.

Хавайска дрозофила (плодови мушици)

На площ от около 6500 кв. мили (17 000 км ) на ²Хавайските острови се намира най-разнообразната колекция от мухи дрозофили в света, които живеят от дъждовните гори до планинските ливади. Известни са около 800 вида хавайски плодови мушици.

Генетичните данни показват, че всички местни видове плодови мушици на Хаваите произлизат от един-единствен прародителски вид, който е дошъл на островите преди около 20 милиона години. По-късно адаптивната радиация се дължи на липсата на конкуренция и голямото разнообразие от свободни ниши. Въпреки че е възможно една бременна женска да колонизира остров, по-вероятно е това да е била група от един и същи вид.

Разпространение на Glossopteris

Комбинацията от континентален дрейф и еволюция може да обясни това, което се открива във фосилните записи. Glossopteris е изчезнал вид семенна папрат от пермския период на древния суперконтинент Гондвана.

Вкаменелости от Glossopteris са открити в пермски пластове в югоизточната част на Южна Америка, югоизточна Африка, цял Мадагаскар, северна Индия, цяла Австралия, цяла Нова Зеландия и разпръснати по южните и северните краища на Антарктида.

През пермския период тези континенти са свързани в Гондвана. Това е известно от магнитните ивици в скалите, други разпределения на вкаменелости и ледникови драскотини, сочещи към умерения климат на Южния полюс през перм. ^p103

Общ произход

Когато биолозите разглеждат живите организми, те виждат, че животните и растенията принадлежат към групи, които имат нещо общо помежду си. Чарлз Дарвин обяснява, че това е естествено, ако "допуснем общия произход на сродните форми, както и тяхното изменение чрез вариации и естествен подбор". ^p402p456

Например, всички насекоми са родствени. Те имат общ основен план на тялото, чието развитие се контролира от главни регулаторни гени. Те имат шест крака; имат твърди части от външната страна на тялото (екзоскелет); имат очи, образувани от много отделни камери, и т.н. Биолозите обясняват това с еволюцията. Всички насекоми са потомци на група животни, живели преди много време. Те все още запазват основния план (шест крака и т.н.), но детайлите се променят. Сега те изглеждат различно, защото са се променили по различни начини: това е еволюцията.

Именно Дарвин пръв изказва предположението, че целият живот на Земята има един-единствен произход и от това начало са се развили и се развиват "безкрайни форми, най-красиви и най-прекрасни".^p490 Доказателствата от молекулярната биология през последните години подкрепят идеята, че всички живи организми са свързани по пътя на общия произход.

Вестигиални структури

Силно доказателство за общ произход са рудиментарните структури.^p397 Безполезните крила на нелетящите бръмбари са запечатани под срастнали се крилни капаци. Това може просто да се обясни с произхода им от прародителите бръмбари, които са имали работещи крила. ^p49

Рудиментарните части на тялото, които са по-малки и с по-проста структура от съответните части на предците, се наричат рудиментарни органи. Тези органи са били функционални в предците, но сега са или нефункционални, или са адаптирани към нова функция. Примери за това са тазовите пояси на китовете, халтерите (задните крила) на мухите, крилата на нелетящите птици, както и листата на някои ксерофити (напр. кактуси) и паразитни растения (напр. усойница).

Въпреки това, първоначалната функция на рудигиалните структури може да бъде заменена с друга. Например халтериите при мухите помагат за балансиране на насекомото по време на полет, а крилата на щраусите се използват при ритуалите за чифтосване и при агресивни прояви. Ушните костици при бозайниците са бивши кости на долната челюст.

"Рудиментарните органи ясно заявяват своя произход и значение..." (стр. 262). "Рудиментарните органи... са свидетелство за предишно състояние на нещата и са се запазили единствено благодарение на силата на унаследяването... далеч не представляват трудност, както със сигурност е при старата доктрина за сътворението, а дори биха могли да бъдат предвидени в съответствие с обяснените тук възгледи" (стр. 402). Чарлз Дарвин.

През 1893 г. Робърт Видерсхайм публикува книга за човешката анатомия и нейното значение за еволюционната история на човека. Тази книга съдържа списък с 86 човешки органа, които той смята за остарели. Списъкът включва примери като апендикса и третите моларни зъби (зъби на мъдростта).

Друг пример е силната хватка на бебето. Това е рудиментарен рефлекс, остатък от миналото, когато предчовешките бебета са се вкопчвали в косите на майките си, докато те са се люлеели по дърветата. Това се потвърждава от крачетата на бебетата, които се свиват, когато то е седнало (бебетата на приматите също се захващат с крачетата). Всички примати, с изключение на съвременния човек, имат гъсти косми по тялото, за които бебето може да се хване, за разлика от съвременния човек. Рефлексът на хващане позволява на майката да избегне опасност, като се изкачи на дърво, използвайки и ръцете, и краката си.

Вестигиалните органи често са подложени на селекция срещу тях. Първоначалните органи са изисквали ресурси, понякога огромни ресурси. Ако те вече нямат функция, намаляването на размера им подобрява физическата форма. Има и преки доказателства за селекция. Някои пещерни ракообразни се размножават по-успешно с по-малки очи, отколкото тези с по-големи. Възможно е това да се дължи на факта, че нервната тъкан, която се занимава със зрението, сега е на разположение за работа с други сетивни сигнали. ^p310

Ембриология

Още от XVIII в. е известно, че ембрионите на различните видове са много по-сходни от възрастните. По-специално, някои части на ембрионите отразяват еволюционното им минало. Например ембрионите на сухоземните гръбначни животни развиват хрилни цепнатини като ембрионите на рибите. Разбира се, това е само временен етап, който дава началото на много структури в шията на влечугите, птиците и бозайниците. Протохрилните процепи са част от сложна система на развитие: ето защо те се запазват.

Друг пример са ембрионалните зъби на китовете. По-късно те се губят. Филтърът на китовете се развива от различна тъкан, наречена кератин. Ранните фосили на китовете с бели дробове всъщност са имали зъби, както и бели дробове.

Добър пример за това е барнакът. Минават много векове, преди естествоизпитателите да открият, че скакалците са ракообразни. Възрастните им екземпляри изглеждат толкова различни от другите ракообразни, но ларвите им са много подобни на тези на другите ракообразни.

Изкуствен подбор

Чарлз Дарвин е живял в свят, в който животновъдството и опитомените култури са били жизненоважни. И в двата случая фермерите са подбирали за разплод индивиди с особени качества и са предотвратявали размножаването на индивиди с по-малко желани характеристики. През XVIII и началото на XIX век се наблюдава развитие на научното земеделие и изкуственото развъждане е част от него.

Дарвин разглежда изкуствения подбор като модел за естествения подбор в първото издание на своя труд "За произхода на видовете" от 1859 г., в глава IV: Естествен подбор:

"Въпреки че процесът на селекция може да бъде бавен, ако слабият човек може да направи много със силата на изкуствения си подбор, не виждам ограничение за размера на промяната, която може да бъде извършена в дълъг период от време чрез силата на селекцията на природата".^p109

Николай Вавилов показва, че ръжта, която първоначално е била плевел, се е превърнала в културно растение чрез непреднамерен подбор. Ръжта е по-издръжливо растение от пшеницата: тя оцелява при по-сурови условия. След като се превърнала в растение като пшеницата, ръжта успяла да се превърне в културно растение в суровите райони, като хълмове и планини.

Няма реална разлика в генетичните процеси, които са в основата на изкуствения и естествения подбор, а концепцията за изкуствения подбор е използвана от Чарлз Дарвин като илюстрация на по-широкия процес на естествения подбор. Съществуват практически различия. Експерименталните изследвания на изкуствения подбор показват, че "скоростта на еволюцията при експериментите за подбор е поне два порядъка (т.е. 100 пъти) по-голяма от която и да е скорост, наблюдавана в природата или във фосилните записи". ^p157

Изкуствени нови видове

Някои смятат, че изкуственият подбор не може да доведе до появата на нови видове. Сега изглежда, че може.

Нови видове са създадени чрез отглеждане на домашни животни, но подробностите не са известни или не са ясни. Например домашните овце са създадени чрез хибридизация и вече не дават жизнеспособно потомство с Ovis orientalis, един от видовете, от които произхождат. От друга страна, домашните говеда могат да се считат за един и същ вид с няколко разновидности на дивите волове, гаур, як и т.н., тъй като лесно произвеждат плодовито потомство с тях.

Най-добре документираните нови видове са резултат от лабораторни експерименти в края на 80-те години на миналия век. Уилям Райс и Г. У. Солт отглеждат плодови мушици, Drosophila melanogaster, като използват лабиринт с три различни варианта на местообитание, като светло/тъмно и влажно/сухо. Всяко поколение било поставяно в лабиринта, а групите мухи, които излизали от два от осемте изхода, били отделяни, за да се размножават помежду си в съответните групи.

След тридесет и пет поколения двете групи и тяхното потомство бяха изолирани в репродуктивно отношение поради силните им предпочитания към местообитанията: те се чифтосваха само в предпочитаните от тях области и не се чифтосваха с мухи, които предпочитаха други области.

Даян Дод също така успя да покаже как репродуктивната изолация може да се развие от предпочитанията за чифтосване при плодовите мушици Drosophila pseudoobscura само след осем поколения, използвайки различни видове храна - нишесте и малтоза.

Експериментът на Дод лесно се повтаря от други. Опитът е направен и с други плодови мушици и храни.

Наблюдаеми промени

Някои биолози твърдят, че еволюцията е настъпила, когато даден генетично обусловен признак се среща по-често или по-рядко в група организми. Други наричат еволюция появата на нови видове.

Промените в по-малките и по-прости организми могат да настъпят бързо. Например много бактерии, които причиняват болести, вече не могат да бъдат убити с някои от антибиотичните лекарства. Тези лекарства се използват едва от около осемдесет години и в началото са действали изключително добре. Бактериите са еволюирали така, че вече не се влияят от антибиотиците. Лекарствата убиват всички бактерии с изключение на няколко, които имат известна резистентност. Тези няколко резистентни бактерии създали следващото поколение.

Колорадският бръмбар е известен със способността си да устоява на пестициди. През последните 50 години той е станал устойчив на 52 химически съединения, използвани в инсектицидите, включително цианид. Това е естествен подбор, ускорен от изкуствените условия. Не всяка популация обаче е устойчива на всички химикали. Популациите стават устойчиви само на химикали, използвани в техния район.

Въпреки че през XVIII в. редица естествоизпитатели са имали някаква представа за еволюцията, първите добре оформени идеи се появяват през XIX в. Най-важни са трима биолози.

Ламарк

Френският биолог Жан-Батист дьо Ламарк (1744-1829 г.) твърди, че животните се променят в съответствие с природните закони. Той твърди, че животните могат да предават на потомството си признаци, които са придобили през живота си, чрез наследяване. Днес теорията му е известна като ламаркизъм. Нейната основна цел е да обясни адаптациите по естествен път. Той предлага тенденцията организмите да стават все по-сложни, движейки се нагоре по стълбата на прогреса, плюс използването и неизползването.

Идеята на Ламарк е, че шията на жирафа се удължава, защото той се опитва да достигне по-високо. Тази идея се проваля, защото противоречи на наследствеността (работата на Мендел). Мендел прави своите открития около половин век след работата на Ламарк.

Дарвин

Чарлз Дарвин (1809-1882) написва своя труд "За произхода на видовете" през 1859 г. В тази книга той представя много доказателства за това, че еволюцията е настъпила. Освен това той предлага естествения подбор като начин, по който е протекла еволюцията. Но Дарвин не е разбирал от генетика и как всъщност се предават признаците. Той не е могъл да обясни с точност какво кара децата да приличат на родителите си.

Въпреки това обяснението на Дарвин за еволюцията в основата си е правилно. За разлика от Ламарк, идеята на Дарвин е, че шията на жирафа е станала по-дълга, защото хората с по-дълги шии оцеляват по-добре.^p177/9 Тези оцелели са предали гените си нататък и с времето целият вид се е сдобил с по-дълги шии.

Уолъс

Алфред Ръсел Уолъс OM FRS (1823-1913) е британски естествоизпитател, изследовател, биолог и социален активист. Той предлага теорията за естествения подбор приблизително по същото време като Дарвин. Идеята му е публикувана през 1858 г. заедно с тази на Чарлз Дарвин.

Мендел

Австрийският монах Грегор Мендел (1822-1884 г.) отглежда растения. В средата на XIX век той открива как се предават признаците от едно поколение на друго.

Той използва грах за своите експерименти: някои грахове имат бели цветове, а други - червени. Някои грахове имат зелени, а други - жълти семена. Мендел използвал изкуствено опрашване, за да размножи граха. Резултатите му са разгледани допълнително в "Менделеевото наследяване". Дарвин смятал, че наследството от двамата родители се смесва. Мендел доказал, че гените от двамата родители остават отделни и могат да се предават непроменени на следващите поколения.

Мендел публикува резултатите си в списание, което не е било добре известно, и откритията му са били пренебрегнати. Около 1900 г. работата му е открита отново. Гените са части от информация, съставени от ДНК, които работят като набор от инструкции. Във всяка жива клетка има набор от гени. Заедно гените организират начина, по който яйцеклетката се превръща във възрастен човек. При бозайниците и много други живи същества едно копие от всеки ген идва от бащата, а друго - от майката. Някои живи организми, включително някои растения, имат само един родител, така че получават всичките си гени от него. Тези гени създават генетичните различия, върху които действа еволюцията.

Книгата на Дарвин "За произхода на видовете" има две теми: доказателствата за еволюцията и идеите му за начина, по който тя се е осъществила. В този раздел е разгледан вторият въпрос.

Вариация

Първите две глави на "Произход" се занимават с вариациите при опитомените растения и животни и с вариациите в природата.

Всички живи организми се различават. Всяка популация, която е била изследвана, показва, че животните и растенията се различават толкова, колкото и хората.^p90 Това е велик факт в природата и без него еволюцията не би могла да се случи. Дарвин казва, че както човекът подбира това, което иска, в своите селскостопански животни, така и в природата вариациите позволяват на естествения подбор да работи.

Характеристиките на индивида се влияят от две неща - наследственост и околна среда. Първо, развитието се контролира от гените, унаследени от родителите. Второ, животът носи своите собствени влияния. Някои неща се унаследяват изцяло, други частично, а трети изобщо не се унаследяват.

Цветът на очите се предава изцяло по наследство - той е генетична характеристика. Височината или теглото се унаследяват само отчасти, а езикът изобщо не се унаследява. Само за да уточним: фактът, че хората могат да говорят, е наследствен, но какъв език се говори, зависи от това къде живее човек и на какво е научен. Друг пример: човек наследява мозък с донякъде променлив капацитет. Това, което се случва след раждането, зависи от много неща, като например домашната среда, образованието и други преживявания. Когато човек е възрастен, мозъкът му е такъв, какъвто са го направили наследството и житейският му опит.

Еволюцията се отнася само до признаците, които могат да бъдат унаследени изцяло или частично. Наследствените белези се предават от едно поколение на друго чрез гените. Гените на човека съдържат всички черти, които той наследява от своите родители. Случайностите в живота не се предават. Освен това, разбира се, всеки човек живее малко по-различен живот: това увеличава различията.

Организмите във всяка популация се различават по отношение на репродуктивния си успех.^p81 От гледна точка на еволюцията "репродуктивен успех" означава общият брой на потомството, което доживява до размножаване и оставя потомство.

Наследена вариация

Вариацията може да засегне бъдещите поколения само ако е унаследена. Благодарение на работата на Грегор Мендел знаем, че голяма част от вариациите се унаследяват. Факторите на Мендел сега се наричат гени. Изследванията показват, че почти всеки индивид от полово размножаващ се вид е генетично уникален. ^p204

Генетичната вариация се увеличава чрез генни мутации. ДНК не винаги се възпроизвежда точно. Настъпват редки промени, които могат да бъдат унаследени. Много промени в ДНК причиняват дефекти; някои са неутрални или дори благоприятни. Така се появява генетичната вариация, която е семенният конус на еволюцията. Половото размножаване чрез кръстосване на хромозомите по време на мейозата разпространява вариациите в популацията. Други събития, като естествения подбор и дрейфа, намаляват вариациите. Така че една популация в природата винаги има вариации, но детайлите винаги се променят. ^p90

Естествен подбор

Еволюцията се осъществява главно чрез естествен подбор. Какво означава това? Животните и растенията, които са най-подходящи за средата, оцеляват средно по-добре. Съществува борба за съществуване. Тези, които оцелеят, създават следващото поколение. Техните гени ще бъдат предадени, а гените на тези, които не са се възпроизвели, няма да бъдат предадени. Това е основният механизъм, който променя популацията и предизвиква еволюцията.

Естественият подбор обяснява защо живите организми се променят с течение на времето, за да придобият анатомията, функциите и поведението, които имат. Той работи по следния начин:

1. Всички живи същества имат такава плодовитост, че броят на популациите им може да се увеличава бързо до безкрай.
2. Виждаме, че размерът на популациите не се увеличава в тази степен. В повечето случаи броят им остава приблизително същият.
3. Храната и другите ресурси са ограничени. Затова има конкуренция за храна и ресурси.
4. Няма двама души, които да си приличат. Затова те няма да имат еднакви шансове да живеят и да се възпроизвеждат.
5. Голяма част от тези вариации могат да бъдат унаследени. Родителите предават тези черти на децата чрез своите гени.
6. Следващото поколение може да дойде само от тези, които оцелеят и се възпроизведат. След много такива поколения популацията ще има повече полезни генетични различия и по-малко вредни. Естественият подбор всъщност е процес на елиминиране.^p117 Елиминирането се дължи на относителното съответствие между индивидите и средата, в която живеят.

Селекция в естествени популации

Вече има много случаи, в които е доказано, че естественият подбор се проявява в дивите популации. Почти всеки изследван случай на камуфлаж, мимикрия и полиморфизъм показва силни ефекти на селекция.

Силата на селекцията може да бъде много по-силна, отколкото са смятали първите популационни генетици. Устойчивостта към пестициди нараства бързо. Резистентността към варфарин при норвежките плъхове (Rattus norvegicus) нараствала бързо, защото оцелелите съставлявали все по-голяма част от популацията. Изследванията показват, че при отсъствието на варфарин резистентният хомозигот е в 54% по-неблагоприятно положение от нормалния хомозигот от дивия тип.^p182 Този голям недостатък бързо е преодолян чрез селекция за устойчивост към варфарин.

Бозайниците обикновено не могат да пият мляко като възрастни, но хората са изключение. Млякото се усвоява от ензима лактаза, който се изключва, когато бозайниците престанат да приемат мляко от майките си. Способността на хората да пият мляко в зряла възраст се дължи на мутация на лактазата, която предотвратява това изключване. Човешките популации имат висок процент на тази мутация навсякъде, където млякото е важно в диетата. Разпространението на тази "толерантност към млякото" се насърчава от естествения подбор, тъй като помага на хората да оцелеят там, където има мляко. Генетичните изследвания показват, че най-старите мутации, причиняващи устойчивост на лактазата, са достигнали високи нива в човешките популации едва през последните десет хиляди години. Затова устойчивостта на лактазата често се посочва като пример за скорошна човешка еволюция. Тъй като устойчивостта на лактазата е генетична, а животновъдството е културна черта, това е генно-културна коеволюция.

Адаптация

Адаптацията е едно от основните явления в биологията. Чрез процеса на адаптация организмът става по-приспособим към средата, в която живее.

Адаптацията е един от двата основни процеса, които обясняват разнообразието на видовете, които наблюдаваме в биологията. Другият е видообразуването (разделяне на видовете или кладогенеза). Любим пример, използван днес за изучаване на взаимодействието между адаптацията и видообразуването, е еволюцията на рибите цихлиди в африканските реки и езера.

Когато се говори за адаптация, често се има предвид нещо, което помага на дадено животно или растение да оцелее. Една от най-разпространените адаптации при животните е еволюцията на окото. Друг пример е адаптацията на зъбите на конете за смилане на трева. Камуфлажът е друга адаптация, както и мимикрията. По-добре приспособените животни имат най-голяма вероятност да оцелеят и да се възпроизвеждат успешно (естествен подбор).

Добър пример за това е вътрешният паразит (например гризач): той има много проста телесна структура, но въпреки това организмът е силно адаптиран към конкретната среда. От това се вижда, че адаптацията не е само въпрос на видими белези: при такива паразити критичните адаптации се осъществяват в жизнения цикъл, който често е доста сложен.

Ограничения

Не всички характеристики на даден организъм са адаптации.^p251 Адаптациите обикновено отразяват миналия живот на вида. Ако даден вид наскоро е променил начина си на живот, някогашната ценна адаптация може да стане безполезна и в крайна сметка да се превърне в намаляваща следа.

Адаптациите никога не са съвършени. Винаги има компромиси между различните функции и структури в тялото. Организмът като цяло е този, който живее и се възпроизвежда, затова пълният набор от адаптации се предава на следващите поколения.

Генетичен дрейф и неговото въздействие

В популациите има сили, които добавят вариации към популацията (например мутация), и сили, които ги премахват. Генетичният дрейф е наименованието на случайните промени, които премахват вариациите в популацията. Генетичният дрейф премахва вариациите със скорост 1/(2N), където N = размерът на популацията.^p29 Следователно той е "много слаба еволюционна сила в големи популации". ^p55

Генетичният дрейф обяснява как случайността може да повлияе на еволюцията по изненадващо голям начин, но само когато популациите са доста малки. Като цяло действието му се изразява в това, че индивидите стават по-подобни един на друг и следователно са по-уязвими към болести или случайни събития в околната среда.

1. Дрейфът намалява генетичната вариация в популациите, което потенциално намалява способността на популацията да оцелява при нов селективен натиск.
2. Генетичният дрейф действа по-бързо и има по-драстични резултати в по-малките популации. Малките популации обикновено изчезват.
3. Генетичният дрейф може да допринесе за видообразуването, ако малката група оцелее.
4. Събития на "ботълнек": когато голяма популация внезапно и драстично намалее по размер поради някакво събитие, генетичното разнообразие ще бъде много намалено. Често срещани причини са инфекциите и екстремните климатични събития. Понякога инвазиите на по-конкурентни видове могат да бъдат опустошителни.
    ♦ През 1880/90 г. ловът намалява числеността на северния слонски тюлен до едва около 20 индивида. Въпреки че популацията се е възстановила, генетичната ѝ изменчивост е много по-малка от тази на южния слонски тюлен.
   ♦ Гепардите имат много малка изменчивост. Смятаме, че видът е бил редуциран до малък брой в някакъв скорошен момент. Тъй като му липсва генетична вариативност, той е застрашен от инфекциозни заболявания.
5. Събития на основателите: те се случват, когато малка група се отделя от по-голяма популация. След това малката група живее отделно от основната популация. Често се посочва, че човешкият вид е преминал през такива етапи. Например, когато групи напускат Африка, за да се установят другаде (вж. Еволюция на човека). Очевидно при нас вариациите са по-малко, отколкото би се очаквало от разпространението ни по света.
    Добри примери са и групите, които пристигат на острови, отдалечени от континента. Тези групи, поради малкия си размер, не могат да носят пълния набор от алели, които се срещат в родителската популация.

Видове

Формирането на видовете е основна част от еволюционната биология. Дарвин тълкува "еволюцията" (дума, която той първоначално не използва) като свързана с видообразуването. Ето защо той нарича известната си книга "За произхода на видовете".

Дарвин смята, че повечето видове са възникнали директно от вече съществуващи видове. Това се нарича анагенеза: нови видове чрез промяна на по-стари видове. Сега смятаме, че повечето видове възникват чрез разделяне на предишни видове: кладогенеза.

Разделяне на видовете

Две групи, които започват по един и същи начин, могат да станат много различни, ако живеят на различни места. Когато един вид се раздели на два географски региона, започва процес. Всеки от тях се адаптира към собствената си ситуация. След известно време индивидите от едната група вече не могат да се възпроизвеждат с другата група. От един вид са се развили два добри вида.

Немският изследовател Мориц Вагнер изучава нелетящите бръмбари по време на тригодишния си престой в Алжир през 30-те години на XIX век. Всеки от видовете е ограничен в участък от северното крайбрежие между реките, които се спускат от Атласките планини към Средиземно море. Щом се пресече река, се появява различен, но близкородствен вид. По-късно той пише:

"... [нов] вид ще [възникне] само когато няколко индивида [пресекат] границите на своя ареал... формирането на нова раса никога няма да успее... без продължително отделяне на колонистите от останалите представители на техния вид".

Това е ранно доказателство за значението на географското разделение. Друг биолог, който е смятал, че географското разделение е от решаващо значение, е Ернст Майр.

Един пример за естествено видообразуване е трипръстият скобар - морска риба, която след последния ледников период навлиза в сладководните води и създава колонии в изолирани езера и потоци. В продължение на около 10 000 поколения стикбекът показва големи разлики, включително вариации на перките, промени в броя или размера на костните му пластинки, променлива структура на челюстите и разлики в цвета.

Австралийските вомбати се делят на две основни групи - обикновени вомбати и космати вомбати. Двата вида си приличат много, с изключение на космената покривка на носа. Въпреки това те са приспособени към различни условия на живот. Обикновените вомбати живеят в гористи местности и се хранят предимно със зелена храна с много влага. Те често се хранят през деня. Косматите вомбати живеят в горещи и сухи равнини, където се хранят със суха трева, в която има много малко вода и хранителни вещества. Метаболизмът им е бавен и те спят през по-голямата част от деня под земята.

Когато две групи, които в началото са били еднакви, станат достатъчно различни, тогава те се превръщат в два различни вида. Част от теорията за еволюцията е, че всички живи същества са започнали по един и същи начин, но след това са се разделили на различни групи в продължение на милиарди години.

Това е важно движение в еволюционната биология, което започва през 30-те години на миналия век и завършва през 50-те години. Оттогава насам то се актуализира редовно. Синтезът обяснява как идеите на Чарлз Дарвин се съчетават с откритията на Грегор Мендел, който установява как унаследяваме гените си. Модерният синтез осъвременява идеята на Дарвин. Той преодолява различията между различните видове биолози: генетици, естествоизпитатели и палеонтолози.

Когато е била разработена теорията за еволюцията, не е било ясно дали естественият подбор и генетиката работят заедно. Но Роналд Фишър показва, че естественият подбор работи за промяна на видовете. През 1931 г. Сюъл Райт обяснява генетичния дрейф.

• Еволюция и генетика: еволюцията може да бъде обяснена с това, което знаем за генетиката, и с това, което виждаме при животните и растенията, живеещи в дивата природа.
• Важно е да се мисли за популации, а не за отделни хора. Генетичното разнообразие, съществуващо в естествените популации, е ключов фактор за еволюцията.
• Еволюция и вкаменелости: същите фактори, които действат днес, са действали и в миналото.
• Градуализъм: еволюцията е постепенна и обикновено протича с малки стъпки. Съществуват някои изключения от това правило, особено полиплоидията, особено при растенията.
• Естествен подбор: борбата за съществуване на животните и растенията в дивата природа е причина за естествения подбор. Силата на естествения подбор в дивата природа е по-голяма, отколкото дори Дарвин е очаквал.
• Генетичният дрейф може да бъде важен при малки популации.
• Скоростта на еволюцията може да варира. Има много добри доказателства от вкаменелости, че различните групи могат да еволюират с различна скорост и че различните части на едно животно могат да еволюират с различна скорост.^{p292, 397}

Съвместна еволюция

Коеволюцията е налице, когато съществуването на един вид е тясно свързано с живота на един или повече други видове.

Новите или "подобрени" адаптации, които се появяват при един вид, често са последвани от появата и разпространението на свързани с тях характеристики при други видове. Животът и смъртта на живите същества са тясно свързани не само с физическата среда, но и с живота на други видове.

Тези взаимоотношения могат да продължат милиони години, както е при опрашването на цъфтящите растения от насекоми. Съдържанието на червата, структурата на крилата и устните части на вкаменени бръмбари и мухи предполагат, че те са действали като ранни опрашители. Връзката между бръмбарите и покритосеменните растения през периода долна креда е довела до паралелно излъчване на покритосеменните растения и насекомите в края на кредата. Еволюцията на нектарниците в цветята от горна креда сигнализира за началото на взаимното влияние между хименоптерите и покритосеменните растения.

Дървото на живота

Чарлз Дарвин е първият, който използва тази метафора в биологията. Еволюционното дърво показва връзките между различните биологични групи. То включва данни от анализа на ДНК, РНК и протеини. Работата по дървото на живота е продукт на традиционната сравнителна анатомия и на съвременните изследвания на молекулярната еволюция и молекулярния часовник.

Основната фигура в тази работа е Карл Уес, който определя археите - третата област (или царство) на живота. По-долу е представена опростена версия на съвременното разбиране.

Макроеволюция

Макроеволюция: изучаване на промените над нивото на видовете и начина, по който те се случват. Основните данни за такова изследване са вкаменелостите (палеонтология) и реконструкцията на древни среди. Някои предмети, чието изучаване попада в сферата на макроеволюцията:

• Адаптивна радиация, например Камбрийската експлозия.
• Промени в биоразнообразието във времето.
• Масови измирания.
• Видообразуване и скорост на изчезване.
• Дебатът между пунктираното равновесие и постепенността.
• Ролята на развитието за формиране на еволюцията: хетерохрония; hox гени.
• Произход на основните категории: яйцеклетка; произход на птиците.

Това е удобен термин: за повечето биолози той не предполага никаква промяна в процеса на еволюция.^p87 За някои палеонтолози това, което виждат във фосилните записи, не може да се обясни само с постепенния еволюционен синтез. Те са в малцинство.

Алтруизъм и групов подбор

Алтруизмът - готовността на едни да се жертват за други - е широко разпространен сред социалните животни. Както беше обяснено по-горе, следващото поколение може да произлезе само от тези, които оцеляват и се възпроизвеждат. Някои биолози са смятали, че това означава, че алтруизмът не може да еволюира чрез нормалния процес на подбор. Вместо това беше предложен процес, наречен "групов подбор". Груповият подбор се отнася до идеята, че алелите могат да се фиксират или разпространят в популацията поради ползите, които предоставят на групите, независимо от ефекта на алелите върху физическата годност на индивидите в тази група.

В продължение на няколко десетилетия критиците поставяха под сериозно съмнение груповия подбор като основен механизъм на еволюцията.

В простите случаи веднага може да се види, че традиционният подбор е достатъчен. Например, ако един брат или сестра се жертва за трима братя или сестри, генетичната нагласа за този акт ще се увеличи. Това е така, защото братята и сестрите споделят средно 50% от генетичното си наследство и жертвеният акт е довел до по-голямо представяне на гените в следващото поколение.

Алтруизмът вече се разглежда като резултат от стандартния подбор. Предупреждението на Ернст Майр и работата на Уилям Хамилтън са важни за тази дискусия.

Уравнението на Хамилтън

Уравнението на Хамилтън описва дали генът за алтруистично поведение ще се разпространи в дадена популация. Генът ще се разпространи, ако rxb е по-голям от c:

r b > c {\displaystyle rb>c\ }

където:

• c {\displaystyle c\ } е репродуктивната цена за алтруиста,
• b {\displaystyle b\ } е репродуктивната полза за получателя на алтруистичното поведение, и
• r {\displaystyle r\ } е вероятността, над средната за популацията, индивидите да споделят алтруистичен ген - "степента на родство".

Полово размножаване

На пръв поглед сексуалното размножаване може да изглежда в по-неблагоприятно положение в сравнение с безполовото размножаване. За да бъде изгодно, сексуалното размножаване (кръстосано оплождане) трябва да преодолее двоен недостатък (за размножаването са необходими двама) плюс трудността да се намери партньор. Защо тогава сексът е почти универсален сред еукариотите? Това е един от най-старите въпроси в биологията.

Отговорът е даден още по времето на Дарвин: защото сексуалните популации се адаптират по-добре към променящите се обстоятелства. Неотдавнашен лабораторен експеримент показва, че това наистина е правилното обяснение.

"Когато популациите се кръстосват, се получава генетична рекомбинация между различните родителски геноми. Това позволява на полезните мутации да избегнат вредните алели на първоначалния фон и да се комбинират с други полезни алели, които възникват на други места в популацията. В популациите, които се самоопрашват, индивидите са предимно хомозиготни и рекомбинацията няма ефект".

При основния експеримент нематодните червеи бяха разделени на две групи. Едната група беше изцяло outcrossing, а другата - изцяло selfing. Групите са били подложени на пресечен терен и многократно са били подлагани на въздействието на мутаген. След 50 поколения популацията на самокръстосващите се червеи показа значителен спад в пригодността (= оцеляване), докато популацията на кръстосващите се червеи не показа спад. Това е едно от редица изследвания, които показват, че сексуалността има реални предимства пред несексуалните видове размножаване.

Важна дейност е изкуственият подбор за опитомяване. Тогава хората избират животни, които да размножават, въз основа на техните качества. Хората са го използвали в продължение на хиляди години, за да опитомяват растения и животни.

Напоследък е възможно да се използва генно инженерство. Вече са достъпни нови техники, като например "насочване на гени". Целта е да се вмъкнат нови гени или да се изключат стари гени от генома на растение или животно. За тази дейност вече са присъдени няколко Нобелови награди.

Истинската цел на изучаването на еволюцията обаче е да се обясни и да се подпомогне разбирането ни за биологията. В края на краищата тя е първото добро обяснение на това как живите същества са се появили такива, каквито са. Това е голямо постижение. Практическите неща идват най-вече от генетиката, науката, започната от Грегор Мендел, и от молекулярната и клетъчната биология.

През 2010 г. списание Nature избра 15 теми за "скъпоценни камъни на еволюцията". Това са:

Скъпоценни камъни от фосилната история

1. Предци на китовете, живеещи на сушата
2. От вода на суша (вж. тетрапод)
3. Произход на перата (вж. произход на птиците)
4. Еволюционната история на зъбите
5. Произход на скелета на гръбначните животни

Скъпоценни камъни от местообитанията

1. Естествен подбор при видообразуването
2. Естествен подбор при гущерите
3. Случай на съвместна адаптация
4. Диференцирано разпръскване при дивите птици
5. Селективно оцеляване при дивите гупи
6. Еволюционната история има значение

Скъпоценни камъни от молекулярните процеси

1. Галапагоските финки на Дарвин
2. Микроеволюцията среща макроеволюцията
3. Устойчивост към токсини при змии и миди
4. Вариации срещу стабилност

• Nature е най-старото научно седмично списание. Връзката се изтегля като свободен текстов файл, пълен с препратки. Идеята е информацията да бъде достъпна за учителите.

Дебати за факта на еволюцията

Идеята, че целият живот е еволюирал, е предложена още преди Чарлз Дарвин да публикува "За произхода на видовете". Дори и днес някои хора продължават да обсъждат концепцията за еволюцията и какво означава тя за тях, за тяхната философия и религия. Еволюцията наистина обяснява някои неща за нашата човешка природа. Хората говорят и за социалните последици от еволюцията, например в социобиологията.

Някои хора вярват, че животът на Земята е създаден от Бог. За да съчетаят идеята за еволюцията с тази вяра, хората използват идеи като направлявана еволюция или теистична еволюция. Те казват, че еволюцията е реална, но е направлявана по някакъв начин.

Съществуват много различни концепции за теистичната еволюция. Много креационисти вярват, че митът за сътворението, който се съдържа в тяхната религия, противоречи на идеята за еволюцията. Както Дарвин осъзнава, най-спорната част от еволюционната мисъл е какво означава тя за произхода на човека.

В някои страни, особено в САЩ, съществува напрежение между хората, които приемат идеята за еволюцията, и тези, които не я приемат. Дебатът се води най-вече за това дали еволюцията трябва да се преподава в училищата и по какъв начин трябва да се прави това.

Други области, като космологията и науката за земята, също не съответстват на оригиналните текстове на много религиозни текстове. Някога тези идеи също са били обект на ожесточено противопоставяне. Смърт за ерес е заплашвала онези, които са писали срещу идеята, че Земята е център на Вселената.

Еволюционната биология е по-нова идея. Някои религиозни групи се противопоставят на идеята за еволюцията повече, отколкото други религиозни групи. Например Римокатолическата църква сега има следната позиция по отношение на еволюцията: Папа Пий XII казва в своята енциклика Humani Generis, публикувана през 50-те години на ХХ век:

"Църквата не забранява (...) да се провеждат изследвания и дискусии (...) по отношение на доктрината за еволюцията, доколкото тя се занимава с произхода на човешкото тяло като произхождащо от съществуваща и жива материя", папа Пий XII Humani Generis

Папа Йоан Павел II актуализира тази позиция през 1996 г. Той заяви, че еволюцията е "нещо повече от хипотеза":

"В своята енциклика Humani Generis моят предшественик Пий XII вече [каза], че няма противоречие между еволюцията и доктрината на вярата относно човека и неговото призвание. (...) Днес, повече от половин век след (...) тази енциклика, някои нови открития ни водят към признаването на еволюцията като нещо повече от хипотеза. Всъщност е забележително, че тази теория има все по-голямо влияние върху духа на изследователите, следвайки поредица от открития в различни научни дисциплини", казва папа Йоан Павел II в реч пред Папската академия на науките

Англиканската общност също така не се противопоставя на научната концепция за еволюцията.

Използване на еволюцията за други цели

Много от тези, които са приели еволюцията, не са се интересували много от биология. Те се интересуваха от това да използват теорията в подкрепа на собствените си идеи за обществото.

Расизъм

Някои хора се опитват да използват еволюцията в подкрепа на расизма. Хората, които искаха да оправдаят расизма, твърдяха, че някои групи, като чернокожите, са по-нисши. В природата някои животни наистина оцеляват по-добре от други и това води до появата на животни, които са по-добре приспособени към обстоятелствата. При групите хора от различни части на света единственото, което еволюцията може да каже, е, че всяка група вероятно е добре приспособена към първоначалната си ситуация. Еволюцията не прави преценка за по-добро или по-лошо. Тя не казва, че някоя човешка група е по-добра от друга.

Евгеника

Идеята за евгениката е доста по-различна. Две неща са били забелязани още през XVIII век. Едното е големият успех на фермерите в отглеждането на добитък и земеделски култури. Те постигали това, като подбирали кои животни или растения ще създадат следващото поколение (изкуствен подбор). Другото наблюдение е, че хората от ниските класи имат повече деца от тези от висшите класи. Ако (а това е голямо "ако") висшите класи са там по заслуги, то липсата на деца при тях е точно обратното на това, което би трябвало да се случва. По-бързото размножаване в ниските класи би довело до влошаване на обществото.

Идеята за подобряване на човешкия вид чрез селективно размножаване се нарича евгеника. Името е предложено от Франсис Галтън, умен учен, който искал да прави добро. Според него човешкият запас (генофонд) трябва да бъде подобрен чрез политики на селективно развъждане. Това би означавало, че тези, които се смятат за "добри запаси", ще получават възнаграждение, ако се възпроизвеждат. Други хора обаче предлагаха тези, които се смятат за "лоши", да бъдат подлагани на задължителна стерилизация, пренатални тестове и контрол на раждаемостта. Германското нацистко правителство (1933-1945 г.) използва евгениката като прикритие за крайната си расова политика, което води до ужасяващи резултати.

Проблемът с идеята на Галтън е как да се реши кои характеристики да се изберат. Има толкова много различни умения, които хората биха могли да притежават, че не бихте могли да се споразумеете кой е "добър материал" и кой е "лош материал". По-скоро е имало съгласие по въпроса кой не трябва да се размножава. Няколко държави приеха закони за задължителна стерилизация на нежеланите групи. Повечето от тези закони са приети между 1900 и 1940 г. След Втората световна война отвращението от това, което са направили нацистите, е попречило на по-нататъшните опити за евгеника.

Проектиране на алгоритъм

Някои уравнения могат да бъдат решени с помощта на алгоритми, които симулират еволюцията. Еволюционните алгоритми работят по този начин.

Социален дарвинизъм

Друг пример за използване на идеите за еволюцията в подкрепа на социални действия е социалният дарвинизъм. Социалният дарвинизъм е термин, с който се обозначават идеите на социалния философ от XIX в. Хърбърт Спенсър. Спенсър вярва, че идеята за оцеляване на най-силните може и трябва да се прилага към търговията и човешките общества като цяло.

Някои хора отново използваха тези идеи, за да твърдят, че расизмът и безмилостната икономическа политика са оправдани. Днес повечето биолози и философи твърдят, че теорията за еволюцията не трябва да се прилага в социалната политика.

Противоречия

Някои хора не са съгласни с идеята за еволюцията. Те не са съгласни с нея по редица причини. Най-често тези причини са повлияни от или се основават на техните религиозни убеждения, а не на науката. Хората, които не са съгласни с еволюцията, обикновено вярват в креационизма или интелигентния дизайн.

Въпреки това еволюцията е една от най-успешните теории в науката. Хората са открили, че тя е полезна за различни видове изследвания. Нито едно от другите предложения не обяснява така добре неща като фосилните записи. Така че за почти всички учени еволюцията не буди съмнение.

• Еволюционна биология
• Коеволюция
• Еволюция на човека
• Адаптация
• Естествен подбор