Что такое эволюция? Как она работает? Почему обезьяны не превращаются в людей?

Что такое эволюция?

Основные принципы теории эволюции через естественный отбор сформировал Чарльз Дарвин в своем труде 1859 «О происхождении видов». Согласно ей, эволюция – это изменение различных типов растений, животных и других живых существ на Земле в результате модификаций в последующих поколениях. Теория эволюции является основой для современной биологии.

Как она происходит?

Для понимания процесса эволюции необходимо выяснить, что такое естественный отбор, адаптация и мутации.

Адаптация в биологии – это процесс, с помощью которого вид приспосабливается к окружающей среде. Организмы могут делать это разными способами: с помощью своего строения, физиологии и генетики; благодаря своим перемещением или распространением; развивая различные средства защиты и нападения и так далее.

Естественный отбор является одним из центральных механизмов эволюционных изменений и отвечает за развитие адаптационных особенностей. В результате естественного отбора выживают и размножаются наиболее приспособленные к окружающим условиям организмы, что приводит к увеличению доли полезных унаследованных характеристик в популяции от одного поколения к следующему.

Физические и поведенческие изменения, которые делают возможным естественный отбор, происходят на уровне ДНК и генов. Такие изменения называются мутациями. Они могут быть вызваны случайными ошибками при репликации или восстановлении ДНК, а также химическим или радиационным повреждением. Естественный отбор направляет эволюционный процесс, сохраняя полезные мутации. Таким образом, мутации случайны, но отбор – нет.

Немецкий биолог Эрнст Майр обобщил теорию Дарвина относительно естественного отбора, изложив ее в пяти фактах, которые можно наблюдать, и трех выводах из них.

Факты:

• Если бы все потомство вида выживало бы и размножалось, популяция неуклонно росла бы;
• Численность популяций остается примерно одинаковой после того, как они достигают определенного размера;
• Природные ресурсы ограничены;
• Особи в популяции не идентичны друг другу, они существенно различаются между собой;
• Многие характеристики являются наследственными.

Выводы:

• Существует борьба за выживание и из-за нехватки ресурсов не все потомство существует достаточно долго, чтобы размножиться;
• Некоторые особи больше приспособлены к окружающей среде, поэтому они имеют больше шансов выжить, размножиться и оставить свои наследственные черты будущим поколениям;
• Разница между способностью к выживанию и размножению у разных особей приводит к тому, что популяции меняются, чтобы адаптироваться к своей среде, и, в конечном счете, эти вариации накапливаются со временем, образуя новые виды.

Так что, все живые организмы имеют общего предка?

Да, и он получил соответствующее название – последний универсальный общий предок. На английском его называют LUCA (Last Common Universal Ancestor). В своей работе «О происхождении видов» Дарвин предположил, что «все органические существа, когда-либо живших на Земле, происходят от некой единой первоначальной формы». Позже эту теорию развили другие ученые. Согласно ей, вся существующая жизнь генетически связана. Среди доказательств, в частности, есть разные ключевые общие черты для организмов на молекулярном уровне и почти универсальность генетического кода.

Последнего универсального общего предка не следует путать с первой жизнью на Земле вообще. Этот тип организма, который мог существовать более 3,8 миллиарда лет назад, все еще имеет живых потомков. От него происходят две базовые группы живых организмов: археи и бактерии. И хотя LUCA не представлен в окаменелостях, ученые могут делать выводы о его особенностей или метаболизма на основе анализа универсальных генов современных организмов.

Но мутации – это что-то плохое?

Не обязательно. Мутации являются источником новых изменений. Они происходят с тремя возможными результатами: нейтральным, вредным и полезным. Полезные мутации могут быть редкими и давать только незначительное преимущество, но они пропорционально увеличиваются в популяции в течение многих поколений путем естественного отбора. Таким образом, естественный отбор является эффективным, ведь вызывает накопление этих самых улучшений.

Направление, в котором происходят адаптационные изменения, зависит от окружающей среды. Изменение этой среды может сделать раньше полезные черты нейтральными или даже вредными, и наоборот.

Когда закончилась эволюция?

Эволюция не является явлением прошлого. Это активный процесс, который продолжается до сих пор. Например, появляются новые штаммы гриппа или устойчивые к пестицидам виды насекомых, а бактерии изменяются под воздействием антибиотиков, вырабатывая резистентность к ним. Лабораторные эксперименты демонстрируют эволюцию в действии. Используя способности к быстрой репродукцивности вида, такие как бактерии, дрожжи и плодовые мушки, ученые показали, что изменение условий окружающей среды, в которых существуют эти организмы, может вызвать генетические изменения в популяции.

Почему же тогда обезьяны не становятся разумными?

Все приматы, живущие сегодня, прекрасно себя чувствуют в своих природных средах обитания. Обезьяны продолжают эволюционировать, но в другом направлении, чем человек. Сейчас они не нуждаются в кардинальных изменениях и в развитии мышления. Древнейшие предки человека заняли новую экологическую нишу, в которой, вероятно, было значительно меньше деревьев. Вследствие этого у них развился бипедализм – способ передвижения на задних конечностях. Шимпанзе не надо было спускаться с деревьев, поэтому их эволюция пошла другим путем.

Стоит отметить, что в эволюции не было конечной цели создать человека — это просто процесс, благодаря которому организмы вписываются в свою среду. И он необязательно ведет к прогрессу. Существует немало примеров, когда в результате эволюции виды не усложнялись, а наоборот, становились проще, чтобы лучше адаптироваться.

Может ли эволюция пойти в обратном направлении?

Нет. В любом случае организм не возвращается в прежнее состояние, а меняется, теряя определенные черты, которые в новых условиях стали ненужными, и развивая новые. Например, пингвины адаптировались к новой среде, в которой способность к полету оказалась ненужной. Зато у них появилась способность эффективно перемещаться под водой.

А как насчет китов?

Китообразные – потомки парнокопытных. Их ближайшим наземным родственником является бегемот.

Все тот же Чарльз Дарвин в первом издании «О происхождении видов» размышлял над тем, как естественный отбор может привести к превращению наземного млекопитающего в кита. Правда, в качестве такого млекопитающего он выбрал не ту животное – североамериканского черного медведя, у которого нет ничего общего с китами.

Одним из первых китообразных был пакицет – вымерший род млекопитающих, живший на территории современного Пакистана. Он все еще сохранял много особенностей, свойственных наземным животным, включая слуховую систему, которая была лучше приспособлена для распознавания звуков в воздухе, чем в воде, а также функциональные конечности, способные двигаться по земле. Это животное было не больше волка или большой собаки. Но потомки пакицета уже были полностью водными.

Киты эволюционировали во время эоценовой эпохи около 50000000 лет назад в теплом, неглубоком тропическом море Тетис. Этот процесс сопровождался значительными анатомическими, физиологическими и поведенческими преобразованиями, позволили китообразным адаптироваться и процветать в новой среде обитания. В частности, к таким изменениям относятся: потеря волос на теле для уменьшения сопротивления во время плавания, гораздо толще кожа, толстый слой жира для утепления, потеря задних конечностей. Для эффективного хранения кислорода во время длительного погружения с задержкой дыхания китообразные также разработали различные механизмы приспособления: эффективная дыхательная система, гибкая грудная клетка, увеличен объем крови, повышенные концентрации необходимых гормонов.

Что именно заставило китообразных оставить сушу, трудно сказать. Возможно, они сделали это в поисках пищи или, наоборот, пытаясь скрыться от хищников. О переходе китов от суши к воде свидетельствует ряд промежуточных окаменелостей. Кроме того, некоторые из китообразных сохранили определенные присущие наземным млекопитающим черты. Например, существуют виды, которые сохраняют волосы на лице, а у некоторых видов эмбрионы имеют усы и зачатки задних конечностей. К тому же, в отличие от рыб, китообразные дышат воздухом и иначе двигаются.

А что с человеком? Мы тоже продолжаем эволюционировать?

Да. Самым простым примером того, как люди эволюционировали в течение последних веков, является то, как их организм приспособился переносить самые распространенные в определенных регионах источники пищи.

Дети почти всегда умеют производить лактазу – фермент, позволяет им переваривать молоко матери. Но лишь 35% взрослого человеческой популяции могут усваивать лактозу после семи-восьми лет. Большинство людей, которые сохраняют способность употреблять молоко, происходят из Европы, причем такая устойчивость к лактозе у этого населения появилась примерно 7500 назад. Таким образом, люди, происходят из регионов, в которых распространено молочное скотоводство, более толерантны к лактозе в своем рационе. Например, среди людей, которые происходят из стран Северной Европы, лактозу не переносят около 5 процентов по сравнению с более 90 процентами людей восточноазиатского происхождения.

Откуда мы все это знаем?

Исследуя окаменелости, ученые смогли связать много вымерших видов с видами, которые существуют сегодня. Также палеонтологи нашли достаточное количество «переходных ископаемых», то есть промежуточных звеньев между видами. Например, археоптерикс и микрораптор демонстрируют эволюционные отношения между динозаврами и птицами, а тиктаалик, род ископаемых рыб девонского периода, уже имеет присущие наземным позвоночным черты.

Но записи окаменелостей являются неполными и не для всех животных можно отыскать прямых предков. Однако мы можем наблюдать эволюцию в лабораторных условиях, как это сделал Ричард Ленски.

В 1988 он начал долгосрочный проект по эволюции кишечной палочки, или Escherichia coli, вырастив 12 ее культур из одного штамма. Исследователь и его команда оставили бактерии в контейнерах с питательными веществами и наблюдали за их размножением. Они занимаются этим и до сих пор, ежедневно отбирая новые культуры и размещая их в новых контейнерах. Сейчас с момента начала эксперимента бактерии пережили более 60 000 поколений.

Каждые 75 дней команда замораживает образцы. Это позволяет отследить генетические мутации бактерий с высокой точностью. Эксперимент показал, что во всех 12 популяциях бактерии эволюционировали и росли быстрее, чем их предки. Они также адаптировались к конкретной смеси химических питательных веществ, что им давали. Так, спустя примерно 31 500 поколений одна линия одной из 12 начальных популяций развила способность питаться цитратом, а не глюкозой. Обычно кишечная палочка не потребляет цитрат, поскольку не может транспортировать его в свои клетки. Но в результате мутации одна из культур создала особый белок, который позволяет цитрату проходить сквозь мембрану и попадать в клетку.