В книге Дарвина "О происхождении видов" есть две темы: свидетельства эволюции и его идеи о том, как происходила эволюция. Этот раздел посвящен второму вопросу.
Вариант
Первые две главы "Происхождение" посвящены вариациям одомашненных растений и животных, а также вариациям природы.
Все живые существа проявляют вариативность. Каждая изученная популяция показывает, что животные и растения меняются так же сильно, как и люди. p90 Это великий факт природы, и без него эволюция не происходила бы. Дарвин говорил, что точно так же, как человек выбирает то, что он хочет от своих сельскохозяйственных животных, так и в природе вариации позволяют естественному отбору работать.
На черты личности влияют две вещи: наследственность и окружающая среда. Во-первых, развитие контролируется генами, унаследованными от родителей. Во-вторых, жизнь приносит свои собственные влияния. Некоторые вещи полностью наследуются, другие - частично, а некоторые вообще не наследуются.
Цвет глаз полностью унаследован; это генетическая черта. Рост или вес наследуются только частично, а язык вообще не наследуется. Просто для ясности: то, что человек может говорить, наследуется, но то, на каком языке говорят, зависит от того, где живет человек и чему его учат. Другой пример: человек наследует мозг несколько изменчивой способности. То, что происходит после рождения, зависит от многих вещей, таких как домашняя среда, образование и другой опыт. Когда человек взрослеет, его мозг - это то, что он получил по наследству и жизненному опыту.
Эволюция касается только тех черт, которые могут быть унаследованы, полностью или частично. Наследственные черты передаются из поколения в поколение через гены. Гены человека содержат все черты, которые он наследует от своих родителей. Случайности жизни не передаются. Также, конечно, каждый человек живет несколько другой жизнью: это увеличивает различия.
С точки зрения эволюции, "репродуктивный успех" означает общее число потомков, которые живут для размножения и сами оставляют потомство.
Унаследованная вариация
Изменения могут повлиять на будущие поколения только в том случае, если они унаследованы. Благодаря работе Грегора Менделя, мы знаем, что многие вариации наследуются. Факторы Менделя теперь называются генами. Исследования показали, что почти каждый индивидуум в сексуально размножающемся виде является генетически уникальным. p204
Генетическая изменчивость увеличивается при мутациях генов. ДНК не всегда воспроизводится точно. Происходят редкие изменения, и эти изменения могут передаваться по наследству. Многие изменения ДНК вызывают дефекты; некоторые из них нейтральны или даже выгодны. Это приводит к генетической изменчивости, которая является семенной культурой эволюции. Половое размножение, путем скрещивания хромосом во время мейоза, распространяет вариации через популяцию. Другие события, такие как естественный отбор и дрейф, уменьшают вариации. Таким образом, у популяции в дикой природе всегда есть вариации, но детали всегда меняются. p90
Естественный отбор
Эволюция в основном работает методом естественного отбора. Что это значит? Животные и растения, которые лучше всего подходят для окружающей среды, в среднем, выживают лучше. Существует борьба за существование. Те, кто выживет, произведут следующее поколение. Их гены будут передаваться, а гены тех, кто не размножался, - нет. Это основной механизм, который изменяет популяцию и вызывает эволюцию.
Естественный отбор объясняет, почему живые организмы со временем меняются, чтобы иметь анатомию, функции и поведение, которые у них есть. Это так работает:
- Все живые существа имеют такую фертильность, что их численность может быстро увеличиваться навсегда.
- Мы видим, что численность населения не увеличивается до такой степени. В основном, численность остается примерно на том же уровне.
- Продовольственные и другие ресурсы ограничены. Поэтому существует конкуренция за продовольствие и ресурсы.
- Нет двух одинаковых людей. Поэтому у них не будет одинаковых шансов жить и размножаться.
- Большая часть этого варианта может быть унаследована. Родители передают такие черты детям через их гены.
- Следующее поколение может прийти только от тех, кто выживает и размножается. После многих поколений это будет иметь более полезные генетические различия, и меньше вредных. Естественный отбор на самом деле является процессом ликвидации. p117 Ликвидация обусловлена относительным соответствием между индивидуумами и окружающей средой, в которой они живут.
Отбор в природных популяциях
В настоящее время существует много случаев, когда доказано, что естественный отбор происходит в диких популяциях. Почти в каждом случае, когда были исследованы камуфляж, мимикрия и полиморфизм, были выявлены сильные эффекты селекции.
Сила отбора может быть намного сильнее, чем считали ранние генетики популяции. Устойчивость к пестицидам быстро выросла. Сопротивление варфарину у норвежских крыс (Rattus norvegicus) быстро росло, потому что выжившие составляли все больше и больше населения. Исследования показали, что в отсутствие варфарина устойчивый гомозигот находился в 54% неблагоприятном положении по сравнению с нормальным диким гомозиготом. p182 Этот большой недостаток был быстро преодолен селекцией на устойчивость к варфарину.
Млекопитающие обычно не могут пить молоко во взрослом возрасте, но люди - исключение. Молоко переваривается ферментной лактазой, которая отключается, когда млекопитающие перестают брать молоко у матерей. Способность человека пить молоко во взрослой жизни поддерживается мутацией лактазы, которая предотвращает это выключение. Человеческое население имеет высокую долю этой мутации везде, где молоко играет важную роль в рационе питания. Распространению этой "молочной толерантности" способствует естественный отбор, поскольку она помогает людям выживать там, где есть молоко. Генетические исследования показывают, что самые старые мутации, вызывающие стойкость лактазы, достигли высокого уровня в человеческих популяциях только за последние десять тысяч лет. Поэтому персистентность лактазы часто приводится в качестве примера недавней эволюции человека. Поскольку персистентность лактазы является генетической, а животноводство - культурной чертой, то это генно-культурная эволюция.
Адаптация
Адаптация - одно из основных явлений биологии. В процессе адаптации организм становится более подходящим для своей среды обитания.
Адаптация - один из двух основных процессов, объясняющих разнообразие видов, которые мы видим в биологии. Другой - видообразование (расщепление видов или кладогенез). Излюбленным примером, используемым сегодня для изучения взаимодействия адаптации и видообразования, является эволюция цихлидных рыб в африканских реках и озерах.
Когда люди говорят об адаптации, они часто имеют в виду что-то, что помогает животным или растениям выживать. Одной из наиболее распространенных адаптаций у животных является эволюция глаза. Другой пример - адаптация лошадиных зубов к точильной траве. Другой адаптацией является камуфляж, так же как и мимикрия. Лучше всего адаптированные животные выживают и успешно размножаются (естественный отбор).
Хорошим примером является внутренний паразит (например, случайный): он имеет очень простую структуру тела, но, тем не менее, организм очень хорошо приспособлен к своей конкретной среде обитания. Из этого мы видим, что адаптация - это не только вопрос видимых признаков: у таких паразитов критическая адаптация происходит в жизненном цикле, который часто бывает достаточно сложным.
Ограничения
Не все особенности организма являются адаптациями. p251 Адаптации, как правило, отражают прошлую жизнь вида. Если вид в последнее время изменил свой образ жизни, некогда ценная адаптация может стать бесполезной и, в конечном счете, превратиться в убывающий остаток.
Адаптация никогда не бывает идеальной. Всегда есть компромиссы между различными функциями и структурами тела. Это организм в целом, который живет и воспроизводится, поэтому он является полным набором адаптаций, которые передаются будущим поколениям.
Генетический дрейф и его влияние
В населении существуют силы, которые добавляют населению вариативность (например, мутация), и силы, которые ее устраняют. Генетический дрейф - это название случайных изменений, которые удаляют вариации из популяции. Генетический дрейф избавляет от вариации со скоростью 1/(2N), где N = размер популяции. p29 Таким образом, это "очень слабая эволюционная сила в больших популяциях". p55
Генетический дрейф объясняет, как случайный шанс может повлиять на эволюцию удивительно большими способами, но только тогда, когда популяции достаточно малы. В целом, его действие заключается в том, чтобы сделать индивидуумов более похожими друг на друга и, следовательно, более уязвимыми к болезням или случайным событиям в их среде обитания.
- Дрейф уменьшает генетическую вариативность популяций, потенциально снижая способность популяции выживать под новым выборочным давлением.
- Генетический дрейф действует быстрее и приводит к более радикальным результатам в небольших популяциях. Малые популяции обычно вымерли.
- Генетический дрейф может способствовать видообразованию, если небольшая группа выживет.
- События с узкими местами: когда большая популяция внезапно и резко сократится в размерах к какому-либо событию, генетическое разнообразие будет очень сильно сокращено. Частыми причинами являются инфекции и экстремальные климатические явления. Иногда вторжения более конкурентоспособных видов могут быть разрушительными.
♦ В 1880/90-х годах охота сократила популяцию северного слона всего до 20 особей. Хотя популяция восстановилась, ее генетическая изменчивость значительно меньше, чем у южного слона.
♦ У гепардов очень небольшая вариабельность. Мы думаем, что в последнее время этот вид сократился до небольшого числа. Поскольку у него нет генетической изменчивости, он находится в опасности от инфекционных заболеваний. - События-основатели: происходят, когда небольшая группа отрождается от более крупной популяции. Затем небольшая группа живет отдельно от основной популяции. Человеческий род часто цитируется как прошедший через такие стадии. Например, когда группы покидают Африку, чтобы обосноваться в другом месте (см. эволюцию человека). Очевидно, что у нас меньше вариаций, чем можно было бы ожидать от нашего общемирового распространения.
Хорошими примерами являются также группы, прибывающие на острова вдали от материка. Эти группы, в силу своего небольшого размера, не могут нести на себе весь спектр аллелей, которые можно встретить в родительской популяции.
Виды
То, как формируются виды, является важной частью эволюционной биологии. Дарвин интерпретировал слово "эволюция" (слово, которое он сначала не употреблял) как относящееся к видообразованию. Вот почему он назвал свою знаменитую книгу "О происхождении видов".
Дарвин считал, что большинство видов возникают непосредственно из ранее существовавших видов. Это называется анагенезом: новые виды за счет изменения старых видов. Теперь мы думаем, что большинство видов возникают в результате дробления предыдущих видов: кладогенеза.
Разделение видов
Две группы, которые начинают одну и ту же группу, также могут стать очень разными, если они живут в разных местах. Когда вид разделяется на два географических региона, начинается процесс. Каждая из них приспосабливается к своей ситуации. Через некоторое время особи одной группы больше не могут размножаться вместе с другой группой. Из одного развились два хороших вида.
Немецкий исследователь Мориц Вагнер в течение трех лет своего пребывания в Алжире в 1830-х годах изучал бесплодных жуков. Каждый вид приурочен к участку северного побережья между реками, которые спускаются с Атласских гор в Средиземное море. Как только один из них пересекает реку, появляется другой, но близкородственный вид. Позже он написал:
"...новый вид будет [возникать] только тогда, когда несколько особей [пересекают] границы своего ареала... формирование новой расы никогда не будет успешным... без долгого времени продолжающегося отделения колонистов от других членов их вида".
Это было ранним объяснением важности географического разделения. Другим биологом, который считал, что географическое разделение имеет решающее значение, был Эрнст Майр.
Одним из примеров естественного видообразования является трехлопастная колючка, морская рыба, которая после последнего ледникового периода вторглась в пресную воду и создала колонии в изолированных озерах и ручьях. Более 10 000 поколений колючек демонстрируют большие различия, в том числе вариации плавников, изменения количества или размера их костных пластинок, переменную структуру челюстей и цветовые различия.
Австралийские вомбаты делятся на две основные группы: обыкновенные вомбаты и вомбаты с волосатыми носами. Эти два типа выглядят очень похожими, за исключением ворсистости их носов. Однако они адаптированы к разным условиям. Обычные вомбаты живут в лесных массивах и питаются в основном зеленой пищей с большим количеством влаги. Они часто кормятся днем. Волосатые вомбаты живут на жарких сухих равнинах, где они едят сухую траву с очень небольшим количеством воды или доброты. Их метаболическая система медленна, и большую часть дня они спят под землей.
Когда две группы, которые начали одну и ту же, становятся достаточно разными, тогда они становятся двумя разными видами. Часть теории эволюции заключается в том, что все живые существа начинали с одного и того же, но затем разбивались на различные группы в течение миллиардов лет.