БИОЛОГИЧЕСКАЯ ЭВОЛЮЦИЯ: ТЕОРИИ, ПРОЦЕСС, ДОКАЗАТЕЛЬСТВА И ПРИМЕРЫ - БИОЛОГИЯ - 2025

Биологическая эволюция является изменением свойств групп организмов в ходе поколений. Группы организмов одного вида известны как «биологические популяции».

По сути, современная неодарвиновская теория эволюции утверждает, что эволюция состоит из постепенного изменения форм жизни. Предположительно, все началось с молекулы, способной к самовоспроизведению, около 3,5 миллиардов лет назад.

Источник: chensiyuan

Со временем произошло разветвление родословных и возникли новые и разнообразные виды. Механизмы этого эволюционного изменения - естественный отбор и дрейф генов.

Эволюционная биология стремится понять происхождение биологического разнообразия и то, как оно поддерживается. Поскольку это центральная наука в биологии, ее обычно рассматривают как объединяющую мысль, которая объединяет различные дисциплины биологических наук.

Это объединяющее свойство эволюционной биологии было отмечено в известной фразе Феодосия Добжанского: «В биологии нет смысла, кроме как в свете эволюции».

Сегодня эволюционная биология пользуется всеми достижениями науки, что позволяет реконструировать филогении, используя многочисленные молекулярные признаки и мощный статистический анализ.

Каков эволюционный процесс?

Эволюция - это термин, образованный от латинского корня evolvere, что переводится как раскрытие или раскрытие скрытого потенциала. Сегодня слово «эволюция» просто вызывает изменение. Вероятно, часть нашего повседневного лексикона относится к изменениям объекта или человека.

Однако под биологической эволюцией понимаются изменения в группах организмов на протяжении поколений. Это общее определение эволюции используется Футуймой (2005). Важно отметить, что организмы по отдельности не развиваются, в отличие от групп организмов.

В биологии совокупность особей одного и того же вида, сосуществующих во времени и пространстве, называется популяциями. Чтобы изменение в популяции считалось эволюционным, оно должно передаваться от одного поколения к другому через генетический материал.

Научные теории эволюции

С незапамятных времен человеческое существо испытывало внутреннее любопытство к происхождению жизни и существованию огромного разнообразия органических существ.

Поскольку британский натуралист Чарльз Дарвин (1809–1882) оказал значительное влияние на развитие этой науки, мы рассмотрим теории, предложенные до и после его работ.

До Дарвина: креационизм и неизменность видов

До Дарвина для естествоиспытателей и других ученых было характерно креационистское мышление относительно происхождения видов.

Были рассмотрены эссенциалистские видения, в которых каждый вид имел неизменную сущность, а вариации, которые мы наблюдали в группе, были связаны только с несовершенством существования. Эта концепция возникла во времена Платона и Аристотеля.

Спустя некоторое время христиане начали буквально истолковывать отрывки из Библии, понимая, что органические существа были созданы сверхъестественным существом в одном событии. Эта концепция не позволяла изменять виды с течением времени, поскольку они были созданы в соответствии с божественным совершенством.

В 18 веке целью натуралистов было составить каталог божественного плана, созданного Богом. Например, Линней заложил основы современной таксономии, следуя этой линии мысли.

Позже эта точка зрения была оспорена различными мыслителями. Наиболее актуальная додарвиновская теория того времени была сформулирована Жаном Батистом Ламарком. По его мнению, каждый вид произошел индивидуально в результате спонтанного зарождения и со временем мог «развиваться» или улучшаться.

Одним из наиболее важных принципов, установленных Ламарком, было наследование приобретенных признаков. Этот натуралист считал, что различные качества, которые мы приобретаем на протяжении жизни, могут передаваться нашему потомству.

Например, с точки зрения Ламарка, бодибилдер, который много работает со всеми своими группами мышц, должен был иметь детей с развитыми мышцами. Тот же принцип применим к неиспользованию органов.

Вклад Дарвина и Уоллеса в эволюционную биологию: естественный отбор

Имя Чарльза Дарвина встречается в большинстве текстов по биологии, независимо от его специальности. Дарвин произвел революцию в биологии и науке в целом в невероятной степени - сравнимой, например, с вкладом Ньютона.

В юности Дарвин мыслил верным библейским учениям. Однако в сопровождении религиозной мысли Дарвин проявил интерес к естественным наукам, поэтому он окружил себя наиболее блестящими научными умами того времени.

Путешествие на Бигле

В жизни Дарвина произошел поворот, когда в раннем возрасте он отправился в путешествие на борту британского корабля HMS Beagle, который должен был исследовать различные регионы Южной Америки. После путешествия, которое длилось пару лет, Дарвин наблюдал и собирал огромное разнообразие южноамериканской фауны и флоры.

Благодаря оптимальному финансовому положению Дарвин смог посвятить свою жизнь исключительно работе в области биологических наук. После долгих размышлений - а также лекций по экономике - Дарвин создал свою теорию естественного отбора.

Естественный отбор - простая и мощная идея, являющаяся важным эволюционным механизмом, хотя и не единственным, как мы увидим позже.

Эта идея была выведена не только Дарвином. Молодой естествоиспытатель по имени Альфред Уоллес независимо высказал очень похожие идеи. Уоллес общался с Дарвином, и они вместе представили теорию эволюции путем естественного отбора.

Происхождение видов

Позже Дарвин представляет свой шедевр: «Происхождение видов», в котором подробно раскрывается его теория с убедительными доказательствами. У этой книги шесть изданий, над которыми Дарвин работал на протяжении всей своей жизни.

Теория естественного отбора утверждает, что при наличии некоторой полезной и наследуемой изменчивости в популяции особей будет дифференцированное воспроизводство между обладателями признака. Они будут иметь тенденцию производить больше потомства, тем самым увеличивая частоту признака в популяции.

Кроме того, Дарвин также предложил общее происхождение: все виды в ходе эволюции разошлись от общего предка. Таким образом, все органические существа могут быть представлены на великом древе жизни.

По Дарвину: неодарвинизм и синтез

Сразу после публикации «Происхождения» между крупнейшими учеными того времени разгорелась большая полемика. Однако с течением времени теория постепенно принималась.

Были биологи, которые никогда не принимали дарвиновские идеи, поэтому они создали свои собственные эволюционные теории, которые сегодня почти полностью дискредитированы. Примерами этого являются, среди прочего, неоламаркизм, ортогенез и мутационизм.

Между 30-ми и 40-ми годами все анти-дарвиновские теории были отброшены с появлением эволюционного синтеза. Это было объединение дарвиновских идей с участием ряда генетиков и палеонтологов, таких как Фишер, Холдейн, Майр и Райт, среди других.

Синтез сумел объединить эволюционные теории с правильными генетическими принципами, поскольку одной из трудностей, которые Дарвин пришлось испытать в ходе своей работы, было незнание генов как частиц наследственности.

Доказательства эволюции: всего лишь теория?

Сегодня биологическая эволюция - это факт, подтвержденный убедительными и многочисленными доказательствами. Хотя биологи не сомневаются в правдивости этого процесса, в повседневной жизни мы слышим, что эволюция - это «всего лишь теория» - с уничижительным подтекстом.

Это заблуждение связано с тем, что термин «теория» имеет разные значения в науке и в повседневной жизни. Для большинства людей теория - это неопределенное предсказание факта, для которого характерно слабое обоснование. Для ученого теория - это совокупность последовательных и правильно структурированных идей.

Следуя этой последовательности идей, мы можем сделать вывод, что эволюция - это факт, и существуют механизмы, объясняющие это, например теория естественного отбора. Наиболее яркими свидетельствами эволюционного процесса являются следующие.

гомология

Два процесса или структуры являются гомологичными, если указанная черта унаследована непосредственно от общего предка. В эволюционной биологии гомология является фундаментальным моментом, поскольку это единственные характеристики, которые позволяют нам реконструировать отношения между предками и потомками между группами.

Морфологические гомологии

Очень известный пример гомологии - кости конечностей четвероногих. Давайте возьмем трех животных, которые различаются по способу передвижения, чтобы понять, почему гомология является надежным свидетельством эволюционного процесса: люди, киты и летучие мыши.

Эти три группы имеют общий структурный план передних конечностей, потому что они унаследовали его от общего предка. То есть у предка четвероногих была плечевая кость, за ней лучевая и локтевая кости и, наконец, ряд фаланг.

Нет никаких функциональных причин, по которым у трех животных с таким непохожим образом жизни должно быть одно и то же строение костей конечностей.

Если бы жизнь была задумана, то нет причин строить водный, летающий и земной организм по одному и тому же плану. Ни один инженер - каким бы неопытным он ни был - не создал бы летающий и плавательный организм одинаковым образом.

Самый логичный способ объяснить это общим происхождением. Все трое унаследовали этот структурный план от предка и претерпели адаптивные модификации, которые мы видим сегодня: крылья, плавники и руки.

Молекулярные гомологии

Гомологии не ограничиваются анатомическими особенностями живого существа. Они также могут быть обнаружены на молекулярном уровне. Генетическая информация живых существ хранится в ДНК и транслируется в виде троек: три нуклеотида соответствуют одной аминокислоте.

Универсальная молекулярная гомология - это прочтение этого генетического кода, поскольку практически все органические существа разделяют этот язык, хотя есть очень специфические исключения.

Летопись окаменелостей

Когда Дарвин предлагает свою теорию естественного отбора, он утверждает, что все постепенные переходные формы не представлены в летописи окаменелостей, потому что она неполная. Напротив, противники дарвиновских идей видят в прерывании записи доказательство против теории.

Мы должны помнить, что процесс окаменения органического существа - маловероятное событие в сочетании с вероятностью того, что образец найден в хорошем состоянии. По этим причинам менее 1% всех когда-либо существовавших форм представлены в летописи окаменелостей.

Несмотря на это, были обнаружены очень хорошо сохранившиеся окаменелости, которые служат «окном в прошлое». Один из самых известных - археоптерикс. В этой окаменелости выделяются промежуточные характеристики между рептилией и птицей. Точно так же у нас есть несколько окаменелостей гоминидов, которые позволили нам реконструировать эволюцию человека.

Было предложено несколько альтернативных теорий, объясняющих прерывность регистра, например, теория прерывистого равновесия.

Биогеография

Хотя эволюция подтверждается данными из многих областей знания, именно биогеография убедила Дарвина в правдивости эволюционного процесса.

Распределение живых организмов на планете Земля неоднородно, и многие аспекты этой закономерности можно объяснить эволюционной теорией, а не специальной гипотезой сотворения.

Когда мы исследуем фауну океанических островов (изолированные элементы, никогда не контактировавшие с материком), мы обнаруживаем, что видовой состав очень своеобразен. Например, это можно увидеть на островах, расположенных в Северной Атлантике, называемых Бермудскими островами.

Позвоночные животные (неморские), обитающие в этом районе, очень немногочисленны, в основном птицы, перелетные летучие мыши и ящерицы. Некоторые из этих видов показывают значительную связь с фауной Северной Америки. Другие, в свою очередь, являются эндемиками острова и не встречаются ни в каком другом регионе.

Эта модель распределения совместима с эволюционными процессами, поскольку этот район специально заселен животными, способными летать и перемещаться на большие расстояния.

Эволюция в действии: пример эволюции

Еще одно заблуждение в эволюционной биологии состоит в том, что это связано с чрезвычайно медленным процессом.

Хотя это правда, что для получения сложных приспособлений, таких как мощные челюсти или глаза с отличным зрением, нам придется подождать пару миллионов лет, существуют определенные эволюционные процессы, которые мы можем наблюдать собственными глазами за относительно короткий период времени.

Далее мы проанализируем случай бабочки Biston betularia как пример эволюции в действии. Позже мы поговорим об устойчивости к антибиотикам и пестицидам, еще одном примере эволюции, который мы можем наблюдать за короткий промежуток времени.

Промышленный меланизм и

Один из самых ярких примеров в эволюционной биологии - промышленный меланизм. Этот феномен был задокументирован во время промышленной революции, и ему удалось установить связь между вариацией окраски бабочки Biston betularia и загрязнением ее среды обитания.

Бабочка имеет две морфологии: светлая и темная. До заражения преобладающим вариантом была светлая моль, предположительно потому, что она сидела на светлой коре берез и могла оставаться незамеченной для потенциальных хищников - птиц.

С наступлением промышленной революции загрязнение возросло до значительного уровня. Кора деревьев начала приобретать все более темный цвет, что привело к изменению частот светлых и темных вариантов бабочек.

Какое-то время темная моль была доминирующей разновидностью, так как она могла лучше прятаться в почерневшей коре.

Впоследствии были реализованы программы экологической очистки, которые помогли снизить загрязнение окружающей среды. Благодаря эффективности этих программ деревья начали возвращать свой первоначальный характерный цвет.

Как мы можем догадаться, частота бабочек снова изменилась, причем преобладающим оказался четкий вариант. Таким образом, эволюционный процесс был задокументирован за период в 50 лет.

Механизмы эволюции

Биологическая эволюция - это процесс, который включает два этапа: создание вариации и затем дифференциальное воспроизведение вариаций путем естественного отбора или генетического дрейфа. По этой причине термины естественный отбор и эволюция не следует использовать как синонимы, потому что это не так.

С точки зрения популяционной генетики эволюция - это изменение частот аллелей в популяции с течением времени. Таким образом, силами, которые изменяют частоты аллелей, являются отбор, дрейф, мутация и миграция.

Естественный отбор

Как мы упоминали ранее, величайшим вкладом Дарвина в биологию было предложение теории естественного отбора. Это было сильно неверно истолковано и искажено средствами массовой информации, ассоциировано с неправильными фразами, такими как: «выживание сильнейшего».

Условия для естественного отбора

Естественный отбор - простая идея, дающая великолепные результаты. Если система соответствует следующим характеристикам, она неизбежно будет развиваться в результате естественного отбора:

Приложения в эволюционной биологии

Эволюционная биология имеет ряд приложений, как в медицине, сельском хозяйстве, природоохранной биологии, так и в других дисциплинах.

Лекарство

Теория эволюции - важнейшая наука в области медицины. Например, это позволяет нам прогнозировать исход неизбирательного применения антибиотиков для лечения инфекционных заболеваний.

Когда мы применяем антибиотик без необходимости или не завершаем лечение, мы устраняем неустойчивые варианты, но резистентные люди увеличивают их частоту в бактериальной популяции.

В настоящее время проблема устойчивости бактерий к большинству антибиотиков вызывает глобальный интерес и озабоченность. Повышение осведомленности об использовании антибиотиков - один из способов уменьшить это осложнение.

Например, бактерии Staphylococcus aureus распространены в операционных и вызывают инфекции у пациентов во время операций.

Сегодня бактерии полностью устойчивы к ряду антибиотиков, таких как пенициллин, ампициллин и родственные препараты. Хотя были созданы новые антибиотики, чтобы противодействовать этому, лекарства все менее и менее эффективны.

Кризис сопротивления - один из наиболее ярких примеров эволюции, который мы можем наблюдать собственными глазами, поэтому он также служит свидетельством эволюционного процесса.

Сельское хозяйство и животноводство

Тот же эволюционный принцип можно экстраполировать на использование пестицидов для уничтожения вредителей в сельскохозяйственных культурах, имеющих важное экономическое значение. Если один и тот же вид пестицидов применяется в течение длительного времени, мы будем способствовать увеличению числа устойчивых вариантов.

Точно так же фермеры стремятся получить «лучших» животных, которые увеличивают продуктивность (молока, мяса и т. Д.). Эти владельцы ранчо отбирают людей, которых они считают наиболее полезными с практической точки зрения. С течением времени люди все больше напоминают то, чего хотят люди.

Этот процесс искусственного отбора человека похож на естественный отбор с точки зрения дифференцированного репродуктивного успеха. С той заметной разницей, что в природе нет селекционного объекта.

Биология сохранения

Что касается вопросов сохранения, понимание таких явлений, как «узкие места» и снижение приспособленности, вызванное инбридингом, позволяет избежать их и разработать планы сохранения, которые повышают приспособленность и сохраняют «здоровье» популяции.

Ссылки

1. Audesirk, T., Audesirk, G., & Byers, BE (2004). Биология: наука и природа. Pearson Education.
2. Дарвин, К. (1859 г.). О происхождении видов путем естественного отбора. Мюррей.
3. Фриман, С., и Херрон, Дж. К. (2002). Эволюционный анализ. Прентис Холл.
4. Футуйма, диджей (2005). Эволюция. Sinauer.
5. Холл, Б.К. (ред.). (2012). Гомология: иерархическая основа сравнительной биологии. Академическая пресса.
6. Хикман, С.П., Робертс, Л.С., Ларсон, А., Обер, В.К., и Гаррисон, К. (2001). Комплексные принципы зоологии. McGraw-Hill.
7. Кардонг, К.В. (2006). Позвоночные животные: сравнительная анатомия, функции, эволюция. McGraw-Hill.
8. Климан, РМ (2016). Энциклопедия эволюционной биологии. Академическая пресса.
9. Лосос, Дж. Б. (2013). Принстонский гид по эволюции. Издательство Принстонского университета.
10. Рис, Дж. Б., Урри, Л. А., Каин, М. Л., Вассерман, С. А., Минорский, П. В., и Джексон, Р. Б. (2014). Кэмпбелл Биология. Пирсон.
11. Райс, SA (2009). Энциклопедия эволюции. Публикация информационной базы.
12. Рассел П., Герц П. и Макмиллан Б. (2013). Биология: динамическая наука. Nelson Education.
13. Солер, М. (2002). Эволюция: основы биологии. Южный проект.
14. Старр, К., Эверс, К., и Старр, Л. (2010). Биология: концепции и приложения без физиологии. Cengage Learning.
15. Wake, DB, Wake, MH и Specht, CD (2011). Гомоплазия: от обнаружения паттерна до определения процесса и механизма эволюции. Наука, 331 (6020), 1032-1035.