Główna zawartość
Kurs: AP®︎ Biology (2018) > Rozdział 21
Lekcja 1: Ewolucja i selekcja naturalnaDowody na ewolucję
Dowody na ewolucję: anatomia, biologia molekularna, biogeografia, skamieliny i bezpośrednia obserwacja. Tłumaczenie na język polski: Fundacja Edukacja Przyszłości dzięki wsparciu Fundacji HASCO-LEK.
Kluczowe punkty:
- Dowody na ewolucję pochodzą z wielu różnych dziedzin biologii:
- Anatomia. Gatunki mogą mieć podobne cechy fizyczne, ponieważ cecha występowała u wspólnego przodka (struktury homologiczne).
- Biologia molekularna. DNA i kod genetyczny odzwierciedlają wspólne pochodzenie życia. Porównania DNA mogą pokazać, jak spokrewnione są gatunki.
- Biogeografia. Globalne rozmieszczenie organizmów i unikalne cechy gatunków wyspiarskich odzwierciedlają ewolucję i zmiany geologiczne.
- Skamieliny. Skamieliny dokumentują istnienie wymarłych gatunków, które są spokrewnione z gatunkami współczesnymi.
- Obserwacja bezpośrednia. Możemy bezpośrednio obserwować rozwój organizmów o krótkim cyklu życia (np. owadów opornych na pestycydy).
Wprowadzenie
Ewolucja jest kluczową zasadą jednoczącą w biologii. Jak powiedział kiedyś Theodosius Dobzhansky: „Nic w biologii nie ma sensu bez teorii ewolucji”.”
Co zobaczymy, przyglądając się światu oczami biologa, co będzie miało większy sens, jeśli spojrzymy na to z perspektywy teorii ewolucji? Innymi słowy, jakie oznaki lub ślady wskazują na to, że zjawisko ewolucji zachodziło w przeszłości i zachodzi nadal?
Ewolucja ma miejsce na dużych i małych skalach
Zanim spojrzymy na dowody, upewnijmy się, że jesteśmy po tej samej stronie w temacie ewolucji. Ogólnie rzecz biorąc, ewolucja jest zmianą w charakterystyce genetycznej (i często dotyczy to cech dziedzicznych) populacji w czasie. Biolodzy czasami definiują dwa rodzaje ewolucji w oparciu o skalę:
- Makroewolucja, która odnosi się do zmian na dużą skalę, które zachodzą w dłuższych okresach czasu, takich jak tworzenie nowych gatunków i grup.
- Mikroewolucja, która odnosi się do zmian na małą skalę, które wpływają tylko na jeden lub kilka genów i występują w populacjach w krótszych ramach czasowych.
Mikroewolucja i makroewolucja nie są tak naprawdę dwoma różnymi procesami. Jest to ten sam proces czyli – ewolucja – zachodzący w różnych skalach czasowych. Procesy mikroewolucyjne zachodzące przez tysiące lub miliony lat mogą sumować się do zmian na dużą skalę, które determinują powstawanie nowych gatunków lub grup.
Dowody na ewolucję
W tym artykule zbadamy dowody na obecność zjawiska ewolucji, zarówno w skali makro, jak i mikro.
Najpierw przyjrzymy się kilku rodzajom dowodów (na poziomie molekularnym oraz cechom fizycznym, informacjom geograficznym i skamielinom), które mogą pozwolić nam na odtworzenie wydarzeń makroewolucyjnych.
Artykuł zakończymy przykładem przedstawiającym w jaki sposób można bezpośrednio zaobserwować mikroewolucję, dotyczącym pojawienia się owadów opornych na pestycydy.
Anatomia i embriologia
Darwin uważał ewolucję za „pochodzenie z modyfikacją”, proces, w którym gatunki zmieniają się i inicjują powstawanie nowych gatunków przez wiele pokoleń. Zaproponował, aby ewolucyjna historia życia ujmowana była w postaci rozgałęzionego drzewa o wielu poziomach, dzięki któremu można będzie prześledzić zjawisko powstawania gatunków od starożytnego wspólnego przodka.
W tym modelu drzewa, grupy gatunków bliżej spokrewnionych mają więcej bliskich wspólnych przodków, a każda grupa posiada wspólne cechy, które były obecne u ostatniego wspólnego przodka. Możemy wykorzystać tą ideę do "obserwacji wstecz” i ustalenia, w jaki sposób organizmy są powiązane ze sobą dzięki prześledzeniu ich wspólnych cech.
Cechy homologiczne
Jeśli dwa lub więcej gatunków ma unikalną cechę fizyczną, taką jak złożona struktura kości lub konstrukcja ciała, wszystkie one mogły odziedziczyć tę cechę od wspólnego przodka. Mówi się, że cechy fizyczne wspólne ze względu na historię ewolucji (wspólnego przodka) są homologiczne.
Dobrym przykładem jest budowa przednich kończyn u wielorybów, ludzi, ptaków i psów. Wyglądają one zupełnie inaczej na zewnątrz. To dlatego, że są przystosowane do działania w różnych środowiskach. Jeśli jednak spojrzymy na ich strukturę, zauważymy, że układ kości u tych gatunków jest bardzo podobny. Stąd też jest mało prawdopodobne, aby takie podobne struktury ewoluowały niezależnie u każdego gatunku, za to bardzo prawdopodobne, że podstawowy układ kości był już obecny u wspólnego przodka wielorybów, ludzi, ptaków i psów.
Niektóre struktury homologiczne można zobaczyć tylko na etapie zarodkowym. Na przykład wszystkie zarodki kręgowców (w tym ludzie) mają szczeliny skrzelowe i ogon podczas wczesnego rozwoju. Modele rozwojowe tych gatunków z czasem zaczynają się różnić (dlatego właśnie zarodkowy ogon staje się kością ogonową, a szczeliny skrzelowe zamieniają się w szczękę i ucho wewnętrzne)
Czasami organizmy posiadają pewne struktury w swojej budowie, które są homologiczne do ważnych struktur w innych organizmach, ale utraciły główną funkcję występującą u przodków. Struktury te, często zmniejszone, znane są jako struktury szczątkowe. Przykłady struktur szczątkowych obejmują kość ogonową człowieka (szczątkowy ogon), kości tylnych kończyn wielorybów i nierozwinięte nogi znalezione u niektórych węży (patrz zdjęcie po prawej).
Cechy analogiczne
Na pewno zainteresuje Cię fakt, że nie wszystkie cechy fizyczne, które wyglądają podobnie, oznaczają wspólne pochodzenie. Mówi się, że niektóre podobieństwa fizyczne są analogiczne: ewoluowały niezależnie w różnych organizmach, ponieważ organizmy żyły w podobnych środowiskach lub podlegały podobnej presji selekcyjnej. Ten proces nazywa się ewolucją konwergentną lub zbieżną. (Konwergencja oznacza schodzenie się, grupowanie, niczym dwie linie spotykające się w jednym punkcie).
Dla przykładu, dwa odległe od siebie gatunki żyjące w Arktyce, lis polarny i pardwa górska (ptak), ulegają sezonowym zmianom koloru z ciemnej na śnieżnobiałą. Ta wspólna funkcja nie odzwierciedla wspólnego pochodzenia – tzn. jest mało prawdopodobne, aby ostatni wspólny przodek lisa i pardwy zmieniał sezonowo kolor
Określanie relacji na podstawie podobnych cech
Ogólnie rzecz biorąc, biolodzy nie wyciągają wniosków na temat pokrewieństwa gatunków na podstawie jakiejkolwiek pojedynczej cechy, którą uważają za homologiczną. Zamiast tego badają duży zbiór cech (często zarówno cechy fizyczne, jak i sekwencje DNA) i wyciągają wnioski dotyczące pokrewieństwa na podstawie tych cech jako grupy. Wrócimy do tego tematu gdy poznamy drzewa filogenetyczne.
Biologia molekularna
Podobnie jak homologie strukturalne, podobieństwa między cząsteczkami biologicznymi mogą odzwierciedlać wspólne pochodzenie ewolucyjne. Na najbardziej podstawowym poziomie wszystkie żywe organizmy współdzielą:
- Ten sam materiał genetyczny (DNA)
- Te same lub bardzo podobne kody genetyczne
- Ten sam podstawowy proces ekspresji genów (transkrypcja i translacja)
- Te same cząsteczki budulcowe, takie jak aminokwasy
Te wspólne cechy sugerują, że wszystkie żywe stworzenia pochodzą od wspólnego przodka i że ten przodek posiadał materiał genetyczny w postaci DNA, używał kodu genetycznego i dokonywał ekspresji genów poprzez transkrypcję i translację. Wszystkie dzisiejsze organizmy mają te same cechy, ponieważ zostały one „odziedziczone” od przodka (i ponieważ wszelkie duże zmiany w tej podstawowej maszynerii mogłyby wpłynąć na załamanie się podstawowej funkcjonalności komórek).
Chociaż fakt posiadania DNA oraz przeprowadzania procesów takich jak transkrypcja i translacja są doskonałe do ustalania wspólnych źródeł życia, to nie są one aż tak przydatne do ustalenia, w jaki sposób powiązane są poszczególne organizmy. Jeśli chcemy ustalić, które organizmy w grupie są najbliżej spokrewnione, musimy przebadać różne typy struktur na poziomie molekularnym, takich jak sekwencje nukleotydowe genów.
Geny homologiczne
Biolodzy często porównują sekwencje pokrewnych genów występujących u różnych gatunków (często nazywanych homologicznymi lub ortologicznymi genami), aby dowiedzieć się, w jaki sposób te gatunki są ewolucyjnie spokrewnione ze sobą.
Podstawową ideą tego podejścia jest to, że dwa gatunki mają „ten sam” gen, ponieważ odziedziczyły go od wspólnego przodka. Na przykład ludzie, krowy, kurczaki i szympansy mają gen kodujący hormon insulinę, ponieważ gen ten był już obecny u ich ostatniego wspólnego przodka.
Ogólnie rzecz biorąc, im więcej różnic DNA w genach homologicznych (lub różnic aminokwasowych w kodowanych przez nich białkach) między dwoma gatunkami, tym dalej spokrewniony jest gatunek. Na przykład, białka insuliny ludzkiej i szympansiej są znacznie bardziej podobne do siebie (identyczne w około 98%) niż białka insuliny ludzkiej i kurzej (identyczne w około 64%), co odzwierciedla fakt, że ludzie i szympansy są bliżej spokrewnieni niż ludzie i kurczaki
Biogeografia
Geograficzne rozmieszczenie organizmów na Ziemi jest zgodne ze wzorcami, które najlepiej tłumaczy ewolucja, w połączeniu z ruchem płyt tektonicznych w czasie geologicznym.
Na przykład szerokie ugrupowania organizmów, które ewoluowały już przed rozpadem superkontynentu Pangei (około
Ewolucja pewnych wyjątkowych gatunków zamieszkujących wyspy jest kolejnym przykładem zbiegania się ewolucji i geografii. Na przykład większość gatunków ssaków w Australii to torbacze (noszą młode w torebce), podczas gdy większość gatunków ssaków w innych częściach świata ma łożysko (odżywiają młode przez łożysko). Gatunki torbaczy w Australii są bardzo różnorodne i pełnią wiele ról w ekologii. Ponieważ Australia była izolowana przez miliony lat, gatunki te były w stanie ewoluować bez konkurowania (lub wymiany) z gatunkami ssaków zamieszkujących inne części świata.
Torbacze australijskie, zięby Darwina na Galapagos oraz wiele gatunków zwierząt zamieszkujących wyspy hawajskie jest unikatowych dla swoich wysp, ale mają dalekie relacje z gatunkami przodków na kontynentach. Ta kombinacja cech odzwierciedla procesy ewolucji gatunków wyspiarskich. Często pochodzą one od przodków z kontynentu – na przykład, gdy fragment lądu się oddziela lub kilka osobników gubi swój kurs podczas lotu w burzy – ulegają dywergencji (stają się coraz bardziej różne od gatunku rodzimego), dostosowując się w odizolowaniu do nowego środowiska wyspy, którą zamieszkały.
Zapis kopalny
Skamieliny to zachowane pozostałości wcześniej żyjących organizmów lub ich ślady, pochodzące z odległej przeszłości. Zapis kopalny nie jest niestety kompletny: większość organizmów nigdy nie skamieniała, a te organizmy, które stały się skamielinami rzadko znajdowane są przez badaczy. Niemniej jednak skamieliny, które zgromadzili ludzie, oferują unikalny wgląd w ewolucję w długich okresach czasu.
Jak ustalić wiek skamieniałości? Po pierwsze, skamieniałości są często zawarte w skałach zbudowanych z warstw nazywanych warstwami skalnymi. Warstwy te stanowią rodzaj osi czasu, przy czym warstwy w górnej części są nowsze, zaś w dolnej - starsze. Skamieniałości znalezione w różnych warstwach w tym samym miejscu można uporządkować według ich pozycji, a do porównania wieku tych skamieniałości w różnych lokalizacjach można użyć warstw „referencyjnych”, czyli odniesienia, o unikalnych cechach. Ponadto naukowcy mogą z grubsza datować skamieniałości za pomocą datowania radiometrycznego, metody, która mierzy rozpad promieniotwórczy niektórych pierwiastków.
Skamieniałości dokumentują istnienie wymarłych gatunków, pokazując, jak różnorodne organizmy żyły na Ziemi w różnych okresach historii naszej planety. Mogą również służyć naukowcom do odtwarzania historii ewolucji współczesnych gatunków. Na przykład, kilka z najlepiej zbadanych skamieniałości pochodzi z linii geneologicznej koni. Korzystając z tych skamieniałości, naukowcom udało się zrekonstruować duże, rozgałęzione „drzewo genealogiczne” koni i ich wymarłych krewnych
Bezpośrednia obserwacja mikroewolucji
W niektórych przypadkach dowody na ewolucję są widoczne gołym okiem! Ważne współczesne przykłady ewolucji obejmują pojawienie się bakterii opornych na leki i owadów odpornych na pestycydy.
Na przykład w latach 50. XX wieku na całym świecie podjęto wysiłki w celu zwalczenia malarii poprzez wyeliminowanie jej nosicieli (niektórych rodzajów komarów). Pestycyd o nazwie DDT został szeroko rozpylony na obszarach, na których żyły komary, i na początku był bardzo skuteczny w zabijaniu komarów. Jednak z czasem DDT stawało się coraz mniej skuteczne i coraz więcej komarów przeżywało. Stało się tak, ponieważ populacja komarów rozwinęła odporność na ten pestycyd.
Pojawienie się oporności na DDT jest przykładem ewolucji przez dobór naturalny
- Przed zastosowaniem DDT niewielki ułamek komarów w populacji miał naturalnie występujące wersje genów (allele), które uczyniły je odpornymi na DDT. Te wersje pojawiły się w wyniku przypadkowej mutacji lub zmian w sekwencji DNA. W przypadku braku DDT w otoczeniu allele odporności nie pomogłyby komarom w przetrwaniu lub rozmnażaniu (a nawet mogłyby być szkodliwe), więc pozostały one rzadkie.
- Kiedy rozpoczął się oprysk DDT, większość komarów została zabita przez pestycyd. Które komary by przetrwały? W większości tylko te rzadkie osobniki, które miały allele oporności na DDT (a zatem przeżyły spryskanie DDT). Te ocalałe komary byłyby w stanie rozmnażać się i pozostawić potomstwo.
- Z biegiem czasu w populacji rodziło się coraz więcej komarów odpornych na DDT. Działo się tak, ponieważ odporni rodzice mieli większe szanse przeżyć i rozmnażać się niż rodzice nieodporni, a także odporni rodzice przekazywali swoje allele odporności na DDT (a tym samym zdolność do przeżycia) swojemu potomstwu. Ostatecznie populacje komarów odrodziłyby się z powrotem do dużej liczby, ale składałyby się głównie z osobników odpornych na DDT.
W częściach świata, w których w przeszłości DDT było szeroko stosowane, wiele komarów jest obecnie na nie odpornych. DDT nie może już być używane do zwalczania populacji komarów (i zmniejszania zagrożenia zachorowania na malarię) w tych regionach.
Dlaczego populacje komarów są w stanie szybko osiągnąć oporność na DDT? Dwa ważne czynniki to: duża wielkość populacji (co sprawia, że jest bardziej prawdopodobne, że niektóre osobniki w populacji przypadkowo będą miały mutacje zapewniające odporność) i krótki cykl życiowy. Bakterie i wirusy, które mają jeszcze większe populacje i krótsze cykle życiowe, mogą bardzo szybko rozwinąć oporność na leki, tak jak bakterie opornych na antybiotyki i lekooporny HIV.
Podsumowanie
Wiele rodzajów dowodów potwierdza teorię ewolucji:
- Struktury homologiczne dostarczają dowodów na wspólne pochodzenie, podczas gdy struktury analogiczne pokazują, że podobne presje selekcyjne mogą powodować podobne adaptacje (korzystne cechy).
- Podobieństwa i różnice między cząsteczkami biologicznymi (np. w sekwencji DNA genów) można wykorzystać do określenia pokrewieństwa gatunków.
- Wzorce biogeograficzne dostarczają wskazówek, jak gatunki są ze sobą spokrewnione.
- Skamieniałości, choć niekompletne, dostarczają informacji o tym, jakie gatunki istniały w poszczególnych okresach historii Ziemi.
- Niektóre populacje, takie jak mikroby i niektóre owady, ewoluują w stosunkowo krótkim czasie i można to obserwować bezpośrednio.
Chcesz dołączyć do dyskusji?
Na razie brak głosów w dyskusji