Główna zawartość
Biologia - program rozszerzony
Kurs: Biologia - program rozszerzony > Rozdział 7
Lekcja 6: Wspólny przodek i ciągła ewolucjaDowody na ewolucję
The theory of evolution is supported by instances of direct observation, the existence of homologies and fossils, and certain biogeographical patterns.
Kluczowe punkty:
- Dowody ewolucji na dużą skalę (makroewolucji) pochodzą z anatomii i embriologii, biologii molekularnej, biogeografii i skamielin.
- Podobna anatomia znaleziona u różnych gatunków może być homologiczna (wspólna z powodu pochodzenia) lub analogiczna (wspólna z powodu podobnych funkcji).
- Molecular similarities provide evidence for the shared ancestry of life. DNA sequence comparisons can show how different species are related.
- Biogeografia, badanie geograficznego rozmieszczenia organizmów, dostarcza informacji o tym, jak i kiedy gatunki mogły ewoluować.
- Skamieliny dostarczają dowodów na długoterminowe zmiany ewolucyjne, dokumentując przeszłe istnienie gatunków, które wyginęły.
Wprowadzenie
We can sometimes directly see small-scale evolution, or microevolution, taking place (for example, in the case of drug-resistant bacteria or pesticide-resistant insects). However, many of the most fascinating evolutionary events – such as the divergence, or splitting, of plant and animal lineages from a common ancestor – happened far in the past. Not only that, but they occurred over very long time periods, not on the days-to-weeks timescales of bacterial and viral evolution. This large-scale evolution is sometimes called macroevolution.
Nie możemy bezpośrednio obserwować wydarzeń ewolucyjnych, które miały miejsce w przeszłości. Często jednak chcemy je zrozumieć. Na przykład możemy chcieć wiedzieć, czy dwa współczesne gatunki są blisko spokrewnione. Lub możemy chcieć zrozumieć relacje ewolucyjne między większą grupą gatunków. Jak możemy odpowiedzieć na tego rodzaju pytania?
Dowody ewolucji: Śledzenie historii ewolucji
W tym artykule przyjrzymy się kilku rodzajom informacji wykorzystywanych przez biologów do śledzenia i odtwarzania ewolucyjnej historii organizmów w długim okresie czasu.
- Anatomia i embriologia. Takie same cechy anatomiczne dla organizmów (w tym te, które są widoczne tylko podczas rozwoju embrionalnego) mogą wskazywać na wspólne pochodzenie.
- Biologia molekularna. Podobieństwa i różnice między "tym samym" genem w różnych organizmach (tj. parą genów homologicznych) mogą pomóc nam w ustaleniu, jak blisko są one spokrewnione.
- Biogeografia. Rozmieszczenie geograficzne gatunków może pomóc nam w odtworzeniu ich ewolucyjnej historii.
- Skamieliny. Zapis skamielin nie jest kompletnym zapisem historii ewolucyjnej, ale potwierdza istnienie wymarłych gatunków i czasami zachowuje potencjalne formy „pośrednie” na drodze do współczesnych gatunków.
Przyjrzyjmy się bliżej tym strategiom odbudowy historii ewolucji w długich okresach czasu.
Dowody ewolucji: 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.
Przyjrzyjmy się jednemu klasycznemu przykładowi. Przednie kończyny wielorybów, ludzi i ptaków wyglądają zupełnie inaczej na zewnątrz. To dlatego, że są przystosowane do pracy w różnych środowiskach. Jeśli jednak spojrzysz na strukturę kości kończyn przednich, zobaczysz, że organizacja kości jest niezwykle podobna u różnych gatunków. Jest mało prawdopodobne, aby tak podobne struktury ewoluowały niezależnie u każdego gatunku. Bardziej prawdopodobne, że podstawowy układ kości był już obecny u wspólnego przodka wielorybów, ludzi i ptaków.
Niektóre struktury homologiczne można zobaczyć tylko w zarodkach. Na przykład, czy wiesz, że kiedyś miałeś ogon i szczeliny skrzelowe? Wszystkie zarodki kręgowców, od ludzi przez kury po ryby, mają te cechy na wczesnym etapie rozwoju. Oczywiście dalszy rozwój tych gatunków staje się coraz bardziej zróżnicowany (dlatego właśnie twój zarodkowy ogon jest teraz kością ogonową, a szczeliny skrzelowe zamieniły się w szczękę i ucho wewnętrzne)
Struktury szczątkowe są zredukowanymi lub niefunkcjonalnymi wersjami cech, które obecnie pełnią niewielką lub wręcz żadną funkcję w organizmie. Jednym z przykładów jest ludzki ogon, który podczas rozwoju zostaje zredukowany do kości ogonowej. Struktury szczątkowe są homologiczne z przydatnymi strukturami występującymi w innych organizmach i mogą zapewnić wgląd w pochodzenie organizmu. Na przykład małe szczątkowe nogi znalezione u niektórych węży, np. u boa dusiciela na zdjęciu po prawej stronie, potwierdzają, że węże miały czworonożnego przodka
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).
Na przykład dwa odległe od siebie gatunki żyjące w Arktyce, lis polarny i pardwa (ptak), przechodzą sezonowe zmiany koloru ubarwienia z ciemnej na śnieżnobiałą. Ta wspólna cecha nie świadczy o wspólnym pochodzeniu - tzn. jest mało prawdopodobne, aby ostatni wspólny przodek lisa i pardwy zmieniał ubarwienie wraz z porami roku. W rzeczywistości, ta cecha była preferowana osobno u obu gatunków ze względu na podobne presje selekcyjne. Oznacza to, że genetycznie zdeterminowana zdolność do przejścia na jasne ubarwienie w zimie pomogła zarówno lisom, jak i pardwom przetrwać i rozmnażać się w miejscu, gdzie występują śnieżne zimy i czają się drapieżniki.
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.
Dowody ewolucji: 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 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 w DNA w homologicznych genach między dwoma gatunkami, tym mniej gatunki są spokrewnione. Na przykład geny insuliny ludzkiej i szympansiej są znacznie bardziej podobne (w około 98% identyczne) niż geny insuliny ludzkiej i kurzej (w około 64% identyczne), co potwierdza fakt, że ludzie i szympansy są bliżej spokrewnieni niż ludzie i kury.
Dowody ewolucji: Biogeografia
Geograficzne rozmieszczenie organizmów na Ziemi najlepiej wyjaśnia ewolucja, w połączeniu z ruchem płyt tektonicznych w czasie.
Na przykład, szerokie grupy organizmów, które ewoluowały już przed rozpadem superkontynentu Pangea (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.
Dowody ewolucji: skamieliny
Skamieliny to zachowane pozostałości wcześniej żyjących organizmów lub ich ślady, pochodzące z odległej przeszłości. Skamieliny nie są, niestety, kompletne ani nieuszkodzone: większość organizmów nigdy nie uległa skamienieniu, a nawet organizmy, które uległy, są rzadko znajdowane przez ludzi. Mimo to skamieliny, które mieliśmy szczęście znaleźć, dają wyjątkowy wgląd w ewolucję w długich okresach czasu.
Aby odpowiednio interpretować skamieliny, musimy wiedzieć, ile mają lat. Skamieliny są często ukryte w skałach zbudowanych z warstw, które to stanowią rodzaj osi czasu, przy czym warstwy w górnej części są nowsze, a warstwy w dolnej - starsze. Skamieliny znalezione w tym samym miejscu tylko w różnych warstwach można uporządkować według ich pozycji, a do porównania wieku skamielin z różnych warstw można użyć skał „referencyjnych” o unikalnych cechach. Ponadto naukowcy mogą z grubsza szacować wiek skamieliny za pomocą datowania radiometrycznego, które opiera się na pomiarze rozpadu promieniotwórczego niektórych pierwiastków.
Skamieliny potwierdzają istnienie obecnie wymarłych gatunków, pokazując, że różne organizmy żyły na Ziemi w różnych okresach historii planety. Mogą również pomóc naukowcom w odtworzeniu historii ewolucji współczesnych gatunków. Na przykład niektóre najlepiej zbadane skamieliny pochodzą z rodu koni. Korzystając z tych skamielin, naukowcom udało się zrekonstruować duże, rozgałęzione „drzewo genealogiczne” dla koni i ich wymarłych krewnych. Zmiany w rodowodzie prowadzące do powstania współczesnych koni, takie jak redukcja palców stóp do kopyt, mogą odzwierciedlać adaptację do zmian w otoczeniu.
Podsumowanie
Biologowie wykorzystują wiele rodzajów dowodów do śledzenia zmian ewolucyjnych, które występują w długich okresach. Na przykład:
- Homologiczne cechy fizyczne wspólne dla gatunków mogą dostarczyć dowodów na wspólne pochodzenie (ale musimy być pewni, że są naprawdę homologiczne, a nie są wynikiem zbieżnej ewolucji).
- Podobieństwa i różnice między cząsteczkami biologicznymi (np. w sekwencji DNA genów) można wykorzystać do określenia pokrewieństwa gatunków.
- Biogeografia dostarcza wskazówek, w jaki sposób gatunki żywe i wymarłe są ze sobą powiązane.
- Skamieliny, choć niekompletne, dostarczają cennych informacji o tym, jakie gatunki istniały w określonych czasach w historii Ziemi.
Chcesz dołączyć do dyskusji?
Na razie brak głosów w dyskusji