Что такое Теория эволюции Дарвина?

Теория эволюции путем естественного отбора была впервые сформулирована в книге Чарльза Дарвина «О происхождении видов», опубликованной в 1859 году.

В своей книге Дарвин описывает, как организмы развиваются на протяжении поколений посредством наследования физических или поведенческих черт. Теория начинается с предположения, что внутри популяции существуют различия в чертах, таких как форма клюва у одного из галапагосских вьюрков, которых изучал Дарвин.

Согласно теории, индивидуумы с чертами, которые позволяют им адаптироваться к окружающей среде, могут лучше выживать и иметь больше потомства, которое унаследует эти черты.

Индивидуумы с менее адаптивными чертами реже выживают, чтобы передать их. Со временем черты, которые позволяют видам выживать и воспроизводиться, станут более частыми в популяции, и популяция изменится или эволюционирует. Дарвин предположил, что благодаря естественному отбору генетически разнообразные виды могут возникнуть от общего предка.

Но Дарвин не знал механизма передачи признаков. Он ничего не знал о генетике, механизме, с помощью которого гены кодируют определенные черты, и эти черты передаются от одного поколения к другому.

Он также не знал о генетической мутации, которая является источником естественной изменчивости. Но будущие исследования генетиков предоставили механизм и дополнительные доказательства эволюции путем естественного отбора.

Дарвин выбрал термин «естественный отбор», чтобы противопоставить его «искусственному отбору», при котором селекционеры отбирают определенные черты, которые они считают желательными. При естественном отборе именно естественная среда, а не человек, осуществляет отбор.

Естественный отбор может незначительно изменить вид, в результате чего популяция меняет цвет или размер в течение нескольких поколений. Когда этот процесс происходит в течение относительно короткого периода времени и у вида или небольшой группы организмов, ученые называют это «микроэволюцией».

Но если дать достаточно времени и накопить изменения, естественный отбор может создать совершенно новые виды, процесс, известный как «макроэволюция». Именно этот долгосрочный процесс превратил динозавров в птиц, амфибийных млекопитающих (например, животное по имени Индохьюс) в китов, а общего предка человекообразных обезьян и человека в людей, шимпанзе и горилл, которых мы знаем сегодня.

Дарвин также описал форму естественного отбора, которая зависит от успеха организма в привлечении партнера — процесс, известный как половой отбор. Красочное оперение павлинов и рога самцов оленей являются примерами признаков, которые развились в результате такого отбора.

Одним из лучших примеров естественного отбора, который есть у ученых, является эволюция китов. Используя теорию Дарвина в качестве ориентира и понимая, как работает естественный отбор, биологи определили, что переход ранних предков китов с суши на воду происходил в виде ряда предсказуемых шагов.

Эволюция дыхала, например, могла начаться со случайных генетических изменений, которые привели к тому, что по крайней мере у одного кита ноздри оказались дальше на голове.

Киты с такой адаптацией были бы лучше приспособлены к морскому образу жизни, так как им не нужно было бы полностью всплывать на поверхность, чтобы дышать. Такие особи были более успешными и имели большее потомство. В более поздних поколениях произошло больше генетических изменений, в результате чего нос сдвинулся дальше назад на голове.

Изменились и другие части тела ранних китов. Передние ноги превратились в ласты. Задние ноги исчезли. Их тела стали более обтекаемыми, и у них появились хвостовые плавники, чтобы лучше передвигаться по воде.

Несмотря на то, что ученые могли предсказать, как должны выглядеть первые киты, долгое время им не хватало ископаемых свидетельств, подтверждающих их заявление. Креационисты рассматривали это отсутствие не только в отношении эволюции китов, но и в более общем плане как доказательство того, что эволюции не было.

Однако с начала 1990-х годов ученые нашли свидетельства в палеонтологии, биологии развития и генетики, подтверждающие идею о том, что киты произошли от наземных млекопитающих. Те же самые линии доказательств поддерживают теорию эволюции в целом.

В первом издании «Происхождения видов» Дарвин размышлял о том, как естественный отбор мог заставить наземное млекопитающее превратиться в кита. В качестве гипотетического примера Дарвин использовал североамериканских черных медведей (Ursus americanus), которые ловили насекомых, плавая в воде с открытым ртом.

«Я не вижу ничего сложного в том, чтобы в результате естественного отбора порода медведей превратилась в более водную по своему строению и повадкам, с все более и более крупными ртами, пока не появилось чудовище, похожее на кита», — размышлял он.

Идея не очень понравилась публике или другим ученым. Дарвин был так смущен насмешками, которые он получил, что отрывок о плавающем медведе был удален из более поздних изданий книги. Ученые теперь знают, что у Дарвина была правильная идея, но не то животное. Вместо медведей ему следовало смотреть на коров и гиппопотамов.

Дарвин был не первым и не единственным ученым, разработавшим теорию эволюции. Примерно в то же время, что и Дарвин, британский биолог Альфред Рассел Уоллес независимо от Дарвина выдвинул теорию эволюции путем естественного отбора, которая не была серьезно воспринята.

Между тем, французский биолог Жан-Батист Ламарк предположил, что организм может передавать признаки своему потомству, хотя он ошибался в некоторых деталях.

Как и Дарвин, Ламарк считал, что организмы приспосабливаются к окружающей среде и передают эту адаптацию. Он думал, что организмы делают это, изменяя свое поведение и, следовательно, свои тела — как спортсмены, тренирующиеся и получающие удовольствие — и что эти изменения передаются потомству.

Например, Ламарк считал, что изначально у жирафов были более короткие шеи, но по мере того, как деревья вокруг них становились выше, они вытягивали свои шеи, чтобы дотянуться до вкусных листьев, и их потомство постепенно развивало шеи все длиннее и длиннее.

Ламарк также считал, что жизнь каким-то образом эволюционировала от простых к более сложным формам.

Хотя Дарвин не был уверен в механизме передачи признаков, он не верил, что эволюция обязательно ведет к большей сложности — скорее, он считал, что сложность возникает в результате естественного отбора.

Дарвинистский взгляд на эволюцию жирафов заключается в том, что жирафы имеют естественную вариацию длины шеи и что те, у кого длиннее шея, лучше приспособлены к выживанию и размножению в среде, полной высоких деревьев, так что последующие поколения имели больше возможностей для выживания и размножения и более длинношеих жирафов.

Основное различие между ламаркистской и дарвинистской идеями эволюции жирафов заключается в том, что в дарвиновском объяснении нет ничего о том, что жирафы вытягивают шею и передают приобретенные характеристики.

При этом Дарвин ничего не знал о генетике. Он наблюдал закономерность эволюции, но на самом деле не знал о механизме. Это произошло позже, с открытием того, как гены кодируют различные биологические или поведенческие признаки и как гены передаются от родителей к потомству. Включение генетики в теорию Дарвина известно как «современный эволюционный синтез».

Физические и поведенческие изменения, которые делают возможным естественный отбор, происходят на уровне ДНК и генов в гаметах, сперматозоидах или яйцеклетках, через которые родители передают генетический материал своему потомству. Такие изменения называются мутациями. Мутации — это сырье, на котором действует эволюция.

Мутации могут быть вызваны случайными ошибками в репликации или репарации ДНК, химическими или радиационными повреждениями. Обычно мутации либо вредны, либо нейтральны, но в редких случаях мутация может оказаться полезной для организма. Если это так, то он станет более распространенным в следующем поколении и распространится среди популяции.

Таким образом, естественный отбор направляет эволюционный процесс, сохраняя и добавляя полезные мутации и отбрасывая плохие. Мутации случайны, но отбор для них не случаен.

Но естественный отбор — не единственный механизм эволюции организмов. Например, гены могут передаваться из одной популяции в другую, когда организмы мигрируют или иммигрируют — процесс, известный как поток генов. И частота определенных генов также может изменяться случайным образом, что называется генетическим дрейфом.

Теория эволюции — одна из наиболее обоснованных теорий в истории науки. Это подтверждается данными из самых разных научных дисциплин, включая генетику, которые показывают, что у разных видов есть сходство в их ДНК.

Есть также доказательства, подтверждающие теорию эволюции в палеонтологии и геологии. Это достигается за счет летописи окаменелостей, которая показывает, чем виды, существовавшие в прошлом, отличаются от тех, что существуют сегодня.

Есть также доказательства теории Дарвина, найденные в биологии развития. Было обнаружено, что виды, которые во взрослом возрасте кажутся очень разными, проходят схожие стадии эмбрионального развития, что предполагает общее эволюционное прошлое.

Критическое доказательство было обнаружено в 1994 году, когда палеонтологи нашли окаменелые останки Ambulocetus natans, что означает «плавающий кит». На его передних конечностях были пальцы и маленькие копыта, но задние лапы были огромными по сравнению с его размером. Животное было явно приспособлено к плаванию, но оно также было способно неуклюже передвигаться по суше, подобно тюленю.

Когда оно плыло, древнее существо двигалось, как выдра, отталкиваясь задними лапами и покачивая позвоночником и хвостом.

Современные киты продвигаются по воде с помощью мощных ударов своих горизонтальных хвостовых плавников, но у A. natans все еще был хлыстообразный хвост, и ему приходилось использовать свои ноги, чтобы обеспечить большую часть движущей силы, необходимой для движения в воде.

В последние годы обнаруживается все больше и больше таких переходных видов, или «недостающих звеньев», что еще раз подтверждает теорию Дарвина. Например, в 2007 году геологи обнаружили окаменелость вымершего водного млекопитающего по имени Индохьюс, размером с кошку, с копытами и длинным хвостом.

Ученые считают, что животное принадлежало к группе китообразных, таких как Ambulocetus natans. Это существо считается «недостающим звеном» между парнокопытными — группой копытных млекопитающих (парнокопытных), в которую входят бегемоты, свиньи и коровы — и китами.

Исследователи знали, что киты были связаны с парнокопытными, но до открытия этой окаменелости не было известных парнокопытных, которые имели бы общие физические характеристики с китами. В конце концов, бегемоты, считающиеся ближайшими родственниками китообразных, сильно отличаются от китов.

Indohyus, с другой стороны, был парнокопытным, на что указывает строение его копыт и лодыжек, и он также имел некоторое сходство с китами, например, по строению ушей.

Генетические данные также подтверждают идею о том, что киты произошли от наземных млекопитающих, и предоставляют информацию о точном разветвлении эволюционного дерева.

Например, в 1999 году исследователи сообщили в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences, что согласно генетическому анализу последовательностей «прыгающих генов», которые копируют и вставляют себя в геномы, гиппопотамы были ближайшими живыми родственниками китов. До 1985 года исследователи считали, что свиньи более тесно связаны с китами, но исследование 1999 года опровергло эту идею.

В 2019 году исследователи сообщили в журнале Science Advances о том, какие гены в геноме кита были инактивированы в процессе эволюции существа от наземных млекопитающих.

Ученые могли сказать, что некоторые гены, в том числе участвующие в образовании слюны, были инактивированы, потому что в геномах китов есть их остатки, которые исследователи называют геномными окаменелостями. Это указывает на то, что киты произошли от выделяющих слюну существ.

Есть также свидетельства эволюции китообразных из биологии развития. Биология развития иллюстрирует тот факт, что животные, которые во взрослом состоянии очень отличаются друг от друга, имеют сходство в качестве эмбрионов, потому что они эволюционно связаны.

Например, у китообразных, будучи эмбрионами, начали развиваться задние конечности, которые исчезают позже в процессе развития, в то время как передние конечности остаются и развиваются в ласты. Это говорит о том, что китообразные произошли от четвероногого предка.

Эволюция хорошо подтверждается многими примерами изменений в различных видах, которые привели к разнообразию жизни, наблюдаемой сегодня.

Естественный отбор, или, другими словами, изменчивость, наследственность и дифференциальная приспособленность — это основная теория современной биологии. Это для биологии то же, что и квантовая механика и специальная теория относительности для физики или модель атома для химии.