Генетична изменчивост, генен поток и нови видове

Естественият подбор е централното и най-брилянтно прозрение на Дарвин, обясняващо механизмите на еволюцията. Но подбор на какво? Какъв е суровият материал, върху който подбиращите сили работят в природата? Въпреки че е имал някои идеи за това, Дарвин не е знаел, че различията се коренят в генетичната информация, съдържаща се във всяка клетка на всеки организъм. Малко е като азбука, направена само от четири букви. Букви, които могат да бъдат подредени в думи с всякаква дължина. Гените могат да бъдат разглеждани като думи, съставени от тези букви. Последователностите на нуклеотидите изписват кодове, които дават заповеди на клетъчните механизми да карат клетката да работи. Всъщност гените помагат за изработването на самите клетки, предоставяйки накрая закодираната информация, която построява целия организъм. Последователностите от нуклеотиди са подредени в дълги молекули с дълго име: дезоксирибонуклеинова киселина. Обичам да разделям сложни думи до корените им. "Дезоксирибо" е дългият гръбнак от захарни молекули, дезоксирибози, които са свързани заедно, за да създадат двойка дълги паралелни вериги. "Нуклеинова" означава, че говорим за нуклеотиди. Тези четири захарни молекули, които свързват двете нишки и представят генетичния код. Специфичната последователност на нуклеотидите създава думите, или гените, на генетичния код. Накрая, терминът "киселина" е химическата класификация за цялата грамадна молекула, защото това цялото, от химична гледна точка, е киселина. Така че това е дезокси-рибо-нуклеинова киселина. И така се изписва ДНК. Можеш да си представиш, че при сложността на организмите, би трябвало да има много ДНК, която трябва да бъде разчитана, много думи в генетичния код, които диктуват реда за построяване на организма и го карат да прави всички невероятни неща, които прави. И има! Според някои изчисления има около 2 до 3 метра от ДНК във всяка клетка на един човек. И това е само в една клетка! Ако добавиш дължините на ДНК от всички клетки на един човек, това ще бъде приблизително достатъчно дълга нишка ДНК, която да отиде и се върне, отиде и се върне от Земята до Слънцето 70 пъти! Това е наистина много дълга нишка, но е много, много дълга тънка нишка. И както казах, това е една дълга молекула. С толкова много ДНК, събрана във всяка клетка, има всъщност начин за организиране на тази бъркотия, предотвратявайки оплитане. ДНК в клетките на всеки вид организъм е подредено стройно в специфичен брой за вида пакети. Или структури, познати като хромозоми. Броят на хромозомите варира от вид до вид. Хората имат 46 хромозоми. Но делфините имат 44. Птицечовките имат 52. Гълъбите имат 78, комарите имат 6 миниатюрни ДНК молекули, слузестите плесени имат 12. Грахът има 14, а оризът 24. Обикновеният змийски език има 1 260. А за тези някакви едноклетъчни микроби се твърди, че имат повече от 15 000 миниатюрни хромозоми във всяка клетка. Можеш да видиш, че броят на хромозомите не е свързан директно със сложността на организма. И можеш също да видиш, че видовете се различават генетично. Но е важно да отбележа, че индивидите от един вид също се различават. А защо това е така? Учените, изучаващи гените, знаят, че различни типове промени се случват в генетичния код. Което внася разновидности в индивидите и във вида. Наричаме някои от тези промени мутации. Мутациите са действителни промени последователността от буквите в думите, които съставят генетичния код, промени в нуклеотидите, които съставят гените. Следователно промени в инструкциите, които идват от ДНК. Мутациите се случват често при грешки в репликацията, или възпроизвеждането на ДНК по време на клетъчното делене, заради химикали, които могат да нарушат структурата на ДНК и заради радиация. Въпреки че много от тези фактори са естествени, те могат да бъдат предизвикани и от човека. Важното е, че тези мутации могат да променят или изтрият нуклеотиди. Те могат дори да променят части от хромозомата или дори цялата хромозома. Мутациите водят до различни форми на един и същ ген. Тези различни форми се наричат алели. Например цветът на очите е закодиран от различни алели на един и същ ген. Когато ДНК инструкциите се прочитат от механизмите на клетката, тези различни алели могат да доведат до вариации в чертите на организма: формата на тялото, метаболизма, поведението и всяка друга черта или процес, определени от гените. Следователно, не е изненадващо, че всеки индивид на една популация е уникален. Всеки индивид е съставен от сложна смес от много, много белези. И зад тези белези може да има много различни алели. Но как алелите се пренасят до потомците? Това се е чудел и Дарвин. Сега трябва да говорим за секс. За разлика от Дарвин, нашата дискусия за секса може да се фокусира върху това как разновидностите на генетична информация могат да се предават на потомците. В процеса на създаването на сперматозоидите и яйцеклетката, използвани за размножаването, се случва голяма генетична рекомбинация – нещо като разбъркване на генетичното тесте. Това води до хромозоми с нови комбинации от алели. И когато тези генетично различни сперматозоиди и яйцеклетки се сливат при оплождането, резултатът е множество потомци, които са генетично уникални индивиди. Дори бактериите, които не правят секс по същия начин, по който видове с мъжки и женски индивиди го правят, преминават през подобен процес. Те продължително разбъркват генетичното тесте при размножаването. Това позволява много вариации и в техните потомци. И спомни си: тези индивидуални разлики са фокуса на този процес на подбор, защото някои от тези рекомбинации ще направят индивида по-приспособен от другите. По-способен да оцелее и по-способен да има собствени деца. И тук се появява естествения подбор, премахвайки по-необещаващи и по-малко приспособени индивиди. Или от друга страна, избирайки индивиди които са по-обещаващи и по-приспособими. Това е идеята зад оцеляването на по-приспособимите. Виждали сме как половото размножаване може да доведе до множество индивидуални вариации в една популация. И как популациите се променят с времето в резултат на естествения подбор. Но иронично, в същото време, ако има широко застъпено размножаване между членове на популацията, полученото смесване на генетична информация в цялата популация също значи, че индивидите в популацията не се отличават твърде много едни от други по форма, поведение или физиология. Това също значи, че една популация няма да се различава много от друга от определен вид. Това смесване на генетична информация между кръстосващи се членове на една популация или един вид е познато като генетична миграция. Това запазва достатъчно съвместимост между индивидите и популациите от вида, така че членовете да могат все пак да се размножават помежду си. Какво се случва, ако генетичната миграция е забавена или нещо ѝ пречи? Представи си една популация, в която половото размножаване и вариациите се случват през цялото време. И внезапно се появява някаква бариера, която разделя тази популация на две. Наистина известен пример е, когато нивото на океанската вода е паднало достатъчно преди милиони години, за да позволи на панамския провлак да стане линия суша. Това отделило водите на Източния Тих океан от Карибско море. Видове морски организми, които са били разпространени и от двете страни на провлака, се срещнали с бариера, която пречела на някои членове да могат да се плодят с други. Обаче индивидите от двете страни на бариерата продължили да се размножават помежду си. И продължили да създават жизненоспособни потомци, които били избирани. Но всяка от подпопулациите продължили да правят това без влиянието на гените на подпопулацията от другата страна на провлака. Следователно, имаме т. нар. "възпиране на генетична миграция" между две отделни групи. Това, което било преди една кръстосваща се популация, е станало две отделни популации без генетична миграция помежду им, заради бариерата. Учените познават много примери за морски видове от една страна на Панамския провлак, които имат най-близки роднини – втори, сестрински вид, от другата страна на тази важна бариера. Тези свързани двойки видове дори имат специално име: "видове близнаци" от латинския корен за близнаци. С времето, и това е ключова съставка, време. С достатъчно време за правене на поколения, двете популации започват да се отличават по белезите си. Това може да се случи със случайни промени, които се появяват и от двете страни на бариерата. Но понякога условията на средата от двете страни могат да бъдат малко различни, което създава различни подборни сили за двете популации. Това служи за подчертаване на различията между двете популации с времето. И в някакъв момент двете популации ще се отличават достатъчно по белезите си, за да бъдат разпознати като два различни вида. Това отделяне е наистина важно за разбирането на това как еволюцията работи и как нови видове се формират. За това говорим тук: видообразуване. Това за мен е "нещото" на еволюцията. Видообразуването не е натрупването на промени в един отделен вид, така че в един момент да можеш да кажеш, че един вид се е превърнал изцяло в друг вид. Вместо това, то е разделянето на един вид в два наследствени вида. Всичко това се случва случайно чрез рекомбиниране и мутация. Еволюцията няма определена цел. Няма посока. Обичам да казвам на студентите си: "Нещата се случват." "Нещата" са просто случайни случаи на мутации и рекомбинации на алели, които водят до разнообразие в генетичния код. Следователно и до различия в белезите на индивидите. Условията на средата селектират за или против генетично закодирани белези. Белезите, които са избрани, се предават на на следващото поколение. Но истинското чудо на всичко това е резултатът. С отделянето на популациите и разклоняването им във времето, се оформя разклоняващо се дърво от прародителски и наследнически видове. И то продължава да расте. Това е дървото на живота – пълно с разделящи се видове, които съставят "най-красиви безкрайни форми", за които Дарвин говори. С други думи, достига се до биоразнообразие.