Основно съдържание

Курс: Биологична библиотека > Раздел 26

Урок 1: Доказателства за еволюцията

Доказателства за еволюцията

Теорията за еволюцията е подкрепена от случаи на директно наблюдение, съществуването на хомологии и вкаменелости и определени биогеографски модели.

Ключови точки:

Доказателства за широкомащабна еволюция (макроеволюция) идват от анатомията и ембриологията, молекулярната биология, биогеографията и откритите вкаменелости.
Сходната анатомия, която се среща при различни видове, може да е хомоложна (споделена поради общ предшественик) или аналожна (споделена поради сходен натиск от подбора).
Молекулярните прилики предоставят доказателство за споделен предшественик. Сравненията на ДНК последователността могат да покажат как са свързани различните видове.
Биогеографията, науката за географското разпределение на организмите, предоставя информация за това как и кога може да са еволюирали видовете.
Вкаменелостите предоставят доказателство за дългосрочни еволюционни промени, документирайки миналото съществуване на видове, които днес са изчезнали.

Въведение

Понякога можем директно да видим малкомащабна еволюция, или микроеволюция, (например в случая с лекарствено-резистентни бактерии или пестицид-резистентни насекоми). Но много от най-удивителните еволюционни събития – като дивергенцията, или разделянето, на растителни и животински линии от общ предшественик – са се случили далеч в миналото. Не само това, но са се случили през много дълги времеви периоди, не времевия мащаб дни-до-седмици на бактериалната и вирусната еволюция. Тази широкомащабна еволюция понякога се нарича макроеволюция.

Дарвин разглеждал еволюцията като "наследяване с изменения", процес, в който видовете се променят и дават начало на нови видове през много поколения. В тази гледна точка живите организми образуват огромно, разклоняващо се дърво с много нива, в което линиите на всички всички съвременни видове могат да се проследят назад до общ предшественик.

Днес повечето биолози дефинират еволюцията по-специфично като процес, при който генетичният състав на една популация се променя с времето. Тази дефиниция обхваща и големи промени през дълъг времеви период, à la Дарвин, и по-малки промени в генетичния състав, които се случват през по-къси периоди.

За повече информация виж видеото на Сал за еволюция и естествен подбор.

Не можем директно да наблюдаваме еволюционни събития, които са се случили в миналото. Но често искаме да ги разберем. Например може да искаме да знаем дали два съвременни вида са близко свързани. Или може да имаме група от видове и искаме да разберем еволюционните връзки между тях. Как можем да отговорим на подобни въпроси?

Доказателство за еволюцията: Проследяване на еволюционната история

В тази статия ще разгледаме няколко вида информация, която биолозите използват, за да проследят и реконструират еволюционната история на организми през дълъг времеви период.

Анатомия и ембриология. Анатомичните характеристики, споделени между организмите (включително тези, които са видими само по време на ембрионалното развитие), може да са индикация за общ еволюционен предшественик.
Молекулярна биология. Прилики и разлики между "един и същ" ген при различни организми (тоест, двойка хомоложни гени) могат да ни помогнат да определим колко близко свързани са организмите.
Биогеография. Географското разпределение на видовете може да ни помогне да реконструираме техните еволюционни истории.
Вкаменелости. Фосилните данни не са пълни данни на еволюционната история, но потвърждават съществуването на вече изчезнали видове и понякога улавят потенциалните "междинни" форми по пътя към съвременните видове.

Нека разгледаме по-отблизо тези стратегии за реконструиране на еволюционни истории през дълги времеви периоди.

Доказателства за еволюцията: Анатомия и ембриология

Дарвин мислил за еволюцията като "наследяване с изменения", процес, при който видовете се променят и дават начало на нови видове след много поколения. Той предложил, че еволюционната история на живота образува разклоняващо се дърво с много нива, в които всички видове могат да бъдат проследени до древен общ предшественик.

Изобаржение на: "Darwin's tree of life, 1859" от Charles Darwin (публичен домейн).

В този модел на дървото, по-близко свързани групи видове имат по-скорошни общи предшественици и всяка група споделя характеристики, които са били налични в последния общ предшественик. Можем да използваме тази идея, за да "работим назад" и да открием как организмите са свързани въз основа на техните споделени характеристики.

Хомоложни характеристики

Ако два или повече вида споделят уникална физическа характеристика като еднаква костна структура или структура на тялото, те може да са унаследили тази характеристика от общ предшественик. Физически характеристики, общи поради еволюционна история (общ предшественик), се наричат хомоложни.

Да разгледаме един класически пример – предните крайници на китовете, хората и птиците изглеждат доста различни отвън. Това е така, понеже те са се адаптирали да функционират в различни среди. Но ако разгледаш костната структура на предните им крайници, ще откриеш, че организацията на костите е удивително подобна между видовете. Малко вероятно е такива подобни структури да се еволюирали независимо във всеки вид и е по-вероятно основното разположение на костите да е било вече налично при общ предшественик на китовете, хората и птиците.

_Изображение, модифицирано от "Homology vertebrates-en.svg" от Волков, Владислав Петрович (CC BY-SA 4.0). Модифицираното изображение е лицензирано с лиценз CC BY-SA 4.0._

Някои хомоложни структури могат да бъдат видени само при зародишите. Например, знаеш ли, че преди тялото ти е имало опашка и хрилни дъги? Всички ембриони на гръбначни, от хората до пилетата, до рибите, споделят тези характеристики по време на ранното си развитие. Разбира се, моделите на развитието на тези видове стават много различни по-късно (поради което ембрионалната ти опашка сега е опашната ти кост, а хрилните ти дъги са се превърнали в челюстта ти и вътрешното ти ухо)

^{1}

. Но споделените ембрионални характеристики пак са хомоложни структури и отразяват, че моделите на развитието на гръбначните са вариации на предшественическа програма.

_ Изображение, модифицирано от "Rudimentary hindlegs spurs in Boa constrictor snake.jpg" от Stefan3345 (CC BY-SA 4.0). Модифицираното изображение е лицензирано с лиценз CC BY-SA 4.0._

Закърнелите структури са редуцирани или нефункционални версии на характеристики, такива, които служат на малка или никаква цел за един организъм. Човешката опашка, която бива редуцирана до опашна кост по време на развитието, е един пример. Закърнелите структури са хомоложни на полезни структури, които се срещат в други организми, и могат да дадат информация кои са предшествениците на организма. Например малките закърнели крака, които се срещат при някои змии като боата удушвач вдясно, отразяват това, че змиите са имали четирикрак предшественик

^{2}

Аналожни характеристики

За да направим нещата малко по-интересни и сложни, трябва да кажем, че не всички физически свойства, които изглеждат еднакво, са белези за общ предшественик. Вместо това някои физически прилики са аналогични: те са еволюирали независимо в различни организми, понеже организмите са живели в подобни обстановки или са изпитали сходно селективно налягане. Този процес се нарича конвергентна еволюция. (Конвергенция означава събиране, като две линии, събиращи се в точка.)

Например два далечно свързани вида, които живеят в Арктика, арктическата лисица и птармигана (птица), преминават през сезонни промени на цвета от тъмен до снежно бял. Тази споделена характеристика не отразява общ предшественик – тоест, не е вероятно последният общ предшественик на лисицата и птармигана да е променял цвета си със сезоните. Вместо това тази характеристика е била благоприятствана поотделно в двата вида, поради подобен селективен натиск. Тоест, генетично определената способност да преминат към светло оцветяване през зимата е помогнало и на лисиците, и на птармиганите да оцелеят и да се възпроизведат на място със снежни зими и хищници с остри очи.

Понякога това е въпрос на инспектиране на характеристиките много отблизо, за да се види дали са "наистина еднакви". Например, въпреки че крилата на птиците и прилепите се използват за полет и изглеждат на пръв поглед еднакво, те са построени по различни начини и са аналожни структури, които са еволюирали независимо (въпреки че костната структура на предните им крайници е хомоложна).

Биолозите може да използват и друга информация, например молекулярни данни, която да им помогне да разберат дали характеристиките са унаследени от общ предшественик, или не. Можем, например, да използваме сравняване на ДНК последователностите, за да определим колко са свързани по принцип лисицата и птармиганът. Чрез проучване на специфични гени (например тези, които участват в произвеждането на пигмент в козината или перата) може дори да успеем да открием дали чертата за промяна на цвета е имала една и съща генетична основа в двата случая.

Определяне на връзките въз основа на подобни характеристики

Като цяло, биолозите не вадят заключения за това как са свързани видовете на основата на единична характеристика, която мислят, че е хомоложна. Вместо това проучват голяма колекция характеристики (често и физически характеристики, и ДНК последователности) и вадят заключения за свързаността въз основа на тези характеристики като група. Ще проучим тази идея повече, когато проучваме филогенетичните дървета.

Доказателство за еволюцията: Молекулярна биология

Също като структурните хомологии, сходствата между биологичните молекули могат да отразяват общ еволюционен предшественик. На най-основно ниво, всички живи организми споделят:

Един и същ генетичен материал (ДНК)
Едни и същ или много подобен генетичен код
Един и същ основен процес на генна експресия (транскрипция и транслация)

Тези общи характеристики предполагат, че всички живи същества са потомци на общ предшественик и че този предшественик е имал ДНК за генетичен материал, използвал е генетичния код и е експресирал гените си чрез транскрипция и транслация. Днешните организми споделят тези характеристики, понеже са ги "унаследили" от предшественика (и понеже всякакви големи промени в тази основна "апаратура" биха разрушили основната функционалност на клетките).

Въпреки че са чудесни за установяване на общия произход на живите организми, характеристики като наличие на ДНК или извършване на транскрипция и транслация не са толкова полезни за установяване на това как са свързани определени организми. Ако искаме да определим кои организми в една група са най-близко свързани, трябва да използваме различни видове молекулярни характеристики, напр. нуклеотидната последователност на гените.

Хомоложни гени

Биолозите често сравняват последователностите на свързани гени, срещащи се в различни видове (често наричани хомоложни или ортоложни гени), за да открият как тези видове са еволюционно свързани едни с други.

Основната идея зад този подход е, че два вида имат "един и същи" ген, понеже са го унаследили от общ предшественик. Например хората, кравите, пилетата и шимпанзетата имат ген, който кодира хормона инсулин, понеже този ген вече е бил наличен в последния им общ предшественик.

Като цяло, колкото повече ДНК разлики има в хомоложни гени между два вида, толкова по-далечно са свързани видовете. Например гените, кодиращи хормона инсулин при хората и шимпанзетата, са много по-сходни (около 98% идентични) отколкото при човека и кокошките (около 64% идентични), което отразява, че хората и шимпанзетата са по-близко свързани, отколкото хората и кокошките

^{c}

Доказателство за еволюцията: Биогеография

Географското разпределение на организмите на Земята следва модели, които са най-добре обяснени от еволюцията в комбинация с движението на тектонските плочи през геоложкото време. Например широките групи организми, които вече били еволюирали преди разделянето на суперконтинента Пангея (преди около

200

милиона години), по принцип са разпределени по целия свят. За разлика от тях широките групи, които са еволюирали след разделянето, по принцип се срещат уникално в по-малки региони на Земята. Например има уникални групи растения и животни на северните и южните континенти, които могат да бъдат проследени до разделянето на два суперконтинента (Лавразия на север, Гондвана на юг).

Изтачник на изображението: "Marsupial collage" от Aushulz, CC BY-SA 3.0.

Еволюцията на уникални видове на острови е друг пример как се пресичат еволюцията и географията. Например повечето видове бозайници в Австралия са торбести (носят младите индивиди в торба), докато повечето видове бозайници другаде по света са плацентни (изхранват младите индивиди чрез плацента). Видовете торбести в Австралия са много различни и запълват широк диапазон екологични роли. Понеже Австралия била изолирана от вода за милиони години, тези видове успели да еволюират без конкуренция от (или обмен с) видове бозайници от другаде по света.

Торбестите в Австралия, чинките на Дарвин на Галапагоските острови и много видове на Хавайските острови са уникални за услоията на техните острови, но имат далечни връзки с видове предшественици на континентите. Тази комбинация от характеристики отразява процесите, чрез които еволюират островните видове. Те често възникват от континентални предшественици – например, когато земна маса се откъсне или няколко индивида биват издухани по време на буря – и се отклоняват (стават увеличаващо се по-различни), докато се адаптират в изолация към островната обстановка.

Доказателство за еволюцията: данни от вкаменелости

Вкаменелостите са запазени останки от отдавна живели организми или техните следи, датиращи от далечното минало. Фосилните данни не са пълни или ненарушени: повечето организми никога не се превръщат във фосили и дори тези, които се превръщат, рядко биват открити от хора. И все пак фосилите, които сме били късметлии да открием, предлагат уникални прозрения за еволюцията през дълги периоди от време.

Източник на изображението: "Rock strata, E ridge of Garish" от Chris Eilbeck, CC BY- SA 2.0.

За да интерпретираме вкаменелостите (фосилите) правилно, трябва да знаем колко стари са те. Фосилите често се съдържат в скали, които изграждат слоеве, наричани страти и стратите предоставят един вид времева линия, като слоевете близо до върха са по-нови, а слоевете близо до дъното са по-стари. Фосили, открити в различни страти на едно и също място, могат да бъдат подредени според местоположението си и "отправни" страти с уникални характеристики могат да се използват за сравняване на възрастта на фосилите на различни места. Учените могат приблизително да датират фосилите, като използват също така и радиометрично датиране – процес, при който се измерва радиоактивният разпад на определени елементи.

Фосилите документират съществуването на вече изчезнали видове, като показват, че различни организми са живели на Земята през различни периоди от историята на планетата. Те могат също да помогнат на учените да пресъздадат еволюционните истории на настоящи видове. Например, някои от най-добре проучени фосили са от линията на коня. Чрез използване на тези фосили учените са успели да пресъздадат голямо, разклоняващо се "семейно дърво" за конете и техните вече изчезнали роднини. Промени в линията, водещи до съвременните коне, като редукцията от крака с пръсти до копита, може да отразят промени в околната среда.

Източник на изображението: "Equine evolution" от H. Zell, CC BY-SA 3.0.

Резюме

Биолозите използват множество видове доказателства, за да проследят еволюционните промени, които протичат през дълги времеви периоди. Например:

Хомоложни физически характеристики, споделени между видовете, могат да предоставят доказателство за общ предшественик (но трябва да сме сигурни, че са наистина хомоложни, а не са резултат от конвергентна еволюция).
Прилики и разлики между биологични молекули (например в ДНК последователността на гени) могат да бъдат използвани за определяне на свързаността на видовете.
Биогеографски модели, които предоставят насоки как видовете, и живи, и изчезнали, са свързани едни с други.
Фосилните данни, въпреки че са непълни, предоставят ценна информация за това какви видове са съществували в определен период от земната история.

Тази статия е лицензирана под разрешително CC BY-NC-SA 4.0.

Цитирани трудове:

http://www.ck12.org/book/CK-12-Biology-Advanced-Concepts/section/10.22/
Campbell, legs of snakes.
Reece, J. B., Urry, L. A., Cain, M. L., Wasserman, S. A., Minorsky, P. V., and Jackson, R. B. (2011). Evolution is supported by an overwhelming amount of scientific evidence. In Campbell biology (10th ed., pp. 471-479). San Francisco, CA: Pearson.

Препратки

https://en.wikipedia.org/wiki/Fossil

https://en.wikipedia.org/wiki/Vestigiality

Britt, R.R. (2004, January 25). Unlikely cousins: whales and hippos. LiveScience. Retrieved from http://www.livescience.com/102-cousins-whales-hippos.html

Chordata: more on morphology. University of California museum of paleontology. Retrieved April 19, 2015 from: http://www.ucmp.berkeley.edu/chordata/chordatamm.html

Grant, R.B., and Grant, P.R. (2003). What Darwin's finches can teach us about the evolutionary origin and regulation of biodiversity. BioScience,53, (10),965-975.

Homologies: developmental biology. (2016). University of California museum of paleontology. Retrieved April 19, 2015 from: http://evolution.berkeley.edu/evolibrary/article/lines_07

Mikulecky, P.J., Gilman, M.R., and Peterson, B. (2016). Evolutionary differences: macroevolution versus microevolution. In_AP biology for dummies. Retrieved from http://www.dummies.com/how-to/content/evolutionary-differences-macroevolution-versus-mic.html

Miller, E. (2012). DDT-resistant Mosquitoes Spread Malaria Retrieved from http://www.mosquitoreviews.com/DDT-resistant-mosquitoes.html

Natural history of Australia. (2015, November 6). Retrieved April 19, 2016 from https://en.wikipedia.org/wiki/Natural_history_of_Australia

Radiometric dating. (2006). University of California museum of paleontology. Retrieved April 19, 2015 from: http://www.evolution.berkeley.edu/evosite/evo101/IIE1aAtomicclocks.shtml

Reece, J. B., Urry, L. A., Cain, M. L., Wasserman, S. A., Minorsky, P. V., and Jackson, R. B. (2011). Descent with modification: a Darwinian view of life. In Campbell biology (10th ed., pp. 462-477). San Francisco, CA: Pearson.

Reece, J. B., Urry, L. A., Cain, M. L., Wasserman, S. A., Minorsky, P. V., and Jackson, R. B. (2011). The evolution of populations. In Campbell biology (10th ed., pp. 480-499). San Francisco, CA: Pearson.

Reece, J. B., Urry, L. A., Cain, M. L., Wasserman, S. A., Minorsky, P. V., and Jackson, R. B. (2011). The origin of species. In Campbell biology (10th ed., pp. 500-518). San Francisco, CA: Pearson.

Reimer, L. et al. (2008). Relationship between kdr mutation and resistance to pyrethroid and DDT insecticides in natural populations of Anopheles gambiae. J Appl Entomol, 45 (2), 260-266.

Riveron, J.M., et al. (2014). A single mutation in the GSTe2 gene allows tracking of metabolically based insecticide resistance in a major malaria vector. Genome Biol, 15 (2), R27.

Sanders, R. (2005, January 25). UC Berkeley, French scientists find missing link between the whale and its closest relative, the hippo. UC Berkeley news. Retrieved from http://www.berkeley.edu/news/media/releases/2005/01/24_hippos.shtml

Tetrapod limbs. (2001). PBS Evolution. Retrieved from http://www.pbs.org/wgbh/evolution/library/04/2/l_042_01.html

Transitional forms. (2016). University of California museum of paleontology. Retrieved April 19, 2015 from: http://evolution.berkeley.edu/evolibrary/article/lines_03

Understanding evolution: Superbug, super-fast evolution. (April, 2008). University of California museum of paleontology. Retrieved April 19, 2015 from: http://evolution.berkeley.edu/evolibrary/news/080401_mrsa

Искаш ли да се присъединиш към разговора?

Вписване в профила

Сортирай по:

Все още няма публикации.

Разбираш ли английски? Натисни тук, за да видиш още дискусии в английския сайт на Кан Академия.