Теорія еволюції

Життя на Землі виникла завдяки фізичних і хімічних реакцій і розвивалася в процесі природного відбору.

Перш ніж приступити до обговорення еволюції, чи не найважливішого поняття в науках про життя, мені хотілося б нагадати вам одну думку, висловлену під Введенні. Слово «теорія» в науковому розумінні не обов'язково має на увазі відсутність впевненості в розглянутих виставах. Всупереч звичаям і історично склався значенням цього слова, багато теорій (включаючи теорію відносності) насправді належать до найбільш широко визнаним складових наукового світогляду.

В Нині реальність еволюції вже не ставить під сумнів ніхто з серйозних вчених, хоча існує кілька конкуруючих теорій, кожна з яких пропонує свій варіант розвитку подій. У цьому відношенні еволюція аналогічна гравітації. Існує декілька теорій гравітації - закон всесвітнього тяжіння Ньютона, загальна теорія відносності і, в один прекрасний день, можливо, з'явиться універсальна теорія. Проте існує факт тяжіння - Якщо ви упустите будь-який предмет, він впаде. Подібно до цього існує факт еволюції, не дивлячись на те, що суперечки вчених з окремих питань теорії тривають.

Якщо обговорювати історію життя на Землі, то слід розглянути дві стадії, на кожній з яких події були обумовлені двома різними принципами. На першій стадії процеси хімічної еволюції на найдавнішій Землі призвели до утворення першим живої клітини з неорганічних матеріалів. На другій стадії нащадки цієї живої клітини розвивалися в різних напрямках, породжуючи різноманіття життя на планеті, що ми спостерігаємо сьогодні. На цій стадії розвиток визначав принцип природного відбору.

Хімічна еволюція

Людська думкою лише порівняно недавно збагатилася уявленням про те, що ми можемо зрозуміти процес організації неживих матеріалів, у результаті якого утворюються прості живі системи. Важливою віхою на шляху до цього поданням був поставлений в 1953 році експеримент Міллера-Урі, вперше показав можливість виникнення основних біологічних молекул у результаті самих звичайних хімічних реакцій. З тих пір учені запропонували багато інших шляхів, за яким могла йти хімічна еволюція. Деякі з цих ідей перераховані нижче, але важливо пам'ятати, що до цих пір немає єдиної думки про те, який з цих шляхів може бути вірним. Одне ми знаємо точно: що один з цих процесів або інший процес, до якого ще ніхто не додумався, привів до виникнення перших живої клітини на планеті (якщо тільки життя не виникла в іншому місці -- уявлення про панспермії обговорюється в главі Кислоти і підстави.

Первинний бульйон. У результаті процесів, відтворених в експерименті Міллера-Урі, в атмосфері утворилися молекули, що впали з дощем в океан. Тут (або, можливо, у водоймі, утвореному припливом) невідомий процес призвів до організації цих молекул, які породили першу клітку.

Первинне нафтова пляма. Процеси Міллера-Урі можуть давати початок ліпідів, молекули яких спонтанно утворюють маленькі сфери (ви часто бачите такі краплеподібні утворення на поверхні супу). У кожній сфері зібрано випадкове число молекул. Один з мільйонів бульбашок на поверхні океану міг містити правильний набір молекул з точки зору енергії і матеріалів, і міг поділитися навпіл. Такою могла б бути перша клітина.

Світ РНК. Одна з проблем еволюційної теорії пов'язана розвитком системи кодування, заснованої на використанні молекул РНК (див. також Центральна догма молекулярної біології). Проблема в тому, що білки закодовані на ДНК, але для того щоб прочитати записаний ДНК код, потрібна активність білків. Недавно вчені відкрили, що РНК, яка в даний час бере участь у перетворенні записаного на ДНК коду в білки, може також виконувати одну з функцій білків в живих системах. Схоже, що освіта молекул РНК було найважливішою подією в розвиток життя на землі.

Океанічний шлях. В умовах величезного тиску, що панує на дні океану, хімічні з'єднання і хімічні процеси можуть бути зовсім не такими, як на поверхні. Вчені вивчають хімізм цього середовища, який, можливо, міг сприяти розвитку життя. Якщо відповідь на це питання буде позитивним, то життя могло зародитися на дні океану і пізніше мігрувати на суходіл.

Автокаталітіческіе комплекси. Ця концепція бере початок від теорії складних самерегулірующіхся систем. Згідно з цим припущенням, що хімізм життя не розвивався східчасто, а виник на стадії первинного бульйону.

Глиняний світ. Першою моделлю життя могли бути не хімічні реакції, а статичні електричні заряди на поверхні глини, що покриває океанське дно. З цієї схемою виробництво складних молекул життя відбувалася не в результаті випадкових комбінацій, а завдяки електронам на поверхні глини, що утримує невеликі молекули разом під час їх збирання в більші молекули.

Як ви бачите, в ідеях про способи розвитку життя з неорганічних матеріалів не бракує. Проте до кінця 1990-их років походження життя не було пріоритетною областю науки, ніхто особливо не прагнув розібратися з цими теоріями. У 1997 НАСА увімкнула дослідження походження життя в список своїх основних завдань. Я сподіваюся, що вже незабаром учені зможуть створити в своїх лабораторіях прості організми, схожі на тих, які могли існувати на нашої плаенет 4 мільярди років тому.

Природний відбір

Після появи на планеті перший здатного до відтворення живого організму життя «перемкнула швидкість», і подальші зміни направляв природний відбір. Більшість людей, використовуючи термін "еволюція", мають на увазі саме природний відбір. Уявлення про природний добір ввів англійська натураліст Чарльз Дарвін, який опублікував в 1859 році свій монументальна праця Про походження видів шляхом природного відбору або збереження сприйтливих порід в боротьбі за життя. Ідея природного відбору, до до якої незалежно від Дарвіна прийшов Альфред Рассел Уоллес (Alfred Russel Wallace, 1823-1913) заснована на двох положеннях: Представники будь-якого виду в чимось різняться між собою, і завжди існує конкуренція з ресурси. Перший з цих постулатів очевидний для кожного, хто спостерігав за будь-який популяцією (включаючи популяцію людей). Деякі представники більше, інші швидше бігають, забарвлення третє дозволяє їм залишатися непомітними на тлі середовища проживання. Другий постулат відображає сумний факт з життя світу природи - Народжується значно більше організмів, ніж виживає, і таким чином, відбувається постійна конкуренція за ресурси.

Разом ці постулати призводять до цікавого висновку. Якщо деякі особи володіють особливістю, що дозволяє їм успішніше конкурувати в умовах певної середовища - наприклад, розвинена мускулатура хижаків дозволяє їм успішніше полювати - То для них збільшуються шанси дожити до дорослого стану і залишити потомство. І їх потомство, ймовірно, успадкує цю особливість. Користуючись сучасною термінологією, ми скажемо, що особи з високою ймовірністю передадуть потомству гени, що відповідають за швидкий біг. З іншого боку, для поганих бігунів вірогідність вижити і залишити потомство нижче, тому їх гени можуть і не перейти до наступного покоління. Тому в покоління «дітей» особин з «Швидкими» генами буде більше, ніж у покоління «батьків», а в поколінні «онуків» - Ще більше. Таким чином ознака, що підвищує ймовірність виживання, в кінці решт пошириться по всій популяції.

Цей процес Дарвін і Уоллес назвали природним відбором. Дарвін знаходив в ньому схожість зі штучним відбором. Люди використовують штучний відбір для того щоб виводити рослини та тварин, що володіють бажаними ознаками, відбираючи для цього статевозрілі особи і допускаючи тільки їх до схрещування. Якщо люди можуть робити це, міркував Дарвін, то чому не може природа? Для виникнення розмаїття видів, яке ми спостерігаємо на планеті сьогодні, більш ніж досить поліпшеної виживання особин з адаптивними ознаками в послідовних поколіннях і протягом тривалого періоду часу.

Дарвін, прихильник доктрини уніформізм, розумів, що утворення нових видів повинно відбуватися поступово - відмінності між двома популяціями повинні посилюватися все більше і більше, до тих пір, поки схрещування між ними не виявиться неможливим. Пізніше вчені звернули увагу на те, що ця закономірність не завжди дотримується. Натомість вигляд протягом тривалого часу залишається незмінним, потім раптово змінюється - цей процес називається переміжним рівновагою. Дійсно, вивчаючи копалин, ми бачимо обидва варіанти видоутворення, що не здається дивним з висоти сучасних уявлень про генетику. Тепер нам зрозуміла основа перший з двох перерахованих постулатів: на ДНК різних особин записані різні версії одного й того ж гена. Зміна ДНК може мати зовсім різні наслідки: від повної відсутності ефекту (якщо зміна зачіпає ділянка ДНК, не використовується організмом) до величезного ефекту (якщо зміниться ген, що кодує ключовий білок). Після того як ген зміниться, що може позначитися поступово або негайно, дія природного відбору буде направлено або на те, щоб поширити цей ген у всій популяції (якщо зміна корисне), або на те, щоб знищити його (якщо зміна шкідливе). Іншими словами, швидкість зміни залежить від генів, але коли така зміна вже сталося, саме природний відбір визначає напрямок змін в популяції.

Як будь-яка наукова теорія, теорія еволюція повинна була отримати підтвердження в життя. Є три великих класу спостережень, що підтверджують цю теорію.

Копалини свідоцтва

Після загибелі рослини чи тварини останки зазвичай розосереджується в навколишньому середовищі. Але іноді деякі з них можуть зануритися в грунт, наприклад, в мул при повені, і виявитися недоступними для розкладання. З часом, у міру того як ил буде перетворюватися на гірську породу (див. Цикл перетворення гірської породи) повільні хімічні процеси приведуть до заміщення кальцію в скелеті або інших твердих частинах тіла мінеральними речовинами, що містяться в навколишнього породу. (В окремих випадках умови виявляються такими, що можуть зберегтися і більш м'які структури, наприклад, шкіра або пір'я). Зрештою цей процес завершиться освітою ідеального відбитка оригінальній частини тіла у камені - скам'янілості. Всі виявлені скам'янілості разом називають копалинами свідоцтвами.

Вік копалин становить приблизно 3,5 мільярда років - стільки років відбитками, знайденим в колишніх відкладеннях тини на давніх австралійських скелях. Вони розповідають захоплюючу історію про поступове ускладнення і розширення різноманіття, яке призвело до величезного розмаїття життєвих форм, сьогодні населяють Землю. Велику частину минулого життя була відносно простий, представленої одноклітинними організмами. Приблизно 800 мільйонів років тому почали з'являтися багатоклітинні життєві форми. Оскільки їхнє тіло було м'яким (згадайте медузу), від них майже не залишилося відбитків, і лише кілька десятиліть тому вчені переконалися в тому, що вони жили в ту епоху на підставі надісланих в осадових відкладах відбитків. Приблизно 550 мільйонів років тому з'явилися тверді покриви і скелети, і саме з цього моменту з'являються справжні копалини. Риби - перші хребетні тварини, з'явилися близько 300 мільйонів років назад, динозаври почали вимирати приблизно 65 мільйонів років тому (див. Масові вимирання), і 4 мільйони років тому в Африці з'явилися копалини люди. Про всі ці події можна прочитати в Літопису копалин.

Біохімічні свідоцтва

У всіх живих організмів на нашій планеті однаковий генетичний код - ми всі не більш ніж набір різної інформації, записаної універсальною мовою ДНК. Тоді можна очікувати, що якщо життя розвивалася за описаним вище сценарієм, то у сучасних живих організмів ступінь збігу послідовностей ДНК повинна бути різною, залежно від того, наскільки давно жив їхній загальний предок. Наприклад, у людини і шимпанзе однакових послідовностей ДНК має бути більше, ніж у людини і риби, оскільки загальний предок людини і шимпанзе жив 8 мільйонів років тому, а загальний предок людини і риби - сотні мільйонів років тому. Дійсно, аналізуючи ДНК живих організмів, ми знаходимо підтвердження цього припущення: чим далі один від одного на еволюційному дереві знаходяться два організму, тим менше подібності виявляється в їх ДНК. І це цілком зрозуміло, оскільки чим більше пройшло часу, тим більше накопичилося у них відмінностей.

Використання аналізу ДНК для того, щоб відкрити наші очі на наше еволюційне минуле, іноді називають молекулярними годинами. Це переконливий доказ теорії еволюції. ДНК людини ближче до ДНК шимпанзе, ніж до ДНК риби. Могло б виявитися зовсім навпаки, але не сталося. Мовою філософії науки, цей факт показує, що теорія еволюція опровергаема - можна уявити собі результат, який вказував би на хибність цієї теорії. Таким чином, еволюція не є так званим креаціоністських вченням, як би заснованим на біблійної Книзі буття, оскільки немає таких спостережень або експериментів, які могли б відчутно переконати креаціоністів в тому, що їхнє вчення неправдою.

Недосконалість задуму

Хоча недосконалість задуму як таке не є доказом на користь еволюції, воно цілком узгоджується з картиною життя, запропонованої Дарвіном, і суперечить поданням про те, що живі істоти були створені, вже маючи особливу призначення в житті. Справа в тому, що для того, щоб передати гени наступного поколінню, організму потрібно бути не досконалим, а всього лише настільки хорошим, щоб успішно протистояти ворогам. Отже, кожен ступінь на еволюційних сходах повинна бути прибудована до попередньої, і характеристики, які могли бути придатними на одній зі стадії, будуть «заморожені» та збережуться навіть після того, як з'являться більш зручні варіанти.

Інженери називають цю особливість QWERTY-ефектом (QWERTY - послідовність літер верхньому ряду майже всіх сучасних клавіатур). Коли проектували першим клавіатури, основна мета полягала в тому, щоб знизити швидкість друку і не допустити затягування клавіш механічних друкарських машинок. Така конструкція клавіатури збереглася до сих пір, незважаючи на можливість використання продуктивних клавіатур.

Подібно цьому особливості будови «закріплюються» на ранніх стадіях еволюції і зберігаються в колишньому вигляді, не дивлячись на те, що будь-який сучасний студент-технар впорався б із цим завданням краще. Ось кілька прикладів.

Око людини влаштований так, що падає світло перетворюється на нервові імпульси перед сітківкою, хоча за такою схемою в око потрапляє не весь падаюче світло.

Зелений колір листя рослин означає, що вони відображають частину падаючого на них світла. Будь-якому інженеру відомо, що приймач сонячної енергії повинен бути чорного кольору.

В глибоких підземних печерах мешкають змії, у яких очниці знаходяться під шкірою. Це має сенс, якщо предки цих змій жили на поверхні і потребували очах, але позбавлене сенсу для тварин, створених для підземного життя.

В тулуб китів є маленькі кістки задніх кінцівок. Сьогодні ці кістки абсолютно даремні, але їх походження зрозуміло, якщо предки китів колись жили на суші.

Невідомо, яку функцію виконує апендикс у людини, хоча у деяких травоїдних тварин апендикс бере участь в переварюванні трави.

Ці свідоцтва доповнюють один одного і настільки грандіозні, що не тільки давно переконали серйозних вчених у справедливості еволюційної теорії Дарвіна, а й є стрижнем будь-яких роз'яснень, які стосуються функціонування живих систем на нашій планеті.

Список літератури

Для підготовки даної роботи були використані матеріали з сайту http://elementy.ru/