Біологія

Що таке еволюція? Як вона працює? Чому мавпи не перетворюються на людей?

Що таке еволюція?

Основні засади теорії еволюції через природний добір сформував Чарльз Дарвін у своїй праці 1859 року «Про походження видів». Згідно з нею, еволюція — це зміна різних типів рослин, тварин та інших живих істот на Землі в результаті модифікацій у наступних поколіннях. Теорія еволюції є основою для сучасної біології.

Як саме вона відбувається?

Для розуміння процесу еволюції необхідно з’ясувати, що таке природний добір, адаптація та мутації.

Адаптація в біології — це процес, за допомогою якого вид пристосовується до навколишнього середовища. Організми можуть робити це різними способами: за допомогою своєї будови, фізіології та генетики; завдяки своїм переміщенням або розповсюдженням; розвиваючи різноманітні засоби захисту та нападу й таке інше.

Природний добір є одним із центральних механізмів еволюційних змін та відповідає за розвиток адаптаційних особливостей. У результаті природного добору виживають та розмножуються найбільш пристосовані до навколишніх умов організми, що призводить до збільшення частки корисних успадкованих характеристик у популяції від одного покоління до наступного.

Фізичні та поведінкові зміни, які роблять можливим природний добір, відбуваються на рівні ДНК та генів. Такі зміни називаються мутаціями. Вони можуть бути викликані випадковими помилками під час реплікації чи відновленні ДНК, а також хімічним або радіаційним пошкодженням. Природний добір направляє еволюційний процес, зберігаючи корисні мутації. Таким чином, мутації випадкові, але добір — ні.

Німецький біолог Ернст Майр узагальнив теорію Дарвіна щодо природного добору, виклавши її в п’яти фактах, які можна спостерігати, та трьох висновках із них.

Факти:

  • Якби все потомство виду виживало б та розмножувалося, популяція невпинно зростала б;
  • Чисельність популяцій залишається приблизно однаковою після того, як вони досягають певного розміру;
  • Природні ресурси обмежені;
  • Особини в популяції не ідентичні одна одній, вони суттєво різняться між собою;
  • Багато характеристик є спадковими.

Висновки:

  • Існує боротьба за виживання й через брак ресурсів не все потомство існує достатньо довго, щоб розмножитися;
  • Деякі особини більше пристосовані до навколишнього середовища, тож вони мають більше шансів вижити, розмножитися й залишити свої спадкові риси майбутнім поколінням;
  • Різниця між здатністю до виживання та розмноження у різних особин призводить до того, що популяції змінюються, щоб адаптуватися до свого середовища, і, зрештою, ці варіації накопичуються з часом, утворюючи нові види.
То що, усі живі організми мають спільного предка?

Так, і він отримав відповідну назву — останній універсальний спільний предок. Англійською його називають LUCA (Last Common Universal Ancestor). У своїй праці «Про походження видів» Дарвін припустив, що «усі органічні істоти, які коли-небудь жили на Землі, походять від деякої єдиної первісної форми». Пізніше цю теорію розвинули інші вчені. Згідно з нею, усе життя, що існує, генетично пов’язане. Серед доказів, зокрема, є різні ключові спільні риси для організмів на молекулярному рівні та майже універсальність генетичного коду.

Останнього універсального спільного предка не слід плутати з першим життям на Землі взагалі. Цей тип організму, що міг існувати понад 3,8 мільярда років тому, усе ще має живих нащадків. Від нього походять дві базові групи живих організмів: археї та бактерії. І хоча LUCA не представлений у скам’янілостях, вчені можуть робити висновки щодо його особливостей чи метаболізму на основі аналізу універсальних генів сучасних організмів.

Але ж мутації — це щось погане?

Не обов’язково. Мутації є джерелом нових змін. Вони відбуваються з трьома можливими результатами: нейтральним, шкідливим та корисним. Корисні мутації можуть бути рідкісними й давати лише незначну перевагу, але вони пропорційно збільшуються в популяції протягом багатьох поколінь шляхом природного добору. Таким чином, природний добір є ефективним, адже викликає накопичення цих найменших поліпшень.

Напрямок, у якому відбуваються адаптаційні зміни, залежить від навколишнього середовища. Зміна цього середовища може зробити раніше корисні риси нейтральними чи навіть шкідливими, і навпаки.

Коли закінчилася еволюція?

Еволюція не є явищем минулого. Це активний процес, який продовжується й дотепер. Наприклад, з’являються нові штами грипу чи стійкі до пестицидів види комах, а бактерії змінюються під впливом антибіотиків, виробляючи резистентність до них. Лабораторні експерименти демонструють еволюцію в дії. Використовуючи здатні до швидкої репродукції види, такі як бактерії, дріжджі та плодові мушки, вчені показали, що зміна умов навколишнього середовища, у яких існують ці організми, може спричинити генетичні зміни в популяції.

Чому ж тоді мавпи не стають розумними?

Усі примати, що живуть сьогодні, прекрасно себе почувають у своїх природних середовищах існування. Мавпи продовжують еволюціонувати, але в іншому напрямку, ніж людина. Наразі вони не мають потреби в кардинальних змінах та у розвитку мислення. Найдавніші предки людини зайняли нову екологічну нішу, у якій, імовірно, було значно менше дерев. Внаслідок цього в них розвинувся біпедалізм — спосіб пересування на задніх кінцівках. Шимпанзе не мали спускатися з дерев, тож їхня еволюція пішла іншим шляхом.

Варто зазначити, що в еволюції не було кінцевої мети створити людину — це просто процес, завдяки якому організми вписуються у своє середовище. І він не обов’язково веде до прогресу. Існує чимало прикладів, коли внаслідок еволюції види не ускладнювалися, а навпаки, ставали простішими, щоби краще адаптуватися.

Чи може еволюція піти в зворотному напрямку?

Ні. У будь-якому випадку організм не повертається до свого попереднього стану, а змінюється, втрачаючи певні риси, що у нових умовах стали непотрібними, та розвиваючи нові. Наприклад, пінгвіни адаптувалися до нового середовища, у якому здатність до польоту виявилася непотрібною. Натомість у них з’явилася здатність ефективно переміщуватися водою.

А як щодо китів?

Китоподібні — нащадки парнокопитних. Їхнім найближчим наземним родичем є бегемот.

Усе той же Чарльз Дарвін у першому виданні «Про походження видів» розмірковував над тим, як природний добір може призвести до перетворення наземного ссавця на кита. Щоправда, у якості такого ссавця він обрав не ту тварину — північноамериканського чорного ведмедя, у якого немає нічого спільного з китами.

Одним із перших китоподібних був пакіцет — вимерлий рід ссавців, що жив на території сучасного Пакистану. Він усе ще зберігав багато особливостей, властивих наземних тваринам, включаючи слухову систему, яка була краще пристосована для розпізнавання звуків у повітрі, ніж у воді, а також функціональні кінцівки, здатні рухатися по землі. Ця тварина була не більшою за вовка чи великого собаку. Але нащадки пакіцета вже були повністю водними.

Зміни в плані тіла китоподібних протягом перших десяти мільйонів років еволюції. 


Зображення демонструє п’ять родин стародавніх китів, найстаршою з яких є пакіцетиди (справа внизу). Thewissen et al. / Annual Reviews

Кити еволюціонували під час еоценової епохи близько 50 мільйонів років тому в теплому, неглибокому тропічному морі Тетіс. Цей процес супроводжувався значними анатомічними, фізіологічними та поведінковими перетвореннями, що дозволили китоподібним адаптуватися та процвітати в новому середовищі існування. Зокрема, до таких змін належать: втрата волосся на тілі для зменшення опору під час плавання, набагато товстіша шкіра, товстий шар жиру для утеплення, втрата задніх кінцівок. Для ефективного зберігання кисню під час тривалого занурення із затримкою дихання китоподібні також розробили різноманітні механізми пристосування: ефективна дихальна система, гнучка грудна клітка, збільшений обсяг крові, підвищені концентрації необхідних гормонів.

Що саме змусило китоподібних лишити сушу, важко сказати. Можливо, вони зробили це в пошуках їжі чи, навпаки, намагаючись сховатися від хижаків. Про перехід китів від суші до води свідчить низка проміжних скам’янілостей. Окрім того, деякі з китоподібних зберегли певні притаманні наземним ссавцям риси. Наприклад, існують види, що зберігають волосини на обличчі, а в деяких видів ембріони мають вуса та зачатки задніх кінцівок. До того ж, на відміну від риб, китоподібні дихають повітрям та інакше рухаються.

А що з людиною? Ми теж продовжуємо еволюціонувати?

Так. Найпростішим прикладом того, як люди еволюціонували протягом останніх століть, є те, як їхній організм пристосувався переносити найпоширеніші в певних регіонах джерела їжі.

Діти майже завжди вміють виробляти лактазу — фермент, що дозволяє їм перетравлювати молоко матері. Але лише 35 % дорослої людської популяції можуть засвоювати лактозу після семи-восьми років. Більшість людей, які зберігають здатність вживати молоко, походять із Європи, причому така стійкість до лактози в цього населення з’явилася приблизно 7500 років тому. Таким чином, люди, що походять із регіонів, у яких поширене молочне скотарство, більш толерантні до лактози у своєму раціоні. Наприклад, серед людей, які походять із країн Північної Європи, лактозу не переносять близько 5 відсотків, порівняно з понад 90 відсотками людей східноазійського походження.

Звідки ми все це знаємо?

Досліджуючи скам’янілості, вчені змогли пов’язати багато вимерлих видів із видами, які існують сьогодні. Також палеонтологи відшукали достатню кількість «перехідних копалин», тобто проміжних ланок між видами. Наприклад, археоптерикс та мікрораптор демонструють еволюційні відносини між динозаврами та птахами, а тіктаалік, рід викопних риб девонського періоду, вже має притаманні наземним хребетним риси.

Але записи скам’янілостей є неповними й не для всіх тварин можна відшукати прямих предків. Проте ми можемо спостерігати еволюцію в лабораторних умовах, як це зробив Річард Ленскі.

У 1988 він розпочав довготривалий проєкт з еволюції кишкової палички, або Escherichia coli, виростивши 12 її культур з одного штамму. Дослідник та його команда залишили бактерії в контейнерах із поживними речовинами та спостерігали за їхнім розмноженням. Вони займаються цим і дотепер, щодня відбираючи нові культури та розміщуючи їх у нових контейнерах. Наразі з моменту початку експерименту бактерії пережили понад 60 000 поколінь.

Кожні 75 днів команда заморожує зразки. Це дозволяє відстежити генетичні мутації бактерій із високою точністю. Експеримент показав, що у всіх 12 популяціях бактерії еволюціонували та зростали швидше, ніж їхні предки. Вони також адаптувалися до конкретної суміші хімічних поживних речовин, що їм давали. Так, через приблизно 31 500 поколінь одна лінія однієї з 12 початкових популяцій розвинула здатність харчуватися цитратом, а не глюкозою. Зазвичай кишкова паличка не споживає цитрат, оскільки не може транспортувати його у свої клітини. Але внаслідок мутації одна з культур утворила особливий білок, який дозволяє цитрату проходити крізь мембрану й потрапляти в клітину.