Pierwsza teoria ewolucyjna była sformułowana na początku XIX wieku
Od dawna ludzie próbowali wytłumaczyć obserwowaną różnorodność życia. W XVIII wieku praktycznie wszyscy uczeni wyznawali poglądy kreacjonistyczne, czyli byli pewni tego, że życie na Ziemi było stworzone przez siły wyższe. Jednak i ci naukowcy podzielili się na dwa obozy. Jedni sądzili, że wszystkie organizmy żywe zostały stworzone takimi, jak one są obecnie i z momentu stworzenia nie zmieniły się. Inna, bardziej progresywna grupa sądziła, że gatunki zmieniają się wraz z upływem czasu i współczesne gatunki są potomkami bardziej dawnych. Wśród nich należy wymienić Erasmusa Darwina (dziadka Karola Darwina), Johanna Wolfganga von Goethe'go oraz Denisa Diderota. Ale w owych czasach nie było jeszcze opracowanej teorii, która tłumaczyłaby przyczyny i mechanizmy podobnych zmian. Pierwszą teorią, która próbowała tłumaczyć pochodzenie gatunków istot żywych, była teoria ewolucyjna Jeana Baptista de Lamarcka.
Lamarck przypuszczał, że dla wszystkich organizmów żywych charakterystyczne jest „dążenie do doskonałości” - bycia lepszymi i bardziej złożonymi. Człowiek, zdaniem Lamarcka, był najbardziej pomyślny w tej nielekkiej sprawie. Zgodnie z jego teorią, żywy organizm może wyćwiczyć jakiś narząd, a potem przekazać tę cechę swoim potomkom w lepszej postaci. Jeżeli na przykład codziennie będziesz ćwiczyć na sali, to twoje dzieci będą silniejsze - tak w przybliżeniu sądził Lamarck. Przodek żyrafy przez wiele pokoleń ciągnął szyję, aby zdobyć liście wysokich drzew. W wyniku tego szyja ćwiczyła i wydłużała się z każdym pokoleniem, co doprowadziło do pojawienia się współczesnej żyrafy (ryc. 41.1). Należy zaznaczyć, że do teorii Lamarcka było szereg pytań. Na przykład jak z jej pomocą wytłumaczyć pojawienie się pancerza u żółwia? Lamarck dał śmiałą odpowiedź: żółw wyhodował sobie pancerz poprzez siłę woli. Dlaczego, jeśli wszystkie organizmy starają się być bardziej złożone, istnieją jeszcze bakterie? Lamarck odpowiadał: życie nieustannie zaradza się z nieżywej materii, współczesne bakterie pojawiły się całkiem niedawno i jeszcze nie zdążyły rozwinąć się w coś bardziej skomplikowanego.
Niżej podano podstawowe postulaty teorii Lamarcka.
1. Dla wszystkich żywych organizmów charakterystyczne jest „dążenie do doskonałości”.
2. Jeśni narząd trenuje się, on się rozwija, leśli nie - z biegiem czasu zanika.
3. Cechy nabyte mogą być przekazywane potomkom.
4. Organizmy żywe nieustannie powstają z materii nieożywionej.
Ryc. 41.1. Kształtowanie się długiej szyi żyrafy wg Lamarcka
Przodek żyrafy ciągnął się po liście z powodu wewnętrznego „dążenia do doskonałości” i szyja stopniowo się wydłużała.
Teoria Lamarcka miała wyłącznie teoretyczny charakter i wykorzystywała wiele pojęć nadprzyrodzonych, m.in. „dążenie do doskonałości” u drożdży czy „siłę woli” u żółwi. Później ta teoria została odrzucona1, jednak ona ma ważne znaczenie historyczne jako pierwsza teoria ewolucyjna.
1 Należy zauważyć, że według współczesnych badań niektóre cechy nabyte, takie jak odporność przeciwwirusowa u bakterii, jednak jest dziedziczona. Jest to raczej wyjątek niż zasada.
Jean Baptiste de Lamarck
Urodził się w 1744 roku we francuskim mieście Bazentin. Studiował w Wyższej Szkole Medycznej w Paryżu. Jednak zainteresowanie przyrodą wzięło górę i Lamarck nie został lekarzem. Już w 1778 roku ukazuje się jego praca „Flora Francji”, dzięki której uczony stał się znanym na świecie botanikiem. Później Lamarck zmienił kierunek swoich badań - zaciekawił się zoologią. Tu też osiągnął sukcesy: właśnie Lamarck wprowadził do naukowego języka termin „bezkręgowce ”, podzielił je na 10 gromad, opisał wiele nowych gatunków. Na początku XIX wieku Lamarck zaproponował termin napisany na okładce naszego podręcznika - „biologia” - do oznaczenia nauki o życiu. Główną pracą Lamarcka stała się książka wydana w 1809 roku „Filozofia zoologii”, w której on sformułował swoje poglądy na rozwój żywej przyrody, na to jak zmieniały się z biegiem czasu zwierzęta i rośliny, jak one osiągały współczesny wygląd. To znaczy, że Lamarck został twórcą pierwszej teorii ewolucji. Jednak nikt ze współczesnych nie przyjął jego idei. Wszyscy odwrócili się od niego i on został sam. Tylko córka Kornelia do końca była oddana ojcu. Lamarck stracił wzrok i zmarł w ubóstwie w 1829 roku. Kornelia nie miała nawet pieniędzy, aby kupić trumnę. Pochowano go razem z bezdomnymi, którzy zmarli w tym dniu w Paryżu. Otóż dzisiaj nie wiemy dokładnie, gdzie jest pochowany jeden z najbardziej znanych uczonych świata. Dopiero w 1909 roku z okazji setnej rocznicy ukazania się „Filozofii zoologii" Lamarckowi wzniesiono pomnik. Na płaskorzeźbie ukazano starego ślepego uczonego, obok stoi jego córka. Pod płaskorzeźbą widnieją słowa Kornelii: „Potomkowie będą z Ciebie dumni, ojcze. Oni pomszczą się za Ciebie”. Tak też się stało.
Teoria doboru naturalnego stwierdza, że wyżywa najbardziej przystosowany
Trudno wyobrazić sobie teorię, która by wpłynęła na rozwój nauki i cywilizacji światowej bardziej niż teoria doboru naturalnego Karola Darwina1. Genialność Darwina polega na tym, że zamiast abstrakcyjnych wniosków (jak na przykład stosujących się siły woli u żółwi) on zdecydował się na niesłychaną jak na owe czasy zuchwałość -opisać obserwowane zjawiska, opierając się na faktach i myślowych doświadczeniach! Należy podkreślić, że Darwin nic nie wiedział o genetyce i mechanizmach dziedziczności, ale wykorzystał sam fakt dziedzicznego przekazywania cech. Sposób rozważań Darwina jest następujący:
Hipoteza № 1. Jeśli pozwolić organizmom rozmnażać się bez ograniczeń, to ich liczebność będzie się zwiększała w postępie geometrycznym, demonstrując wykładniczy typ wzrastania (o czym dokładniej była mowa w § 40). Wystarczy przypomnieć sobie zadanie Fibonacciego o królikach2. Właśnie nieograniczonym wzrastaniem Darwin tłumaczył w swojej księdze „Pochodzenie gatunków drogą doboru naturalnego” postępowość Fibonacciego.
1 Tak na prawdę po raz pierwszy teorię doboru naturalnego opracował Alfred Wallace, który odesłał ją w postaci niewielkiego artukułu Karolowi Darwinowi do recenzji. Okazało się, że zaproponowana teoria zgadza się z tą, którą już ponad 20 lat opracowywał Darwin. Jednak gruntowne opracowanie teorii, poszukiwanie i wyjaśnianie dowodów, bronienie jej w dyskusjach naukowych dokonywał Darwin, co daje podstawy sądzić, że ta teoria jest jego dziełem.
2 Fibonacci pisał: „Człowiek posadził parę królików w zagonie obniesionym ze wszystkich stron ścianą. Ile par królików w ciągu roku może spłodzić na świat ta para, jeśli wiadomo, że każdego miesiąca, zaczynając od drugiego, każda para królików rodzi nową parę?” Możesz przekonać się, że ilość par w każdym z dwunastu następnych miesięcy będzie 1,1,2, 3, 5, 8, 13, 21, 34, 55, 89, 144... To nie jest postęp geometryczny, lecz pobobna kolejność liczb wskazuje na wybuchowy wzrost liczebności populacji.
Fakt oczywisty № 1. W przyrodzie nieograniczony, wykładniczy wzost nie może być obserwowany w ciągu trwałego czasu. Zwykle to populacje powinny mieć fiksowaną liczebność, która może nieznacznie się wahać (z wyjątkiem, oczywiście, populacji,
których liczebność waha się chaotycznie, ale tam po okresach wzrostu nastają okresy przyśpieszonej redukcji liczebności populacji).
Wniosek № 1. W realnych populacjach nie może się osiągać przeżycia wszystkich potomków (skutek faktu № 1). Wiele z nich z powodu różnych przyczyn ginie przed nastaniem wieku reproduktywnego i nie pozostawia potomków. Powstają pytania: kto ginie, a kto przeżywa i od czego to zależy?
Fakt oczywisty № 2. W populacjach organizmów żywych obserwujemy zmienność. Organizmy żywe różnią się pod względem wielkości, koloru, kształtu określonych części ciała, cech zachowania i in.
Fakt oczywisty № 3. Określone cechy, dla których charakterystyczna jest zmienność, są dziedziczone. U jasnowłosych rodziców może się urodzić tylko jasnowłose dziecko, a u ciemnowłosych rodziców - najprawdopodobniej, ciemnowłose. Czyli zmienność ma dziedziczny charakter.
Nie taki oczywisty fakt № 4. U osobników, które mają różne cechy, szanse na pozostawienie po sobie potomstwa są różne, a mianowicie: szanse osobników o cesze A pozostawić po sobie potomstwo i przekazać mu cechę A są wyższe niż szanse osobników o cesze B.
Całokształt wszystkich stosunków wzajemnych między organizmami i otoczeniem Darwin nazywał walką o byt. W niej organizmy walczą z organizmami swojego gatunku (jak wilki za kęs mięsa), z organizmami innych gatunków (jak zające uciekające od wilków) i z otoczeniem (jak niedźwiedzie przeżywające chłodną zimę). „Zwycięży” w walce o byt ten organizm, który w istniejących warunkach jest najlepiej przystosowany i pozostawia więcej potomków.
Wniosek № 2. Jeśli cecha ma kilka alternatywnych przejawów w populacji (fakt № 2), one są dziedziczone (fakt № 3), a obecność jednego z nich daje większe szanse na pozostawienie po sobie potomstwa (fakt № 4) - to cząstka osobników z takim przejawem cechy będzie wzrastała, a cząstka osobników z alternatywnym przejawem cechy - zmniejszała się. Ten proces nazywa się doborem naturalnym.
Rozpatrzmy, jak działa dobór naturalny (ryc. 41.2).
Przypuśćmy, że istnieje populacja chrząszczy jednego gatunku u których jedna cecha - kolor twardych pokryw - posiada alternatywne przejawy: zielone i ciemnoniebieskie.
Przy tym kolor pokryw jest dziedziczony. Weźmy jeszcze jakąś siłę zewnętrzną: np. ptaków, które jedzą chrząszczy.
Ciemnoniebieskich chrząszczy w zielonej trawie łatwiej jest znaleźć, dlatego ciemnoniebieski chrząszcz ma więcej szans być zjedzonym i mniej szans na pozostawienie po sobie potomstwa i przekazania im swoich genów. Odpowiednio w ciągu wielu pokoleń ciemnoniebieskie chrząszcze będą bardziej „wyjadane”przez ptaków niż ich zieleni bracia. Przy tym cząstka ciemnoniebieskich chrząszczy będzię się zmniejszała w każdym pokoleniu. Z biegiem czasu, ponieważ populacja chrząszczy jest nieograniczona w liczebności, cecha „pokrywy ciemnoniebieskiego koloru” może być całkowicie utracona i wszystkie chrząszce populacji okażą się zielone.
Awięc dobór naturalny opiera się na trzech słupach.
1. Zmienność: niezbędne są alternatywne przejawy cechy.
2. Dziedziczność: przekazanie alternatywnych przejawów cechy od rodziców potomkom.
3. Różne szanse na pozostawienie po sobie płodnego (czyli zdolnego do rozmnażania się) potomstwa u osobników o alternatywnych przejawach cechy. Im większa jest szansa, tym większa ilość kopii okteślonej cechy będzie przekazana płodnemu potomstwu, czyli będzie większy tzw. sukces reproduktywny.
Warto zaznaczyć, że dobór naturalny niby „żywi się” zmiennością i sam ją niszczy w trakcie walki o byt!
A teraz o najważniejszym: jeżeli dobór naturalny będzie się odbywał w ciągu trwałego czasu, to on zmieni populację „nie do poznania”, co doprowadzi do powstania nowego gatunku.
Charles Darwin
Urodził się w 1809 roku w angielskim miasteczku Shrewsbury. Studiował na Uniwersytecie Edynburskim medycynę i na Uniwersytecie w Cambridge teologię. W 1831 roku wyruszył w pięcioletnią podróż dookoła świata na statku „Beagle” jako badacz przyrody. Charles sumiennie pracował i zebrał bogatą kolekcję minerałów, skamieniałości, okazy roślin i zwierząt. To, co zaobserwował podczas podróży, opisał i zanalizował. Te materiały i artykuły stały się punktem wyjściowym dla powstania znanej teorii ewolucji drogą doboru naturalnego. Po wyprawie Darwin opracowuje materiały, znachodzi nowe i w roku 1859 ukazuje się jego praca „O powstawaniu gatunków drogą doboru naturalnego, czyli o utrzymywaniu się doskonalszych ras w walce o byt”. Ukazanie się tej księgi podzieliło historię rozwoju biologii na „przed ukazaniem się” i „po ukazaniu się”. Powstanie teorii ewolucji Charlesa Darwina stało się znaczącym wydarzeniem XIX wieku. Była to druga, po teorii La-marcka, teoria ewolucji i ona również nie była przychylnie przyjęta przez wszystkich biologów. Burza napaści na uczonego posypała się po ukazaniu się jeszcze jednej jego genialnej pracy „O pochodzeniu człowieka i doborze płciowym”. Uczony zmarł w 1882 roku w Londynie. Został pochowany w opactwie Westminsterskim obok mogiły Newtona, Dickensa i innych znaych Brytyjczyków.
Trzeba uznać zasługi Darwina: przytoczona kolejność logicznych przemyśleń nie po-trzebowała „sił wyższych” - to była całkowicie naukowa teoria. Była to pierwsza teoria, która opisywała asymetryczny w czasie proces. W fizyce podobne teorie opisujące nierównoważne procesy, które wymagają załączenia „strzały czasu”, pojawiają się o wiele później1.
1 Zrobi to dopiero chemik belgijski, Laureat Nagrody Nobla llya Prigogine (llja Prigożin) prawie 90 lat później!
W początkowej postaci uzasadnienie teorii Darwina napotkało określone trudności. Po pierwsze za czasów Darwina nie znano dokładnego wieku Ziemi: uważano, że on dorównuje kilku dziesiątkom, najwyżej setkom tysiącom lat, a więc wydawało się, że ten okres jest niewystarczający dla powstania nowych gatunków drogą doboru naturalnego. Po drugie nie znano mechanizmów dziedziczenia. Praca Mendla (1865 rok) ukazała się dopiero kilka lat po opublikowaniu badań Darwina (1859 rok) i do 1900 roku była mało znana w środowisku naukowym. Po trzecie Darwin nie wiedział, skąd bierze się zmienność. To było bardzo słabym miejscem jego teorii! On po prostu stwierdzał, że zmienność istnieje i skądś ciągle powstaje (bo w przeciwnym razie dobór naturalny zniszczyłby ją!). Po czwarte Darwin nie wiedział, czy może jego teoria wyjaśnić powstanie tak ważnych narządów jak oko czy mózg. Z kolorem chrząszczy jest o wiele łatwiej! Mimo tych niedociągnięć teoria Darwina jest jednym z największych odkryć w historii nauki!
Syntetyczna teoria ewolucji połączyła darwinizm z genetyką
Od czasów Charlesa Darwina teoria doboru naturalnego znacznie się zmieniła. Nasze rozumienie dziedziczności oraz samego życia rozszerzyło się, co umożliwiło pokonanie tych trudności, z którymi w środku XIX wieku zetknął się Charles Darwin. Połączenie genetyki, ekologii oraz teorii doboru naturalnego zrodziło nową teorię - syntetyczną teorię ewolucji, która potrafi wiele wytłumaczyć i przewidzieć. Rozpatrzmy zwięźle podstawowe założenia tej teorii, którą w połowie XX wieku opracował Theodosius Dobzhanski, Julian Huxley oraz Ernst Mayr i inni wybitni biolodzy.
1. Siłą napędową ewolucji jest zmienność dziedziczna - przypadkowe mutacje i rekombinacje informacji dziedzicznej.
2. Najmniejsza jednostka ewolucji - to populacja, a elementarne wydarzenie ewolucyjne - zmiana częstotliwości spotkań alleli w populacji.
3. Dobór naturalny ma charakter adaptacyjny: on prowadzi do doboru korzystnych dla przeżycia i rozmnażania się mutacji i odrzuca szkodliwe.
4. Oprócz doboru naturalnego ważną rolę pełnią też inne procesy, takie jak fale populacyjne i dryf genów, o czym będzie mowa dalej.
5. Nowe gatunki powstają dzięki barierze rozrodczej (barierze reprodukcyjnej) pomiędzy wyjściowymi populacjami.
6. Wszystkie komórkowe formy życia pochodzą od ostatniego uniwersalnego wspólnego przodka - LUCA1. Można przedstawić drzewo życia, którego listki będą odzwierciedlać organizmy istniejące obecnie, a gałęzie - ich historię ewolucyjną. Gałęzie będą się łączyły ze sobą, łącząc się w rezultacie w jeden organizm. U podstawy drzewa - LUCA.
7. Mutacje dzielimy nie tylko na korzystne i szkodliwe, większość z nich jest neutralna.
Zastanów się
Wybierz jedną poprawną odpowiedź
1
Z faktu № 1 rozważań Darwina przytoczonych w paragrafie wypływa wniosek № 1, ponieważ
A gdyby wszyscy przeżywali, to wielkość populacji nieustannie by rosła В w realnych populacjach zawsze istnieje jakaś śmiertelność C fiksowana liczebność uwarunkowana jest zaprzestaniem rozmnażania się D w przyrodzie często spotyka się trwały wzrost wykładniczy E im większa jest liczebność populacji, tym mniejsze są w niej szanse na przeżycie
2
Uwzględniając założenia Lamarcka dotyczące bakterii i organizmów jednokomórkowych, możemy stwierdzać, że nie wszystkie organizmy stały się tak doskonałe jak ludzie, ponieważ A nie mieli ku temu wewnętrznego dążenia В nie wystarczało im czasu C źle ćwiczyli swoje narządy D nie wszystkie nabyte cechy są dziedziczone E obserwuje się znaczna zmienność
3
Sukces reproduktywny jest tym większy, im A mniejsza jest ilość potomków organizmu В większa jest ilość potomków organizmu
C organizm rzadziej łączy się w pary D organizm częściej łączy się w pary Є mniej płodni są potomkowie tego organizmu
4
Najprostszym wydarzeniem ewolucyjnym w syntetycznej teorii ewolucji jest A wzrost liczebności ludzi w Afryce, którzy cierpią na anemię sierpowatą В pojawienie się nowego gatunku komarów roznoszących malarię C pojawienie się mutacji w komórce skóry i powstanie pieprzyków D narodzenie się nowego organizmu
E wymieranie grup bakterii w wyniku aktywnego wykorzystywania antybiotyków
5
Zaprzestanie przenoszenia genów z jednej populacji do innej powoduje A wymieranie gatunku В włączenie się doboru naturalnego C wzmożenie się walki o byt D powstanie nowego gatunku E wzrost zmienności
Sformułuj odpowiedź w postaci kilku zdań
6
Dlaczego im intensywniej odbywa się dobór naturalny, tym mniej wariantów zmienności pozostaje w populacji?
7
Jaki rodzaj walki o byt opisano na podstawie przykładu z chrząszczami? Dlaczego zwyciężają „zielone chrząszcze”?
8
Jakie są przyczyny tego, że w fakcie № 4 rozważań Darwina (przytoczonych w paragrafie) osobnicy o cechach А і В mają nierówne szanse na pozostawienie po sobie potomków i przekazanie im swojej cechy?
9
Co wspólnego mają teorie ewolucyjne Darwina i Lamarcka?
10
Zaproponuj eksperymenty i własne obserwacje, które pozwolą sprostować teorię ewolucji Lamarcka.
11
Jakie są przyczyny powstania syntetycznej teorii ewolucji?
Znajdź odpowiedź i postaraj się zrozumieć istotę problemu
12
Charles Darwin w swoim czasie nie mógł obalić „koszmaru Jenkina”, dlatego zmuszony był wnosić zmiany do swojej teorii. Obal stwierdzenia nazywane „koszmarem Jenkina”.
13
Dla wielu organizmów charakterystyczny jest dobór płciowy: samiec, który zwyciężył w sparingu z innymi, jest sprawniejszy w śpiewie czy budowaniu mieszkania, osiąga reproduktywnego sukcesu i rozmnaża się, a ten, co przegrał - nie. Jaki sens ewolucyjny ma dobór płciowy?
Dowiedz się samodzielnie i opowiedz innym
14
Wyjaśnij powstanie długiej szyi u żyrafy z punktu widzenia doboru naturalnego.
15
Jakie obserwacje biologiczne Charlesa Darwina doprowadziły go do powstania teorii ewolucji?
16
Jakie dowody ma współczesny neolamarkizm? Czy nie przeczy on syntetycznej teorii ewolucji?
Źródło: Biologia podręcznik dla klasy 9 Szałamow