Kas yra evoliucijos modernioji sintezė: Mendelio ir Darvino teorijų jungtis
Evoliucijos modernioji sintezė: kaip Mendelio paveldimumo dėsniai dera su Darvino natūralia atranka ir kurie mokslininkai formavo šią teorinę jungtį.
Šiuolaikinė evoliucijos sintezė yra apie evoliuciją. Joje aiškinama, kaip Gregoro Mendelio atradimai dera su Čarlzo Darvino evoliucijos natūralios atrankos būdu teorija. Mendelis išsiaiškino, kaip paveldime savo genus.
Pagrindiniai biologai, prisidėję prie sintezės, buvo šie: Džulianas Hakslis, Teodosijus Dobžanskis, Ernstas Mairas, Ronaldas Fišeris, J. B. S. Haldane'as, Sevalis Raitas, G. G. Simpsonas, E. B. Fordas, Bernhardas Renšas ir G. Ledjardas Stebbinsas.
Kas tai reiškia paprastai?
Modernioji sintezė apjungia dvi idėjas: Darvino idėją, kad natūrali atranka veikia organizmų įvairovę ir pranašesnes savybes perduoda tolesnėms kartoms, bei Mendelio genetiką, aiškinančią, kaip paveldimos savybės perduodamos per genus. Svarbiausias sintezės teiginys: evoliucija — tai populiacijų genų dažnių pokytis per laiką, kuriam pagrindinį indėlį gali duoti mutacijos, rekombinacija, natūrali atranka, genų srautas ir genetinis dreifas.
Pagrindiniai mechanizmai
- Mutacijos — atsitiktinės DNR sekos pakitimai, kurie sukuria naujas aleles.
- Rekombinacija — chromosomų persimaišymas lytinių ląstelių susidarymo metu, sukuriantis naujus genų derinius.
- Natūrali atranka — diferencialus dauginimasis, kur tam tikros alelės didina išgyvenimo ar dauginimosi tikimybę.
- Genų srautas — alelių mainai tarp populiacijų per migraciją.
- Genetinis dreifas — atsitiktiniai genų dažnių pokyčiai, ypač svarbūs mažose populiacijose (pvz., įkūrėjo efektas, uždarumo efektas).
Populiacinė genetika ir teorinės sąvokos
Modernioji sintezė sukūrė populiacinės genetikos pagrindus: matematiniai modeliai (pvz., Hardy–Weinberg pusiausvyra) paaiškina, kaip alelių dažniai kinta ir kaip veikia atranka, mutacija bei dreifas. Taip pat sintezė sujungė mikroevliucijos procesus (alelių dažnių pokyčiai) su makroevoliucijos reiškiniais (naujos rūšys, dideli morfologiniai pokyčiai) — parodydama, kad ilgainiui mažų pokyčių kaupimasis gali lemti didelius rūšių skirtumus.
Palaikomieji įrodymai
Ši teorinė konstrukcija remiasi skirtingų sričių duomenimis:
- fiziniai fosilijų radiniai ir pereinamieji tipai;
- biogeografija — rūšių pasiskirstymas žemėlapio plote;
- eksperimentiniai ir laukiniai stebėjimai (pvz., Darvino žvirbliai Galapaguose, anglies kandžių spalvos pasikeitimai industriniais laikais);
- molekulinė genetika ir DNR analizės, kurios leidžia rekonstruoti giminystės ryšius ir mutacijų tempus.
Vystymasis ir svarbūs autoriai
Modernioji sintezė susiformavo XX a. 3–5 dešimtmečiais, kai biologai, genetikai ir paleontologai sujungė empirinius duomenis su matematiniais modeliais. Svarbūs indėliai buvo tiek teoriniai, tiek eksperimentiniai: matematiniai darbai parodė, kaip atranka ir mutacijos veikia alelių dažnius; ekologiniai tyrimai demonstravo natūralios atrankos poveikį laukinėje gamtoje; paleontologija suteikė ilgalaikį laikotarpio kontekstą.
Kas šiuos mokslininkus siejo ir ką jie prisidėjo?
Nors aukščiau pateiktame sąraše paliktos originalios nuorodos į kiekvieną vardą, trumpai apie jų indėlį:
- Džulianas Hakslis — populiarinimo ir sintezės organizavimo darbai, vienas iš pirmųjų, kurie viešai formuluojo modernią sintezę.
- Teodosijus Dobžanskis — parodė, kad genetikos principai galioja laukinėse populiacijose; garsus teiginiu „genetika ir biogeografija — evoliucijos pagrindas“.
- Ernstas Mayr — sistematikas; plėtojo rūšies sampratą (biologinė rūšies samprata) ir istorinės biologijos aiškinimą.
- Ronaldas Fišeris, J. B. S. Haldane'as ir Sewall Wright — populiacinės genetikos pionieriai, išvedę matematinius modelius, paaiškinančius atrankos dinamiką ir mutacijų vaidmenį.
- G. G. Simpsonas — paleontologas, rodęs, kaip evoliuciniai procesai pasireiškia fosiliniuose sluoksniuose.
- E. B. Fordas — ekologinės genetikos kūrėjas, demonstravo atrankos poveikį spalvos ir kitų fenotipų dažniams laukinėje gamtoje.
- Bernhardas Renschas ir G. Ledyard Stebbinsas — prisidėjo prie evoliucijos teorijos plėtros zoologijoje ir botanikoje, atsižvelgiant į rūšių atsiradimą ir augalų evoliuciją.
Vėlesnės plėtros ir ribotumai
Nors modernioji sintezė yra kertinė evoliucijos teorijos dalis, vėliau ji buvo papildyta naujais atradimais:
- molekulinė evoliucija ir Motoo Kimura neutrali teorija parodė, kad daug molekulinių pokyčių gali būti neutralūs;
- „punctuated equilibrium“ (S. J. Gould ir N. Eldredge) pasiūlė, kad fosilijų įrašai rodo greitus speciacijos įvykius, tarp kurių yra ilgi stabilumo periodai;
- evo‑devo (evoliucinė vystymosi biologija) parodė, kaip genų reguliavimo pokyčiai gali sukelti greitus morfologinius pokyčius.
Prasmė ir praktinė reikšmė
Modernioji evoliucijos sintezė suteikia integruotą paaiškinimą, kaip gyvybė pokyčių ir medžiagos lygmeniu adaptuojasi, kaip formuojasi rūšys ir kodėl biologinė įvairovė tokia, kokią ją matome šiandien. Šios idėjos turi praktinį pritaikymą medicinoje (pvz., antibiotikų atsparumo evoliucija), žemės ūkyje (selekcija, veisimas) ir gamtos išsaugojime (genetinė įvairovė, populiacijų valdymas).
Santrauka
Trumpai tariant, modernioji sintezė sujungė Mendelio genetikos mechanizmus su Darvino natūralios atrankos idėja per populiacinės genetikos instrumentus. Ji paaiškina, kaip genetiniai pokyčiai kaupiasi populiacijose ir kaip per ilgą laiką tai veda prie adaptacijų ir naujų rūšių atsiradimo; tuo pačiu ji evoliucionuoja ir plečiasi priimant naujus empirinius bei teorinius atradimus.
Teorija
Modernioji sintezė atnaujino Darvino idėją. Ji nutiesė tiltą tarp skirtingų biologų tipų: genetikų, gamtininkų ir paleontologų.
Jame teigiama, kad:
- Evoliuciją galima paaiškinti remiantis tuo, ką žinome apie genetiką, ir tuo, ką matome iš laisvėje gyvenančių gyvūnų ir augalų.
- Genų (alelių) įvairovė natūraliose populiacijose yra pagrindinis evoliucijos veiksnys.
- Natūralioji atranka yra pagrindinis pokyčių mechanizmas. Net ir labai nedidelis pranašumas gali būti svarbus ir tęstis iš kartos į kartą. Gyvūnų ir augalų kova už būvį laukinėje gamtoje lemia natūraliąją atranką. Tik tie, kurie išgyvena ir dauginasi, perduoda savo genus kitai kartai.
Nustatėme, kad natūraliosios atrankos stiprumas laukinėje gamtoje buvo didesnis, nei tikėjosi net Darvinas. - Evoliucija vyksta palaipsniui: vyksta natūralioji atranka ir kaupiasi nedideli genetiniai pokyčiai. Rūšys iš kartos į kartą keičiasi nedaug. Didelių pokyčių retkarčiais pasitaiko, bet jie labai reti. Genetinis dreifas paprastai yra mažiau svarbus nei natūralioji atranka. Jis gali būti svarbus mažose populiacijose.
- Paleontologijoje bandome suprasti, kaip laikui bėgant keičiasi fosilijos. Manome, kad tie patys veiksniai, kurie veikia šiandien, veikė ir praeityje.
- Keičiantis aplinkybėms, evoliucijos tempas gali būti greitesnis arba lėtesnis, tačiau priežastys išlieka tos pačios.
Daug diskutuota apie tai, kad naujos rūšys atsiranda po populiacijų skilimo. Geografinė izoliacija dažnai lemia rūšių susidarymą. Bet koks požiūris į rūšių susidarymą turi apimti ir augalų poliploidiją.
"Evoliuciją daugiausia sudaro alelių dažnio pokyčiai tarp kartų".
Tai rodo, kaip kai kurie biologai mato sintezę.
Beveik visi sintezės aspektai kartais buvo kvestionuojami, tačiau su skirtingu sėkmės laipsniu. Tačiau neabejotina, kad sintezė buvo svarbus evoliucinės biologijos etapas. Ji išaiškino daugybę neaiškumų ir tiesiogiai paskatino daugybę mokslinių tyrimų po Antrojo pasaulinio karo.
Po sintezės
Po sintezės buvo padaryta nemažai atradimų žemės mokslų ir biologijos srityse. Čia išvardyti kai kurie iš jų, kurie yra susiję su evoliucijos sinteze ir atrodo pagrįsti.
Žemės istorijos supratimas
Žemė - tai scena, kurioje vyksta evoliucijos spektaklis. Darvinas studijavo evoliuciją Čarlzo Ljelio (Charles Lyell) geologijos kontekste, tačiau dabar žinome daugiau istorinės geologijos.
- Žemės amžius buvo padidintas. Dabar jis vertinamas 4,56 mlrd. metų, t. y. maždaug trečdalis Visatos amžiaus. Fanerozojus užima tik paskutinę 1/9 šio laiko.
- Alfredo Wegenerio idėja apie žemynų dreifą buvo pripažinta apie 1960 m. Pagrindinis plokščių tektonikos principas yra tas, kad litosfera egzistuoja kaip atskiros ir skirtingos tektoninės plokštės. Šios plokštės lėtai juda ant po jomis esančios astenosferos. Šis atradimas susieja tokius reiškinius kaip ugnikalniai, žemės drebėjimai, orogenezė ir suteikia duomenų daugeliui paleogeografinių klausimų. Vienas svarbus klausimas vis dar neaiškus: kada prasidėjo plokščių tektonika?
- Mūsų supratimas apie Žemės atmosferos evoliuciją pasistūmėjo į priekį. Atmosferoje deguonis pakeitė anglies dioksidą proterozojuje. Jį tikriausiai sukėlė cianobakterijos, kurių kolonijos suakmenėjo stromatolitų pavidalu. Šis didysis deguonies atsiradimo įvykis lėmė aerobinių organizmų evoliuciją. Jis taip pat lėmė pirmuosius didžiuosius ledynmečius.
- Geologai rado ir ištyrė mikrobinės gyvybės fosilijų. Šios uolienos datuojamos maždaug prieš 3,465 mlrd. metų. J. Walcottas buvo pirmasis geologas, kuris, mikroskopu ištyręs plonus uolienų gabalėlius, nustatė ikikambrinio periodo iškastines bakterijas. Jis taip pat manė, kad stromatolitai yra organinės kilmės. Tuo metu jo idėjos nebuvo priimtos, tačiau dabar jos gali būti vertinamos kaip dideli atradimai.
- Informacijos apie paleoklimatą vis daugiau ir ji vis dažniau naudojama paleontologijoje. Vienas iš pavyzdžių: proterozojuje, labai sumažėjus CO2 kiekiui atmosferoje, įvyko didžiuliai ledynmečiai. Šie ledynmečiai buvo nepaprastai ilgi ir lėmė mikrofloros nuosmukį. Taip pat žr. kriogeno periodą ir Sniego gniūžtės Žemę.
- Katastrofizmas ir masiniai išmirimai. Katastrofizmas iš dalies vėl integruotas, o masinių išmirimų svarba didelės apimties evoliucijai tapo akivaizdi. Išnykimai sutrikdo daugelio gyvybės formų santykius ir gali pašalinti dominuojančias formas bei išlaisvinti išlikusių grupių adaptyviosios radiacijos srautą. Priežastys - meteoritų smūgiai (K-T sandūra; išmirimas ordoviko pabaigoje); potvynių bazalto provincijose (Dekano spąstai K-T sandūroje; Sibiro spąstai P-T sandūroje) ir kiti ne tokie dramatiški procesai.
Išvados: Mūsų dabartinės žinios apie Žemės istoriją leidžia daryti tvirtą prielaidą, kad didelio masto geofiziniai įvykiai turėjo įtakos makroevoliucijai ir megaevoliucijai. Šie terminai reiškia evoliuciją, viršijančią rūšių lygmenį, įskaitant tokius įvykius kaip masinis išmirimas, adaptyvioji radiacija ir pagrindiniai evoliucijos perėjimai.
Fosilijų atradimai
Nuo XX a. pabaigos mokslininkai atliko kasinėjimus tose pasaulio dalyse, kurios anksčiau beveik nebuvo tyrinėtos. Be to, naujai įvertintos XIX a. atrastos, bet tuo metu neįvertintos fosilijos. Padaryta daug išskirtinių atradimų, o kai kurie iš jų turi reikšmės evoliucijos teorijai.
- Džeholo biotos atradimas: dinobirdai ir ankstyvieji paukščiai iš apatinės kreidos Liaoningo, Šiaurės Rytų Kinijos. Tai rodo, kad paukščiai iš tiesų išsivystė iš coelurosaurų teropodinių dinozaurų.
- Viršutinio devono kamieninių tetrapodų tyrimai.
- Ankstyvieji banginių evoliucijos etapai.
- Plekšninių žuvų (pleuronectiformes), tokių kaip plekšnės, jūrų liežuviai, otai ir paltusai, evoliucija. Jų jaunikliai yra visiškai simetriški, tačiau metamorfozės metu galva yra pertvarkyta. Viena akis persikelia į kitą pusę, netoli kitos akies. Kai kurių rūšių abi akys yra kairėje (otų), kai kurių - dešinėje (paltusų, jūrų liežuvių); visų iki šiol gyvenusių ir iškastinių plekšnių akys yra "akytosios" ir "aklosios". Darvinas numatė, kad evoliucijos eigoje akis palaipsniui keisis, atspindėdama gyvų formų metamorfozę.
Neseniai atliktas dviejų iškastinių rūšių iš eoceno
tyrimas rodo, kad "plekšnių kūno planas susiformavo palaipsniui, palaipsniui". Tarpinės stadijos buvo visiškai gyvybingos: šios formos apėmė du geologinius etapus ir buvo rastos vietose, kuriose taip pat aptinkama plokščiažuvių su visa kaukolės asimetrija. Plekšnių evoliucija visiškai atitinka evoliucijos sintezę.
Evo-devo
Svarbus darbas genetikos srityje padėjo sukurti naują požiūrį į gyvūnų vystymąsi. Ši sritis vadinama evoliucine raidos biologija, sutrumpintai - evo-devo.
Yra aiškių įrodymų, kad daugelį vystymosi etapų glaudžiai kontroliuoja specialios genetinės sistemos, susijusios su hox genais. Savo Nobelio premijos paskaitoje E. B. Lewisas sakė: "Galiausiai, palyginus [valdymo kompleksus] visoje gyvūnų karalystėje, turėtų būti galima susidaryti vaizdą, kaip vystėsi organizmai ir [valdymo genai]".
2000 m. evo-devo buvo skirtas specialus žurnalo Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS) skyrius, o visas 2005 m. žurnalo Journal of Experimental Zoology B dalies Molekulinė ir vystymosi evoliucija numeris buvo skirtas svarbiausioms evo-devo temoms - evoliucinėms naujovėms ir morfologiniam naujumui.
Plačiajam skaitytojui skirtoje šios srities apžvalgoje pateikiama pavyzdžių.
Susiję puslapiai
Ieškoti