Jak funkcjonuje właściwie ewolucja?

Ewolucja opisuje zmianę gatun­ków w czasie. Aż do połowy XIX wieku pano­wało prze­kona­nie, że wszyst­kie rodzaje istot żyją­cych na Ziemi „zawsze” istniały na ziemi i oprócz drob­nych zmien­ności są niez­mi­enne. W 1859 roku Karol Darwin opubli­ko­wał swoje epokowe dzieło „O powsta­wa­niu gatun­ków”, w którym przedsta­wił swoją teorię pochod­ze­nia gatun­ków, która po drob­nych popraw­kach nadal obowiązuje.

Mutacje prowadzą do zmian cech

Mate­riał gene­ty­czny wszyst­kich żywych istot podlega ciągłym niewiel­kim zmia­nom. Jeśli mnoży się on, np. przed podziałem komó­rek, to nie zawsze jest odtwarzany w całko­wi­cie iden­ty­czny sposób, ale czasami poja­wiają się odchy­le­nia (błędy syntezy), których w zasad­zie nie da się uniknąć. Są one znane jako mutacje.

Te odchy­le­nia zwykle nie mają znac­ze­nia, gdy są prze­ka­zy­wane potomstwu. Ale czasami powo­dują również małe lub większe zmiany, np. w prze­mia­nie mate­rii, wygląd­zie lub zachowaniu.

Cechy charak­tery­sty­czne podle­gają selekcji

Zmiany te mogą dać żyją­cym orga­niz­mom korzyści, ale mogą być również neutralne lub nawet przy­nieść niekor­zystne skutki. W dwóch ostat­nich przy­pad­kach szansa na to, że się rozprzestrze­nią, tj. zostaną prze­ka­zane dużej licz­bie potomstwa, jest niewielka.

W szcze­gól­ności, jeśli zmia­nie będą towar­zyszyć wady, dotknięte nią jednostki będą mniej zdolne do prze­ciw­sta­wia­nia się konku­ren­tom w ich środo­wisku ekolo­gicz­nym i zginą lub przy­najm­niej będą miały mnie­jszy sukces repro­duk­cy­jny. Jeśli nega­tywne skutki są bardzo poważne, prowadzi to do wygi­nięcia nosi­cieli tej mutacji. Aż do wpro­wad­ze­nia współc­zes­nej medy­cyny doty­c­zyło to również niekor­zyst­nych mutacji u ludzi.

Jeśli zmiany wywołane przez mutację są „neutralne”, zostaną prze­ka­zane w normalny sposób podc­zas rozmnaża­nia się osob­nika. A jeśli nawet przy­ni­osą korzyści, dotknięta żywa istota ma większe szanse na repro­duk­cję i spłod­ze­nie więks­zej ilości potomstwa. Oznacza to, że mutacja jest również prze­ka­zy­wana więks­zej ilości potomstwa. Oczy­wiście mutacje, które mają pozy­tywne skutki, są znacz­nie rzad­sze niż te, które mają nega­tywne skutki.

Zmiany nie są zatem w żadnym wypadku celowe, ale dość przy­pad­kowe i całko­wi­cie nieu­kier­un­kowane. Są one jednak stabi­lizowane w inwen­tarzu gene­ty­cz­nym popu­lacji, jeśli przy­noszą korzyści lub przy­najm­niej nie przy­noszą szkody w danych warun­kach środo­wis­ko­wych. Nazywa się to selek­cją.

Przykład 1: ewolucja niedźwiedzi polarnych

O ile wiemy dzisiaj, mutacja w komórce jajo­wej samicy niedź­wied­zia brunat­n­ego (żyjącej w Irlandii, która była wówc­zas pokryta śnie­giem i lodem) około 400 000 do 900 000 lat temu dała potomstwo o białym futrze. A ono prze­ka­zało mutację niek­tórym swoim potom­kom, te z kolei niek­tórym swoim i tak dalej. Białe niedź­wied­zie miały wyraźną prze­wagę nad niedź­wied­ziami brunat­nymi, jeśli chodzi o łapa­nie zdoby­czy, ponie­waż były lepiej zakam­uf­lowane i mogły lepiej się podk­radać. W rezult­a­cie były lepiej odży­wione i ogól­nie zdrow­sze, dzięki czemu mogły częściej osią­gać wiek rozrodczy i mieć więcej potomstwa niż niedź­wied­zie brunatne. Presja selek­cy­jna wyni­ka­jąca z warun­ków środo­wis­ko­wych niedź­wiedzi sprzy­jała rozprzestrze­nia­niu się mutacji, która spowo­do­wała kolor białej sierści. Wkrótce w półno­cnych regio­nach żyły tylko białe niedź­wied­zie. (Uwaga: biały kolor futra nie jest wyni­kiem albi­nizmu, co można łatwo rozpoz­nać po prawie czar­nym kolorze skóry niedź­wiedzi polarnych.)

Przykład 2: rozwój oka

Pierw­sze żywe istoty i orga­nizmy jedno­komór­kowe (żyjące w wodach oceanów) nie miały jeszcze zdol­ności rozróż­nia­nia między świa­tłem a ciem­nością. W pewnym momen­cie w błonie komór­ko­wej rozwinęły się białka, które zmie­niają się pod wpły­wem świa­tła (tak zwane foto­pig­menty lub opsyny). Z ich pomocą jedno­komór­kowe komórki mogły dostrzec jasność i, jeśli promie­nio­wa­nie słoneczne było silne, wyco­fać się do głębs­zych warstw wody lub zaci­en­ionych regi­onów. W ten sposób chro­niły one swój mate­riał gene­ty­czny przed szkod­li­wym promie­nio­wa­niem UV, co dawało im prze­wagę selekcyjną.
W dals­zym prze­biegu ewolucji świa­tłoc­zułe białka zebrały się w jednym miejscu na błonie komór­ko­wej. Taką konstruk­cję z plamką oczną można nadal obser­wo­wać u jedno­komór­ko­wych klej­no­tek (Euglena). W prze­ci­wieńst­wie do przy­pad­ko­wego ruchu, który prowad­ził wspom­niane powyżej orga­nizmy jedno­komór­kowe w ciem­nie­jsze miej­sca, koncen­tracja foto­pig­men­tów na jednym bieg­unie komórki umoż­li­wia bard­ziej ukier­un­kowany ruch od świa­tła lub w kier­unku świa­tła, tj. do obszarów, w których jest dużo plank­tonu i glonów służą­cych jako pokarm dla eugleny.

Euglena (klej­notka). Plamka oczna znaj­duje się na przednim bieg­unie komór­ko­wym obok aparatu wici. Gdy zwier­zątko się porusza, obraca się w sposób ciągły wokół włas­nej osi podłuż­nej. Plamka oczna okre­sowo zaci­e­nia recep­tor świa­tła obok worka wicio­wego. W ten sposób zwier­zątko może okreś­lić kierunek pada­nia światła.
Źródło: https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/5/5e/Euglena_gracilis.svg; Według użyt­kow­nika: Suck­Xez w Wiki­pe­dii; Obraz został ponow­nie przesłany później (jako SVG, 31 paźd­zier­nika 2008, 22:32 czasu środ­ko­wo­eu­ro­pe­js­kiego) [domena publiczna], za pośred­nict­wem Wiki­me­dia Commons.> /p>

Wiele orga­niz­mów wielo­komór­ko­wych, w tym meduzy, rozgwiazdy i niek­tóre rodzaje robaków, ma płas­kie oczy jako szereg płasko ułoż­onych komó­rek świa­tłoc­zu­łych, które są z jednej strony chro­nione przed świa­tłem przez komórki pigmentowe.
Zagłę­bi­e­nie na powierzchni komórki w obsz­arze foto­pig­men­tów, tzw. oko kiel­ichowe, pozwo­liło jeszcze lepiej dostrzec kierunek, z którego świa­tło wpada w oko poprzez cień rzucany przez jego krawędź. Jeśli cień nagle uder­zył w oświet­l­ony właś­nie obszar kubka z pigmen­tem, wywołuje to ucieczkę od przy­c­zyny powo­du­jącej cień, która może być rabu­siem. Taka konstruk­cja jest do dziś obecna u wielu orga­niz­mów wodnych, np. u strudli i limpetów.
W trak­cie dals­zego rozwoju kube­c­zek pigmen­towy pogłę­biał się coraz bard­ziej, w wyniku czego powstało oko jak kamera otwor­kowa. Jego świa­tłoc­zu­łość była bardzo słaba, ale było ono w stanie dostrzec ostro różnice w jasności.
Poja­wi­e­nie się gala­re­to­wa­tej soczewki wewną­trz oka, która powo­do­wała zała­ma­nie się świa­tła przy wpada­niu do gałki ocznej, umoż­li­wiło wyraźne widze­nie nawet przy nieco więks­zym otworze z zaletą ogól­nie znacz­nie jaśnie­js­zego obrazu. Oczy według tego planu budowy są dziś bardzo rozpow­s­zech­nione, między innymi cies­zymy się nimi my, ludzie.

Na każdym etapie rozwoju „oko” przy­no­siło posia­dac­zowi korzyści, które prowad­ziły do więks­zego sukcesu repro­duk­cy­j­n­ego, a tym samym do stabi­li­zacji odpo­wied­niego status quo w popu­lacji. To z kolei stwor­zyło podstawę dla nowych, bard­ziej postę­po­wych rozwiązań.

Jednak rozwój oczu nie był proce­sem lini­owym, tak więc różne grupy zwier­ząt rozwinęły różne oczy, które w zasad­zie funk­c­jo­nują w podobny sposób, ale nie są zbudo­wane dokład­nie w ten sam sposób lub nie powstają z tej samej tkanki embrio­nal­nej. Oko głowo­noga (ośmior­nica, polipy) jest wyraź­nie lepsze od oka ssaka, chociaż jest star­sze pod wzglę­dem ewolu­cy­jnym. W takich przy­pad­kach mówi się o „zbież­nej ewolucji”.

Różne ewolu­cy­jne etapy rozwoju oczu.
Źródło: https://de.wikipedia.org/w/index.php?title=Datei:Stages_in_the_evolution_of_the_eye_(de).png&filetimestamp=20080518115135#filelinks

Zmiany w mate­riale gene­ty­cz­nym zachodzą stale i wszęd­zie, a wyni­ka­jące z nich nowe cechy podle­gają selek­cji. W szcze­gól­ności zmiany warun­ków środo­wis­ko­wych zwięks­zają presję selek­cy­jną na orga­nizmy. Przy­kła­dami są zmiany klima­ty­czne (w wyniku epok lodow­co­wych, erup­cji wulkanów, uder­zeń metro­rytu), ale także zmiany innych żywych istot, które wystę­pują w tym samym środo­wisku i konku­rują o te same zasoby lub do których poży­wi­e­nia należy rozpa­try­wany organizm.

Powsta­wa­nie nowych gatunków

Począt­kowo jednak takie zmiany nie skut­kują nowymi gatun­kami, a jedy­nie odmi­a­nami. Nowy gatunek poja­wia się tylko wtedy, gdy osob­niki różnych odmian nie mogą już rozmnażać się ze sobą (niez­god­ność). Może to opierać się na bardzo różnych mecha­niz­mach, które w zasad­zie prowadzą do jednej z nastę­pu­ją­cych dwóch sytuacji:

  1. Komórka jajowa jednej odmi­any nie może zostać zapłod­niona przez plem­nik innej odmi­any, tak więc nie powstaje zygota.
  2. Zapłod­ni­e­nie jest możliwe, ale z zygoty powstaje niez­dolny do życia orga­nizm, albo orga­nizm żyje, ale z kolei nie jest zdolny do rozmnażania.

Pierwszy przy­pa­dek wystę­puje na przy­kład wtedy, kiedy czas kwit­ni­enia uległ tak znacz­nemu przes­unięciu w przy­padku dwóch odmian gatun­ków roślin, że kwiaty żeńs­kie jednej odmi­any więdną, zanim dojr­zeje pyłek tej drugiej. Przy­kła­dami z królestwa zwier­ząt są zmiany w zacho­wa­niach godo­wych lub narzą­dach rozrodc­zych, które prowadzą do tego, że zwier­zęta nie chcą już lub nie są w stanie kojar­zyć się ze sobą.

Dobrze znanym przy­kła­dem drugiego przy­padku jest muł (powstaje w wyniku skrzyżo­wa­nia ogiera osła z klaczą konia lub ogiera konia z klaczą osła), który (prze­waż­nie) nie może wydać potomstwa. Jednak w więks­zości przy­pad­ków orga­nizmy, które wyło­niły się z niez­god­nych komó­rek jajo­wych i plem­ni­ków, giną bardzo wcześ­nie, na przy­kład w wyniku zabur­zeń rozmieszc­ze­nia chro­mo­somów podc­zas pierws­zych podziałów komórkowych.

Dopóki zachodzą inter­ak­cje płciowe między poten­c­jal­nymi nowymi gatun­kami, nowy gatunek powsta­nie tylko w wyjąt­ko­wych przy­pad­kach. Izolacja geogra­ficzna sprzyja temu proce­sowi. Dzieje się tak na przy­kład, gdy mosty lądowe między wyspami lub nawet częściami świata są zale­wane (dla stwor­zeń lądo­wych) lub, gdy płyt­kie odcinki morza zamu­lają się (dla ryb i innych orga­niz­mów morskich).
Szcze­gól­nie w wyniku wiel­kich maso­wych zagład w histo­rii Ziemi nastąpiło masowe formo­wa­nie się nowych gatun­ków, gdyż były one lepiej przysto­so­wane do zmien­ionych warun­ków, które dopro­wad­ziły do wygi­nięcia i były w stanie zająć sied­liska i nisze ekolo­giczne, które stały się wolne.

Rozwój różno­rod­ności biolo­gicz­nej w ciągu ostat­nich 600 mili­onów lat na podsta­wie badań kopal­nych orga­niz­mów morskich. Po każdym maso­wym wymier­a­niu liczba gatun­ków rosła stosun­kowo szybko.
Źródło: http://www.oekosystem-erde.de/html/massenaussterben.html. Ilus­tracja została zmien­iona wg. angiel­s­kiej Wiki­pe­dii (http://en.wikipedia.org/wiki/Biodiversity, prze­glą­dana 2 marca 2007) i jest oparta na danych z Rohde, R.A. & Muller, R.A. (2005): „Cykle w różno­rod­ności wykopa­lisk”. Naturę 434: 209–210. Licen­cja: GFDL.

Nawia­sem mówiąc, takie procesy formo­wa­nia się gatun­ków zachodzą bardzo wolno. Przyj­muje się, że między poja­wi­e­niem się odmi­any a fakty­cz­nym wyodręb­ni­e­niem się nowego gatunku mija kilka dzie­sięcioleci, a nawet mili­ony lat, w zależ­ności od tego, jak szybko nastę­pują po sobie poko­lenia i jak zachodzą inter­ak­cje w orga­niz­mie i ze środowiskiem.

Podsu­mo­wu­jemy

Ewolucja nie jest proce­sem ukier­un­kowanym, a różnice wyni­kają z przy­pad­ko­wych zmian w geno­mie osob­ni­ków. Korzyst­nym zmia­nom sprzy­jają warunki środo­wis­kowe (selek­cja). Zmiany te rozprzestrze­niają się, gdy prze­ka­zy­wa­nie są obfi­temu potomstwu. Jeśli zmiany prowadzą do tego, że osob­niki jednej odmi­any są w stanie rozmnażać się tylko ze sobą, ale już nie z innymi odmi­a­nami, poja­wia się nowy gatunek. [MM]

Komentowanie jest wyłączone.