Το βιβλίο του Δαρβίνου "Η καταγωγή των ειδών" έχει δύο θέματα: τα στοιχεία για την εξέλιξη και τις ιδέες του για το πώς έλαβε χώρα η εξέλιξη. Αυτή η ενότητα ασχολείται με το δεύτερο θέμα.
Παραλλαγή
Τα δύο πρώτα κεφάλαια της Καταγωγής ασχολούνται με την ποικιλομορφία στα εξημερωμένα φυτά και ζώα και την ποικιλομορφία στη φύση.
Όλα τα έμβια όντα παρουσιάζουν διακυμάνσεις. Κάθε πληθυσμός που έχει μελετηθεί δείχνει ότι τα ζώα και τα φυτά διαφέρουν τόσο πολύ όσο και οι άνθρωποι. σ90 Αυτό είναι ένα μεγάλο γεγονός της φύσης και χωρίς αυτό δεν θα συνέβαινε η εξέλιξη. Ο Δαρβίνος είπε ότι, όπως ο άνθρωπος επιλέγει αυτό που θέλει στα ζώα της φάρμας του, έτσι και στη φύση οι παραλλαγές επιτρέπουν στη φυσική επιλογή να λειτουργήσει.
Τα χαρακτηριστικά ενός ατόμου επηρεάζονται από δύο πράγματα, την κληρονομικότητα και το περιβάλλον. Πρώτον, η ανάπτυξη ελέγχεται από τα γονίδια που κληρονομούνται από τους γονείς. Δεύτερον, η ζωή φέρνει τις δικές της επιρροές. Κάποια πράγματα κληρονομούνται εξ ολοκλήρου, άλλα εν μέρει και κάποια δεν κληρονομούνται καθόλου.
Το χρώμα των ματιών κληρονομείται εξ ολοκλήρου- είναι γενετικό χαρακτηριστικό. Το ύψος ή το βάρος κληρονομείται μόνο εν μέρει και η γλώσσα δεν κληρονομείται καθόλου. Για να γίνω σαφής: το γεγονός ότι οι άνθρωποι μπορούν να μιλήσουν είναι κληρονομικό, αλλά το ποια γλώσσα ομιλείται εξαρτάται από το πού ζει ένα άτομο και τι διδάσκεται. Ένα άλλο παράδειγμα: ένα άτομο κληρονομεί έναν εγκέφαλο κάπως μεταβλητής χωρητικότητας. Το τι συμβαίνει μετά τη γέννηση εξαρτάται από πολλά πράγματα, όπως το οικογενειακό περιβάλλον, η εκπαίδευση και άλλες εμπειρίες. Όταν ένα άτομο είναι ενήλικο, ο εγκέφαλός του είναι αυτό που τον έχει κάνει η κληρονομιά και η εμπειρία της ζωής του.
Η εξέλιξη αφορά μόνο τα χαρακτηριστικά που μπορούν να κληρονομηθούν, εν όλω ή εν μέρει. Τα κληρονομικά χαρακτηριστικά μεταβιβάζονται από τη μια γενιά στην άλλη μέσω των γονιδίων. Τα γονίδια ενός ατόμου περιέχουν όλα τα χαρακτηριστικά που κληρονομεί από τους γονείς του. Τα ατυχήματα της ζωής δεν μεταβιβάζονται. Επίσης, φυσικά, κάθε άτομο ζει μια κάπως διαφορετική ζωή: αυτό αυξάνει τις διαφορές.
Οι οργανισμοί σε κάθε πληθυσμό ποικίλλουν ως προς την αναπαραγωγική τους επιτυχία. σ81 Από την άποψη της εξέλιξης, ως "αναπαραγωγική επιτυχία" νοείται ο συνολικός αριθμός των απογόνων που ζουν για να αναπαραχθούν και να αφήσουν απογόνους.
Κληρονομική παραλλαγή
Η παραλλαγή μπορεί να επηρεάσει τις μελλοντικές γενιές μόνο αν κληρονομείται. Χάρη στο έργο του Γκρέγκορ Μέντελ, γνωρίζουμε ότι πολλές παραλλαγές κληρονομούνται. Οι "παράγοντες" του Μέντελ ονομάζονται σήμερα γονίδια. Η έρευνα έχει δείξει ότι σχεδόν κάθε άτομο σε ένα σεξουαλικά αναπαραγόμενο είδος είναι γενετικά μοναδικό. p204
Η γενετική ποικιλομορφία αυξάνεται με γονιδιακές μεταλλάξεις. Το DNA δεν αναπαράγεται πάντα με ακρίβεια. Συμβαίνουν σπάνιες αλλαγές και οι αλλαγές αυτές μπορούν να κληρονομηθούν. Πολλές αλλαγές στο DNA προκαλούν σφάλματα- ορισμένες είναι ουδέτερες ή ακόμη και επωφελείς. Έτσι δημιουργείται η γενετική ποικιλομορφία, η οποία είναι ο σπόρος-κορμός της εξέλιξης. Η σεξουαλική αναπαραγωγή, με τη διασταύρωση των χρωμοσωμάτων κατά τη διάρκεια της μαιώσεως, εξαπλώνει την ποικιλομορφία στον πληθυσμό. Άλλα γεγονότα, όπως η φυσική επιλογή και η μετατόπιση, μειώνουν την ποικιλομορφία. Έτσι, ένας πληθυσμός στη φύση έχει πάντα παραλλαγή, αλλά οι λεπτομέρειες αλλάζουν πάντα. σελ. 90
Φυσική επιλογή
Η εξέλιξη λειτουργεί κυρίως μέσω της φυσικής επιλογής. Τι σημαίνει αυτό; Τα ζώα και τα φυτά που είναι καλύτερα προσαρμοσμένα στο περιβάλλον τους θα επιβιώσουν, κατά μέσο όρο, καλύτερα. Υπάρχει ένας αγώνας για την ύπαρξη. Εκείνοι που επιβιώνουν θα παράγουν την επόμενη γενιά. Τα γονίδιά τους θα μεταβιβαστούν, ενώ τα γονίδια εκείνων που δεν αναπαράγονται δεν θα μεταβιβαστούν. Αυτός είναι ο βασικός μηχανισμός που αλλάζει έναν πληθυσμό και προκαλεί την εξέλιξη.
Η φυσική επιλογή εξηγεί γιατί οι ζωντανοί οργανισμοί αλλάζουν με την πάροδο του χρόνου και αποκτούν την ανατομία, τις λειτουργίες και τη συμπεριφορά που έχουν. Λειτουργεί ως εξής:
- Όλα τα έμβια όντα έχουν τέτοια γονιμότητα που το μέγεθος του πληθυσμού τους θα μπορούσε να αυξάνεται ραγδαία για πάντα.
- Βλέπουμε ότι το μέγεθος των πληθυσμών δεν αυξάνεται σε αυτόν τον βαθμό. Ως επί το πλείστον, οι αριθμοί παραμένουν περίπου οι ίδιοι.
- Τα τρόφιμα και οι άλλοι πόροι είναι περιορισμένοι. Ως εκ τούτου, υπάρχει ανταγωνισμός για την τροφή και τους πόρους.
- Κανένα άτομο δεν είναι ίδιο με το άλλο. Επομένως, δεν θα έχουν τις ίδιες πιθανότητες να ζήσουν και να αναπαραχθούν.
- Μεγάλο μέρος αυτής της παραλλαγής μπορεί να κληρονομηθεί. Οι γονείς μεταβιβάζουν τέτοια χαρακτηριστικά στα παιδιά μέσω των γονιδίων τους.
- Η επόμενη γενιά μπορεί να προέλθει μόνο από εκείνες που επιβιώνουν και αναπαράγονται. Μετά από πολλές γενεές, ο πληθυσμός θα έχει περισσότερες χρήσιμες γενετικές διαφορές και λιγότερες επιβλαβείς. Η φυσική επιλογή είναι στην πραγματικότητα μια διαδικασία εξάλειψης. σ117 Η εξάλειψη προκαλείται από τη σχετική προσαρμογή μεταξύ των ατόμων και του περιβάλλοντος στο οποίο ζουν.
Επιλογή σε φυσικούς πληθυσμούς
Υπάρχουν πλέον πολλές περιπτώσεις όπου έχει αποδειχθεί ότι η φυσική επιλογή συμβαίνει σε άγριους πληθυσμούς. Σχεδόν κάθε περίπτωση καμουφλάζ, μιμητισμού και πολυμορφισμού που διερευνήθηκε έδειξε ισχυρά αποτελέσματα επιλογής.
Η δύναμη της επιλογής μπορεί να είναι πολύ ισχυρότερη από ό,τι πίστευαν οι πρώτοι γενετιστές πληθυσμών. Η ανθεκτικότητα στα φυτοφάρμακα αυξήθηκε γρήγορα. Η αντίσταση στη βαρφαρίνη στους νορβηγικούς αρουραίους (Rattus norvegicus) αυξήθηκε ραγδαία επειδή εκείνοι που επέζησαν αποτελούσαν όλο και μεγαλύτερο μέρος του πληθυσμού. Η έρευνα έδειξε ότι, ελλείψει βαρφαρίνης, το ανθεκτικό ομοζυγωτό βρισκόταν σε μειονεκτική θέση κατά 54% σε σχέση με το φυσιολογικό ομοζυγωτό άγριου τύπου. p182 Αυτό το μεγάλο μειονέκτημα ξεπεράστηκε γρήγορα από την επιλογή για την ανθεκτικότητα στη βαρφαρίνη.
Τα θηλαστικά κανονικά δεν μπορούν να πίνουν γάλα ως ενήλικες, αλλά οι άνθρωποι αποτελούν εξαίρεση. Το γάλα χωνεύεται από το ένζυμο λακτάση, το οποίο απενεργοποιείται όταν τα θηλαστικά σταματούν να παίρνουν γάλα από τις μητέρες τους. Η ικανότητα του ανθρώπου να πίνει γάλα κατά την ενήλικη ζωή του υποστηρίζεται από μια μετάλλαξη της λακτάσης που εμποδίζει αυτή την απενεργοποίηση. Οι ανθρώπινοι πληθυσμοί έχουν υψηλό ποσοστό αυτής της μετάλλαξης όπου το γάλα είναι σημαντικό στη διατροφή. Η εξάπλωση αυτής της "ανοχής στο γάλα" προωθείται από τη φυσική επιλογή, επειδή βοηθά τους ανθρώπους να επιβιώσουν εκεί όπου υπάρχει γάλα. Γενετικές μελέτες δείχνουν ότι οι παλαιότερες μεταλλάξεις που προκαλούν την ανθεκτικότητα στη λακτάση έφτασαν σε υψηλά επίπεδα στους ανθρώπινους πληθυσμούς μόλις τα τελευταία δέκα χιλιάδες χρόνια. Ως εκ τούτου, η ανθεκτικότητα στη λακτάση αναφέρεται συχνά ως παράδειγμα πρόσφατης ανθρώπινης εξέλιξης. Καθώς η επιμονή στη λακτάση είναι γενετικό χαρακτηριστικό, αλλά η κτηνοτροφία είναι πολιτισμικό χαρακτηριστικό, πρόκειται για συν-εξέλιξη γονιδίου-πολιτισμού.
Προσαρμογή
Η προσαρμογή είναι ένα από τα βασικά φαινόμενα της βιολογίας. Μέσω της διαδικασίας προσαρμογής, ένας οργανισμός προσαρμόζεται καλύτερα στο περιβάλλον του.
Η προσαρμογή είναι μία από τις δύο κύριες διαδικασίες που εξηγούν την ποικιλομορφία των ειδών που βλέπουμε στη βιολογία. Η άλλη είναι η εξειδίκευση (διάσπαση ειδών ή κλαδογένεση). Ένα αγαπημένο παράδειγμα που χρησιμοποιείται σήμερα για τη μελέτη της αλληλεπίδρασης της προσαρμογής και της εξειδίκευσης είναι η εξέλιξη των κιχλιδόψαρων στα ποτάμια και τις λίμνες της Αφρικής.
Όταν οι άνθρωποι μιλούν για προσαρμογή συχνά εννοούν κάτι που βοηθάει ένα ζώο ή φυτό να επιβιώσει. Μια από τις πιο διαδεδομένες προσαρμογές στα ζώα είναι η εξέλιξη του ματιού. Ένα άλλο παράδειγμα είναι η προσαρμογή των δοντιών των αλόγων στο τρίψιμο του χόρτου. Το καμουφλάζ είναι μια άλλη προσαρμογή- το ίδιο και η μίμηση. Τα καλύτερα προσαρμοσμένα ζώα είναι πιο πιθανό να επιβιώσουν και να αναπαραχθούν με επιτυχία (φυσική επιλογή).
Ένα εσωτερικό παράσιτο (όπως ένας μύκητας) είναι ένα καλό παράδειγμα: έχει μια πολύ απλή σωματική δομή, αλλά παρόλα αυτά ο οργανισμός είναι εξαιρετικά προσαρμοσμένος στο συγκεκριμένο περιβάλλον του. Από αυτό βλέπουμε ότι η προσαρμογή δεν είναι μόνο θέμα ορατών χαρακτηριστικών: σε τέτοια παράσιτα κρίσιμες προσαρμογές λαμβάνουν χώρα στον κύκλο ζωής, ο οποίος συχνά είναι αρκετά πολύπλοκος.
Περιορισμοί
Δεν είναι όλα τα χαρακτηριστικά ενός οργανισμού προσαρμογές. σελ. 251 Οι προσαρμογές τείνουν να αντανακλούν την προηγούμενη ζωή ενός είδους. Εάν ένα είδος έχει αλλάξει πρόσφατα τον τρόπο ζωής του, μια άλλοτε πολύτιμη προσαρμογή μπορεί να καταστεί άχρηστη και τελικά να γίνει ένα φθίνον απομεινάρι.
Οι προσαρμογές δεν είναι ποτέ τέλειες. Υπάρχουν πάντα συμβιβασμοί μεταξύ των διαφόρων λειτουργιών και δομών ενός σώματος. Ο οργανισμός στο σύνολό του είναι αυτός που ζει και αναπαράγεται, επομένως το σύνολο των προσαρμογών είναι αυτό που μεταβιβάζεται στις μελλοντικές γενιές.
Γενετική παρέκκλιση και η επίδρασή της
Στους πληθυσμούς, υπάρχουν δυνάμεις που προσθέτουν παραλλαγή στον πληθυσμό (όπως η μετάλλαξη) και δυνάμεις που την αφαιρούν. Η γενετική παρέκκλιση είναι η ονομασία που δίνεται στις τυχαίες αλλαγές που αφαιρούν παραλλαγές από έναν πληθυσμό. Η γενετική παρέκκλιση αποβάλλει τη διακύμανση με ρυθμό 1/(2Ν), όπου Ν = μέγεθος του πληθυσμού. σελ. 29 Είναι επομένως "μια πολύ ασθενής εξελικτική δύναμη σε μεγάλους πληθυσμούς". σελ. 55
Η γενετική παρέκκλιση εξηγεί πώς η τυχαία τύχη μπορεί να επηρεάσει την εξέλιξη με εκπληκτικά μεγάλο τρόπο, αλλά μόνο όταν οι πληθυσμοί είναι αρκετά μικροί. Συνολικά, η δράση της είναι να κάνει τα άτομα πιο όμοια μεταξύ τους, και ως εκ τούτου πιο ευάλωτα σε ασθένειες ή σε τυχαία γεγονότα στο περιβάλλον τους.
- Η παρέκκλιση μειώνει τη γενετική ποικιλομορφία στους πληθυσμούς, μειώνοντας ενδεχομένως την ικανότητα ενός πληθυσμού να επιβιώνει από νέες επιλεκτικές πιέσεις.
- Η γενετική παρέκκλιση δρα ταχύτερα και έχει πιο δραστικά αποτελέσματα σε μικρότερους πληθυσμούς. Οι μικροί πληθυσμοί συνήθως εξαφανίζονται.
- Η γενετική παρέκκλιση μπορεί να συμβάλει στην ποικιλομορφία, εάν η μικρή ομάδα επιβιώσει.
- Γεγονότα στενωπού: όταν ένας μεγάλος πληθυσμός μειώνεται ξαφνικά και δραστικά σε μέγεθος λόγω κάποιου γεγονότος, η γενετική ποικιλία θα μειωθεί πολύ. Οι λοιμώξεις και τα ακραία κλιματικά φαινόμενα είναι συχνές αιτίες. Περιστασιακά, οι εισβολές από πιο ανταγωνιστικά είδη μπορεί να είναι καταστροφικές.
♦ Τη δεκαετία 1880/90, το κυνήγι μείωσε τη βόρεια φώκια
ελέφαντα σε μόλις 20 άτομα
. Αν και ο πληθυσμός έχει ανακάμψει, η γενετική του μεταβλητότητα είναι πολύ μικρότερη από εκείνη της νότιας φώκιας ελέφαντα.
♦ Οι τσιτάχ έχουν πολύ μικρή ποικιλομορφία
. Πιστεύουμε ότι το είδος μειώθηκε σε μικρό αριθμό σε κάποια πρόσφατη εποχή. Επειδή στερείται γενετικής παραλλακτικότητας, κινδυνεύει από μολυσματικές ασθένειες. - Γεγονότα ιδρυτή: αυτά συμβαίνουν όταν μια μικρή ομάδα ξεφυτρώνει από έναν μεγαλύτερο πληθυσμό. Η μικρή ομάδα ζει στη συνέχεια χωριστά από τον κύριο πληθυσμό. Το ανθρώπινο είδος αναφέρεται συχνά ότι έχει περάσει από τέτοια στάδια. Για παράδειγμα, όταν ομάδες εγκατέλειψαν την Αφρική για να εγκατασταθούν αλλού (βλ. ανθρώπινη εξέλιξη). Προφανώς, έχουμε λιγότερη ποικιλομορφία από ό,τι θα αναμενόταν από την παγκόσμια κατανομή μας.
Οι ομάδες που φτάνουν σε νησιά μακριά από την ηπειρωτική χώρα είναι επίσης καλά παραδείγματα. Αυτές οι ομάδες, λόγω του μικρού τους μεγέθους, δεν μπορούν να μεταφέρουν το πλήρες φάσμα των αλληλόμορφων που βρίσκονται στον γονικό πληθυσμό.
Είδος
Ο τρόπος με τον οποίο σχηματίζονται τα είδη αποτελεί σημαντικό μέρος της εξελικτικής βιολογίας. Ο Δαρβίνος ερμήνευσε την "εξέλιξη" (μια λέξη που δεν χρησιμοποίησε στην αρχή) ως έννοια της δημιουργίας ειδών. Γι' αυτό και ονόμασε το διάσημο βιβλίο του Περί της καταγωγής των ειδών.
Ο Δαρβίνος πίστευε ότι τα περισσότερα είδη προέκυψαν απευθείας από προϋπάρχοντα είδη. Αυτό ονομάζεται αναγέννηση: νέα είδη από την αλλαγή παλαιότερων ειδών. Τώρα πιστεύουμε ότι τα περισσότερα είδη προκύπτουν από τη διάσπαση προηγούμενων ειδών: κλαδογένεση.
Διαχωρισμός ειδών
Δύο ομάδες που ξεκινούν με τον ίδιο τρόπο μπορούν επίσης να γίνουν πολύ διαφορετικές αν ζουν σε διαφορετικά μέρη. Όταν ένα είδος χωρίζεται σε δύο γεωγραφικές περιοχές, ξεκινά μια διαδικασία. Το καθένα προσαρμόζεται στη δική του κατάσταση. Μετά από λίγο, τα άτομα από τη μία ομάδα δεν μπορούν πλέον να αναπαραχθούν με την άλλη ομάδα. Δύο καλά είδη έχουν εξελιχθεί από ένα.
Ένας Γερμανός εξερευνητής, ο Μόριτζ Βάγκνερ, κατά τη διάρκεια της τριετούς παραμονής του στην Αλγερία τη δεκαετία του 1830, μελέτησε τα άπτερα σκαθάρια. Κάθε είδος περιορίζεται σε ένα τμήμα της βόρειας ακτής μεταξύ των ποταμών που κατεβαίνουν από τα βουνά του Άτλαντα στη Μεσόγειο. Μόλις διασχίσει κανείς ένα ποτάμι, εμφανίζεται ένα διαφορετικό αλλά στενά συγγενικό είδος. Έγραψε αργότερα:
"... ένα [νέο] είδος θα [προκύψει] μόνο όταν μερικά άτομα [διασχίσουν] τα οριακά όρια της περιοχής εξάπλωσής τους... ο σχηματισμός μιας νέας φυλής δεν θα πετύχει ποτέ... χωρίς ένα μακρύ συνεχή διαχωρισμό των αποίκων από τα άλλα μέλη του είδους τους".
Αυτή ήταν μια πρώιμη αναφορά στη σημασία του γεωγραφικού διαχωρισμού. Ένας άλλος βιολόγος που πίστευε ότι ο γεωγραφικός διαχωρισμός ήταν κρίσιμος ήταν ο Ernst Mayr.
Ένα παράδειγμα φυσικής ποικιλομορφίας είναι ο τρίσποντος στικλεμπέκος, ένα θαλάσσιο ψάρι που, μετά την τελευταία εποχή των παγετώνων, εισέβαλε στο γλυκό νερό και δημιούργησε αποικίες σε απομονωμένες λίμνες και ρυάκια. Κατά τη διάρκεια περίπου 10.000 γενεών, τα ραβδωτά είδη παρουσιάζουν μεγάλες διαφορές, συμπεριλαμβανομένων παραλλαγών στα πτερύγια, αλλαγών στον αριθμό ή το μέγεθος των οστέινων πλακών τους, μεταβλητής δομής σαγονιών και χρωματικών διαφορών.
Οι wombats της Αυστραλίας χωρίζονται σε δύο κύριες ομάδες, τις κοινές wombats και τις wombats με τριχωτή μύτη. Οι δύο τύποι μοιάζουν πολύ, εκτός από την τριχοφυΐα της μύτης τους. Ωστόσο, έχουν προσαρμοστεί σε διαφορετικά περιβάλλοντα. Τα κοινά wombats ζουν σε δασώδεις περιοχές και τρώνε κυρίως πράσινη τροφή με πολλή υγρασία. Συχνά τρέφονται κατά τη διάρκεια της ημέρας. Οι wombats με τριχωτή μύτη ζουν σε καυτές ξηρές πεδιάδες όπου τρώνε ξηρό χορτάρι με πολύ λίγο νερό ή καλή τροφή. Το μεταβολικό τους σύστημα είναι αργό και κοιμούνται το μεγαλύτερο μέρος της ημέρας υπόγεια.
Όταν δύο ομάδες που ξεκίνησαν με τον ίδιο τρόπο διαφέρουν αρκετά, τότε γίνονται δύο διαφορετικά είδη. Μέρος της θεωρίας της εξέλιξης είναι ότι όλα τα έμβια όντα ξεκίνησαν το ίδιο, αλλά στη συνέχεια διασπάστηκαν σε διαφορετικές ομάδες κατά τη διάρκεια δισεκατομμυρίων ετών.