Эволюция в действии: от генетических изменений к новым биологические видам Understand article

Как появляются новые биологические виды или совершенно новые типы организмов? Время и разделение играют в этом главную роль.

Когда большинство людей думает об эволюции, они вспоминают идею Чарльза Дарвина о естественном отборе, когда один вид организмов эволюционирует в совсем другой на протяжении длительного времени, как например рыба в наземное животное, или ранние приматы в людей. Для ученых же эволюция подразумевает что-то менее глобальное: изменение в частоте генетических вариантов (последовательностей ДНК которые варьируют между индивидуумами) внутри популяции. И — в отличие от популярной идеи эволюции — такие изменения обусловлены многими факторами, а не только естественным отбором: мутации, миграция и чистый случай — все это механизмы эволюционных изменений.

Одна проблема стала очень спорной за пределами науки: каковы процессы эволюции, которые приводят к появлению новых видов, и отличаются ли они от тех, которые происходят в пределах вида или популяции? В этой статье мы рассмотрим эти вопросы, используя выводы из генетики и окаменелостей. Одна генетика не может объяснить эволюцию вымерших видов, поэтому ученые полагаются на окаменелости, чтобы взглянуть на прошлую эволюцию. Кроме того, они могут сравнивать ДНК выживших родичей вымерших видов.

Почему появляются новые виды?

Для появления новых видов существует по-видимому как минимум одно необходимое условие: некоторая степень разделения между популяциями (группами особей) существующего вида. Это может быть физическое разделение — географический барьер, такой как горный хребет, или изоляция на острове — или это может быть экологическим разделением, как например иметь различные предпочтения в еде или предпочтения спаривания. Со временем изменения ДНК в разных популяциях в конечном итоге затруднят или сделают невозможным скрещивание отдельных популяций: они станут разными видами.

Экземпляры этого явления многочисленны. Например, когда группы плодовых мушек размещаются в разных помещениях лаборатории, мухи из разных групп в конечном итоге перестают скрещиваться или производить потомство друг с другом. Последним дарвинистским примером видообразования (один вид распадается на несколько) являются вьюрки на Галапагосских островах, описанные Дарвином в «Путешествии бигля». В этом случае разделение как по рациону, так и по месту расположения островов привело к появлению различных видов, с разнообразными формами клювов, отражающими адаптацию к их индивидуальным рационам. Теперь мы знаем, что это анатомическое разнообразие отражается на генетическом уровне изменениями генов, ответственных за форму клюва. Но какие типы генетических изменений в конечном итоге приводят к расщеплению видов, как в случае с вьюрками Дарвина? Текущие исследования в этой области проливают свет на этот вопрос, позволяя ученым следить за генетическими изменениями, происходящими на этом пути.

Гибридная зона

В течение последнего ледникового периода многие популяции животных в Европе стали географически разделенными, когда они нашли убежище в разных более теплых регионах (таких как современная Испания и Балканский полуостров). Когда ледники ледникового периода растаяли около 10 000 лет назад, популяции видов, которые были разделены в течение длительного времени, снова вступили в контакт, поскольку они смогли покинуть свои убежища и заселить континент. Но проведя много тысяч лет друг от друга, это означало, что разные популяции приобрели некоторые генетические варианты, свойственные каждой, что затрудняло скрещивание популяций, когда они снова встретились.

Например, когда европейские популяции ворон (Corvus Corone) разделились во время ледникового периода, возникли два явно различающихся типа: обыкновенная чёрная ворона (Corvus Corone Corone) на западе и обыкновенная серая ворона (Corvus Corone Cornix)  на востоке. Сегодня в «гибридной зоне» — узкой полосе земли, простирающейся от Скандинавии до Италии, где встречаются вороны обоих типов — эти два вида могут скрещиваться и давать потомство, хотя и с меньшим успехом, чем в их собственных популяциях. Анализируя геномы ворон в гибридной зоне и сравнивая их с геномами ворон в глубине их собственных регионов, ученые смогли идентифицировать последовательности ДНК, которые нелегко перемещаются через гибридную зону. Эти фрагменты генома, которые специфичны для одной популяции (здесь, обыкновенная чёрная или серая ворона), и очень редко встречаются в другой популяции, являются ключом к появлению новых видов. В этом случае гены, ответственные за различия в оперении, реже всего пересекают гибридную зону. Это убедительно свидетельствует о том, что чёрные вороны предпочитают спариваться только с другими воронами, которые выглядят как чёрные вороны, а не как серые вороны, и наоборот. Если этот процесс продолжится, две группы могут в конечном итоге стать совершенно разными видами.

 

Молекулярные и демографические процессы, происходящие у ворон (или y Дарвинских вьюрков), которые ученые наблюдали и изучали в течение десятилетий, подчеркивают универсальный характер эволюционных процессов. По сути, эти процессы ничем не отличаются от процессов, происходящих в микроорганизмах, например, когда вирус Эбола превратился в более инфекционный штамм (см. Bryk, 2017). Основным фактором, разделяющим эти примеры, является время: степень генетических изменений, произошедших в Эболе за пару лет, у птиц заняла тысячи лет, что отражает их гораздо более длительное время генерации. Однако в каждом случае, когда организм приспосабливается к новым условиям или происходят случайные генетические изменения, результатом является то что разные популяции обосабливаются все больше. В случае ворон или вьюрков это в конечном итоге приводит к полной репродуктивной изоляции — и, следовательно, к новому виду.

От динозавров до птиц — и обратно

А как насчет появления, казалось бы, совершенно новых типов организмов — таких как эволюция китов от их земных предков или птиц от их предков динозавров? Как мы можем отследить и понять такие серьезные изменения в жизни на Земле, изменения, которые намного больше, чем появление отдельных видов?

Основная проблема в отслеживании такой эволюции заключается в том, что она происходит в течение очень длительного периода времени, поэтому большинство организмов-предков вымерли. Однако окаменелости существуют в течение сотен миллионов лет и предоставляют подробную информацию об анатомических изменениях за эти огромные периоды времени. В последние десятилетия тысячи хорошо сохранившихся окаменелых образцов были обнаружены в северо-восточном Китае и очень подробно рассказали об эволюции птиц от динозавров. Например, теперь мы знаем, что у динозавров были перья задолго до появления летающих птиц, что говорит о том, что первоначальное использование перьев было не для полета. Изоляция, камуфляж и демонстрация — все  это возможные альтернативные преимущества, которыми перья дарили этих ранних пернатых рептилий (Foth et al., 2014; Zhou, 2014).

Точно так же летающие птицы не появлялись внезапно и полностью сформированными. Отслеживание различных аспектов анатомии, необходимых для полета на крыльях — маленький размер, крылья, перья, сросшийся хвост, вилочковая кость и многие другие — показало, что полный план тела птицы появился постепенно в течение 100 миллионов лет. После того, как этот план тела был завершен, птицы подверглись огромному и быстрому расхождению в огромное разнообразие различных форм, в результате чего образовались почти 10 000 видов, которые мы знаем сегодня (Brusatte, 2015).

Таким образом, эволюция птиц от динозавров была непрерывным процессом без внезапных изменений. Говорят, что если бы путешествующий во времени палеонтолог мог сидеть сложа руки и наблюдать за эволюцией птиц за 100 миллионов лет, она не заметила бы какого-либо особого момента или события, когда она могла бы точно сказать, где остановились динозавры и начались птицы. В значительной степени благодаря открытиям окаменелостей в Китае, в предыдущие два десятилетия произошли изменения в нашем понимании эволюции птиц, так что птицы теперь прочно обосновались в динозаврах, что делает курицу дальним родственником тиранозавра. Не только это, но и тиранозавр теперь считается более близким родственником куриц, чем многим видам динозавров — например, трицератопсy.

Просто эволюция

Такие эволюционные изменения выше уровня вида иногда называют «макроэволюцией», в отличие от генетических изменений, которые мы можем наблюдать внутри вида (иногда называемых «микроэволюцией»). К сожалению, эта дихотомия предполагает, что существует два разных типа эволюции или что эволюция обусловлена разными механизмами на «микро» и «макро» уровнях. Это различие часто используется теми, кто не принимает эволюцию и утверждает, что существует только «микроэволюция». Но такая дихотомия неверна, потому что нет никаких механизмов, кроме тех, которые изменяют пропорцию генетических вариантов в популяции. Есть только эволюция, движимая мутацией, миграцией, отбором и случайностью.

Посвящение автора

Это последняя из трех статей, которые я хотел бы посвятить доктору Дину Мэддену (1960–2017), который в конце 2016 года побудил меня написать об эволюции для науки в школе. Дин был другом, наставником, коллегой, учителем, дизайнером, типографом, пчеловодом, изготовителем сидра, любителем чили, регги-скинхедом, стражем грамматики, пользователем Apple, фанатом Доктора Кто, всесторонним блестящим сумасшедшим ученым и напарником. До свидания, и спасибо за всю рыбу.

Примечание редактора: доктор Дин Мэдден был  активным сторонником Науки в Школе с момента ее появления и членом редколлегии с 2005 года до своей смерти в 2017 году.

Download

Download this article as a PDF