Неоспоримые свидетельства этого события удалось предоставить Луису Алваресу и его сыну, Уолтеру Алваресу. В тонком слое глины, отделяющем меловые отложения мезозойской эры от отложений кайнозойской эры, они нашли высокое содержание иридия. Впервые они обнаружили эту прослойку в центре Италии, а позднее в Мексике, Антарктиде и Тунисе. И везде, где ученые исследовали границу мел-палеоцен, они находили повышенное содержание иридия. Этот элемент содержится в глубоких слоях мантии, но редко на поверхности. Иногда он появляется на поверхности в результате вулканической активности, но также содержится в метеоритах и кометах.
На полуострове Юкатан в Мексике был найден кратер Чикшулуб, который вполне мог быть следом столкновения с небесным телом. Возникновение такого кратера можно объяснить столкновением с астероидом около 10 километров в диаметре. В 1996 году нашлись доказательства, что роковой астероид врезался в полуостров под углом 20–30° с южной стороны, вызвав дождь расплавленных обломков на северо-западе. В результате возникло огромное облако расплавленной и превращенной в пар горной породы, сжигающее все на своем пути по направлению на запад Северной Америки. Фрагменты горных пород и метеорита могли быть выброшены в атмосферу и снова выпасть на поверхность в виде мелких метеоритов, усиливая эффект разрушения. Сильный порыв ветра унес большую часть атмосферы Земли в космическое пространство. Компьютерные модели свидетельствуют о том, что ветры достигали скорости по меньшей мере 500 километров в час, а остатки горения образовали 70 миллиардов тонн сажи, что равнозначно сгоранию 25 % всего органического материала планеты.
См. также статью «Катастрофы».
Существует почти столько же определений термина «вид», сколько самих видов. Проблемы с определением возникают, потому что с точки зрения таксономии видом называются организмы, обладающие особыми морфологическими признаками, которые описываются по некоторым мертвым типичным представителям. Однако в природе виды различаются во времени и пространстве; существуют градации в форме, что приводит к неясности, где заканчивается один вид и начинается другой. Например, американский певчий воробей, распространенный в США, имеет много местных разновидностей, различающихся по оперению и свисту. Но все эти разновидности принадлежат к одному виду так же, как и люди разных рас. Они могут скрещиваться и давать смешанное потомство. Именно возможность скрещиваться и объединяет организмы одного вида, ограничивая их от представителей других видов. Расы и разновидности дают плодовитое потомство, что невозможно у видов. Наиболее продуктивное определение вида, которое используется в биологии, дано известным зоологом Эрнстом Майром:
«Вид — это группа скрещивающихся или обладающих такой возможностью популяций, которая репродуктивно изолирована от других подобных групп».
Такое определение, конечно же, не подходит к самооплодотворяющимся организмам или организмам, размножающимся неполовым путем. Тем не менее такие группы тоже обычно называются видами, потому что они состоят из очень похожих друг на друга организмов. Таким образом, виды — это крупнейшие группы организмов с общим генофондом. Всего на Земле в настоящее время существует около 3 миллионов таких групп, но их число и признаки со временем изменяются. Некоторые из этих видов находятся в устойчивой связи с окружающей средой, другие вымирают, а третьи развиваются и образуют новые виды.
С развитием новых генных технологий, таких, как генетический анализ, определение общего генофонда становится более плодотворным методом выделения видов, нежели субъективные таксономические методы, основанные на внешних признаках.
См. также статью «Генетический анализ».
Чарльз Дарвин посетил острова Галапагос в 1835 году во время кругосветной экспедиции на корабле «Бигл». Там ему пришла идея о естественном отборе. Острова Галапагос получили свое название от испанского слова galapago — черепаха; иногда их также называли Заколдованными островами. Это группа островов вулканического происхождения, лежащая в 580 милях к западу от побережья Эквадора, обладает уникальной экосистемой животных, которые за время изоляции развили различные специализированные приспособления. Дарвин писал о них: «Нигде больше не найдешь маленький мир с такими обитателями». Там встречаются морские игуаны до полуметра длиной, питающиеся водорослями; их Дарвин называл «демонами тьмы, черными, как пористые камни, по которым они ползают». Он обнаружил гигантских черепах, различающихся по размеру панцирей и способу добывания пищи, в зависимости от того острова, на котором они обитают. Эти гигантские черепахи уже не живут в глубине островов, хотя там находят их ископаемые останки. Сегодня на Галапагосах существует десять различных пород черепах (изначально там было по меньшей мере 15 разновидностей, но за последние 400 лет 5 из них исчезли по вине людей). И только одна порода, потомок вида, который некогда обитал на острове Пинта, обитает сейчас на воле. Остальные разновидности содержатся на исследовательской станции имени Чарльза Дарвина на острове Санта-Крус.
В 1957 году группа ученых в сотрудничестве с защитниками окружающей среды и журналом «Лайф» предложила сделать некоторые из островов заказниками, в которых сохранялись бы уникальные фауна и флора. Была образована станция имени Чарльза Дарвина, служащая международным исследовательским центром.
Пожалуй, самым известным наблюдением Дарвина является изучение островных птиц, прежде всего вьюрков. Дарвин обнаружил 13 разновидностей, которые произошли от общего предка, прибывшего с Большой Земли. Он предположил, что птицы колонизировали острова в основном в процессе адаптации, которая позволила им эксплуатировать доступные пищевые ресурсы.
См. также статьи «Дарвинизм», «Дарвиновы вьюрки», «Естественный отбор», «Экспедиция «Бигла»».
Эрнст Генрих Геккель (1834–1919) — известный немецкий натуралист, пропагандировавший теорию Дарвина и первый составивший генеалогическое древо животного мира. Он родился в Потсдаме; в 1862 году стал профессором сравнительной анатомии и директором Зоологического института в Йене. Основную часть жизни провел в Йене, за исключением экспедиций и поездок с курсом лекций.
В то время в ученом мире велось много споров по поводу работы «Происхождение видов», которую Дарвин опубликовал в 1859 году. Геккель стал убежденным сторонником этой теории и сделал многое для популяризации идей дарвинизма в Германии. Он известен прежде всего тем, что сформулировал биогенетический закон и теорию рекапитуляции. Впервые свои взгляды на процесс формирования индивида (онтогенез) еще в 1828 году изложил Карл Эрнст фон Бэр; в 1863 году последовало более подробное исследование Иоганнеса Мюллера.
Однако именно Геккель интерпретировал законы развития эмбрионов с точки зрения эволюционной теории и расширил границы первоначальных идей, так что начиная с 1 года авторство этих законов стали приписывать ему.
Биогенетический закон гласит, что эмбрион любого вида повторяет в своем развитии основные этапы эволюции своего вида или, выражаясь научным языком, что «онтогенез повторяет филогенез».
Карл Эрнст фон Бэр в своей публикации писал, что ранние стадии развития зародыша животных не повторяют поздние стадии развития животных, находящиеся на нижних ступенях формирования, а соответствуют ранним стадиям развития этих животных. Геккель в своей теории рекапитуляции утверждал, что у эмбриона повторяются признаки поздних этапов развития взрослых животных. В качестве примера он приводил жаберный карман эмбриона птицы, который якобы повторяет по структуре жаберные щели взрослых рыб. Данная теория рекапитуляции оказалась ложной, поскольку жаберный карман эмбриона птицы имеет сходство с жаберными щелями эмбрионов рыб.
См. также статьи «Дарвинизм», «Биогенетический закон как свидетельство эволюции».
В 1980 годах профессор Алек Джеффрис из Лестерского университета доказал наличие многочисленных участков ДНК, которые не следует считать кодом аминокислот. Эти участки назвали минисателлитные ДНК. Тысячи ДНК разбросаны по всем хромосомам; возможно, это результат ошибок при воспроизведении ДНК. Количество раз, которое повторяются эти участки, почти уникально для каждого индивида. Если изучить участки ДНК, то можно получить генный профиль человека.
Шанс, что два человека имеют один и тот же генный профиль, равен одной миллионной, если только они не однояйцовые близнецы.
Генный профиль получают следующим образом:
1. Из любой ткани выделяют клетки.
2. Из ядра клеток выделяют ДНК.
3. ДНК разрезают на фрагменты при помощи рестрикционных ферментов.
4. Фрагменты отделяют друг от друга при помощи электрофореза.
Это процесс, при котором смесь взвешенных частиц в электропроводящем растворе подвергают действию электрического поля. Электрически заряженные ДНК движутся к противоположно заряженным электродам: позитивно заряженные движутся к катоду, а негативно заряженные — к аноду. Скорость передвижения различна и зависит от размеров фрагмента.
5. Фрагменты переносят на нейлоновую мембрану и подвергают так называемому саузерн-блоттингу. Нейлоновая мембрана помещается между гелем и листами промокательной бумаги. Фрагменты ДНК переходят в мембрану.
6. На мембрану наносят гидроокись натрия. Она разделяет ДНК на отдельные нити, не повреждая последовательности оснований.
7. Фрагменты ДНК идентифицируются посредством ДНК-зонда. Это часть ДНК с базовым основанием, комплементарным (взаимно дополняющим) к основанию минисателлитной ДНК. Зонд метят радиоактивным индикатором, который оставляет следы на рентгеновской пленке.
8. Рентгеновскую пленку помещают на мембрану и проявляют. В результате получают рисунок полосок, похожий на штрих-код товара. По ним видно, где зонд соединился с ДНК.
Географические барьеры оказывали основное влияние на образование новых видов. Если особи одной популяции не могут достичь особей другой популяции, то они не скрещиваются. Дрейф материков, образование гор и вулканическая активность часто создавали барьеры, разделявшие представителей одного вида. В озерах, представляющих собой остатки более крупных пресных водоемов, развивались различные подвиды рыб. Возьмем для примера радужную форель, обитающую в США. Все современные подвиды произошли от одного вида, который когда-то мог достичь любой точки водоема, ныне поделенного на отдельные озера и реки. В Великобритании сохранилась озерная форель, оказавшаяся в некоторых изолированных озерах, сохранившихся после таяния ледника.
В Австралии распространение разнообразных сумчатых и отсутствие плацентарных млекопитающих произошло в результате физического отделения материка от остальных частей света. Сумчатые возникли в Северной Америке, затем распространились по Южной Америке и Европе. Но в Северной Америке и в Европе они вымерли, потому что не могли выдержать конкуренции с плацентарными.
Однако из Южной Америки они пересекли Антарктиду и достигли Австралии. При отсутствии конкуренции со стороны плацентарных они образовали большое количество современных видов благодаря дивергенции и адаптивной радиации.
Острова возникают различными способами, такими, как прибрежная эрозия, вулканическая активность или образование кораллов, но в любом случае окружающая среда оказывает глубочайшее воздействие на эволюцию организмов. Естественный отбор приводит к быстрому изменению и разветвлению «иммигрантов».
Естественный отбор привел к образованию форм, значительно отличающихся от тех видов, что обитали изначально на островах, например дарвиновы вьюрки.
См. также статьи «Адаптивная радиация», «Аллопатрическое видообразование», «Дрейф материков», «Дарвиновы вьюрки», «Галапагос, острова», «Естественный отбор», «Ниша», «Репродуктивная изоляция».
В свое время появление группы саговниковых растений создало настоящий эволюционный прорыв. Эти растения внешне напоминают пальму и имеют большие стволы с жесткими листьями у основания. Около 120 миллионов лет назад они были широко распространены по всей планете, но сегодня встречаются только в тропических и субтропических регионах. Это одни из первых семенных растений. Близкий родственник древних саговниковых вполне может претендовать на роль самого древнего растения в мире и с полным правом называться живым ископаемым. Это гинкго двулопастный (Ginkgo biloba), единственный уцелевший вид семейства и отдела гинкговых, современник динозавров. Он имеет уникальные вееровидные двулопастные листья, окаменелые останки которых встречаются в отложениях пермского периода (286–245 миллионов лет назад). По всей видимости, эти растения появились в каменноугольный период (360–286 миллионов лет назад).
На территории Великобритании гинкго сохранялся до середины третичного периода (около 50 миллионов лет назад). Во время юрского периода (около 200 миллионов лет назад) он достиг наивысшего расцвета и распространился по всему миру. Этому во многом способствовал тот факт, что его семена долгое время могут находиться в морской воде, не теряя жизнеспособности. Но с тех времен ареал его распространения постепенно сокращался, и в настоящее время, по всей видимости, в диком виде он уже не встречается.
Известные гинкговые деревья лондонского Кьюгарденз были посажены в 1760 году. В Китае и Японии гинкго с незапамятных времен сажали возле храмов. Вероятно, он и сохранился только потому, что китайцы считали его священным растением. Сегодня его можно встретить во многих городах, в парках или даже на улицах в качестве зеленых насаждений, поскольку он хорошо переносит болезни, загрязнения воздуха и устойчив к насекомым-вредителям.
Название «гинкго» является в некотором роде этимологической загадкой. Предполагается, что оно происходит от искаженного японского «гинко», соответствующего двум китайским иероглифам со значением «серебряный плод», что указывает на плоды этого дерева, похожие на сливы.
Их семена часто продаются на китайских рынках в виде соленых орешков.
См. также статью «Живые ископаемые».
Теория эволюции обычно связывается с именем Чарльза Дарвина, который в конце 1850 годов предложил на рассмотрение ученому миру свою гениальную гипотезу естественного отбора.
Дарвин родился в английском городе Шрусбери в семье состоятельного доктора. В местной частной школе он получил обычное для того времени образование, в которое входило заучивание стихов на латинском и греческом языках, а также классическая история и география. В учебный план естественная история не входила, и потому он удовлетворял свой интерес в этой области, читая книги. В сарае сада он проводил эксперименты и гулял по окрестностям, ловил рыбу, охотился и собирал минералы, камни и насекомых. Его отец относился к этим занятиям неодобрительно.
«Ленивого» мальчика отослали в Эдинбург изучать медицину. Вид двух операций, проведенных без обезболивания, вызвал в нем отвращение, и через два года, когда стало ясно, что медицина не для него, 17-летний юноша вернулся в Шрусбери. Семья решила, что он должен стать священником, и в 1828 году он начал изучать богословие в Кембридже. Но Чарльз по-прежнему не проявлял особого интереса к учебе и только сердил отца, которому не нравились образ жизни его сына и его друзья.
Окончив в 1831 году обучение со скромной степенью бакалавра, Дарвин уже приготовился принять посвящение, но вмешался случай. По совету своего профессора и наставника, Джона Хенслоу, Дарвин записался в кругосветную экспедицию на военном корабле королевского флота «Бигл» в качестве неоплачиваемого натуралиста. Это был поворотный пункт в его жизни, потому что отплыл из Англии неизвестный молодой человек без особых целей в жизни, а вернулся гениальный наблюдатель природы. Наблюдения и выводы, сделанные им во время путешествия, легли в основу одной из самых знаменитых в истории человечества книг. В 1859 году Дарвин опубликовал труд «Происхождение видов путем естественного отбора, или сохранение благоприятствуемых пород в борьбе за жизнь», более известный как «Происхождение видов».
См. также статьи «Дарвинизм», «Экспедиция «Бигла»».
Дарвинизм — это предложенная Дарвином теория, объясняющая механизм эволюционного развития. Она утверждает, что в любой популяции организмов с различными признаками только наиболее приспособленным удается выжить и произвести потомство. Менее приспособленные к условиям окружающей среды особи погибают, не оставив потомства. Поэтому неблагоприятные признаки, которыми обладают менее приспособленные особи, не передаются по наследству и исчезают, а благоприятные признаки становятся более распространенными. С течением времени характерные черты вида меняются, и это приводит к образованию нового вида.
Слабость теории Дарвина состоит в том, что она не объясняет причины изменчивости, на основе которой действует естественный отбор. В то время полагали, что признаки родителей смешиваются во всем потомстве. Этот недостаток теории был восполнен работами Грегора Менделя и его описанием дискретной наследственности.