См. также статьи «Искусственный отбор животных», «Искусственный отбор растений», «Дарвин, Чарльз», «Дарвиновы вьюрки», «Менделизм», «Естественный отбор», «Естественный отбор под влиянием хищников».
В 1835 году Чарльз Дарвин, находясь в составе экспедиции на борту корабля «Бигл», посетил острова Галапагос. Вьюрки, которых он там обнаружил, позже назвали «дарвиновыми», поскольку наблюдение за этими птицами послужило одним из толчков к составлению теории эволюции методом естественного отбора. Предков этих вьюрков предположительно занес на эти острова сильный ветер, и, оказавшись на неосвоенной территории, они эволюционировали в несколько различных разновидностей, заполнив пустые ниши, имеющиеся на островах. Во многих аспектах их жизни можно наблюдать процесс дивергенции от общего предка и различные приспособления к условиям обитания.
Эти вьюрки характерны исключительно для Галапагосов. За исключением одного вида, к северо-западу, нигде в мире они больше не встречаются. Их предки прибыли сюда из Южной Америки, в 600 милях к востоку.
Внешне дарвиновы вьюрки не особо интересны — они имеют серовато-коричневую окраску, с черными пятнами у некоторых самцов, и среди 14 видов (из которых Дарвин открыл 13) наблюдается очень мало вариаций, за исключением строения клюва и рациона. Это как раз и необычно, так как на материке вьюрки отличаются преимущественно по оперению, а не по строению тела.
Формы клювов связаны с типом пищи, которую потребляют вьюрки. Они варьируются от твердых до мягких, и от них зависит выживание вьюрков в той или иной нише. На Галапагосах мало других видов птиц, и потому предки вьюрков не встретили особой конкуренции. Там, где есть конкуренция, например на морском побережье, вьюркам не удалось занять эти ниши. По всей видимости, из-за конкуренции с хищными птицами, вьюрки не стали питаться мясом, хотя один вид потребляет кровь олуш, сидящих на гнездах, и питается яйцами. Ниша дятлов была занята одним из вьюрков, который при помощи кактусовой колючки выковыривает личинок жуков из коры деревьев.
См. также статьи «Галапагос, острова», «Естественный отбор», «Ниша», «Экспедиция «Бигла»».
Когда в 1924 году южноафриканский анатом австралийского происхождения, Раймонд Дарт, рассматривал окаменелости в кусках известняка, собранных управляющим карьера Туанга (место львов) на северо-востоке пустыни Калахари, он обнаружил окаменелый череп ребенка. Этот объект стал одним из самых важных доказательств происхождения человека из Африки. Дарт как раз собирался уйти из дома, чтобы быть шафером на свадьбе друга, когда решил взглянуть на куски известняка и окаменелости, которые ему доставили в тот день. То, что он увидел, чрезвычайно его поразило; позже он заявил, что обнаружил «недостающее звено» между обезьянами и человеком и, следовательно, нашего прямого предка. Эти останки назвали ребенком Дарта.
В свое время Дарта называли еретиком, потому что тогда считалось, будто первым шагом на пути эволюционного расхождения людей от обезьян было развитие крупного мозга. Черты ребенка из Туанга были прямо противоположными: у него была небольшая черепная коробка (указывающая на маленький мозг), а также челюсти и зубы, похожие на человеческие. До открытия Дарта родиной человечества называли Азию, но Дарт и Луис Лики развеяли этот миф.
Эксперты-антропологи 1920 годов опровергли теорию Дарта о том, что ребенок из Туанга, так называемый австралопитек (Australopithecus africanus — южная африканская обезьяна), является предком людей. Дарт расстроился и почти прекратил поиски родины гоминидов. В каменоломнях больше не находили останков, похожих на останки ребенка из Туанга. В 1990 годах было сделано предположение, что в то место ребенка притащила хищная доисторическая птица, поскольку отметки на его черепе могли быть оставлены когтями или клювом. И только Роберт Грум в 1938 году опроверг заключение экспертов и доказал правоту Дарта.
См. также статьи «Брум, Роберт», «Лики, Луис».
Во время триасового периода (245–202 миллиона лет назад) пресмыкающиеся архозавры (правящие ящеры) эволюционировали в четыре основные группы: два отряда динозавров, птерозавров и крокодилов. Две группы динозавров (ящеротазовые и птицетазовые) были в не более близких отношениях между собой, чем с крокодилами или птерозаврами. Так что термин «динозавр» хотя и широко используется в популярной литературе, не является научным определением какой-либо специфической таксономической группы. Слово «динозавр» образовано от греческих слов deinos — ужасный и sauros — ящер. Его придумал в 1842 году Ричард Оуэн, директор Лондонского музея естественной истории.
Наши знания о двух группах динозавров весьма ограничены, поскольку нам приходится полагаться только на изучение окаменелых остатков. Больше всего мы знаем о тех животных, которые обитали в болотах или рядом с реками, потому что тела, попавшие во влажную землю, вероятнее всего, становятся окаменелостями. Что же касается тех, кто обитал в глубине суши или в горах, то о них нам известно меньше. Так, нам известно о существовании четвероногих птицетазовых динозавров с рогами и шипами на шее. Их тяжелые черепа были найдены в отложениях древних рек и болот, куда их смыли горные потоки. Интересно, что черепа динозавров, обитающих в болотах, сохранились хуже, поскольку обычно они были легче и быстро ломались.
Возможно, самое ранее упоминание остатков динозавров — китайское описание «костей дракона», сделанное более 1700 лет назад; американские индейцы использовали окаменелые кости и зубы в качестве амулетов. Первое научное описание динозавра — мегалозавра — сделал в 1824 году англичанин Уильям Бакленд, профессор геологии Оксфордского университета. Это было животное 7 метров в длину с тремя огромными когтями на задних ногах. У него были клыки для разрывания мяса на куски и череп, по всей видимости, располагался на S-образном изгибе короткой шеи, как у птиц. К концу 1920 годов окаменелые останки динозавров были найдены на всех материках.
См. также статьи «Птицетазовые динозавры», «Ящеротазовые динозавры», «Оуэн, Ричард».
Иногда эта концепция называется «эффект Сьюэлла-Райта», в честь предложивших ее двух популяционных генетиков. После того как Мендель доказал, что гены являются единицами наследственности, а Харди и Вайнберг продемонстрировали механизм их поведения, биологи поняли, что эволюция признаков может происходить не только посредством естественного отбора, но и случайно. Дрейф генов зависит от того, что изменение частоты аллелей в малых популяциях обусловлено исключительно случаем. Если число скрещиваний невелико, тогда реальное соотношение различных аллелей гена может сильно отличаться от рассчитанного на основе теоретической модели. Дрейф генов — это один из факторов, нарушающих равновесие Харди-Вайнберга.
На большие популяции со случайным скрещиванием огромное воздействие оказывает естественный отбор. В этих группах отбираются особи с адаптивными признаками, а другие безжалостно отсеиваются, и популяция методом естественного отбора становится более приспособленной к окружающей среде. В малых популяциях идут другие процессы и на них влияют другие факторы. Например, в малых популяциях велика вероятность случайного изменения частоты генов. Такие изменения не вызваны естественным отбором. Понятие дрейфа генов очень важно для малых популяций, поскольку они имеют малый генофонд. Это значит, что случайное исчезновение или появление аллеля гена у потомства приведет к значительным изменениям в генофонде. В больших популяциях такие колебания не приводят к заметным результатам, поскольку уравновешиваются большим числом скрещиваний и притоком генов со стороны других особей. В малых популяциях случайные события могут привести к эффекту «бутылочного горлышка».
Согласно определению, под дрейфом генов понимают случайные изменения генных частот, вызванные малой численностью популяции и нечастым скрещиванием. Дрейф генов наблюдается среди малых популяций, например, у островных переселенцев, у коала или больших панд.
См. также статьи «Эффект «бутылочного горлышка»», «Равновесие Харди-Вайнберга», «Менделизм», «Естественный отбор».
В 1912 году немецкий ученый Альфред Вегенер предположил, что около 200 миллионов лет назад все материки Земли составляли единый массив суши, который он назвал Пангеей. В последующие 200 миллионов лет Пангея разделилась на несколько материков, которые стали постепенно перемещаться по направлению к их современному положению. Эта идея не получала широкой поддержки до 1960 годов, когда были получены доказательства теории Вегенера. Наиболее убедительное свидетельство основано на магнетизме потоков лавы. Когда поток лавы застывает, то металлические частицы в лаве ориентируются в направлении магнитного поля Земли. Поэтому геологи могут определить направление север — юг, каким оно было в то время, а также бывшую широту этого участка. Исходя из этого, можно составить карту древней Земли и увидеть, как материки располагались раньше. Конечно, дрейф материков продолжается и в наши дни.
Геологи давно знали, что поверхность Земли представляет собой подвижную кору, постоянно изменяющуюся, сжимающуюся и вспучивающуюся под воздействием огромных глубинных сил. Известно, что эти изменения затрагивают громадные куски земной коры, которые называются тектоническими плитами. Одни края этих плит выталкиваются наружу, другие опускаются. Там, где плиты сталкиваются, возникают складки — горные цепи. Когда такие горные массивы возникают на дне океана, они вытесняют воду и океан расширяется. При помощи сверхточных инструментов, расположенных на спутниках, ученые узнали, что Великобритания удаляется от Северной Америки со скоростью 5 сантиметров в год.
Представление о дрейфе материков (тектонике плит) необходимо для изучения распространения и эволюции жизни на нашей планете. Эта теория объясняет, почему останки тропических животных находят в Антарктиде и почему животный мир Австралии и Южной Америки отличается от животного мира других континентов. Дрейф материков отделяет популяции друг от друга именно таким образом, который способствует видообразованию и закладывает основы для дальнейшего независимого развития групп примитивных организмов.
Пангея начала разделяться в триасовом периоде (225 миллионов лет назад), и уже к концу мезозойской эры (65 миллионов лет назад) материки занимали приблизительно то же положение, что и сегодня.
В 1891 году Эжен Дюбуа (1858–1940) обнаружил на Яве останки древнего гоминида, названного «Яванский человек» или Homo erectus — человек прямоходящий. Сейчас считается, что ему 1,8 миллиона лет. В 1877 году в возрасте 19 лет Дюбуа начал изучать анатомию и естественную историю в Амстердамском университете. Через несколько лет он решил найти настоящие останки древнего обезьяноподобного человека и предположил, что искать их следует в Вест-Индии. На его решение, по всей видимости, повлияли работы Геккеля, прославленного немецкого биолога того времени. Дюбуа обратился к правительству Нидерландов с просьбой выделить средства на научную экспедицию в восточные голландские владения. Разумеется, предложение неизвестного ассистента профессора отправить дорогостоящую экспедицию на поиски воображаемого существа не вызвало доверия у правительства, и оно ответило отказом. Однако Дюбуа не сдался и записался Доктором на военный корабль нидерландского флота. В возрасте 29 лет, оставив преподавание анатомии в Амстердамском университете, вместе с женой и ребенком он отправился в голландские владения в Вест-Индии. Там он сделал одно из величайших открытий в истории человечества — нашел «недостающее звено».
Драгоценную окаменелость обнаружили работники, и сам Дюбуа не видел, как ее извлекали из-под земли. Это была часть черепа; Дюбуа показалась, что она слишком большая, чтобы быть черепом обезьяны и слишком маленькая, чтобы быть черепом человека. В мае 1892 года в 13 метрах от первой находки было обнаружено бедро, принадлежавшее, скорее всего, той же особи. На основании остатков Дюбуа сделал предположение, что это было прямоходящее человекообразное существо и потому этого обезьяночеловека назвали Homo erectus.
Но когда Дюбуа вернулся домой, его открытие подвергли жестоким насмешкам. Правота ученого подтвердилась только в 1930 годах.
См. также статью «Геккель, Эрнст Генрих».
Естественным отбором считается процесс, который Дарвин назвал «борьба за существование», при котором наиболее приспособленные организмы выживают, а наименее приспособленные погибают. Согласно положениям дарвинизма, естественный отбор в популяции с изменчивыми признаками приводит к эволюции и образованию новых видов. Некоторые индивиды, более приспособленные и более удачливые в плане размножения, передают свои черты потомству, и, таким образом, количество индивидов с удачными признаками растет с каждым поколением. Дарвин полагал, что по природе индивиды обладают различной способностью к размножению и что природа сама регулирует необходимые в том или ином окружении признаки организмов.
Логика дарвиновской теории основывалась на наблюдениях и выводах. Сформулировать его теорию позволили три основных наблюдения и два вывода:
· Первое наблюдение было высказано в работе Мальтуса «Опыт о законе народонаселения»: организмы имеют тенденцию размножаться в геометрической прогрессии — 2, 4, 8, 16, 32 и так далее.
· Второе наблюдение заключалось в том, что количество особей одного вида в течение долгого времени остается более или менее постоянным.
· Первый вывод, сделанный на основе этих наблюдений: в природе идет постоянная борьба за выживание. Организмы, победившие в этой борьбе, получают шанс на воспроизведение потомства.
· Третье наблюдение заключалось в том, что организмам свойственна изменчивость.
· Второй вывод касался положения о естественном отборе: некоторые индивиды получают больше шансов воспроизвести потомство, чем остальные. Их положительные признаки, скорее всего, передаются другим поколениям, а неблагоприятные признаки менее удачливых животных со временем исчезают.
Опровергнуть теорию Дарвина возможно только на основе более совершенных наблюдений и рассуждений.
См. также статьи «Дарвинизм», «Неодарвинизм».
Чарльз Дарвин осознавал важность размера популяции при определении выживаемости индивидов, соревнующихся между собой за ограниченное число ресурсов удовлетворения основных потребностей, в особенности за пищу. В этом процессе немалую роль играют и хищники; Было проведено много исследований роли хищников в естественном отборе. Наиболее примечательное из них — исследование наземных улиток рода цепея (Сераеа).
В Великобритании распространены только два вида — бурогубая улитка (С. nemoralis), и белогубая улитка (С. hortensis). Бурогубый вид отличается большим разнообразием, цвет его раковины может принимать три различных оттенка — коричневый, розовый и желтый. Отметки на раковинах также различны — от полного отсутствия отметин до пяти черных полос с промежуточными формами. Белогубая улитка имеет обычно желтую раковину, при этом у нее либо вовсе нет отметок, либо пять отдельных полос, промежуточные формы встречаются крайне редко. У обоих видов цвет раковины и количество отметок зависят от генов.
Исследования бурогубых улиток в различных средах обитания, таких, как луга и леса, показали, что существует прямое соответствие между желтыми раковинами и зеленым фоном. В темных местах, например в живой изгороди или в чаще букового леса, пропорция желтых раковин постепенно сходит к нулю. Полосы на раковинах также находятся в прямой зависимости от окружения. Чем более пестрое и темное окружение (например, в лесу), тем больше полос на раковине.
Главный враг бурогубых улиток — певчий дрозд. В середине апреля растительность имеет в основном бурый цвет, и желтые раковины считаются недостатком. К концу апреля желтый становится нейтральным цветом на фоне растительности, а к середине мая он преобладает.
Это очевидный пример отбора по видимым внешним признакам — определенный рисунок раковины обеспечивает маскировку на фоне определенной растительности. Однако белогубые улитки имеют разную окраску и узоры и могут обитать в той же местности, что и бурогубые. На них охотятся те же хищники, но частоты их генов могут сильно отличаться. В буковых лесах почти все бурогубые улитки не имеют полос, тогда как белогубые в основном имеют полосатые желтые раковины.
Изучая окаменелости, можно сделать вывод, что ни один вид не сохраняется вечно — средний срок распространения отдельного вида длится от одного до десяти миллионов лет. Из всех видов, когда-либо обитавших на Земле, 99,9 % являются вымершими, поэтому случаи так называемых живых ископаемых крайне редки. Живым ископаемым называется живой организм, который не отличается в основных чертах от организмов, изученных по окаменелым остаткам. Это современные организмы с анатомическими или физиологическими признаками, которые присутствовали у их вымерших предков. Часто они встречаются в очень удаленных, ограниченных и почти не изменившихся средах обитания. Поэтому их эволюция протекала крайне медленно.
К этой категории принадлежат магнолия, гинкго двулопастный, двоякодышащие рыбы, некоторые моллюски, вроде наутилуса и лингулы, и целакант (латимерия). Все живые ископаемые не обязательно считаются переходным звеном от одного типа животных к другому, но некоторые сочетают признаки разных групп и свидетельствуют об их происхождении от общего предка.
В качестве примера приведем следующие виды:
· Перипатус (Peripatus), совмещающий признаки, свойственные членистоногим и кольчатым червям.
· Неопилина (Neopilina), которая может быть переходным звеном между кольчатыми червями и моллюсками.
· Ланцетник (Amphioxus), который представляет собой связующее звено между позвоночными и беспозвоночными.
Изучение живых ископаемых помогает проверить уже имеющиеся данные о связи между различными группами организмов, а также сверить реконструкцию вымерших животных на основе ископаемых остатков.
Конечно же, эти современные животные и растения не совсем идентичны их ископаемым предкам, но они с полным правом могут называться живыми ископаемыми, поскольку многие их признаки сохранились с древнейших времен и похожи на признаки вымерших организмов. Иногда их называют реликтовыми видами (от лат. relictus — остаток).
См. также статьи «Целакант», «Гинкго двулопастный», «Ланцетник», «Лингула», «Наутилус», «Неопилина», «Перипатус».