Адаптивная радиация — это процесс эволюционного образования видов от одного общего предка. Основу этой концепции заложил французский ученый Жорж Кювье (1769–1832). Он сделал вывод, что с течением длительного периода времени организмы разделились на группы, некоторые из которых являются частью современной классификационной системы. Это представление радикально отличалось от общепринятой в то время аристотелевской концепции «лестницы жизни» (Scala Naturae), которая распределяла все организмы по ступеням, от простейших — в самом низу, до самых сложных (человек) — на вершине.
Способ возникновения новых видов зависит от географического расположения. Большинство видов появляется в результате аллопатрического видообразования (алло — другой, патрис — родина), то есть в результате географического разделения некогда единой популяции. Популяция каким-либо образом делится на несколько групп, каждая из которых идет по своему эволюционному пути, пока они не расходятся настолько, что скрещивание между ними становится невозможным. Известный зоолог Эрнст Майр дал следующее определение термина «вид»:
Так называется тип полиплоидной мутации, при которой комбинируются хромосомы двух или более видов. Аллополиплоиды обычно возникают от удвоения хромосом гибрида двух видов; такое удвоение обычно приводит к плодовитости гибрида (амфиплоидия). Качества гибрида, то есть сила и приспособляемость, передаются аллополиплоидами последующим поколениям, и такие организмы успешно выживают.
Птицы, несомненно, произошли от вымерших типов рептилий. До 1990 годов археологи называли самой ранней птицей археоптерикса (Archaeopteryx lithographica). Его название буквально означает «древнее крыло из литографского камня» и образовано от archaeo — древний, pteryx — крыло и lithographica — обработанный известняк для особого вида печати (литографии). При жизни археоптерикс весил до 270 грамм, а площадь его крыльев составляла 480 квадратных сантиметров, то есть он был размером приблизительно с сороку.
Так называется тип полиплоидной мутации, при котором умножается набор хромосом только одного вида (ауто — само, полиплоос — многократный, эйдос — образ, набор хромосом). Аутополиплоиды могут возникать от слияния диплоидных гамет одного и того же вида; такие гаметы образуются вследствие неразделения хромосом при мейозе (тип деления клеток, при котором образуются половые клетки). Либо они образуются вследствие неразделения хроматид во время развития оплодотворенной яйцеклетки. Гибрид, получившийся в результате аутополиплоидии, может быть плодовитым или стерильным, в зависимости от набора хромосом. Гибриды с четным количеством гомологичных хромосом (4, 6, 8… 28) будут плодовитыми, потому что их хромосомы могут образовывать пары при мейозе.
Биогенез — гипотеза, утверждающая, что все живое происходит только от живого. Сегодня это положение считается очевидным, но потребовалось более 300 лет, чтобы оно утвердилось вместо гипотезы абиогенеза. В начале XVIII века ученые, как те, что верили в биогенез, так и те, что верили в абиогенез, для экспериментального доказательства своих теорий использовали один и тот же материал, а именно, настой сухой травы, который легко было получить, приготовить и исследовать при помощи постоянно усовершенствовавшихся микроскопов. Измельченную сухую траву кипятили в течение 10 минут в воде и затем выставляли на воздух. В первые несколько дней жидкость оставалась стерильной.
Сходство в развитии эмбрионов позвоночных подтолкнуло ученых второй половины XIX века к тщательному изучению этого вопроса. Впервые наличие связи между развитием эмбриона и вида предположил известный эмбриолог Карл Эрнст фон Бэр (современник Дарвина). Однажды он заметил, что, рассматривая заспиртованные зародыши позвоночных, помещенные в сосуды без этикеток, не может точно установить, к какому классу животных они относятся. Это с равным успехом могли быть зародыши ящериц, птиц или млекопитающих, поскольку на ранней стадии развития сходство между ними оказалось потрясающим. Его исследования позволили сделать вывод, что развитие отдельного эмбриона повторяет стадии эволюционного развития группы, к которой принадлежит этот индивид. Таким образом, ученые пришли к выводу, что возможно проследить этапы эволюционного процесса, изучая развитие эмбрионов.
Изучая современное распределение членов группы, а также окаменелых остатков предков, мы можем получить много свидетельств эволюции и последующего распространения животных и растений по всему миру. Существует много примеров подобного рода; один из самых хорошо документированных — семейство верблюжьих. Лама и ее родственники, викунья и гуанако, распространены в Южной Америке. Ареалы распространения верблюдов находятся в Северной Африке, в Аравии и Азии. Они постепенно расселились по разным регионам из одной общей точки происхождения этого семейства.
Роберт Брум (1866–1951) — выдающийся ученый, внесший значительный вклад в развитие палеонтологии, особенно палеонтологии рептилий и предков человека. В 1925 году шотландец Брум отправился в качестве врача в Южную Африку, где инспектировал отдаленные поселения. Одновременно с этим он успешно занимался палеонтологией и за свои исследования даже получил медаль Лондонского королевского общества.
В 1934 году в возрасте 68 лет Брум оставил медицинскую деятельность и начал работать в Трансваальском музее в Претории. Научные занятия подтолкнули его к решению найти дополнительные свидетельства существования австралопитека (Australopithecus africanus обезьяна из Африки).
Наиболее известное вымирание из всех массовых случаев приходится на конец мелового периода, около 65 миллионов лет назад. Предполагается, что причиной его послужило столкновение Земли с гигантской кометой, но когда в начале 1980 годов это мнение впервые было высказано, многие ученые отнеслись к нему скептически.
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.
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.
Чарлз 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».
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 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.
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 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).
Теория эволюции обычно связывается с именем Чарлза 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.
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.
В 1835 году Чарлз 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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
Чарлз 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).
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.
Однажды в 1908 году во время обеда генетик Реджинальд Кранделл Паннет и его старый друг Г. X. Харди из Оксфордского университета заговорили, как обычно, о генетике. Паннет сказал, что слышал критическое замечание по поводу теории Менделя, найти ответ на которое он не может. Согласно этому замечанию, если ген коротких пальцев был бы доминантным, а ген длинных пальцев рецессивным, тогда с каждым поколением число особей с короткими пальцами становилось бы все меньше и меньше. Через несколько поколений, как сказал критик, ни у кого в Британии не осталось бы длинных пальцев.
Негенетические факторы могут оказывать такое же влияние на организм, как и гены, ответственные за те или иные признаки. Согласно законам наследственности, гены определяют возможное строение представителя вида, а не то, какое он приобретет в действительности. Так, растение может унаследовать гены высокого роста, но на почве, бедной питательными веществами, оно, скорее всего, останется маленьким. Фенотип организма (его внешний вид) зависит от сочетания наследственных признаков и условий окружающей среды.
Теория эволюции, предложенная Чарлзом Дарвином, испытывала недостаток доказательств. Он не мог привести пример эволюционного изменения, имевшего места в настоящий момент, но за время его жизни действительно произошел процесс, приведший к значительным изменениям одного вида. Это был так называемый «индустриальный меланизм» (изменение цвета бабочек). Впервые его механизм был продемонстрирован на примере березовой пяденицы (Biston betularia). Точные данные относительно изменений в популяциях этого вида представил в 1950 годах биолог Кетлуэлл. Его исследования продемонстрировали ход эволюции на примере изменения формы одного вида в результате естественного отбора.
Ископаемые — это останки вымерших организмов или отпечатки их следов в камне. Большинство ископаемых находят в виде твердых частей скелета, поскольку мягкие ткани и органы умерших животных либо поедаются другими животными, либо разлагаются. В процессе так называемого окаменения минеральные соли из окружающих пород постепенно заменяют твердый органический материал. Органический материал может также раствориться, оставив отпечаток в окружающих его горных породах. Окаменелые следы, такие, как отпечатки ног динозавров или ходы и норы червей, также предоставляют ценные сведения об исчезнувших организмах. К ископаемым относят и окаменелые экскременты, копролиты.
Надежные доказательства эволюции можно получить, изучая тысячи окаменелых остатков животных и растений, которые палеонтологи и геологи обнаруживают в горных породах. Они говорят нам о том, как развивалась жизнь на Земле в течение миллионов и миллиардов лет. Они также повествуют и об изменениях самой Земли. Например, в пустыне Вайоминг, которая в наше время находится выше уровня моря более чем на милю, встречаются останки сотен типов рыб, которые некогда населяли море, плескавшееся в этом районе. Дальше к югу, в Аризоне, есть пустыня, где находят окаменевшие деревья, произраставшие в густых лесах миллионы лет назад. Это доказательство больших климатических изменений, имевших место в прошлом. Когда-то климат здесь был мягким и влажным, но затем превратился в засушливый.
На протяжении многих тысяч лет люди высоко ценили породистых животных. Такие животные получились в результате искусственного отбора. Главная цель искусственного отбора — вывести животных с определенными желаемыми признаками; скотоводы, например, желали получить коров, которые бы давали больше молока, охотники — хороших собак, которые служили бы им помощниками. Но вплоть до недавних пор этот отбор носил случайный, несистематический характер.
Одним из пионеров селекции (искусственного отбора) растений был американец Лютер Бербанк. Он вывел многочисленные новые сорта растений. Пожалуй, самым известным его вкладом в селекцию растений является улучшение сортов картофеля. Однажды в 1871 году Бербанк осматривал картофельное поле в Массачусетсе и заметил плод, выросший на одном из растений. Хотя картофель обычно имеет цветы, у него бывает довольно мало плодов. Новые растения выращивают, как правило, из клубней, а не из семян. Бербанк сохранил семена и посадил их. Затем он исследовал картофелины, выросшие из этих семян. Они отличались от растения к растению. Некоторые были большими, другие маленькими; одни семена дали много клубней, а другие мало. Клубни одного из растений были самыми многочисленными, большими и ровными. Он выбрал их для дальнейшего размножения неполовым путем. Получившаяся разновидность картофеля была названа именем Бербанка, и вскоре этот сорт стал распространенным на всей территории США.
Пожалуй, самыми известными морскими рептилиями триасового и юрского периодов (245–144 миллионов лет назад) являются ихтиозавры. Внешне они выглядели как современные дельфины с рыбообразным телом и, похожим на акулий, спинным плавником. Их конечности приспособились к водной среде обитания и превратились в плавники; хвост тоже стал мощным хвостовым плавником. По остаткам можно проследить развитие нескольких родов ихтиозавров от длинного и узкого миксозавра (Mixosaurus) триасового периода через дельфинообразного ихтиозавра (Ichthyosaurs) и, похожего на меч-рыбу, эвринозавра (Eurhinosaurus) юрского периода до беззубого офтальмозавра (Ophthalmosaurus). Все они были активными охотниками, питались рыбой и предками кальмаров.