Τα μεγάλα ζητήματα στην Εξέλιξη

Transcript

1 Τα μεγάλα ζητήματα στην Εξέλιξη

2 Τα μεγάλα ζητήματα στην Εξέλιξη Όλα τα διαθέσιμα στοιχεία υποστηρίζουν τα κεντρικά συμπεράσματα της εξελικτικής θεωρίας, δηλ. ότι η ζωή στη γη έχει εξελιχθεί και ότι τα είδη μοιράζονται κοινούς προγόνους. Οι βιολόγοι δεν αμφισβητούν αυτά τα συμπεράσματα. Αλλά προσπαθούν να καθορίσουν πώς η εξέλιξη συμβαίνει, και αυτό δεν είναι μια εύκολη δουλειά. Περιλαμβάνει τη συλλογή στοιχείων, την πρόταση υποθέσεων, τη δημιουργία μοντέλων, και την αξιολόγηση εργασιών άλλων επιστημόνων. Αυτές είναι όλες δραστηριότητες που μπορούμε, και πρέπει, να προβάλουμε στην λίστα ελέγχου μας και να υποβάλουμε την ερώτηση: Αυτοί κάνουν επιστήμη; Όλες οι επιστήμες υποβάλλουν ερωτήσεις για το φυσικό κόσμο, προτείνουν εξηγήσεις όσον αφορά τις φυσικές διαδικασίες, και αξιολογούν αυτές τις εξηγήσεις χρησιμοποιώντας στοιχεία από το φυσικό κόσμο. Η εξελικτική βιολογία δεν αποτελεί εξαίρεση. Η βασική σύλληψη του Δαρβίνου της εξελικτικής αλλαγής και της διαφοροποίησης (που διευκρινίζονται με μια σελίδα από το σημειωματάριό του, αριστερά) εξηγεί πολλές παρατηρήσεις σε σχέση με τις φυσικές διαδικασίες και υποστηρίζεται από στοιχεία του φυσικού κόσμου.

3 Μερικές από τις ερωτήσεις που οι εξελικτικοί βιολόγοι προσπαθούν να απαντήσουν περιλαμβάνουν: Η εξέλιξη τείνει να προχωρήσει αργά και σταθερά ή με γρήγορα άλματα; Γιατί μερικοί κλάδοι είναι πολύ ποικίλοι και μερικοί ασυνήθιστα αραιοί; Πώς η εξέλιξη παράγει τα νέα και σύνθετα χαρακτηριστικά γνωρίσματα; Υπάρχουν τάσεις στην εξέλιξη, και εάν είναι έτσι, ποιες διαδικασίες τις παράγουν;

4 Το Βήμα της Εξέλιξης Ο βηματισμός της εξέλιξης είναι συχνά αργός, τόσο αργός που όλα τα στάδια κατά τον σχηματισμό των ειδών δεν μπορούν να παρατηρηθούν. Η παραδοσιακή, ή Δαρβινική άποψη της εξέλιξης είναι ότι πρόκειται για μια πολύ αργή διαδικασία, που προκύπτει από τη βαθμιαία συσσώρευση μικρών διαφορών. Πρόσφατα, έχουν προταθεί διάφορες εναλλακτικές απόψεις σχετικά με τον βηματισμό και τα γεγονότα στο σχηματισμό των ειδών. Αυτό καλείται συλλήβδην κβαντική ειδογένεση.

5 Punctuated Equilibrium Παρεμβαλλόμενη (Διακοπτόμενη) Ισορροπία Σύμφωνα με ένα άλλο μοντέλο που βασίζεται στο αρχείο των απολιθωμάτων, η ειδογένεση συντελείται γρήγορα κατά τη διάρκεια ενός σύντομου χρονικού διαστήματος, ακολουθούμενη από μια μεγάλη περίοδο ελαχίστων ή καθόλου αλλαγών. «Σύντομο» σημαίνει χιλιάδες ή εκατοντάδες χιλιάδες χρόνια. Αυτό διαφέρει πολύ από την αρχική άποψη του Δαρβίνου της αργής και βαθμιαίας αλλαγής που συνεχίζεται κατά τη διάρκεια πολύ μακριών χρονικών περιόδων.

6 Ο ρυθμός της εξέλιξης Η εξέλιξη εμφανίζεται σε γρήγορες εκρήξεις ή βαθμιαία; Αυτή η ερώτηση είναι δύσκολο να απαντηθεί επειδή δεν μπορούμε να επαναλάβουμε το παρελθόν με ένα χρονόμετρο με διακόπτη διαθέσιμο. Εντούτοις, μπορούμε να προσπαθήσουμε να υπολογίσουμε ποια σχέδια θα αναμέναμε να παρατηρήσουμε στο αρχείο απολιθωμάτων εάν η εξέλιξη συνέβη στις εκρήξεις, ή εάν η εξέλιξη συνέβη βαθμιαία. Κατόπιν μπορούμε να ελέγξουμε αυτές τις προβλέψεις σε σχέση με αυτό που παρατηρούμε. Τι θα έπρεπε να παρατηρήσουμε στο αρχείο απολιθωμάτων εάν η εξέλιξη είναι αργή και σταθερή; Εάν η εξέλιξη είναι αργή και σταθερή, θα αναμέναμε να δούμε την ολόκληρη μετάβαση, από τον πρόγονο στον απόγονο, που επιδεικνύεται ως μεταβατικές μορφές κατά τη διάρκεια μιας μακριάς χρονικής περιόδου στο απολιθωμένο αρχείο. Στο ανωτέρω παράδειγμα, η συντήρηση πολλών μεταβατικών μορφών, μέσω των στρωμάτων που αντιπροσωπεύουν ένα χρονικό διάστημα, δίνει πλήρη πρακτικά της αργής και σταθερής εξέλιξης. Στην πραγματικότητα, βλέπουμε πολλά παραδείγματα των μεταβατικών μορφών στο απολιθωμένο αρχείο.

7 Παραδείγματος χάριν, στο διάγραμμα παρουσιάζονται ακριβώς μερικά βήματα στην εξέλιξη των φαλαινών από τα θηλαστικά της ξηράς, που δίνουν έμφαση στη μετάβαση του περπατήματος (από το κάτω άκρο) στο κολύμπι (πτερύγιο).

8 Τι θα παρατηρούσαμε στο αρχείο απολιθωμάτων εάν η εξέλιξη συμβαίνει με «γρήγορα» άλματα (ίσως λιγότερο από έτη για μία σημαντική αλλαγή); Θα αναμέναμε να δούμε τις μεγάλες αλλαγές να συμβαίνουν γρήγορα στο αρχείο απολιθωμάτων, με μικρή διαφοροποίηση μεταξύ του προγόνου και του απογόνου. Στο ανωτέρω παράδειγμα, βλέπουμε τον απόγονο που συντηρείται σε ένα στρώμα άμεσα μετά από τον πρόγονο, που παρουσιάζει μεγάλη αλλαγή σε σύντομο χρονικό διάστημα, χωρίς τις μεταβατικές μορφές. Όταν η εξέλιξη είναι γρήγορη, οι μεταβατικές μορφές δεν μπορούν να συντηρηθούν, ακόμα κι αν τα απολιθώματα καθορίζονται σε τακτά χρονικά διαστήματα. Βλέπουμε πολλά παραδείγματα αυτού του «γρήγορου» σχεδίου αλμάτων στο απολιθωμένο αρχείο. Ένα άλμα στο αρχείο απολιθωμάτων απαραιτήτως σημαίνει ότι η εξέλιξη έχει συμβεί με ένα «γρήγορο» άλμα; Αναμένουμε να δούμε ένα άλμα στο απολιθωμένο αρχείο εάν η εξέλιξη έχει εμφανιστεί ως «γρήγορο» άλμα, αλλά ένα άλμα στο απολιθωμένο αρχείο μπορεί επίσης να εξηγηθεί από την ανώμαλη απολιθωμένη συντήρηση. Αυτή η δυνατότητα μπορεί να το καταστήσει δύσκολο να συναγάγει το συμπέρασμα ότι η εξέλιξη έχει συμβεί γρήγορα. Παρατηρούμε τα παραδείγματα και της αργής, σταθερής αλλαγής και της γρήγορης, περιοδικής αλλαγής στο απολιθωμένο αρχείο. Και οι δύο συμβαίνουν. Αλλά οι επιστήμονες προσπαθούν να καθορίσουν ποιος ρυθμός είναι πιό χαρακτηριστικός της εξέλιξης και πώς κάθε μορφή εξελικτικής αλλαγής συμβαίνει.

9 Εξετάζοντας την πολυπλοκότητα Φανταστείτε ότι έχετε ταξιδεψει πίσω στο χρόνο περίπου 350 εκατομμύριο έτη. Ο στόχος σας είναι να ελέγξετε έξω τα έντομα σε αυτό το σημείο του πλανήτη. Βλέπετε πολλά μικρά έντομα που μοιάζουν με το σύγχρονο silverfish - καμία μεγάλη διαπραγμάτευση. Αλλά κάτι ενδιαφέρον και σημαντικό συμβαίνει να μην μπορείτε να δείτε - μια καταγωγή έχει χωρίσει σε δύο. Μια από αυτές τις πρόσφατα απομονωμένες καταγωγές θα δώσει αφορμή για τελικά περίπου 400 υπάρχοντα είδη που φαίνονται πολύ όπως τα αρχαία έντομα που βλέπετε. Αλλά η άλλη καταγωγή θα δώσει αφορμή για τα εκατομμύρια των υπαρχόντων ειδών εντόμων, ο όγκος της ζωικής ζωής στη γη σήμερα. Γιατί υπάρχει μια τέτοια μεγάλη διαφορά στην ποικιλομορφία μεταξύ αυτών των δύο καταγωγών; Σε τελευταία ανάλυση, ήταν όμοια 350 εκατομμύριο έτη πριν Γιατί μια καταγωγή θα οδηγούσε στα εκατομμύρια των ειδών και άλλη σε μόνο 400; 1. Κτύποι ευκαιρίας: Μια δυνατότητα είναι ότι η τώρα-διαφορετική καταγωγή συνέβη να είναι στη σωστή θέση στο σωστό χρόνο. Το περιβάλλον παρουσίασε τις ευκαιρίες, και η καταγωγή ήταν σε θέση να τις εκμεταλλευτεί. Ποια είδη των παραγόντων στη δύναμη περιβάλλοντος ενθαρρύνουν τη διαφοροποίηση; Το περιβάλλον μπορεί να είχε προσφέρει τις ευκαιρίες για την ειδίκευση. Μια τεμαχισμένη δύναμη περιβάλλοντος καθιστά την αναπαραγωγική απομόνωση πιθανή. Το περιβάλλον μπορεί να έχει παράσχει σε μια απελευθέρωση από τον ανταγωνισμό άλλα έντομα.

10 Όλοι αυτοί οι παράγοντες λειτουργούν σε μερικές περιπτώσεις. Εξετάστε την περίπτωση όπου ένα φυτοφάγο έντομο αποικίζει ένα τροπικό νησί. Στην ηπειρωτική χώρα καταγωγής του, το μέγεθος πληθυσμών του εντόμου και η σειρά των πόρων περιορίζονται από άλλα είδη που ανταγωνίζονται για τους ίδιους πόρους. Αλλά η έλλειψη παρόμοιων ειδών στο νησί σημαίνει τις ανοικτές θέσεις και το μειωμένο ανταγωνισμό από άλλα είδη. Περαιτέρω, το νησί προσφέρει τα νέα είδη τροφίμων υπό μορφή φυτών που το έντομο δεν έχει δει ποτέ πριν. Η δύναμη επιλογής επιτρέπει σε μερικά έντομα να ειδικευτούν σε αυτές τα νέα φυτά. Η συγκέντρωση γύρω από κάθε φυτό σημαίνει ότι τα έντομα ζευγαρώνουν με τα έντομα σε διαφορετικά φυτά λιγότερο συχνά, οδηγώντας στην αναπαραγωγική απομόνωση. Όλοι αυτοί οι παράγοντες μπορούν να οδηγήσουν τη διαφοροποίηση - αλλά μόνο εάν ο πληθυσμός έχει τη γενετική παραλλαγή για να εκμεταλλευτεί τις ευκαιρίες που παρουσιάζονται από το περιβάλλον.

11 Ιστορικές αλλαγές στην ποικιλομορφία: Πολλά γεγονότα έχουν αφήσει τα σημάδια τους στην ποικιλομορφία της ζωής στη γη, την περικοπή ή την ανάπτυξη του δέντρου της ζωής αλλά μερικά ξεχωρίζουν κατ'ασυνήθιστο τρόπο σημαντικά: Έκρηξη: Περίπου 530 εκατομμύριο έτη πριν, μια τεράστια ποικιλία των θαλασσίων ζώων που εκρήγνυνται ξαφνικά επάνω στην εξελικτική σκηνή. (Φυσικά, «ξαφνικά,» στους γεωλογικούς όρους, τα μέσα ίσως σε 10 εκατομμύριο έτη). Αυτά τα ζώα είχαν ποικίλες νέες μορφές σωμάτων από τις οποίες η εξέλιξη έχει χρησιμοποιήσει για να παραγάγει «τα υποπροϊόντα», όπως αυτοί οι αντιπρόσωποι.

12 Εξάλειψη: Περίπου 225 εκατομμύρια έτη πριν, πάνω από 90% των ειδών ζωντανών τότε πήγε εκλείψας σε λιγότερους από 10 εκατομμύριο έτη. Μερικές ομάδες που ήταν κυρίαρχες πριν από την εξάλειψη ανάκτησαν ποτέ. Η αιτία αυτής της εξάλειψης αποτελεί το αντικείμενο μεγάλης συζήτησης, αλλά ίσης σημασίας είναι ότι έθεσε το στάδιο για μια ογκώδη διαφοροποίηση ειδών που γέμισε τις κενές θέσεις.

13 Εξετάζοντας την πολυπλοκότητα Η ζωή είναι πλήρης μεγάλων περιπλοκών, όπως τα αεροδυναμικά φτερά, τα πολυτμηματικά όργανα όπως τα μάτια, και οι περίπλοκες χημικές διαβιβάσεις. Όταν βρίσκονται αντιμέτωποι με τέτοια πολυπλοκότητα, και οι αντίπαλοι και οι υπερασπιστές της εξέλιξης, συμπεριλαμβανομένου του Δαρβίνου, υποβάλλουν την ερώτηση: πώς θα μπορούσε να εξελιχθεί; Σύνθετες προσαρμογές: φτερά πουλιών, φτερά εντόμων, σπονδυλωτά μάτια, και μάτια εντόμων. Η επιστήμη δεν σκουπίζει τέτοιες δύσκολες ερωτήσεις κάτω από το χαλί, αλλά τις θεωρεί ως ενδιαφέροντες τομείς για την έρευνα. Η δυσκολία είναι η ακόλουθη. Δεδομένου ότι πολλά από αυτά τα σύνθετα γνωρίσματα φαίνονται να είναι προσαρμοστικά, είναι πιθανό να έχουν εξελιχθεί στα μικρά βήματα μέσω της φυσικής επιλογής. Δηλαδή οι ενδιάμεσες μορφές της προσαρμογής πρέπει να έχουν εξελιχθεί προτού να φθάσει η εξέλιξη σε ένα πλήρως αναπτυγμένο φτερό, μια χημική διάβαση, ή ένα μάτι. Αλλά ποιο αγαθό είναι το μισό ένα φτερό ή μόνο μερικά από τα στοιχεία ενός βολβού του ματιού;

14 Οι ενδιάμεσες μορφές αυτών των προσαρμογών μπορούν να μην φανούν προσαρμοστικές - τόσο πώς θα μπορούσαν να παραχθούν από τη φυσική επιλογή; Υπάρχουν διάφοροι τρόποι που τέτοιες σύνθετες καινοτομίες μπορούν να εξελιχθούν: Συμφέροντες μεσάζοντες: Είναι δυνατό ότι εκείνα τα ενδιάμεσα στάδια ήταν πραγματικά συμφέροντα, ακόμα κι αν όχι με έναν προφανή τρόπο. Ποιο αγαθό είναι «μισό μάτι;» Ένα απλό μάτι με ακριβώς μερικά από τα συστατικά ενός σύνθετου ματιού θα μπορούσε ακόμα να αισθανθεί το φως και το σκοτάδι, όπως τα eyespots στα απλά flatworms. Αυτή η δύναμη δυνατότητας είναι συμφέρουσα για έναν οργανισμό που χωρίς καθόλου όραση και θα μπορούσε να έχει εξελιχθεί μέσω της φυσικής επιλογής. Ποιο αγαθό είναι «μισό φτερό;» Ακόμα κι αν δεν είναι καλό για το πέταγμα, η δυνατότητα είναι καλή για κάτι άλλο. Η εξέλιξη της πρώτης δυνατότητας φτερών δεν έχει καμία σχέση με την πτήση αλλά με τη θερμική μόνωση ή την επίδειξη. Η φυσική επιλογή είναι ένας άριστος κλέφτης, που παίρνει τα χαρακτηριστικά γνωρίσματα που εξελίχθηκαν σε ένα πλαίσιο και τα χρησιμοποιεί για τις νέες λειτουργίες. Ένα Planaria flatworm με τα φωτοευαίσθητα eyespots του. Τα ενδιάμεσα στάδια μιας σύνθετης δύναμης χαρακτηριστικών γνωρισμάτων έχουν εξυπηρετήσει έναν διαφορετικό σκοπό από ότι η πλήρως αναπτυγμένη προσαρμογή εξυπηρετεί.

15 Τάσεις στην εξέλιξη Μια εξελικτική τάση μπορεί να είναι είτε μία κατευθυντική αλλαγή μέσα σε μια ενιαία καταγωγή είτε μία παράλληλη αλλαγή στις καταγωγές, με άλλα λόγια, διάφορες καταγωγές που υποβάλλονται στο ίδιο είδος της αλλαγής. Εντούτοις, οποιαδήποτε αλλαγή δεν μετρά ως τάση. Σε τελευταία ανάλυση, εάν ο καιρός κάνει μια ημέρα θερμότερη, δεν θα το καλούσατε τάση θέρμανσης. Η θέρμανση θα έπρεπε να συνεχιστεί για κάποιο χρονικό διάστημα προτού να το καλέσετε τάση. Οι βιολόγοι σκέφτονται για τις εξελικτικές τάσεις με τον ίδιο τρόπο - πρέπει να υπάρξει κάτι στην αλλαγή που προτείνεται που δεν είναι μόνο μια τυχαία διακύμανση προτού να μετρήσει ως «τάση.»

16 Παραδείγματος χάριν, τα τιτανοθήρια (ένας εκλείψας κλάδος σχετικός με τα σύγχρονα άλογα και τους ρινοκέρους) παρουσίαζε μια εξελικτική τάση. Το τιτανοθήριο είχε τις οστεώδεις προεξοχές εκτεινόμενες από τις μύτες τους. Η ακολουθία απολιθωμένων κρανίων από αυτά τα ζώα δείχνει ότι οι εξελικτικές αλλαγές στο μέγεθος αυτών των «κέρατων» δεν ήταν τυχαίες. Αντ' αυτού, οι αλλαγές προκαταλήφθηκαν στην κατεύθυνση του αυξανόμενου μεγέθους κέρατων. Και στην πραγματικότητα, διάφορες διαφορετικές καταγωγές τιτανοθηρίων δοκίμασαν το ίδιο είδος της αλλαγής στο μέγεθος κέρατων. Οι αναπαραστάσεις τιτανοθηρίων που παρουσιάζονται εδώ κυμαίνονται από περίπου 55 εκατ. έτη (Α) ως 35 εκατ. έτη (D). Οι λόγοι αυτής της τάσης δεν είναι προφανείς. Μπορεί να είναι ένα υποπροϊόν της επιλογής για την αύξηση του μεγέθους σωμάτων, ή/και μπορεί να είναι ένα αποτέλεσμα της επιλογής στο μέγεθος κέρατων άμεσα: τα μεγάλος-κερασφόρα άτομα μπορεί να είχαν ένα πλεονέκτημα «να κερδίσουν» στους ανταγωνισμούς για τα θηλυκά, όπως στα πρόβατα και τις κατσίκες.

17 Άλλες εξελικτικές τάσεις δεν είναι τόσο συνεπείς στις καταγωγές. Παραδείγματος χάριν, πολλές διαφορετικές ζωικές καταγωγές έχουν υποβληθεί στο cephalization, βασικά «η εξέλιξη ενός κεφαλιού.» Η κεφαλοποίηση περιγράφει την συγκέντρωση νευρώνων από τα ζωικά εξελισσόμενα αισθητήρια οργάνα σε έναν εγκέφαλο που τοποθετείται από τη μία πλευρά ή στο ίδιο άκρο. Τα αρθρόποδα (καρκινοειδή, έντομα, και οικογένεια), annelids (τετμημένα σκουλήκια), και chordates έχουν όλα την αυξανόμενη κεφαλοποίηση. Εντούτοις, πολλές ζωικές καταγωγές δεν έχουν υποβληθεί σε κεφαλοποίηση (πού είναι το κεφάλι σε έναν αστερία;), και άλλες καταγωγές, όπως πολλά εσωτερικά παράσιτα, έχουν ακολουθήσει την αντίστροφη κατεύθυνση, που χάνει τα «κεφάλια» που αρχικά είχαν.

18 Είναι η εξέλιξη προοδευτική; Αυτό δεν είναι μια εύκολη ερώτηση να απαντηθεί. Από την προοπτική των διεργασιών, ποια είναι περισσότερο σημαντική στην εξελικτική πρόοδο η φωτοσυνθετική δυνατότητα ή η αποδοτικότητα ενός συστήματος παράδοσης δηλητηρίου από μια αράχνη; Το πρόβλημα είναι ότι άνθρωποι κλεινόμαστε στο δικό μας κουτί προόδου. Καθορίζουμε συχνά την πρόοδο με τέτοιο τρόπο ώστε να εκφράζει την άποψη μας, ένα τρόπος που στηρίζεται στη διάνοια, τον πολιτισμό, ή το συναίσθημα. Αλλά αυτός ο καθορισμός είναι ανθρωποκεντρικός. Μπαίνουμε στον πειρασμό να δούμε την εξέλιξη ως μία μεγάλη προοδευτική σκάλα με τον Homo sapiens να αναδύεται στην κορυφή. Αλλά η εξέλιξη παράγει ένα δέντρο, όχι μια σκάλα - και είμαστε ακριβώς ένα από πολλά φύλλα στο δέντρο.