Эволюция и палеонтологическая летопись Evolution and the Fossil

Эволюция и палеонтологическая летопись Evolution and the Fossil Record

Изучение эволюции • Два основных направления: современный мир и прошлое Земли • Современный мир: биология, генетика, сравнительная анатомия • Прошлое Земли: палеонтология, палеобиология, сравнительная анатомия ископаемых организмов Биологическая эволюция — естественный процесс развития живой природы, сопровождающийся изменением генетического состава популяций, формированием адаптаций, видообразованием и вымиранием видов, преобразованием экосистем и биосферы в целом. http: //ru. wikipedia. org/wiki/

Естественный отбор • Созидательная сила, один из ведущих механизмов эволюционных изменений. Другой механизм эволюции - разрушающая сила - массовые вымирания. • Дарвин Чарльз, 1859: Происхождение видов путём естественного отбора, или Сохранение благоприятных рас в борьбе за жизнь»

Искусственный и естественный отбор • породы собак выведены путем искусственного отбора

Естественный отбор: ключевые моменты • Три факта, приводящие к «очевидному» умозаключению: • Факт 1. Перепроизводство потомков • Факт 2. Изменчивость особей в пределах популяций • Факт 3. Соревнование (борьба) за ресурсы • Умозаключение: выживание наиболее приспособленных Эволюция посредством естественного отбора — это процесс, при котором закрепляются мутации, увеличивающие приспособленность организмов. … Организмы производят потомков больше чем может выжить; …. В популяции этих организмов существует наследственная изменчивость; …. Организмы, имеющие разные генетические черты, имеют различную выживаемость и способность размножаться. http: //ru. wikipedia. org/wiki/

Перепроизводство потомков – экспоненциальный рост популяций

Конкуренция между организмами в выживании и размножении является главным условием для эволюции посредством естественного отбора. Организмы с наследственными чертами, которые дают им конкурентное преимущество, имеют большую вероятность передать их своим потомкам, чем организмы с наследственными чертами, не имеющими подобного преимущества. http: //ru. wikipedia. org/wiki/

Причины изменчивости • Случайные мутации ДНК: - >> 99, 99 % - вредные или нейтральные - полезные (адаптивные) мутации очень редки • Половая рекомбинация : - новые варианты ДНК появляются при смешивании генов родителей - у нас 4096 прямых предков в последних 12 -ти поколениях (212)

Анатомия генома Спиральные нити ДНК содержат информационные коды всех форм жизни.

Молекулы ДНК содержат азотистые основания (А, Т, C, G), кодирующие различные аминокислоты, которые создают белки (протеины) The DNA molecule contains nitrogenous bases (A, T, C, G) that code for different amino acids, which form proteins.

Свидетельства эволюции • Гомология • Аналогичные органы или конвергентоная эволюция (гомоплазия) • Рудиментарные органы • Адаптивная радиация Evidence of Evolution • Homology • Analogous organs or Convergent Evolution (Homoplasy) • Vestigial organs • Adaptive radiations

ГОМОЛОГИЯ • Общее происхождения признаков: например, у всех приматов 5 пальцев; у человекообразных обезьян (apes) и человека нет хвоста; у всех четвероногих (tetrapoda) сходны кости конечностей. • Метод: сравнительная анатомия современных и ископаемых организмов Homology • The recognition of common ancestry of features. e. g. all primates have 5 fingers; apes and humans lack a tail; all tetrapods have similar limb bones. • Studied by comparative anatomy of living and fossil organisms.

Гомологичные признаки используются для распознавания общности эволюционного происхождения Homologous features are used to recognize common evolutionary ancestry

Гомологичные признаки передних конечностей (forelimbs) тетрапод Птица Летучая мышь Кит Examples of homologous features in the forelimbs of tetrapods Человек

ЧЕЛОВЕК ОБЕЗЬЯНА КОРОВА ЛЯГУШКА АКУЛА МИНОГА Эволюционное дерево (кладограмма) основанная на гомологии Противопоставленный большой палец; стереоскопичнское зрение Волосяной покров, молочные железы Четыре конечности, легкие Челюсти, позвоночник An Evolutionary Tree, or Cladogram, Based on Homologies

Древо жизни, основанное на гомологии Universal Tree of Life: homology mapping

Эволюцию можно представить в виде дерева. но никак не в виде лестницы ПРИМАТ Evolution is about Trees, not Ladders

Аналогичные органы или конвергентная эволюция • Независимое происхождение сходных признаков называют конвергентной эволюцией или гомоплазией. • Демонстрирует сходные пути естественного отбора. • пример: крылья насекомых, птиц, летучих мышей и птерозавров произошли независимо друг от друга. Analogous Organs or Convergent Evolution • Produced by evolutionary convergence. Independent origin of similar features is called convergent evolution or homoplasy • Shows natural selection in operation. • e. g. , insects, birds, bats, and pterosaurs all evolved wings independently

Остаточные (рудиментарные) органы • Неиспользуемые органы – свидетели эволюционных изменений • пример: тазовые кости китов, остатки бывших ног • пример: волосы человеческого тела – остатки меховой шкуры Vestigial Organs • Organs no longer used show clear evidence of evolutionary change. • e. g. , pelvic bones of whales, vestiges of former legs • e. g. , human body hair, a vestige of former fur

Адаптивная радиация • Естественный отбор заполняет разнообразные экологически ниши, начиная с одного вида • пример Ч. Дарвина: 13 видов зябликов Галапагосских островов произошли от одного предка. • другой пример: все птицы произошли от рода Archaeopteryx Adaptive Radiation • Natural selection can fill a variety of niches starting with a single species. • e. g. , Darwin’s finches in the Galapagos Islands, 13 species evolved from one ancestral species • e. g. , all birds evolved from Archaeopteryx

Страница из записной книжки Дарвина с филогенетическим деревом, иллюстрирующим адаптивную радиацию A page from Darwin’s notebook with a phylogenetic tree showing adaptive radiation.

Путешествие английского военного корабля Бигль 1831 -1836 Voyage of HMS (Her Majesty's Ship) Beagle, 1831 -1836

Зяблики Дарвина: 13 различных видов произошли от одного южноамериканского предкового вида. Darwin’s finches: 13 different species evolved from a single ancestor from South America.

Клювы зябликов Дарвина приспособлены (адаптированы) к разным типам пищи, доступной на разных островах Галапагосского архипелага The beaks of Darwin’s finches are adapted to the variety of food types available on the different islands in the Galapagos Islands

Типовые экземпляры зябликов, собранные Дарвином на Галапагосских островах Type specimens of finches collected by Darwin in the Galapagos Islands

Возникновение новых видов: видообразование • Естественные отбор не увеличивает число видов на планете. Видообразование требует разделения популяций одного вида. • Определение вида: репродуктивно изолированные (сначала географически, затем биологически) скрещивающиеся популяции. • Новые виды должны быть репродуктивно изолированными от своих предковых видов. The Origin of New Species: Speciation • Natural selection by itself will not increase the number of species on the planet. Speciation requires splitting of species populations. • Species definition: Interbreeding populations reproductively isolated – first geographically, later biologically. • New species must be reproductively isolated from their ancestral species.

Экваториальные пингвины Галапагосских островов Equatorial penguins in the Galapagos

Этот нелетающий большой баклан имеет адаптации как у пингвинов. Это новый вид. This flightless cormorant shows adaptations similar to penguins. It is a new species

Львы и тигры имеют единого предка, но их помесь обычно стерильна. Отсюда вывод: это разные виды. Lions and tigers share a common ancestor, but the hybrids are usually sterile, thus they are separate species.

Лошади и ослы имеют общего предка. Их гибрид (помесь) мул – стерилен. Equus asinus Equus caballus 62 chromosomes 64 chromosomes 63 chromosomes 31 + 32 = 63 Horses and donkeys share a common ancestor. Their hybrid, the mule, is sterile.

Zonkey – гибрид зебры и осла Zonkey – Zebra and donkey hybrid

Видообразование • Аллопатрическое (с разобщенными ареалами) видообразование: обусловлено географической изоляцией популяций. • Естественный отбор приспосабливает изолированную популяцию к локальным условиям обитания. • По прошествии времени и при отсутствии скрещивания с иными внешними популяциями образуется новый вид. Speciation • Allopatric speciation: produced by geographic isolation of populations. • Natural selection causes an isolated population to adapt to its local environment. • Given enough time, and no outside interbreeding, a new species will evolve.

Скорость эволюции • Филетический градуализм – непрерывные и постепенные изменения во времени. • Punctuated Equilibrium периодически нарушаемое равновесие - длительный период равновесия периодически нарушается кратким периодом бурного развития. Этот тип эволюции связан возможно с прохождением популяций через «бутылочное горлышко» . Rates of Evolution • Phyletic gradualism - continuous and gradual change over time • Punctuated Equilibrium - long periods of stasis punctuated by rapid change, probably associated with a bottleneck in population size.

Графическое изображение эволюционных деревьев зависит от принимаемой концепции

Скорость эволюции • Большие популяции эволюционируют очень медленно. Полезные (выгодные) мутации сохраняются (накапливаются) в популяциях очень медленно. • Маленькие популяции могут эволюционировать очень быстро. Полезные (выгодные) мутации сохраняются (накапливаются) в популяциях очень быстро. Rates of Evolution • Large populations evolve very slowly or almost not at all. Advantageous mutations pass very slowly through a population. • Small populations can evolve very rapidly. Advantageous mutations can be passed very quickly through the population.

Эволюция в действии • Проходящие через «бутылочное горлышко» : – Насекомые, устойчивые к пестицидам – Бактерии, устойчивые к антибиотикам Evolution in Action • Passing through a bottleneck: – Pesticide resistant insects – Antibiotic resistant bacteria

Экстремальное событие резко уменьшает размер популяции вида и меняет состав его генетического фонда. An extreme selection event severely reduces population size and changes the composition of the gene pool of the species.

Скорость эволюции • Биологам сложно измерить скорость эволюции, они оперируют только современными видами. Дарвин предполагал невысокую скорость. • Палеонтологи могут измерить скорость эволюции. Установлено, что прерывистое равновесие (punctuated equilibria) является основным механизмом видообразования в палеонтологической летописи. Rates of Evolution • Biologists cannot measure evolutionary rates. They have only the present. Darwin assumed gradual rates. • Paleontologists can measure evolutionary rates. They have found punctuated equilibria to be the major pattern in fossil species rather than gradual change.

Микроэволюция и макроэволюция • Небольшие изменения, наблюдаемые у современных бактерий или у зябликов Дарвина, это примеры микроэволюции – образования новых видов. • Существенные изменения, приводящие к появлению новых органов, например крыльев у птиц или ног у рыб, это макроэволюция. Microevolution vs Macroevolution • Small changes, such as seen in modern bacteria or beaks in finches, are examples of microevolution. Microevolution leads to new species over time. • Large changes, such as the evolution of major features, like wings in birds, or legs in fish, are examples of macroevolution. Macroevolution leads to significant evolutionary change.

Роль палеонтологической летописи • Предоставляет фактический материал по эволюционным изменениям в геологическом времени. • Обеспечивает фактический материал для датировки происхождения эволюционных изменений. • Показывает, что массовые вымирания являются главным фактором эволюционных изменений. • Предоставляет фактический материал по скорости эволюции. Role of the Fossil Record • Provides the only actual record of evolutionary change over geologic time. • Provides data on the timing of evolutionary origins. • Shows mass extinctions to be a major cause of evolutionary change. • Provides information on rates of evolution.

Макроэволюция в палеонтологической летописи • Древнейшие прокариоты: 3. 5 млрд лет • Древнейшие ядерные клетки: 2. 1 млрд лет • Первые животные: 600 млн лет • Первые тетраподы: 375 млн лет • Первые динозавры: 220 млн лет • Первые млекопитающие: 220 млн лет • Первые человекообразные: 4. 5 млн лет Evolutionary Origins- Examples • Oldest life: 3. 5 BY • Oldest nucleated cells: 2. 1 BY • First animals: 600 MY • First tetrapods: 375 MY • First dinosaurs: 220 MY • First mammals: 220 MY • First hominids: 4 MY

Эволюция тетрапод Пример палеонтологической летописи, фиксирующей эволюционные изменения. Evolution of Tetrapods. Example of the fossil record documenting evolutionary change.

Acanthostega vs [versus] Ichthyostega Acanthostega Ichthyostega

Эволюция китов Пример палеонтологической летописи, фиксирующей эволюционные изменения. Evolution of Whales. Example of the fossil record documenting evolutionary change.

Эволюция китов Пример палеонтологической летописи, фиксирующей эволюционные изменения. Скелет усатого кита: a, b — кости плавников, произошедшие от костей передних конечностей; с — рудиментарные кости задних конечностей http: //www. ncbi. nlm. nih. gov/pubmed/12492145 Evolution of Whales. Example of the fossil record documenting evolutionary change.

Массовые вымирания • Выживают счастливчики? • Массовые вымирания, происходившие в геологическом прошлом ниспровергают представление о том, что выживают наиболее приспособленные. • Является ли эволюционная история предсказуемой? Mass Extinctions • Survival of the luckiest? • Over geologic time, mass extinctions may subvert the notion of survival of the fittest. • Is evolutionary history predictable?

Эволюционная теория подвергается нападкам в средней школе. Вводится «закон божий» . Как преподавать эволюционную теорию в университетах? The teaching of evolution in public schools is controversial. Why? Should the teaching of evolution be controversial in universities?