Biologinen evoluutio ( latinasta evolutio - "käyttöönotto") on luonnollinen villieläinten kehitysprosessi , johon liittyy muutos populaatioiden geneettisessä koostumuksessa, sopeutumisten muodostuminen , lajien lajiutuminen ja sukupuuttoon , ekosysteemien ja biosfäärin muuttuminen . kokonainen.
On olemassa useita evoluutioteorioita , jotka selittävät evoluutioprosessien taustalla olevia mekanismeja. Tällä hetkellä yleisin on synteettinen evoluutioteoria (STE), joka on klassisen darwinismin ja populaatiogenetiikan synteesi [1] . STE mahdollistaa evoluution materiaalin (geneettiset mutaatiot ) ja evoluutiomekanismin ( luonnonvalinta ) välisen yhteyden selittämisen. STE:n puitteissa evoluutio määritellään prosessiksi, jossa geenien alleelien frekvenssit muuttuvat organismipopulaatioissa yhden sukupolven eliniän ylittävän ajanjakson aikana [2] .
Charles Darwin oli ensimmäinen, joka muotoili luonnonvalinnan evoluutioteorian. Luonnollisen valinnan evoluutio on prosessi, joka seuraa kolmesta populaatioita koskevasta tosiasiasta : 1) jälkeläisiä syntyy enemmän kuin pystyy selviytymään; 2) eri organismeilla on erilaisia ominaisuuksia, mikä johtaa eroihin selviytymisessä ja jälkeläisten saamisen todennäköisyydessä; 3) nämä ominaisuudet ovat periytyviä. Nämä olosuhteet johtavat lajinsisäisen kilpailun syntymiseen ja ympäristöön vähiten sopeutuneiden yksilöiden valikoivaan eliminoitumiseen , mikä johtaa seuraavan sukupolven niiden yksilöiden osuuden kasvuun, joiden ominaisuudet edistävät selviytymistä ja lisääntymistä tässä ympäristössä. Luonnonvalinta on ainoa tunnettu syy sopeutumiseen , mutta ei ainoa syy evoluutioon. Ei-adaptiivisia syitä ovat geneettinen ajautuminen , geenivirta ja mutaatiot .
Huolimatta yhteiskunnan moniselitteisestä käsityksestä, evoluutio luonnollisena prosessina on vakaasti vakiintunut tieteellinen tosiasia , sillä on valtava määrä näyttöä ja se on tiedeyhteisössä kiistaton [3] . Samaan aikaan tietyt evoluution mekanismeja selittävien teorioiden näkökohdat ovat tieteellisten keskustelujen kohteena. Evoluutiobiologian löydöillä on ollut valtava vaikutus perinteisten biologian alojen lisäksi myös muihin akateemisiin tieteenaloihin, kuten antropologiaan , psykologiaan . Evoluutioideoista on tullut perusta nykyaikaisille maatalouden , ympäristönsuojelun käsitteille , niitä käytetään laajalti lääketieteessä , bioteknologiassa ja monilla muilla yhteiskunnallisesti merkittävillä ihmisen toiminnan aloilla [4] .
Sanan " evoluutio " merkitys on itsessään käynyt läpi merkittävän kehityksen. Latinankielinen sana evolutio viittasi alun perin kääröen rullaamiseen kirjaa luettaessa. Keskiaikaisessa Euroopassa termiä käytettiin myös biologiassa, jossa se tarkoitti alkion kasvua ja kehitystä. Nykyaikaista merkitystä käytti ensimmäisenä 1700-luvun sveitsiläinen luonnontieteilijä Charles Bonnet , joka väitti, että luodessaan elämän alkeita Jumala asetti niihin kyvyn kehittyä. 1800-luvun toisesta puoliskosta lähtien termi on liitetty vahvasti darwinismiin , vaikka tätä termiä ei vielä käytetty Lajien alkuperän ensimmäisessä painoksessa [5] .
Oletuksen, että elävät organismit voivat muuttua, kohtasivat ensimmäisenä kreikkalaiset esisokraattiset filosofit . Milesian koulukunnan edustaja Anaximander uskoi, että kaikki eläimet olivat peräisin vedestä, minkä jälkeen ne tulivat maihin. Ihminen syntyi ideoidensa mukaan kalan kehosta [6] . Empedokleksesta löytyy ajatuksia homologiasta ja vahvimpien selviytymisestä [7] . Demokritos uskoi, että maaeläimet polveutuivat sammakkoeläimistä, ja ne puolestaan syntyivät spontaanisti lieteessä [8] . Toisin kuin nämä materialistiset näkemykset, Aristoteles piti kaikkia luonnon asioita useiden pysyvien luonnollisten mahdollisuuksien epätäydellisinä ilmenemismuotoina, jotka tunnetaan nimellä "muodot", "ideat" tai (latinalaisessa transkriptiossa) "lajit" ( lat. laji ) [9] [10 ] ] . Tämä oli osa hänen teleologista ymmärrystään luonnosta, jossa jokaisella asialla on oma tarkoituksensa jumalallisessa kosmisessa järjestyksessä. Tämän ajatuksen muunnelmista tuli keskiaikaisen maailmankuvan perusta, ja ne yhdistettiin kristilliseen opetukseen. Aristoteles ei kuitenkaan olettanut, että todelliset eläintyypit ovat tarkkoja kopioita metafyysisistä muodoista, ja antoi esimerkkejä siitä, kuinka uusia elävien olentojen muotoja voidaan muodostaa [11] .
1600-luvulla ilmestyi uusi menetelmä, joka hylkäsi aristotelilaisen lähestymistavan ja pyrki selittämään luonnonilmiöitä luonnonlaeilla, jotka ovat samat kaikille näkyville asioille eivätkä tarvitse muuttumattomia luonnontyyppejä tai jumalallista kosmista järjestystä. Mutta tämä uusi lähestymistapa tuskin tunkeutui biologisiin tieteisiin, joista tuli muuttumattoman luonnollisen tyypin käsitteen viimeinen linnoitus. John Ray käytti yleisempää termiä eläimille ja kasveille määritelläkseen muuttumattomia luonnollisia tyyppejä - "lajeja" ( lat. laji ), mutta toisin kuin Aristoteles, hän määritteli tiukasti jokaisen elävän olennon lajiksi ja uskoi, että jokainen laji voidaan tunnistaa ominaisuuksia, jotka toistetaan sukupolvelta toiselle. Rayn mukaan nämä lajit ovat Jumalan luomia, mutta niitä voidaan muuttaa paikallisten olosuhteiden mukaan [12] [13] . Linnaeuksen biologisessa luokituksessa pidettiin myös lajeja muuttumattomina (Linnaeus salli uusien lajien syntymisen vain olemassa olevien lajien hybridisoitumisen vuoksi [14] ) ja luotiin jumalallisen suunnitelman mukaan [15] [16] .
Kuitenkin tuolloin oli myös luonnontieteilijöitä, jotka ajattelivat organismien pitkän ajan kuluessa tapahtuvaa evoluutiomuutosta. Maupertuis kirjoitti vuonna 1751 lisääntymisen aikana tapahtuvista luonnollisista muutoksista, jotka kerääntyvät useiden sukupolvien aikana ja johtavat uusien lajien muodostumiseen. Buffon ehdotti, että lajit voivat rappeutua ja muuttua muiksi organismeiksi [17] . Erasmus Darwin uskoi, että kaikki lämminveriset organismit ovat mahdollisesti peräisin yhdestä mikro-organismista (tai "filamentista") [18] . Ensimmäisen täysimittaisen evoluutiokonseptin ehdotti Jean-Baptiste Lamarck vuonna 1809 eläintieteen filosofiassa . Lamarck uskoi, että yksinkertaisia organismeja (ripset ja madot) syntyy jatkuvasti spontaanisti. Sitten nämä muodot muuttuvat ja monimutkaistavat rakennettaan sopeutuen ympäristöön. Nämä mukautukset johtuvat ympäristön suorasta vaikutuksesta elinten harjoittamisen tai harjoittamatta jättämisen kautta ja näiden hankittujen ominaisuuksien myöhemmäksi siirtymisestä jälkeläisille [19] [20] (tätä teoriaa kutsuttiin myöhemmin Lamarckismiksi ). Naturalistit hylkäsivät nämä ajatukset, koska heillä ei ollut kokeellista näyttöä. Lisäksi tiedemiesten kannat olivat edelleen vahvat, sillä he uskoivat lajien olevan muuttumattomia ja niiden samankaltaisuus viittaa jumalalliseen suunnitelmaan. Yksi kuuluisimmista heistä oli Georges Cuvier [21] .
Lajien muuttumattomuutta koskevien käsitysten dominanssin loppu biologiassa oli Charles Darwinin muotoilema evoluutioteoria luonnonvalinnan kautta . Vaikutettuna osittain Thomas Malthusin " Väestölain kokemuksesta " Darwin havaitsi, että väestönkasvu johtaa " taistelua olemassaolosta ", jossa organismit, joilla on suotuisat ominaisuudet, alkavat vallita, kun ne, joilta ne puuttuvat, tuhoutuvat. Tämä prosessi alkaa, jos jokainen sukupolvi tuottaa enemmän jälkeläisiä kuin se pystyy selviytymään, mikä johtaa kilpailuun rajallisista resursseista. Tämä voisi selittää elävien olentojen alkuperän yhteisestä esi-isästä luonnonlakien vuoksi [22] [23] . Darwin kehitti teoriaansa vuodesta 1838 lähtien, kunnes Alfred Wallace lähetti hänelle samanlaisia ajatuksia sisältävän paperin vuonna 1858 . Wallacen artikkeli julkaistiin samana vuonna Proceedings of the Linnean Societyn yhdessä osassa, sekä lyhyt ote Darwinin papereista [24] . Vuoden 1859 lopulla julkaistu Darwinin Lajien alkuperästä , joka selittää luonnollisen valinnan käsitteen yksityiskohtaisesti, johti Darwinin evoluutiokäsitteen laajempaan leviämiseen.
Perinnöllisyyden ja uusien ominaisuuksien ilmaantumisen tarkat mekanismit jäivät tuntemattomiksi. Selittääkseen näitä mekanismeja Darwin kehitti " pangeneesin väliaikaisen teorian " [25] . Vuonna 1865 Gregor Mendel löysi perinnöllisyyden lait , mutta hänen työnsä pysyi käytännössä tuntemattomana vuoteen 1900 asti [26] . August Weismann pani merkille tärkeän eron sukupuolisolujen ja somaattisten solujen välillä ja että perinnöllisyys johtuu vain solujen sukulinjasta. Hugo de Vries yhdisti Darwinin pangeneesiteorian Weismannin ajatuksiin sukupuolesta ja somaattisista soluista ja ehdotti, että pangeenit sijaitsevat solun ytimessä ja voivat siirtyä sytoplasmaan ja muuttaa solun rakennetta. De Vries oli myös yksi tutkijoista, jotka tekivät Mendelin työstä kuuluisan. Hän uskoi, että Mendelin perinnölliset ominaisuudet vastaavat perinnöllisten muutosten siirtymistä ituradan kautta. Selittääkseen uusien piirteiden syntymistä de Vries kehitti mutaatioteorian , josta tuli yksi syy tilapäiseen erimielisyyteen nousevan genetiikan ja darwinismin välillä [27] . Populaatiogenetiikan pioneerien, kuten J. B. S. Haldanen , Sewell Wrightin ja Ronald Fisherin työ asettaa evoluutiotutkimuksen tilastolliselle pohjalle ja eliminoi siten tämän väärän genetiikan ja evoluution vastakkainasettelun luonnonvalinnan kautta [28] .
1920-luvun 1920-30-luvuilla moderni evoluutio synteesi yhdisti luonnollisen valinnan, mutaatioteorian ja Mendelin perinnön yhdeksi teoriaksi, jota voidaan soveltaa mihin tahansa biologian haaraan. Watsonin ja Crickin vuonna 1953 löytämä DNA :n rakenne osoitti perinnöllisyyden aineellisen perustan. Molekyylibiologia on parantanut ymmärrystämme genotyypin ja fenotyypin välisestä suhteesta . Edistystä on tapahtunut myös fylogeneettisessä systematiikassa . Fylogeneettisten puiden julkaisun ja käytön ansiosta oli mahdollista tutkia ja vertailla luonteen muutoksia eri fylogeneettisissa ryhmissä. Vuonna 1973 evoluutiobiologi Theodosius Dobzhansky kirjoitti: "Mikään biologiassa ei ole järkevää paitsi evoluution valossa", koska evoluutio on yhdistänyt aluksi epäjohdonmukaisilta tuntuneet tosiasiat johdonmukaiseksi tietojärjestelmäksi, joka selittää ja ennustaa erilaisia tosiasioita elämästä maapallolla. [29] .
Siitä lähtien modernia synteesiä on laajennettu selittämään biologisia ilmiöitä kaikilla elävän organisaation tasoilla [1] [30] . Joten 1960- luvulla Motoo Kimura osoitti , että ylivoimainen määrä mutaatioita molekyylitasolla on neutraaleja luonnonvalinnan suhteen [ 31 ] , ja vuonna 1972 paleontologit Niels Eldridge ja Stephen Gould herättivät uudelleen keskustelun evoluution epäjatkuvasta luonteesta. prosessi [ 32] . 1900-luvun lopulla evoluutiobiologia sai sysäyksen yksilön kehityksen alan tutkimuksesta. Hox-geenien löytäminen ja alkion geneettisen säätelyn täydellisempi ymmärtäminen auttoivat määrittämään ontogeneesin roolin fylogeneettisessä kehityksessä ja muodostivat käsityksen uusien muotojen kehittymisestä, jotka perustuvat aiempaan rakennegeenisarjaan ja niiden säilymiseen. samankaltaiset kehitysohjelmat filogeneettisesti kaukaisissa organismeissa [33] [34] .
Evoluutio tapahtuu ajanjakson aikana, joka ylittää yhden sukupolven eliniän, ja se koostuu organismin perittyjen ominaisuuksien muuttamisesta. Ensimmäinen askel tässä prosessissa on muuttaa populaation geenien alleelitaajuuksia . Ihanteellisessa populaatiossa, jossa ei ole mutaatioita, luonnonvalintaa, eristäytymistä (risteytyksen selektiivisyyttä), ajautumista ja geenivirtaa, alleelitaajuus on Hardy-Weinbergin lain mukaan muuttumaton sukupolvesta toiseen [35] . Näin ollen evoluutiota ei tapahdu tässä populaatiossa. Todellisissa populaatioissa on kuitenkin tekijöitä, jotka johtavat muutoksiin geenialleelitaajuuksissa. Näitä ovat mutaatiot , geenivirta , luonnonvalinta ja geneettinen ajautuminen . Nämä tekijät ovat evoluution tekijöitä [36] [37] . Mutaatiot lisäävät populaation vaihtelevuutta johtuen uusien geenien alleelisten varianttien syntymisestä - mutaatiovariabiliteetti. Mutaatioiden lisäksi on olemassa myös kombinatiivista vaihtelua, joka johtuu rekombinaatiosta . Yleensä se ei johda alleelitaajuuksien muutoksiin, vaan niiden uusiin yhdistelmiin. Geenikonversio [38] voi kuitenkin johtaa sekä uusien alleelien ilmaantumiseen että muutoksiin alleelitaajuuksissa . Toinen alleelitaajuuksien muutokseen johtava tekijä on geenivirta.
Kaksi muuta evoluutiotekijää – luonnollinen valinta ja geneettinen ajautuminen – ratkaisevat mutaatioiden ja geenivirtojen aiheuttaman vaihtelun, mikä johtaa uuden alleelitaajuuden muodostumiseen populaatiossa. Geneettinen ajautuminen on todennäköisyyspohjainen geenitaajuuksien muuttumisprosessi, ja se on voimakkainta suhteellisen pienissä populaatioissa. Drift voi johtaa tiettyjen alleelien täydelliseen katoamiseen populaatiosta. Luonnonvalinta on evoluution tärkein luova tekijä. Sen vaikutuksen alaisena yksilöt, joilla on tietty fenotyyppi (ja tietty joukko perinnöllisiä piirteitä) kilpailuolosuhteissa , menestyvät paremmin kuin muut, eli heillä on suurempi todennäköisyys selviytyä ja jättää jälkeläisiä. Siten sellaisten organismien osuus populaatiosta, joilla on perinnöllisiä ominaisuuksia, joilla on selektiivinen etu, kasvaa. Ajelehtimisen ja luonnollisen valinnan keskinäistä vaikutusta on vaikea yksiselitteisesti arvioida, mutta yleensä se riippuu todennäköisesti populaation koosta ja valinnan intensiteetistä. Edellä mainittujen tekijöiden lisäksi horisontaalisella geeninsiirrolla voi olla myös merkitystä , mikä voi johtaa täysin uusien geenien ilmaantumiseen tietylle organismille.
Luonnonvalinta johtaa sopeutumisten muodostumiseen ja kohonneeseen kuntoon . Pitkään jatkuneet evoluutioprosessit voivat johtaa sekä uusien lajien syntymiseen ja niiden lisähajoamiseen että kokonaisten lajien sukupuuttoon .
Perinnöllisyys on organismien ominaisuus toistaa useiden sukupolvien ajan samantyyppisiä aineenvaihduntaa ja yksilön kehitystä kokonaisuudessaan. Organismien evoluutio tapahtuu organismin perinnöllisissä ominaisuuksissa tapahtuvien muutosten kautta. Esimerkki ihmisen perinnöllisestä piirteestä on silmien ruskea väri, joka on peritty yhdeltä vanhemmista [39] . Perinnöllisiä ominaisuuksia säätelevät geenit . Organismin kaikkien geenien kokonaisuus muodostaa sen genotyypin [40] .
Organismin rakenteellisten ja käyttäytymisominaisuuksien kokonaisuutta kutsutaan fenotyypiksi . Organismin fenotyyppi muodostuu genotyypin vuorovaikutuksesta ympäristön kanssa. Monet fenotyyppiset ominaisuudet eivät ole perinnöllisiä. Joten esimerkiksi auringonpolttama ei periydy, koska sen ulkonäkö johtuu altistumisesta auringonvalolle. Jotkut ihmiset ruskettuvat kuitenkin helpommin kuin toiset. Tämä on perinnöllinen ominaisuus.
DNA mahdollistaa perinnöllisten piirteiden siirtymisen sukupolvelta toiselle [40] . DNA on biopolymeeri, joka koostuu neljästä nukleotidityypistä . Solunjakautumisen aikana DNA kopioidaan - tuloksena jokainen tytärsolu saa tarkan kopion emo- DNA -molekyyleistä .
DNA-molekyylin osia, jotka määräävät perinnöllisyyden toiminnallisen yksikön, kutsutaan geeneiksi . Solujen sisällä DNA:ta löytyy kromatiinista , joka puolestaan muodostaa kromosomeja . Geenin sijaintia kromosomissa kutsutaan lokukseksi . Geenin eri muotoja, jotka sijaitsevat samoissa homologisten kromosomien lokuksissa ja määrittävät erilaisia piirteitä, kutsutaan alleeleiksi . DNA-sekvenssi voi muuttua (mutatoitua), jolloin syntyy uusia alleeleja. Jos mutaatio tapahtuu geenin sisällä, uusi alleeli voi vaikuttaa geenin hallitsemaan ominaisuuteen ja muuttaa organismin fenotyyppiä.
Useimpia piirteitä ei kuitenkaan määritä yksi geeni, vaan useiden geenien vuorovaikutus ( epistaasi ja polymeria voivat toimia esimerkkinä tällaisista ilmiöistä ) [41] [42] . Tällaisten geenivuorovaikutusten tutkiminen on yksi modernin genetiikan päätehtävistä.
Viimeaikaiset tutkimukset ovat vahvistaneet, että perinnöllisyydessä on muutoksia, joita ei voida selittää DNA-nukleotidisekvenssin muutoksilla. Tämä ilmiö tunnetaan epigeneettisinä periytymisjärjestelminä [43] . Tällaisia järjestelmiä ovat DNA:n metylaatioprofiili , itseään ylläpitävät aineenvaihduntasilmukat, RNA-häiriöstä johtuva geenin vaimentaminen ja muut mekanismit [44] [45] .
Perinnöllisyyttä voi esiintyä myös suuremmassa mittakaavassa. Esimerkiksi ekologinen perintö markkinaraon rakentamisen kautta [46] . Siten jälkeläiset eivät peri vain geenejä, vaan myös esi-isien toiminnan synnyttämän elinympäristön ekologisia ominaisuuksia. Muita esimerkkejä perinnöllisyydestä, joka ei ole geenien hallinnassa, ovat kulttuuristen piirteiden ja symbiogeneesin periytyminen [47] [48] .
Variaatio on organismin ominaisuus erota vanhemmistaan, samoin kuin saman lajin yksilöiden ominaisuus erota toisistaan. Darwin uskoi, että evoluution liikkeellepaneva voima ovat: tietty vaihtelevuus (joka lisää eliöiden kuntoa, esim. lehtipuiden lehtien putoaminen), rajaton vaihtelu (joka ei lisää kuntoa, esim. flunssa voi aiheuttaa yskää, vuotamista nenä ja reuma), sekä olemassaolotaistelu ja luonnonvalinta [49] . Darwin piti erityisen tärkeänä perinnöllistä vaihtelua, joka tarjoaa raaka-ainetta luonnolliselle valinnalle. Perinnöllisen vaihtelevuuden seurauksena on myös geneettinen monimuotoisuus, joka syntyy joko vanhempien erilaisten ominaisuuksien yhdistelmänä (kombinaatiivinen vaihtelu) tai mutaatioprosessin aikana (mutaatiovaihtelu).
Organismin fenotyyppi määräytyy sen genotyypin ja ympäristövaikutusten perusteella. Merkittävä osa populaatioiden fenotyyppien vaihteluista johtuu niiden genotyyppien eroista [42] . STE : ssä evoluutio määritellään populaatioiden geneettisen rakenteen muutokseksi ajan myötä. Yhden alleelin esiintymistiheys muuttuu ja tulee enemmän tai vähemmän yleiseksi kyseisen geenin muiden muotojen joukossa. Evoluution toimintavoimat johtavat alleelin taajuuden muutoksiin suuntaan tai toiseen. Muutos häviää, kun uusi alleeli saavuttaa kiinnittymispisteen - se korvaa kokonaan esi-alleelin tai katoaa populaatiosta [50] .
Variaatio koostuu mutaatioista , geenivirrasta ja geneettisen materiaalin rekombinaatiosta . Vaihtelua lisää myös eri lajien välinen geeninvaihto, kuten horisontaalinen geeninsiirto bakteereissa [51] , hybridisaatio kasveissa [52] . Huolimatta näiden prosessien aiheuttamasta vaihtelevuuden jatkuvasta lisääntymisestä, suurin osa genomista on identtinen kaikissa tämän lajin edustajissa [53] . Kuitenkin jopa suhteellisen pienet muutokset genotyypissä voivat aiheuttaa valtavia eroja fenotyypissä, esimerkiksi simpanssien ja ihmisen genomit eroavat vain 5 % [54] .
Satunnaisia mutaatioita esiintyy jatkuvasti kaikkien organismien genomeissa . Nämä mutaatiot luovat geneettistä vaihtelua. Mutaatiot ovat muutoksia DNA-sekvenssissä . Ne voivat johtua säteilystä , viruksista , transposoneista , mutageeneista ja virheistä, joita esiintyy DNA:n replikaation tai meioosin aikana [55] [56] [57] . Mutaatioilla ei välttämättä ole vaikutusta, ne voivat muuttaa geenituotetta tai häiritä sen toimintaa. Drosophilassa tehdyt tutkimukset ovat osoittaneet, että jos mutaatio muuttaa geenin tuottamaa proteiinia, niin noin 70 %:ssa tapauksista sillä on haitallisia vaikutuksia, ja muissa tapauksissa neutraaleja tai heikosti positiivisia [58] . Mutaatioiden negatiivisen vaikutuksen vähentämiseksi soluissa on DNA:n korjausmekanismeja [55] . Optimaalinen mutaationopeus on tasapaino haitallisten mutaatioiden korkean tason ja korjausjärjestelmän ylläpitokustannusten välillä [59] . RNA-virukset ovat erittäin muuttuvia [60] , mikä näyttää olevan etu immuunivasteiden välttämisessä [61] .
Mutaatiot voivat vaikuttaa suuriin kromosomien osiin . Esimerkiksi päällekkäisyydellä , joka aiheuttaa geenin lisäkopioiden ilmestymisen genomiin [62] . Näistä kopioista tulee perusmateriaali uusien geenien syntymiselle. Tämä on tärkeä prosessi, koska uudet geenit kehittyvät geeniperheen sisällä yhteisestä esi-isästä [63] . Esimerkiksi neljä geeniä osallistuu valoherkkien rakenteiden muodostumiseen ihmissilmässä : kolme värinäköä varten ja yksi pimeänäköä varten. Kaikki nämä geenit polveutuvat yhdestä esi-isien geenistä [64] . Uudet geenit syntyvät esi-isien geenistä kahdentumalla sen jälkeen, kun geenin kopio on mutatoitunut ja saanut uuden toiminnon. Tämä prosessi on helpompi kopioinnin jälkeen, koska se lisää järjestelmän redundanssia. Yksi geeni parista voi saada uuden toiminnon, kun taas toinen jatkaa päätehtävän suorittamista [65] [66] . Muuntyyppiset mutaatiot voivat luoda uusia geenejä ei-koodaavasta DNA:sta [67] [68] . Uusia geenejä voi syntyä myös kahdentuneiden geenien pienten osien rekombinaatiosta. Tämä synnyttää uuden rakenteen, jossa on uusia toimintoja [69] [70] . Kun uusia geenejä kootaan sekoittamalla olemassa olevia osia (suorittavat yksinkertaisia itsenäisiä toimintoja), niiden yhdistelmä voi suorittaa uusia, monimutkaisempia toimintoja. Esimerkki tällaisesta kompleksista on polyketidisyntaasit , entsyymit, jotka syntetisoivat sekundaarisia metaboliitteja, kuten antibiootteja . Ne voivat sisältää jopa 100 osaa, jotka katalysoivat yhtä vaihetta kokonaissynteesissä [71] .
Kromosomitason muutokset voivat johtaa vielä suurempiin mutaatioihin. Kromosomimutaatioita ovat kromosomien suurten osien deleetiot ja inversiot , kromosomin osien siirtyminen toiseen. Kromosomien fuusio ( Robertsonin translokaatio ) on myös mahdollista. Esimerkiksi Homo -suvun evoluution aikana kaksi kromosomia yhdistyivät muodostaen toisen ihmisen kromosomin [72] . Muissa apinoissa tätä fuusiota ei tapahtunut, ja kromosomit säilytetään erikseen. Kromosomien uudelleenjärjestelyillä on tärkeä rooli evoluutiossa. Niiden ansiosta populaatioiden eroaminen uusien lajien muodostumisen myötä voi kiihtyä, koska risteytyksen todennäköisyys pienenee ja siten populaatioiden väliset geneettiset erot kasvavat [73] .
Genomin liikkuvat elementit , kuten transposonit , muodostavat merkittävän osan kasvien ja eläinten genomissa ja voivat olla tärkeitä evoluution kannalta [74] . Joten ihmisen genomissa on noin miljoona kopiota Alu-toistosta , ne suorittavat joitain toimintoja, kuten säätelevät geenin ilmentymistä [75] . Toinen liikkuvien geneettisten elementtien vaikutus genomiin on, että kun ne liikkuvat genomissa, olemassa olevia geenejä voidaan modifioida tai poistaa [56] .
Aseksuaalisissa organismeissa lisääntymisen aikana geenit eivät voi sekoittua muiden yksilöiden geenien kanssa. Sitä vastoin sukupuolisesti lisääntyvissä organismeissa jälkeläiset saavat vanhemmiltaan satunnaisia kromosomien seoksia. Lisäksi sukusolujen meioottisen jakautumisen aikana tapahtuu risteytys , joka johtaa homologiseen rekombinaatioon , joka koostuu kahden homologisen kromosomin osien vaihdosta [76] . Rekombinaation aikana alleelien esiintymistiheys ei muutu, mutta niiden uusia yhdistelmiä muodostuu [77] . Siten seksuaalinen lisääntyminen yleensä lisää perinnöllistä vaihtelua ja voi nopeuttaa organismien evoluutionopeutta [78] [79] . Aseksuaalinen lisääntyminen on kuitenkin usein hyödyllistä, ja se voi kehittyä eläimissä, joilla on seksuaalinen lisääntyminen [80] .
Homologinen rekombinaatio mahdollistaa jopa DNA:ssa lähellä toisiaan olevien alleelien periytymisen itsenäisesti. Ylitysaste on kuitenkin alhainen - noin kaksi kromosomia kohti sukupolvea kohden. Tämän seurauksena geenit, jotka ovat vierekkäin kromosomissa, periytyvät yleensä linkitetyllä tavalla . Tätä taipumusta mitataan sillä, kuinka usein kaksi alleelia ovat yhdessä samassa kromosomissa, ja sitä kutsutaan geenikytkentäepätasapainoksi [81] . Useita alleeleja, jotka periytyvät yhdessä, kutsutaan yleisesti haplotyypeiksi . Jos haplotyypin yksi alleeli tarjoaa merkittävän edun, niin luonnollisen valinnan seurauksena tämän haplotyypin muiden alleelien esiintymistiheys voi myös lisääntyä populaatiossa. Tätä ilmiötä kutsutaan geneettiseksi liftaamiseksi.("liftaaminen") [82] .
Kun alleeleja ei voida erottaa rekombinaatiolla, kuten nisäkkään Y-kromosomissa, joka siirtyy muuttumattomana isältä pojalle, haitallisia mutaatioita kertyy [83] . Sukupuolinen lisääntyminen alleeliyhdistelmiä vaihtamalla mahdollistaa haitallisten mutaatioiden poistamisen ja hyödyllisten mutaatioiden säilyttämisen [84] . Tällaisia positiivisia vaikutuksia tasapainottavat seksuaalisen lisääntymisen negatiiviset vaikutukset, kuten lisääntymisnopeuden lasku ja mahdollinen hyödyllisten alleeliyhdistelmien katkeaminen rekombinaation aikana. Siksi seksuaalisen lisääntymisen syntymisen syyt eivät ole vielä selviä, ja niitä tutkitaan aktiivisesti evoluutiobiologiassa [85] [86] , mikä johtaa sellaisiin hypoteeseihin kuin Black Queen -hypoteesi [87] .
Geenivirta on geenien alleelien siirtymistä populaatioiden välillä. Geenivirtaus voidaan toteuttaa liikkuvien organismien tapauksessa yksilöiden vaelluksella populaatioiden välillä tai kasvien tapauksessa esimerkiksi siitepölyn tai siementen siirrolla. Geenivirtauksen nopeus riippuu suuresti organismien liikkuvuudesta [88] .
Geenivirran vaikutuksen aste populaatioiden vaihteluun ei ole täysin selvää. Näkökulmia on kaksi: yksi niistä on se, että geenivirralla voi olla merkittävä vaikutus suuriin populaatiojärjestelmiin, homogenisoimalla niitä ja toimien siten spesiaatioprosesseja vastaan ; toiseksi, että geenin virtausnopeus on riittävä vain vaikuttamaan paikallisiin populaatioihin [88] [89] .
Luonnollisen valinnan evoluutio on prosessi, jossa mutaatiot kiinnittyvät, jotka lisäävät organismien kuntoa . Luonnonvalintaa kutsutaan usein "itsestään selväksi" mekanismiksi, koska se johtuu yksinkertaisista tosiseikoista, kuten:
Tällaiset olosuhteet luovat kilpailua organismien välillä selviytymisestä ja lisääntymisestä , ja ne ovat välttämättömät vähimmäisedellytykset luonnonvalinnan kautta tapahtuvalle kehitykselle [90] . Siten organismit, joilla on perinnöllisiä ominaisuuksia, jotka antavat niille kilpailuedun , siirtävät ne todennäköisemmin jälkeläisilleen kuin organismit, joilla on perinnöllisiä ominaisuuksia, joilla ei ole tällaista etua [91] .
Luonnonvalinnan käsitteen keskeinen käsite on organismien sopivuus [92] . Kunto määritellään organismin kyvyksi selviytyä ja lisääntyä, mikä määrää sen geneettisen panoksen koon seuraavalle sukupolvelle [92] . Tärkeintä kuntoa määritettäessä ei kuitenkaan ole jälkeläisten kokonaismäärä, vaan tietyn genotyypin (suhteellinen kunto) omaavien jälkeläisten lukumäärä [93] . Esimerkiksi, jos menestyvän ja nopeasti lisääntyvän organismin jälkeläiset ovat heikkoja eivätkä lisäänty hyvin, tämän organismin geneettinen panos ja vastaavasti sopivuus on alhainen [92] .
Jos jokin alleeli lisää organismin kuntoa enemmän kuin muut tämän geenin alleelit, niin jokaisen sukupolven myötä tämän alleelin osuus populaatiosta kasvaa. Eli valinta tapahtuu tämän alleelin hyväksi. Ja päinvastoin, vähemmän hyödyllisten tai haitallisten alleelien osuus populaatioissa vähenee, eli valinta vaikuttaa näitä alleeleja vastaan [94] . Tiettyjen alleelien vaikutus organismin kuntoon ei ole vakio - ympäristöolosuhteiden muuttuessa haitallisista tai neutraaleista alleeleista voi tulla hyödyllisiä ja hyödyllisistä haitallisia [95] .
Luonnollinen valinta ominaisuuksille, jotka voivat vaihdella arvoalueella (kuten organismin koko), voidaan jakaa kolmeen tyyppiin [96] :
Luonnollisen valinnan erikoistapaus on seksuaalinen valinta , jonka substraatti on mikä tahansa ominaisuus, joka lisää parittelun onnistumista lisäämällä yksilön houkuttelevuutta mahdollisten kumppaneiden silmissä [97] . Sukupuolivalinnan kautta kehittyneet piirteet ovat erityisen ilmeisiä tiettyjen eläinlajien uroksissa . Ominaisuudet, kuten suuret sarvet , kirkkaat värit , voivat toisaalta houkutella petoeläimiä ja vähentää urosten selviytymistä [98] , ja toisaalta tätä tasapainottaa sellaisten urosten lisääntymismenestys, joilla on samankaltaiset korostuneet ominaisuudet [99] .
Valinta voi toimia eri organisaatiotasoilla, kuten geeneissä, soluissa, yksittäisissä organismeissa, organismiryhmissä ja lajeissa [100] [101] [102] . Lisäksi valinta voi toimia samanaikaisesti eri tasoilla [103] . Valinta yksilön yläpuolella olevilla tasoilla, kuten ryhmävalinta , voi johtaa yhteistyöhön (katso Evolution#Cooperation ) [104] .
Geneettinen ajautuminen on geenien alleelien esiintymistiheyden muutos sukupolvesta toiseen, mikä johtuu satunnaisista prosesseista organismien selviytymisen ja lisääntymisen aikana [105] . Matemaattisesti alleelit ovat alttiita näytteenottovirheelle . Jos valintatoiminto on suhteellisen heikko tai sitä ei ole olemassa, alleelitaajuudella on taipumus "ajautua" satunnaisesti ylös tai alas ( satunnainen kävely ). Ajelehtiminen pysähtyy, kun alleeli kiinnittyy populaatioon – katoamalla tai korvaamalla kokonaan muut kyseisen geenin alleelit populaatiosta. Näin ollen vain satunnaisten prosessien vuoksi jotkut alleelet voidaan eliminoida populaatiosta [106] .
Aika, joka kuluu alleelien korjaamiseen, riippuu populaation koosta [107] . Tässä tapauksessa päätekijä ei ole yksilöiden lukumäärä, vaan populaation efektiivinen koko [108] . Efektiivinen populaation koko on yleensä pienempi kuin populaation yksilöiden kokonaismäärä. Sen laskennassa otetaan huomioon sisäsiitosaste , elinkaaren vaihe, jossa populaatiokoko on pienin, ja se, että jotkin selektiivisesti neutraalit geenit on kytketty geeneihin, jotka ovat valinnan kohteena [108] .
Luonnollisen valinnan ja ajautumisen suhteellista merkitystä on yleensä vaikea määrittää [109] , näiden kahden tekijän suhteellinen merkitys evoluutioprosesseissa on nykyaikaisen tutkimuksen aihe [110] .
Neutraali molekyylievoluutioteoria olettaa, että useimmat evoluutiomuutokset ovat seurausta neutraalien mutaatioiden kiinnittymisestä genomiin, joilla ei ole vaikutusta organismien kuntoon [31] . Siksi tässä mallissa useimmat geneettiset muutokset populaatiossa ovat mutaatiopaineen ja geneettisen ajautuman vaikutuksia [111] [112] . Tiedemiehet eivät tällä hetkellä hyväksy tätä neutraalisuusteorian tulkintaa, koska se ei vastaa luonnon geneettisen vaihtelevuuden luonnetta [113] [114] . Tästä teoriasta on kuitenkin nykyaikaisempi ja tutkijoiden tukema versio - melkein neutraali teoria, jossa pienissä populaatioissa neutraalit mutaatiot eivät välttämättä ole neutraaleja suurissa [115] . Vaihtoehtoiset teoriat viittaavat siihen, että geneettinen ajautuminen peittyy muilla stokastisilla vaikutuksilla, kuten geneettisellä liftauksella .[105] [116] [117] .
Horisontaalinen geeninsiirto on geneettisen materiaalin siirtoa organismista toiseen organismiin, joka ei ole sen jälkeläinen. Yleisin horisontaalinen geeninsiirto bakteereissa [118] . Se edistää erityisesti antibioottiresistenssin leviämistä , koska yhdessä bakteerissa resistenssigeenien ilmaantumisen jälkeen ne voivat siirtyä nopeasti muihin lajeihin [119] . Mahdollisuus horisontaaliseen geeninsiirtoon bakteereista eukaryooteihin tunnetaan myös , kuten hiiva Saccharomyces cerevisiae ja adzuki - kuoriainen Callosobruchus chinensis [120] [121] . Esimerkin laajamittaisesta geeninsiirrosta eukaryoottien välillä tarjoavat bdelloidiset rotiferit , jotka saivat useita geenejä bakteereista, sienistä ja kasveista [122] . Virukset voivat olla DNA:n kantajia yksittäisten domeenien edustajien välillä [123] .
Laajamittainen geeninsiirto tapahtui myös eukaryootti- ja bakteerisolujen esi-isien välillä ensimmäisten kloroplastien ja mitokondrioiden hankinnan aikana . On täysin mahdollista, että eukaryootit ovat syntyneet bakteerien ja arkkien välisen horisontaalisen geeninsiirron seurauksena [124] .
Evoluutio vaikuttaa kaikkiin organismien elämän osa-alueisiin. Yksi näkyvimmistä havaittavista evoluution tuloksista on sopeutuminen (morfologinen, fysiologinen tai käyttäytyminen), joka on seurausta luonnollisesta valinnasta . Sopeutuminen lisää organismien kuntoa. Pitkällä aikavälillä evoluutioprosessit voivat johtaa uusien lajien syntymiseen esimerkiksi sen jälkeen, kun organismien esi-iän populaatio on jakautunut uusiin populaatioihin, joista yksilöt eivät voi risteytyä.
Evoluutio jaetaan joskus makroevoluutioon , eli lajitasolla ja sitä korkeammalla tapahtuvaan evoluutioon, se sisältää prosessit, kuten lajittelun ja sukupuuttoon kuolemisen, sekä mikroevoluutioon eli lajitason alapuolella tapahtuvaan evoluutioon, esimerkiksi sopeutumiseen populaatiossa [126 ] . Yleisesti ottaen makroevoluutiota pidetään pitkän mikroevoluution tuloksena [127] . Toisin sanoen makroevoluution ja mikroevoluution välillä ei ole perustavanlaatuisia eroja - vain tarvittava aika eroaa [128] . Makroevoluution tapauksessa kokonaisten lajien ominaisuudet voivat kuitenkin olla tärkeitä. Esimerkiksi suuri määrä yksilöiden välisiä eroja mahdollistaa lajin nopean sopeutumisen uusiin elinympäristöihin, mikä vähentää sukupuuttoon kuolemisen mahdollisuutta, ja lajien laaja valikoima lisää lajittelun mahdollisuutta.
Yleinen väärinkäsitys evoluutiosta on, että sillä on päämäärä tai pitkän aikavälin suunnitelma. Todellisuudessa evoluutiolla ei ole tavoitteita eikä suunnitelmia [~ 1] , eikä evoluution aikana välttämättä tapahdu organismien monimutkaisuuden lisääntymistä [129] [130] [131] [132] . Vaikka monimutkaisesti organisoituneita organismeja syntyy evoluution aikana, ne ovat evoluution "sivutuote", ja yleisimpiä biosfäärissä ovat "yksinkertaisemmat" organismit [133] . Siten mikroskooppisia prokaryootteja edustaa valtava määrä lajeja, ja ne muodostavat yli puolet kokonaisbiomassasta [ 134 ] ja merkittävän osan biologisesta monimuotoisuudesta [135] .
Sopeutuminen on prosessi, jonka tuloksena organismin sopeutumiskyky elinympäristöön paranee. Myös termi "sopeutuminen" voi viitata ominaisuuteen, joka on tärkeä organismin selviytymiselle. Esimerkiksi hevosen hampaiden sopeutuminen ruohon pureskeluun. Siksi "sopeutumisen" käsitteellä on kaksi eri merkitystä - sopeutuminen evoluutioprosessina ja mukautuva ominaisuus sen tuotteena. Sopeutuminen on seurausta luonnollisesta valinnasta [136] . Theodosius Dobzhansky on antanut seuraavat mukautumisen määritelmät :
Sopeutuminen voi johtaa joko uuden piirteen syntymiseen tai esivanhemman ominaisuuden menettämiseen. Esimerkkinä molemmista muutoksista on bakteerien vastustuskyky antibiooteille tai antibioottiresistenssi . Tämän resistenssin geneettinen perusta voi olla joko bakteerisolujen molekyylien modifikaatio, joihin antibiootit vaikuttavat, tai antibiootteja solusta poistavien kuljettajien aktiivisuuden lisääntyminen [138] . Muita esimerkkejä adaptiivisten ominaisuuksien hankkimisesta ovat Escherichia coli -bakteeri , joka pitkäaikaisen kokeen aikana sai kyvyn käyttää sitruunahappoa hiilen lähteenä [139] ; Flavobacterium , jotka ovat kehittäneet uuden entsyymin, jonka avulla ne voivat käyttää nailonituotannon sivutuotteita [140] [141] , ja maaperän bakteeri Sphingobium , joka on kehittänyt täysin uuden aineenvaihduntareitin hajottaakseen synteettisen torjunta-aineen pentakloorifenolin [142] ] [143] . Mielenkiintoinen, mutta silti kiistanalainen ajatus on, että jotkin mukautukset voivat lisätä organismien kykyä geneettisesti muuttua, mikä lisää geneettistä monimuotoisuutta, mikä lisää entisestään todennäköisyyttä sopeutua luonnonvalinnan seurauksena (lisäämällä organismien evoluutiokykyä) [144] [145 ] ] [146 ] [147] .
Sopeutuminen tapahtuu rakenteiden asteittaisen muutoksen kautta. Näin ollen rakenteilla, joilla on samanlainen rakenne sukulaisissa organismeissa, voi olla erilaisia toimintoja. Tämä on seurausta esi-isien rakenteiden mukautumisesta suorittamaan erilaisia toimintoja. Esimerkiksi lepakoiden siipien luut ovat homologisia muiden nisäkkäiden eturaajojen luiden kanssa , koska ne ovat peräisin kaikkien nisäkkäiden yhteisen esi-isän samoista luista [149] . Koska kaikki elävät organismit ovat jossain määrin sukulaisia [150] , jopa ne eri organismiryhmien elimet, joilla on vähän tai ei ollenkaan samankaltaisuutta, kuten niveljalkaisten , kalmarien ja selkärankaisten silmät tai niveljalkaisten ja selkärankaisten raajat, voivat riippuvat samankaltaisista homologisista geeneistä, jotka ohjaavat niiden muodostumista ja toimintaa. Tätä kutsutaan syväksi homologiaksi[151] [152] .
Evoluution aikana jotkin rakenteet voivat menettää päätehtävänsä ja muuttua alkeiksi [153] . Tällaiset rakenteet voivat säilyttää toissijaiset toiminnot tai menettää toiminnallisuutensa kokonaan. Esimerkkejä tällaisista rakenteista ovat pseudogeenit [154] , toimimattomat silmäjäännökset luolakaloissa [155] , siivet lentokyvyttömissä linnuissa [156] , lantion luut valaissa ja käärmeissä [148] . Esimerkkejä ihmisten alkeellisista ovat viisaudenhampaat [157] , häntäluu [153] , umpilisäke [153] sekä fysiologiset vasteet, kuten hanhenlihalle [158] ja synnynnäiset refleksit [159] .
Monet näennäisesti yksinkertaiset mukautukset ovat kuitenkin itse asiassa seurausta eksaptaatiosta , prosessista, jossa muodot tai rakenteet, jotka on kehitetty palvelemaan yhtä tehtävää, valitaan palvelemaan muita toimintoja [160] . Esimerkki eksaptaatiosta olisi molekyylikoneet, kuten bakteerisiima [161] ja mitokondriaaliset translokaasikompleksit [162] , jotka tapahtuivat useiden proteiinien kokoonpanossa, jotka olivat aiemmin suorittaneet muita toimintoja [126] .
Yksi ekologisista perusperiaatteista on kilpailevan syrjäytymisen periaate , jonka mukaan kaksi lajia ei voi olla samassa ekologisessa markkinarakossa pitkään samassa ympäristössä [163] . Siksi luonnonvalinnan vaikutuksesta lajit pyrkivät sopeutumaan erilaisiin ekologisiin markkinaraoihin.
Vuorovaikutus organismien välillä voi aiheuttaa sekä konflikteja että yhteistyötä. Jos organismiparit ovat vuorovaikutuksessa, kuten patogeeni ja sen isäntä tai petoeläin ja saalis, ne voivat kehittää niihin liittyviä mukautuksia. Yhden lajin evoluutio tällaisissa pareissa aiheuttaa toisen lajin evoluution, ja tämä puolestaan aiheuttaa ensimmäisen lajin evoluution jne. Tätä sykliä kutsutaan yhteisevoluutioksi [164] . Pari voi toimia esimerkkinä yhteisevoluutiosta: uhri on keltavatsainen vesikoira , petoeläin sukkanauhakäärme . Evoluutiovarustelukilpailu on johtanut siihen, että newt tuottaa suuria määriä myrkkytetrodotoksiinia ja käärmeellä on korkea vastustuskyky tätä myrkkyä vastaan [165] .
Kaikki yhteisevoluution tapaukset eivät perustu eri lajien välisiin konflikteihin [166] [167] . On monia tapauksia molempia osapuolia hyödyttävistä suhteista. Esimerkiksi kasvien ja sienirihmaston välillä on hyvin läheinen suhde , jotka kasvavat juurillaan ja auttavat kasveja saamaan ravinteita maaperästä [168] . Tämä on molempia osapuolia hyödyttävä suhde, koska sienet saavat sokeria kasveista . Vaihtaakseen ravinteita sienet itse asiassa kasvavat kasvisolujen sisällä ja tukahduttavat niiden puolustusjärjestelmät [169] .
Yhteistyötä tapahtuu myös saman lajin yksilöiden välillä. Äärimmäisenä tapauksena ovat eusosiaaliset hyönteiset , kuten mehiläiset , termiitit ja muurahaiset , joissa steriilit hyönteiset ruokkivat ja suojelevat pientä määrää lisääntymiskykyisiä yksilöitä.
Tällainen yhteistyö saman lajin sisällä on saattanut syntyä sukulaisten valinnasta , jonka tarkoituksena on valita piirteitä, jotka edistävät tietyn yksilön lähisukulaisten selviytymistä [170] . Valinta suosii alleeleja, jotka auttavat lähisukulaisia, koska jos yksilöllä on nämä alleelit, on suuri todennäköisyys, että myös hänen lähisukulaisilla on nämä alleelit [171] . Muita yksilöiden välistä yhteistyötä edistäviä prosesseja ovat ryhmävalinta , jossa yksilöiden välinen vuorovaikutus antaa etuja heidän ryhmilleen verrattuna muihin ryhmiin, joilla ei ole tällaista vuorovaikutusta [172] .
Spesiaatio on uusien lajien muodostumisprosessi . Spesiaatiota on havaittu monta kertaa sekä kontrolloiduissa laboratorio -olosuhteissa että luonnossa [173] [174] [175] .
Käsitteen "laji" määrittelyyn on olemassa useita lähestymistapoja, jotka eroavat toisistaan siinä, mitä organismien ominaisuuksia tähän käytetään [176] . Esimerkiksi jotkut lajikäsitteet sopivat paremmin sukupuolisesti lisääntyville organismeille, kun taas toiset sopivat paremmin sukupuolisesti lisääntyville organismeille. Lähestymistapojen eroista huolimatta ne voidaan yhdistää kolmeen lähestymistapaan: hybridologiseen, ekologiseen ja fylogeneettiseen lähestymistapaan [177] . Ernst Mayerin vuonna 1942 ehdottama lajien biologinen kriteeri on erinomainen esimerkki hybridologisesta lähestymistavasta. Mayerin mukaan laji on "todellisesti tai mahdollisesti risteytyvien luonnollisten populaatioiden ryhmiä, jotka ovat fysiologisesti eristettyjä muista sellaisista ryhmistä" [178] . Huolimatta tämän kriteerin laajasta ja pitkäaikaisesta käytöstä, sillä on haittapuolensa, erityisesti prokaryoottien tapauksessa [179] .
Lisääntymisesteiden olemassaolo kahden erilaisen populaation välillä on välttämätöntä uusien lajien muodostumiselle. Geenivirta voi hidastaa tämän esteen muodostumista ja levittää uusia geneettisiä piirteitä molempien erilaisten populaatioiden välillä. Riippuen siitä, kuinka paljon kaksi uutta lajia erosivat yhteisestä esi-isästä, ne voivat säilyttää kyvyn risteytyä ja tuottaa jälkeläisiä. Esimerkiksi hevosten ja aasien tapauksessa , jotka voivat risteytyä ja tuottaa jälkeläisiä muuleja . Tällaiset jälkeläiset ovat kuitenkin yleensä steriilejä. Tässä tapauksessa kaksi läheistä lajia voivat risteytyä säännöllisesti, mutta valinta toimii hybridejä vastaan. Joissakin tapauksissa hybridit voivat kuitenkin olla hedelmällisiä, ja näillä uusilla lajilla voi olla joko väliominaisuuksia kahden emolajan välillä tai niillä voi olla täysin uusi fenotyyppi [180] . Hybridisaation täysi merkitys lajittelulle on epäselvä, mutta esimerkkejä löytyy monista eläinlajeista [181] . Tutkituin on harmaan puusammakon ( Hyla chrysoscelis ) tapaus [182] .
Erittelyjä on neljää tyyppiä. Eläimillä yleisin on allopatinen lajittelu , jota esiintyy populaatioissa, jotka ovat maantieteellisesti erillään, kuten elinympäristön pirstoutumisen tai muuton kautta . Luonnonvalinta näissä olosuhteissa voi hyvin nopeasti johtaa muutoksiin organismien rakenteessa ja käyttäytymisessä [183] [184] . Koska valinta ja geneettinen ajautuminen toimivat itsenäisesti populaatiossa, joka on eristetty muista lajeista, tämä erottelu voi vähitellen johtaa lisääntymiseristyksen syntymiseen [185] .
Toinen lajittelutapa on peripatric speciaatio , joka tapahtuu, kun pieni populaatio eristetään uudessa ympäristössä. Suurin ero allopatrisesta lajittelusta on se, että eristetty populaatio on huomattavasti pienempi kuin esivanhempien populaatio. Uudessa pienessä populaatiossa perustajavaikutus aiheuttaa nopean lajittelun sisäsiitoksen ja homotsygoottisen valinnan kautta , mikä johtaa nopeaan geneettiseen muutokseen [186] .
Kolmas tapa lajitella on parapatinen erittely . Se on samanlainen kuin peripatrinen lajittelu, jossa pieni populaatio eristyy uudessa elinympäristössä, mutta parapatisessa lajittelussa näiden kahden populaation välillä ei ole fyysistä eroa. Spesiaatio on sen sijaan tulos prosesseista, jotka vähentävät geenivirtaa populaatioiden välillä [187] . Tyypillisesti tämäntyyppinen lajittelu tapahtuu, kun ympäristöolosuhteet muuttuvat radikaalisti . Eräs esimerkki on, että tuoksuva piikki (Anthoxanthum odoratum) voi läpikäydä parapatisen erittymisen vastauksena maaperän saastumiseen kaivosmetallien kanssa [ 188 ] . Saastuneissa paikoissa kasvit kehittyvät kestämään maaperän korkeita metalleja. Valinta risteytymistä vastaan maaperän metalleille vastustuskykyisten kasvien ja esi-isäpopulaatioiden kasvien välillä aiheutti asteittaisen muutoksen metalliresistenttien kasvien kukinta-aikaan, mikä johti lopulta lisääntymiseristyksen syntymiseen [189] .
Neljäs tapa - sympatrinen lajittelu - tapahtuu ilman eristäytymistä tai elinympäristön muutoksia. Tämä lajittelutapa on harvinainen, koska pienikin määrä geenivirtaa voi tasoittaa geneettisiä eroja populaation osien välillä [190] [191] . Lisääntymiseristyksen muodostamiseksi sympatrinen muodostuminen vaatii sekä geneettisiä eroja että ei-satunnaista parittelua [192] .
Yksi sympatrinen lajittelun tyyppi on kahden läheistä sukua olevan lajin hybridisaatio. Tätä tyyppiä ei yleensä esiinny eläimissä, koska eri emolaajien kromosomit eivät konjugoiudu meioosin aikana , jolloin niiden hybridit ovat steriilejä. Kasveissa tämä ongelma kuitenkin ratkaistaan polyploidisaatiolla [193] , joka mahdollistaa bivalenttien muodostumisen yhden emolajin kromosomeista meioosin aikana [194] . Esimerkki tällaisesta lajikkeesta on Arabidopsis thalianan ja Arabidopsis arenosan risteytys) uuden Arabidopsis suecica -lajin muodostuessa [195] . Tämä tapahtui noin 20 tuhatta vuotta sitten [196] ja toistettiin laboratorio-olosuhteissa [197] .
Extinction on kaikkien tietyn taksonin edustajien katoaminen. Sukupuuttoja ja lajittelua tapahtuu jatkuvasti koko elämänhistorian [199] . Suurin osa maapallolla koskaan eläneistä lajeista on kuollut sukupuuttoon [200] , ja ilmeisesti kaikkien lajien kohtalo on sukupuuttoon [201] . Sukupuuttoon kuolemista tapahtuu jatkuvasti, mutta jotkin globaalit tapahtumat johtavat lajien ja muiden taksonien massasukupuuttoon [202] . Liitu-paleogeeninen sukupuutto , johon ei-lintuiset dinosaurukset olivat osa , on tunnetuin massasukupuutto, ja permiaikainen sukupuutto on suurin - se johti 96 %:n lajeista sukupuuttoon [202] . Holoseenin sukupuutto on massasukupuutto, joka liittyy ihmisen toimintaan viimeisten muutaman tuhannen vuoden aikana. Nykyinen sukupuuttoon kuoleminen on 100–1000 kertaa suurempi kuin taustasukupuuttoon verrattuna, ja jopa 30 % lajeista saattaa kadota 2000-luvun puoliväliin mennessä [203] . Ihmisen toiminta on ensisijainen syy nykyiseen lajien sukupuuttoon [204] [205], ja globaali ilmastonmuutos voi pahentaa tilannetta entisestään [206] .
Sukupuuttoon kuolemisen seurauksia eloonjääneiden lajien evoluutiossa ei täysin ymmärretä, ja ne voivat vaihdella riippuen siitä, minkä tyyppistä sukupuuttoa tarkastellaan. Syynä pysyvään ei-massasukpuuttoon voi olla kilpailu rajallisista resursseista ( kilpailullisen syrjäytymisen periaate ) [1] . Tässä tulee esiin lajivalinta, jonka seurauksena sopeutuneimmat lajit säilyvät hengissä ja vähemmän sopeutuneet voivat kuolla sukupuuttoon [100] . Joukkosukupuutot vähentävät biologista monimuotoisuutta epäspesifisellä tavalla , mikä voi johtaa nopeaan evoluution ja lajittelun purkauksiin selviytyneissä [207] .
Elämän alkuperä eli abiogeneesi on välttämätön elementti evoluution alkamiselle sinänsä, mutta välittömästi ensimmäisen organismin ilmestymisen jälkeen alkaneiden evoluutioprosessien ymmärtäminen ja tutkiminen ei riipu siitä, mitä tiedämme elämän syntymisestä [208] . Tällä hetkellä tieteessä on yleisesti hyväksytty käsitys, että monimutkaiset orgaaniset aineet ja biokemialliset reaktiot ovat syntyneet yksinkertaisista kemiallisista reaktioista , mutta tämän prosessin yksityiskohdat eivät ole täysin selviä [209] . Myöskään elämän kehityksen alkuvaiheista, ensimmäisten organismien rakenteesta ja ominaisuuksista ja viimeisestä yleismaailmallisesta yhteisestä esi -isästä ei ole tarkkaa tietoa [210] . Yksi elämän syntymistä kuvaavista avainkäsitteistä on RNA-maailman hypoteesi [211] .
Kaikki maapallon organismit ovat peräisin yhteisestä esi-isästä tai esi-isien geenipoolista [150] . Elävät organismit ovat evoluution vaihe, jota edelsi lajittelu- ja sukupuuttoprosessit [212] . Kaikkien organismien suhde on osoitettu neljällä ilmeisellä tosiasialla. Ensinnäkin organismien maantieteellistä levinneisyyttä ei voida selittää pelkästään sopeutumilla erityisiin ympäristöolosuhteisiin. Toiseksi elämän monimuotoisuus ei ole sarja täysin ainutlaatuisia organismeja, vaan organismeja, joilla on rakenteeltaan yhteisiä piirteitä. Kolmanneksi esi-isiensä toimivia elimiä muistuttavien jälkielinten läsnäolo . Ja neljänneksi kaikki organismit voidaan luokitella yhteisten piirteiden perusteella hierarkkisiin sisäkkäisiin ryhmiin [213] . Nykyaikainen tutkimus kuitenkin viittaa siihen, että " elämän puu " voi olla monimutkaisempi kuin yksinkertainen haarautuva puu horisontaalisen geeninsiirron vuoksi [214] [215] .
Myös sukupuuttoon kuolleet organismit jättävät "tallenteita" evoluutiohistoriastaan fossiilien muodossa . Paleontologit tutkivat sukupuuttoon kuolleiden lajien anatomiaa ja morfologiaa ja vertaamalla niitä nykylaisiin, voivat määrittää niiden evoluution polun [216] . Tämä menetelmä soveltuu kuitenkin pääasiassa organismeille, joissa on kovia osia, kuten kuoria, luita tai hampaita. Tämä paleontologinen menetelmä ei sovellu prokaryooteille , koska niillä kaikilla on samanlainen morfologia.
Todisteita polveutumisesta yhteisestä esi-isästä vahvisti myös biokemiallisten prosessien yhteisyys organismien soluissa. Siten lähes kaikki organismit käyttävät samoja nukleotideja ja aminohappoja [217] . Molekyyligenetiikan kehityksen myötä osoitettiin, että evoluutioprosessit jättävät jälkiä genomeihin mutaatioiden muodossa. Molekyylikellon hypoteesin perusteella tuli mahdolliseksi määrittää lajien eron aika [ 218] . Esimerkiksi simpanssien ja ihmisten genomit ovat 96-prosenttisesti samat, ja ne harvat alueet, jotka eroavat toisistaan, antavat meille mahdollisuuden määrittää heidän yhteisen esi-isänsä olemassaolon ajan [219] .
Ensimmäiset organismit ilmestyivät Maahan kemiallisen evoluution seurauksena viimeistään 3,5 miljardia vuotta sitten [220] ja joidenkin tietojen mukaan 4,1 miljardia vuotta sitten [221] . Noin 2,5 miljardia vuotta sitten syanobakteereissa ilmaantui happipitoinen fotosynteesi , mikä johti maan ilmakehän hapettumiseen .
Noin 2 miljardia vuotta sitten ensimmäiset eukaryoottiorganismit ilmestyivät. Tarkkoja yksityiskohtia siitä, kuinka prokaryoottisolut kehittyivät eukaryoottisoluiksi, ei tiedetä, ja tästä on olemassa huomattava määrä hypoteeseja. Tiedetään luotettavasti, että jotkin organellit, mitokondriot ja kloroplastit ovat syntyneet proteobakteerien ja syanobakteerien symbiogeneesin seurauksena [222] [223] .
Seuraava tärkeä askel elämän kehityksessä maapallolla oli monisoluisten organismien ilmaantuminen . Tämä tapahtui noin 610 miljoonaa vuotta sitten valtamerissä Ediacaran aikana [224] [225] .
Ensimmäisten monisoluisten organismien ilmaantumisen jälkeen, seuraavien noin 10 miljoonan vuoden aikana, niiden biologinen monimuotoisuus lisääntyi merkittävästi , nimeltään kambrian räjähdys . Fossiiliaineistossa esiintyy edustajia lähes kaikista nykyaikaisista elävien organismien tyypeistä sekä monien sukupuuttoon kuolleiden sukujen edustajia [226] [227] . Kambrian räjähdyksen syiden selittämiseksi on ehdotettu erilaisia hypoteeseja, mukaan lukien hapen kertyminen ilmakehään fotosynteettisten organismien toiminnan seurauksena [228] [229] .
Noin 500 miljoonaa vuotta sitten maalle tuli kasveja ja sieniä , joita seurasi pian niveljalkaiset ja muut eläimet [230] . Hyönteiset ovat olleet menestyneimpiä ja muodostavat nyt suurimman osan eläinlajeista [231] . Sammakkoeläimet ilmestyivät noin 360 miljoonaa vuotta sitten , ja ensimmäiset lapsivesieliöt syntyivät niistä 330 miljoonaa vuotta sitten . Hieman myöhemmin amniootit jaettiin kahteen evolutionaariseen linjaan - sauropsideihin (joka synnytti matelijoita ja lintuja ) ja synapsideihin (joka synnytti nisäkkäitä ) [232] .
AntropogeneesiIhmisen alkuperä ja kehitys ovat olennainen osa elävien evoluutiota. Homo sapiens (neoantrooppi) kuuluu hominidien perheeseen , kädellisten joukkoon . Kädelliset ilmestyivät eri arvioiden mukaan 65-85 miljoonaa vuotta sitten [233] . Noin 30 miljoonaa vuotta sitten suurapinoiden supersuku erosi muista kuivanepsistä apinoista [233] ja noin 19 miljoonaa vuotta sitten hominidit erosivat gibbonien esi-isistä [ 234] . Sahelanthropus, simpanssin ja Homo -suvun viimeinen yhteinen esi -isä, ilmestyi noin 7 miljoonaa vuotta sitten [235] . Jatkokehitys johtaa Australopithecuksen ilmestymiseen, josta ilmeisesti ensimmäinen Homo syntyi 2 miljoonaa vuotta sitten [235] . Noin 200 tuhatta vuotta sitten ilmestyi anatomisesti nykyaikaisia ihmisiä[236] . Nykyaikaisten arvioiden mukaan noin 190 tuhatta vuotta sitten elävien ihmisten viimeinen yhteinen esi-isä äidin puolella - mitokondriaalinen Eeva [237] .
Evoluutiobiologiassa , erityisesti luonnonvalinnassa , käytetyillä käsitteillä ja malleilla on suuri määrä sovelluksia [238] .
Keinotekoista valintaa on käytetty tuhansia vuosia uusien kasvilajikkeiden ja kotieläinrotujen kehittämiseen [239] . Viime aikoina valinnalla on alkanut olla merkittävä rooli geenitekniikassa , esimerkiksi haluttujen kloonien valinnassa käyttämällä valikoitavia markkereita.
Organismin evoluution aikana tapahtuneiden muutosten ymmärtäminen voi auttaa tunnistamaan geenejä, jotka osallistuvat tietyn kehon osan rakentamiseen, tai geenejä, jotka osallistuvat perinnöllisten sairauksien kehittymiseen [240] . Esimerkiksi meksikolainen tetra , albiino-luolakala, sokeutui evoluution aikana [241] . Tämän kalan eri populaatioiden yksilöiden risteytys johti toimivien silmien jälkeläisten ilmestymiseen, koska eri luolissa elävillä eri populaatioilla oli erilaisia mutaatioita. Tämä auttoi tunnistamaan näön edellyttämät geenit [242] .
Tietojenkäsittelytieteessä evoluutioalgoritmien ja keinotekoisen elämän käyttö alkoi 1960-luvulla, ja myöhemmin sitä laajennettiin simuloimaan keinotekoista valintaa [243] . Evoluutioalgoritmeista on tullut tunnustettu optimointitekniikka Ingo Rechenbergin työn jälkeen. Hän käytti evoluutioalgoritmeja monimutkaisten teknisten ongelmien ratkaisemiseen. John Hollandin työn jälkeen geneettisistä algoritmeista tuli suosittuja . Käytännön sovelluksiin kuuluu myös tietokoneohjelmien automaattinen kehitys. Evoluutioalgoritmeja käytetään nykyään moniulotteisten ongelmien ratkaisemiseen sekä järjestelmän suunnittelun optimointiin [244] .
1800-luvulla, varsinkin sen jälkeen, kun Lajien alkuperästä julkaistiin vuonna 1859, ajatus siitä, että elämä kehittyi sen sijaan, että se olisi luotu "valmiin" muotoon, oli tieteellisen ja julkisen keskustelun aihe. Pohjimmiltaan nämä keskustelut keskittyivät evoluutioteorian filosofisiin, sosiaalisiin näkökohtiin ja suhteeseen uskontoon. Tällä hetkellä evoluution tosiasia ei ole epäselvä ylivoimaisen joukon tutkijoita, ja yleisimmin hyväksytty evoluutioprosessin mekanismeja selittävä teoria on synteettinen evoluutioteoria [1] . Tästä huolimatta monet uskovat eivät tunnusta evoluution tosiasiaa.
Useat uskonnolliset uskontokunnat ovat nyt tunnustaneet mahdollisuuden yhdistää uskonnolliset uskomukset evoluutioon sellaisten käsitteiden avulla kuin teistinen evolutionismi . Kuitenkin on myös kreationisteja , jotka uskovat, että evoluutio on ristiriidassa heidän uskonnoissaan olevien uskonnollisten käsitysten kanssa maailman ja elävien olentojen alkuperästä, ja he kyseenalaistavat tässä suhteessa evoluution todellisuuden [126] [245] [ 246] . Eniten uskonnollisten ja tieteellisten näkemysten välisiä kiistoja aiheuttaa sellainen evoluutiobiologian näkökohta, kuten ihmisen alkuperä ja hänen sukulaisuus apinoihin , sekä se, että ihmisten henkisten kykyjen ja moraalisten ominaisuuksien syntymiselle oli luonnollisia syitä. Joissakin maissa, erityisesti Yhdysvalloissa , nämä tieteen ja uskonnon väliset jännitteet ovat ruokkineet evoluution-kreationistista keskustelua., konflikti, joka keskittyy politiikkaan ja julkiseen koulutukseen [247] . Vaikka monien tieteenalojen, kuten kosmologian ja geologian, tiedot ovat ristiriidassa uskonnollisten tekstien kirjaimellisen tulkinnan kanssa, evoluutiobiologia on se, joka on eniten ristiriidassa uskonnollisten kirjailijoiden näkemysten kanssa.
Jotkut evoluution vastaisista kreationistisista käsitteistä, kuten " tieteellinen kreationismi " ja 1990-luvun puolivälin uuskreationistinen " älykkään suunnittelun " käsite , väittävät niillä olevan tieteellinen perusta . Tiedeyhteisö kuitenkin tunnustaa ne pseudotieteellisiksi käsitteiksi, koska ne eivät täytä todennettavuuden , väärennettävyyden ja Occamin periaatteen kriteerejä ja ovat myös ristiriidassa tieteellisten tietojen kanssa [248] [~ 2] .
![]() |
|
---|---|
Bibliografisissa luetteloissa |
|
evoluutiobiologia | |
---|---|
evoluutioprosessit | |
Evoluution tekijät | |
Populaatiogenetiikka | |
Elämän alkuperä | |
Historialliset käsitteet | |
Nykyajan teoriat | |
Taksonien evoluutio | |