О эволюции. Часть 4

О эволюции часть 4

Часть четвёртая. Эволюционная теория и молекулярная биология. Результаты.

Часть первая  http://www.proza.ru/2012/10/14/1055
Часть вторая http://www.proza.ru/2012/11/16/1923
Часть третья http://www.proza.ru/2013/03/08/1619



Если судя по ранее сказанному путь развития видов сложен, и выяснить точную летопись «кто из кого произошёл» маловероятно то,   как выясняется «кто от  кого и в кого произошёл»?  Если палеонтология, на такие «переходные» процессы, вряд ли даст ответ. (Почему? Читайте  первую часть http://www.proza.ru/2012/10/14/1055 ). Тут вступает в свои права молекулярная биология.

 Я не буду вдаваться в очень глубокие подробности, лучше в конце текста дам ссылки, где они есть.

Ещё раз напомню о моментах в современной теории эволюции, которые были неизвестны во времена Дарвина и соответственно не учитывались.



«Нейтральная теория эволюции» — теория утверждающая, что подавляющее число мутаций на молекулярном уровне носит нейтральный по отношению к естественному отбору характер. То есть мутации следствие не каких-то внешних факторов, а следствие факторов внутренних, не столько биологических, а физических. Молекулы видоизменяются, потому что есть квантовомеханическая вероятность таких изменений, а не из за биологической целесообразности.


Можно как пример привести игру в карты.  Выпадение каких-либо комбинаций карт  при раздаче не привязана к конкретной игре, как и вероятность выпадения какой-либо комбинации генов. А вот интерпретация карточной комбинации, её полезность либо вредность уже зависит как от конкретной игры, так и момента в ней. В приложении к комбинации генов это значит, что важность генной комбинации определяется  внешними условиями, в которой ей предстоит себя проявить. Но в момент изменения молекулы «не знают» хорошо это или плохо для выживания, всё определяется только статистическим разбросом при эволюции квантовомеханической системы, которую и представляют собой молекулы.

Теория была разработана Мото Кимурой в конце 1960-х годов. Теория нейтральной эволюции хорошо согласуется с фактом постоянной скорости закрепления мутаций на молекулярном уровне, что позволяет, к примеру, оценивать время расхождения видов.



«Горизонтальный перенос генов» - процесс переноса генетической информации не от родителя к потомку в процессе размножения, (это будет вертикальный перенос генов), а от организма одного вида к другому неполовыми путями. Чаще всего это происходит у микроорганизмов между собой. Или от микроорганизмов к крупному организму, например у вирусов. Они могут внедрить в нашу клетку свою генную информацию, а процесс репликации не запустить, в некоторых случаях такая клетка остаётся способна к жизнедеятельности в составе организма, ещё реже такая клетка-химера является клеткой продуцирующей половые, и тогда эта генетическая информация полученная от вируса имеет шанс быть включённой в яйцеклетку или сперматозоид.  По нынешним оценкам геном человека на 5-8% состоит из информации доставшейся нам от вирусов именно таким путём. Это не значит, что она досталась именно и только  человеку. А до того её не было. Эти «обрывки вирусов» присутствуют в геноме очень давно, со времён как наши предки стали многоклеточными,  постепенно накапливаясь.  Соответственно в геноме  других жителей Земли та-же картина.

Карл Вёзе высказал гипотезу, согласно которой на первых этапах развития жизни, во время формирования первых клеток, основную роль играл горизонтальный перенос генов. В этом случае, возможно, что последний универсальный общий предок представлял собой не единственную клетку, а группу примитивных клеток, свободно обменивающихся генетическим материалом.




Вновь приведу карточную аналогию. Вы играете колодой карт, в которой от огромного количества прошлых игр накопилось некоторое количество карт совпадающих с остальными только по внешним габаритам, из колоды не выпирают в смысле. А вот изображённое на них к стандартной колоде отношения вообще не имеет. Там изображены странные масти:  наскальная живопись, медный чайник, корабли и сургучные печати, короли и капуста в общем.  Выбрасывать карты вы не имеете права. При игре они просто игнорируются, откладываются в отбой, раз уж сданы. Потому что непонятно как их использовать, иначе надо ломать, менять правила игры. Потом снова тасуются вместе со всеми «правильными» картами. Но очень иногда, когда внешние условия странные, плохой свет, на игроков давят рэкетиры, в общем нечто нестандартное, тогда такая карта может быть как –то использована. После этого могут быть изменены правила игры, появляется новая игра.

Так и с генами вирусов, которые «прописались» в нашей ДНК, они кодируют белки настолько чуждые нашей физиологии, предназначенные для действий настолько неуместных в нашем организме, что перед ними закреплена метка говорящая «а вот дальше читать не надо», а после «а вот отсюда снова можно». Ведь в нашем геноме нет механизма,  позволяющего выбросить лишнюю информацию, можно только игнорировать. Вот кстати, поэтому у нас в геноме столько «спящих генов», которые не просыпаются или просыпаются только при внутриутробном развитии. Иначе, почему зародыш последовательно проходит стадии рыбки, ящерки, пробегается по эволюционной цепочке? Потому что нет инженера, который бы каждый раз перепроектировал геном для каждого вида с нуля, есть постепенное накопление нового поверх старого.

Спящие гены потому спящие, что нужны или в очень ограниченный момент времени жизни организма, или не нужны уже вообще, доставшись «по случаю», как красивые кожаные ботинки,  которые замечательны сами по себе, но никак не налезут  на ноги, и не соответствует не одному костюму.

Вот когда внешние условия радикально поменяются, так что большинство особей начнёт вымирать, вот тогда может оказаться что какое-то свойство даваемое этими генами, свойство которое в нормальных условиях организм ослабляют, теперь может оказаться решающим для выживания. Произойдёт «смена правил игры».



  Учитывая вышесказанное продолжу.  Значительная часть внутривидовой изменчивости объясняется не действием отбора, а случайным дрейфом (см википедию Дрейф генов) мутантных аллелей, которые нейтральны или почти нейтральны.


Понятие «аллель»  требует отдельного объяснения, в переводе с греческого это означает «друг-друга», «взаимно».  Оно означает различные виды одного итого-же гена расположенные в гомологичных хромосомах.  Различные виды означает, что ген может задавать несколько вариантов какого-то признака.  Например, вислые или стоячие уши. Окрашенные или нет клетки цветка. Как переключатель, состояние которого  может зависеть от различных факторов.





Перед дальнейшими рассуждениями об эволюции хочу сказать о одной интересной проблеме, возникающей не только в биологии. Это неизбежная математизация наук. Науки начинают использовать для описания математику и становится очень сложными для популяризации.  Приведу пример из физики, есть теория Максвелла, так вот по мнению физиков, а это и специализация моей  альма-матер (Харьковский университет физико-технический факультет) теория Максвелла состоит из уравнений Максвелла, а остальное вредные попытки объяснить обыденными терминами вещи для которых эти самые обыденные термины (бытовые термины) абсолютно не предназначены. То-есть теория это группа уравнений и всё, вполне достаточно.

 Проходит время чётких словесных определений для многих явлений. Нет в бытовом языке соответствующих понятий.


Например, молекулярная биология рассматривает изменение генов от организма к организму. Но в для неё абсолютно безразличны такие определения как вид, род, тип. То есть они используются, конечно, но когда хочешь что то определить, надо определить границы. Попробуйте определить, когда один вид переходит в другой. Стандартным определением считается, что это происходит тогда, когда  особи не могут давать совместное потомство. Вроде всё понятно и ясно.  Нет совместного потомства, значит разные виды.

Но всегда есть детали, которые часто опрокидываю целое. Например, потомство совместное возможно, но оно стерильно. Как мул и лошак. Или потомство возможно, но в природе особи не пересекаются, поэтому и не возникает, а внешне особи сильно различны. Вариантов масса. Или молекулярный анализ показывает, что вероятность совместного репродуктивного потомства одна десятитысячная процента.  Это разные виды?  А если одна тысячная процента? Одна сотая процента? Где провести границу?  Это как начать доставать математиков начиная с каких чисел их, числа, следует называть большими. Они скажут: «Да нам всё равно. Вот вам правила числообразования, а вы сами себе придумайте какие числе будете называть крохотными, какие малюпусенькими, а какие офигинитительным, на нашу работу это никак не повлияет».


Как пример такого «сложнонепонятного» для точной классификации.

Далее цитата из Википедии:

Белый медведь.

Конкретным примером крупномасштабных эволюционных изменений при неполном видообразовании является белый медведь (Ursus maritimus), который, несмотря на родство с бурым медведем (Ursus arctos)  ????  Арктос?  , очевидное в силу того факта, что эти виды могут скрещиваться и давать плодовитое потомство, приобрёл значительные физиологические различия с бурым медведем. Эти различия позволяют белому медведю комфортно жить в условиях, в которых бурый медведь не выжил бы. В частности, белый медведь способен проплыть десятки километров в ледяной воде, его окраска сливается со снегом, он не замерзает в Арктике. Всё это возможно благодаря конкретным изменениям: белая окраска способствует маскировке хищника при охоте на тюленей; полые волоски увеличивают плавучесть и сохраняют тепло; слой подкожного жира, толщина которого к зиме доходит до 10 сантиметров, обеспечивает дополнительную теплоизоляцию; удлинённая, по сравнению с другими медведями, шея позволяет легче держать голову над водой во время плавания; увеличенные лапы с перепонками действуют как весла; небольшие бугорки и полости-присоски на подошвах уменьшают опасность поскользнуться на льду, а плотная шерсть на подошвах защищает лапы от сильного холода и обеспечивает трение; уши меньше, чем у других медведей, и уменьшают потери тепла; веки действуют как солнечные очки; зубы острее, чем у других медведей, и больше подходят для полностью мясного рациона; увеличенный объём желудка позволяет голодному хищнику съесть сразу целого тюленя, кроме того, белый медведь способен обходиться без пищи до девяти месяцев за счет переработки мочевины.

Конец цитаты.


Всё ясно и понятно, только непонятно как это классифицировать. Если опираться не на обыденные представления «мишки внешне не похожи, в природе вместе не встречаются, значит, они разные», а на реальное генетическое родство. О связях между белым и бурым медведем будет ещё в ближе к концу произведения


Так же возникают непонятности с точными границами определений «Макроэволюция» и «микроэволюция».

Далее цитата из Википедии:


«Макроэволюция органического мира — это процесс формирования крупных систематических единиц: из видов — новых родов, из родов — новых семейств и т. д. В основе макроэволюции лежат те же движущие силы, что и в основе микроэволюции: наследственность, изменчивость, естественный отбор и репродуктивная изоляция. Так же, как и микроэволюция, макроэволюция имеет дивергентный характер.

Понятие макроэволюции интерпретировалось многократно, но окончательного и однозначного понимания не достигнуто.

Согласно одной из версий, макроэволюция — изменения системного характера, соответственно, огромных промежутков времени они не требуют.

Теория нейтральной эволюции не оспаривает решающей роли естественного отбора в развитии жизни на Земле. Дискуссия ведётся касательно доли мутаций, имеющих приспособительное значение. Большинство биологов признаёт ряд результатов теории нейтральной эволюции, хотя и не разделяет некоторые сильные утверждения, первоначально высказанные М. Кимурой.»

«Процессы макроэволюции требуют огромных промежутков времени и непосредственно изучать её в большинстве случаев не представляется возможным. Одно из исключений — наблюдаемое ускоренное формирование новых надвидовых таксонов моллюсков в условиях гибели Аральского моря.
Одним из методов изучения макроэволюции является компьютерное моделирование. Так, с конца 1980-х макроэволюция изучается с помощью программы MACROPHYLON.»

Конец цитаты.


Как видите даже с фундаментальными определениями несть непонятности. Но как я говорил выше эти непонятности возникают не от того что работающие в данной области не понимают процессов которые изучают, непонятности с определениями возникают потому что изучаемые процессы не имеют адекватного отражения в бытовой лексике. А наука использует математику, так как математика это великолепный формальный язык и собственно описания и результаты экспериментов.



Не строгость определений, их субъективность понимал и Дарвин.  Согласно Дарвину, «в ряду форм, незаметно переходящих одна в другую от какого-либо обезьянообразного существа до человека в его современном состоянии, было бы невозможно точно указать, которой именно из этих форм следует впервые дать наименование „человека“»


От себя к этой фразе Дарвина добавлю: Если ещё при освоении Америки поселенцы могли вынести разные суждения о том считать индейцев людьми или нет. Если ещё в 19 и начале 20 века  назад относительно африканских племён велись такие-же споры «люди или не люди», то о каком «общеудовлетворительном общем мнении» можно вести речь?  Определения субъективны и более важны для юристов и журналистов чем для исследователей.



Далее цитата по экспериментальной части эволюционной теории.



Цитата:


«Опыты Г. Шапошникова по искусственной эволюции — серия опытов, проведённых в конце 1950-х — начале 1960-х годов советским биологом Георгием Христофоровичем Шапошниковым, в процессе которых проводилась смена кормовых растений у различных видов тлей. Во время опытов впервые наблюдалась репродуктивная изоляция использованных в эксперименте особей от исходной популяции, что свидетельствует об образовании нового вида.
Средняя смертность личинок тлей на первичном кормовом растении была невелика, хотя для Anthriscus была ниже, что объясняется более высоким содержанием небелкового азота. Во время периода адаптации к новому кормовому растению смертность увеличивалась в десятки раз и в некоторых случаях достигала 100%. По окончании периода адаптации смертность снижалась к уровню, характерному для видов, изначально специализировавшихся на данном растении.
Таким образом, естественный отбор интенсифицируется в период адаптации, в привычных же условиях он действует очень слабо. Процесс эволюции представляет собой чередование кратковременных периодов быстрых изменений с периодами относительного покоя и стабилизации.
У A. chaerophyllina адаптация шла в направлении использования нового, но пригодного корма. В результате интенсивность отбора была невелика, соответственно невелика была и глубина адаптации: освоив новое кормовое растение, тли не потеряли способность жить на старом. Адаптации такого уровня до Шапошникова исследовали Смирнов и Чувахина на примере оранжерейной тли Neomyzus circumflexus и Кожанчиков на примере листоедов Gastroidea viridula и Galerucella lineola.
У A. majkopica шёл процесс освоения нового, ранее малопригодного корма. Интенсивность естественного отбора была чрезвычайно высока. В результате произошла глубокая адаптация, в процессе которой тли потеряли способность жить на старом кормовом растении.»

Конец цитаты.

То есть вы поняли, как «необходимость мать изобретения», так и угроза смерти стимул адаптации, без неё изменения хаотичны, не направлены.   Нечто подобное в отношении регенерации было обнаружено биологами. Далее приблизительно по памяти потому что читал это давно, более десяти лет назад, и в каком журнале не помню уже. Но общий смысл таков:
 Случайно был, опровергнут миф что нервные клетки не восстанавливаются.  Один биолог страдающий рассеяностью проводил такой опыт: направленно уничтожал микрозоны мозга у крыс а потом изучал восстанавливаются или нет. Они не восстанавливались, крысы спокойно ели корм и шевелили усами. Потом данный биолог завеявшись на несколько дней закрыл лабораторию забыв передать кому-то кормление зверьков. Когда он приехал, то двух крыс уже с голодухи сожрали другие. Биолог погоревал не много и обследовал оставшихся. У них пошло восстановление нервных тканей. Оказывается, при благоприятных внешних условиях этот процесс просто не запускается.

Поскольку источника я не привёл, то можете считать это байкой. Но то, что  регенерация чего-либо запускается только по необходимости это факт, давно используемый медиками.


Далее вновь цитата из «Доказательства эволюции»  Википедия:

 Наблюдаемое видообразование.

Судя по палеонтологической летописи и по измерениям скорости мутаций, полная несовместимость геномов, делающая невозможным скрещивание, достигается в природе в среднем за 3 млн лет. А значит, наблюдение образования нового вида в естественных условиях в принципе возможно, но это редкое событие. В то же время, в лабораторных условиях скорость эволюционных изменений может быть увеличена, поэтому есть основания надеяться увидеть видообразование у лабораторных животных.
Известны многие случаи видообразования посредством гибридизации и полиплоидизации у таких растений как конопля, крапива, первоцвет, редька, капуста, а также у различных видов папоротников. В ряде случаев видообразование у растений происходило без гибридизации и полиплоидизации (кукуруза, стефаномерия (англ.)русск. Stephanomeria malheurensis из семейства астровых).

Дрозофилы, также известные как плодовые мухи, входят в число наиболее изученных организмов. С 1970-х годов зафиксированы многие случаи видообразования у дрозофил. Видообразование происходило, в частности, за счёт пространственного разделения, разделения по экологическим нишам в одном ареале, изменения поведения при спаривании, дизруптивного отбора, а также за счет сочетания эффекта основателя с эффектом бутылочного горлышка (в ходе экспериментов founder-flush).

Видообразование наблюдалось в лабораторных популяциях комнатных мух, мух Eurosta solidaginis, яблонных мух-пестрокрылок, мучных жуков, комаров и других насекомых.
Известны случаи, когда в результате давления отбора (в присутствии хищников) одноклеточные зелёные водоросли из рода хлорелла образовывали многоклеточные колониальные организмы, а у бактерий в аналогичных условиях менялось строение и увеличивались размеры (c 1,5 до 20 микрометров за 8—10 недель). Являются ли эти случаи примерами видообразования, зависит от того, какое используется определение вида (при бесполом размножении нельзя использовать критерий репродуктивной изоляции).
Видообразование также наблюдалось и у млекопитающих. Шесть случаев видообразования у домовых мышей на острове Мадейра за последние 500 лет были следствием исключительно географической изоляции, генетического дрейфа и слияния хромосом. Слияние двух хромосом — это наиболее заметное различие геномов человека и шимпанзе, а у некоторых популяций мышей на Мадейре за 500 лет было девять подобных слияний.


Яблонная муха


Яблонная пестрокрылка Rhagoletis pomonella является примером наблюдаемого симпатрического видообразования (то есть видообразования в результате разделения по экологическим нишам). Первоначально вид обитал в восточной части США. До появления европейцев личинки этих мух развивались только в плодах боярышника. Однако с завозом в Америку яблонь (первое упоминание яблонь в Америке — 1647 год), открылась новая экологическая ниша.


 В 1864 году личинки Rhagoletis pomonella были обнаружены в яблоках, тем самым зафиксирована яблонная раса этого вида. За полтора века наблюдений расы очень сильно разошлись. Они почти не скрещиваются друг с другом (уровень гибридизации не превышает 4—6 %). Яблоневая раса спаривается почти исключительно на яблонях, а боярышниковая — на боярышнике, что, учитывая разное время созревания плодов, приводит к репродуктивной изоляции. В скором времени возможно превращение этих рас в самостоятельные виды.
У пестрокрылок известно ещё несколько видов-двойников, которые живут на разных видах растений, — предположительно, видообразование у них протекало именно по описанной схеме»






Ещё из результатов работ по молекулярной биологии.


«Расформирован»   отряд ластоногих, оказалось, что хоть моржи, тюлени и ушастые тюлени похожи внешне, они совсем не родственники. 

Ушастые тюлени и моржи сестринская группа по отношению к медвежьим.

Настоящие тюлени происходят от куньих, то есть родственники хорька и куницы и прочих куньих.


«Первоначально предполагалось, что белый медведь отделился от бурого около 45—150 тысяч лет назад, вероятно на территории современной Ирландии. Однако, последнее исследование показало, что белый медведь отделился от их общего с бурым медведем предка 338—934 тысяч лет назад (в среднем 600 тысяч лет назад), а 100—120 тысяч лет назад в результате скрещивания представителей видов произошла их гибридизация, в результате чего все современные белые медведи являются потомками этих гибридов». – цитата из Википедии.



Далее приведу ещё цитату, так как очень понравилась информативностью:


«Детальный анализ геномов кошки и других млекопитающих привел к радикальному пересмотру всего родословного древа млекопитающих. Интересующие нас кошки входят в отряд хищных, который принадлежит ветви лавразиотериев, включающей наибольшее число видов. Дальнейшее деление приводит, в числе прочего, к хищно-копытно-рукокрылым млекопитающим. И как бы ни безумно выглядела эта группа, ее общее происхождение убедительно подтверждается молекулярными данными. Более того, эти же данные показывают, что дальнейшее ветвление в этой группе происходило вовсе не так, как можно было бы заключить из внешнего облика животных, ее составляющих.


Первыми отделились кито-парнокопытные. (Это не опечатка: именно так – кито-парнокопытные. В старом, «домолекулярном» древе китов выводили прямо от корня куста млекопитающих. Сейчас оказалось, что ближайшим родственником китов является бегемот). Другая ветвь – пегасохищные – ветвится на непарнокопытных (лошади, тапиры, носороги), хищных (кошки, собаки, медведи, моржи и др.) и рукокрылых (летучие мыши).


Совершенно определенно то, что последний общий предок лошади и кошки существовал позже (т.е. ближе к нашему времени), чем последний общий предок лошади и коровы. Родословное древо самих кошачьих было также существенно пересмотрено за последние 20 лет. Выяснилось, что первое разделение этого семейства произошло около 11 млн лет назад в Азии, когда от него отделилась линия больших рычащих кошек (лев, тигр, леопард, ягуар и снежный барс). Многие виды, принадлежащие к этой группе, имеют практически идентичные хромосомные наборы. В природе они сохраняются как отдельные виды, но в неволе от них легко получается гибридное потомство. Многие зоопарки имеют тигрольвиц, лигров и т.д. И хотя большинство из них стерильно, сама возможность получения жизнеспособных гибридов между этими видами указывает на большое генетическое сходство рычащих кошек друг с другом.
 

Вторая группа, выделившаяся тоже в Азии, состоит из мраморного кота и азиатской золотистой кошки, ныне обитающих в Юго-Восточной Азии. От этой линии отделилась и мигрировала в Африку ветвь, к которой относится сервал, каракал и африканская золотистая кошка. Это произошло 6-10 млн лет назад, когда уровень мирового океана был довольно низким, и между Африкой и Азией существовала перемычка в районе современного Красного моря. В это же время стальные кошки широко расселились по Азии, а часть их перешла по Берингийскому мосту в Северную Америку. Именно там находят самые древние останки рыси, оцелота и пумы. Затем потомки североамериканцев мигрировали назад в Азию и затем в Африку, где дали начало евроазиатской рыси и африканскому гепарду. В конце плиоцена (2-3 млн лет назад) образовался Панамский перешеек между Северной и Южной Америкой. В Южную Америку проникла линия оцелота и дала начало семи новым видам кошек. Туда же перебрались из Северной Америки пума и ягуар. Разделение остальных азиатских кошек на отдельные роды и виды произошло в Евразии в течение последних 5 млн лет. Именно к этой группе принадлежит домашняя кошка.»


Конец цитаты.


Я не желаю далее раздувать свою статью цитатами, поэтому просто рекомендую прочитать в Википедии «Доказательства эволюции» и некоторые родственные ей статьи, «эволюция китообразных»,  «видообразование». Если вы это прочитаете, то возможная дискуссия будет более продуктивной.




Далее ссылки, которые могут быть интересными.


http://charles-darwin.narod.ru/rereading.pdf
http://www.bionet.nsc.ru/vogis/pict_pdf/2009/2009_2/17.pdf


В этом цикле «О эволюции» состоящим из четырёх частей я рассмотрел вопросы и проблемы в дисциплинах связанных с развитием жизни. Постарался затронуть наиболее распространённые заблуждения. Кратко рассмотрел современное состояние описанных дисциплин.

По данной тематике достаточно дополнительной информации в сети.

Если что – задавайте вопросы.