Mechanizmy ewolucji biologicznej
Jeszcze na początku XIX wieku panowało powszechne przekonanie, że wszystkie występujące na Ziemi gatunki powstały jednocześnie i od tego czasu pozostają niezmienne. Nieliczne wątpliwości, związane na przykład z odkryciami szczątków prehistorycznych zwierząt, nie zapowiadały jeszcze rewolucji w myśleniu o pochodzeniu gatunków, której autorem był Karol Darwin.
wszystkie organizmy na Ziemi są ze sobą spokrewnione;
istnieją dowody na wspólne pochodzenie organizmów.
wskazywać genetyczne i ekologiczne czynniki mające wpływ na powstawanie gatunków;
wyjaśniać zasady działania doboru naturalnego;
podawać przykłady doboru sztucznego;
porównywać dobór naturalny z doborem sztucznym;
wyjaśniać, jak powstają gatunki.
1. Karol Darwin i jego badania
Jednym z pierwszych naukowców, którzy podjęli się wyjaśnienia źródła ogromnej różnorodności gatunków żyjących na Ziemi teraz i w przeszłości, był Karol Darwin. Jego badania prowadzone podczas wyprawy naukowej dookoła świata, jaką odbył na statku Beagle w latach 1831‑1836, zostały zwieńczone sformułowaniem teorii ewolucji i stały się podstawą do dalszych poszukiwań. Teoria ewolucji wywarła ogromny wpływ na wszystkie dziedziny nauk przyrodniczych.
W swojej podróży Darwin miał okazję m.in. do badania zwierząt, roślin, skamieniałości i układów skał. Jego obserwacje dotyczyły cech organizmów będących przystosowaniem do tak rozmaitych środowisk, jak wilgotne lasy Brazylii, trawiaste obszary Argentyny czy potężne szczyty Andów.
Najważniejsze obserwacje Darwin poczynił na Wyspach Galapagos. Zobaczył tam nieznane dotychczas legwany morskie, gigantyczne żółwie słoniowe i pingwiny równikowe. Zwierzęta takie nie były znane z żadnych innych miejsc na Ziemi.
Podczas pobytu na Wyspach Galapagos Darwin porównywał rośliny i zwierzęta zasiedlające te tereny oraz ląd Ameryki Południowej. Zauważył, że pomimo podobieństw, gatunki zwierząt z wysp i stałego lądu wyraźnie się różnią. Dostrzegł również różnice wśród zwierząt zamieszkujących poszczególne wyspy archipelagu. Jedną z grup, które zwróciły jego uwagę były darwinki (zięby Darwina), różniące się m.in. kształtem i rozmiarem dzioba, co było wynikiem przystosowania tych ptaków do pozyskiwania różnego pokarmu. Na podstawie budowy dzioba Darwin wyróżnił wśród nich m.in. zięby owocożerne, liściożerne, owadożerne.
Darwin, próbując znaleźć stosowne wyjaśnienie różnorodności darwinek z Wysp Galapagos, przyjął, że w dalekiej przeszłości każda z wysp została zasiedlona przez ptaki, które zdołały przedostać się ze stałego lądu Ameryki Południowej. Nieco odmienne warunki życia na wyspach spowodowały, że ptaki musiały dostosować się do dostępnego tam pokarmu i różnicować się, dając początek nowym gatunkom.
Po powrocie do Anglii przyrodnik przez wiele lat opracowywał zgromadzone podczas wyprawy okazy i analizował poczynione obserwacje. Rezultatem tych prac było sformułowanie teorii doboru naturalnegoteorii doboru naturalnego wyjaśniającej przyczyny ewolucji, opublikowane w dziele „O powstawaniu gatunków drogą doboru naturalnego”, wydanym w roku 1859.
Podaj przykłady modyfikowania cech różnych organizmów przez czynniki środowiska. Zastanów się, czy cechy te są dziedziczne. Uzasadnij odpowiedź.
2. Jak działa dobór naturalny?
Teoria doboru naturalnego zaproponowana przez Karola Darwina i uzupełniona przez badania nad istotą dziedziczenia oparta jest na faktach wywodzących się z obserwacji świata przyrody. Można łatwo zauważyć, że:
gatunki wydają więcej potomstwa, niż może przetrwać w środowisku i więcej niż potrzeba do zastąpienia rodziców; spośród wielu złożonych jaj, urodzonych młodych czy rozsianych nasion tylko niewielka część stanie się dojrzałymi osobnikami i wyda potomstwo;
osobniki jednego gatunku nie są identyczne, różnią się od siebie wieloma cechami, np. rozmiarami ciała, umaszczeniem, sprawnością, podatnością na choroby;
w danym środowisku pojawiają się dziesiątki, setki a czasem tysiące organizmów potomnych, a zasoby środowiska są ograniczone, co wywołuje bardzo silną konkurencję wewnątrzgatunkową;
w konkurencji zwyciężają tylko te organizmy, które odznaczają się najkorzystniejszymi cechami, czyli mają korzystny w danych warunkach zestaw genów; to one pozostawiają po sobie więcej potomstwa; geny organizmów gorzej przystosowanych są eliminowane wraz ze śmiercią osobników.
Warunki środowiska powodują więc selekcję osobników, w wyniku której w populacji pozostają geny (i przystosowania) w danych warunkach korzystne. Populacja przeżywa, choć giną lub nie przekazują potomstwu swoich genów osobniki gorzej przystosowane.
Selekcjonerem organizmów jest środowisko (czynniki abiotyczne i biotyczne). Dobór naturalny jest przypadkowy, jego efektem jest nasilenie konkurencji organizmów o zasoby środowiska. Zmiany w populacjach wywołane doborem powodują utrwalenie cech ułatwiających przetrwanie w środowisku. Jeśli dobór naturalny działa na populacje danego gatunku dostatecznie długo (np. sto tysięcy lat), a ich osobniki zostaną rozdzielone przez trudną do pokonania barierę (np. wody oceanu czy wysokie góry), to mogą powstać populacje o nieco odmiennych cechach. Różnice między nimi mogą się pogłębiać z pokolenia na pokolenie. Gdy rozdzielone populacje ponownie się zetkną, ich osobniki mogą różnić się tak bardzo, że nie będą mogły się krzyżować i wydawać potomstwa. Staną się więc odrębnymi gatunkami.
Dobór naturalny to mechanizm ewolucji biologicznej, który daje szansę na przetrwanie i pozostawienie licznego potomstwa osobnikom dobrze przystosowanym. Dzięki doborowi naturalnemu korzystne cechy są utrwalane w populacji.
Zakładając, że jedna ryba składa co roku 500 tys. jaj, oszacuj, ile potomstwa mogłaby pozostawić po sobie w ciągu 5 lat jedna samica. Określ, ile osobników potomnych wystarczyłoby, gdyby żaden z nich nie ginął przedwcześnie, aby utrzymać stałą liczbę osobników gatunku.
Które ślimaki mają muszle ubarwione w taki sposób, by były one słabo widoczne dla drapieżników?
Wymień zasoby środowiska, o które konkurują ze sobą osobniki jednego lęgu bociana białego. Wyjaśnij, dlaczego bociany, gdy w maju pojawiają się silne opady śniegu, wyrzucają z gniazda część potomstwa.
Przez Polskę przebiegają granice zasięgu słowika rdzawego i słowika szarego. Oba gatunki powstały stosunkowo niedawno, gdy dwie populacje ich wspólnego przodka zostały rozdzielone przez ostatnie zlodowacenie Europy. Po cofnięciu się lodowca okazało się, że te dwie grupy ptaków różnią się tak znacznie wyglądem, zachowaniem i wymogami siedliskowymi, że funkcjonują już jako dwa różne gatunki.
3. Dobór naturalny a dobór sztuczny
Obserwacje dotyczące zróżnicowania organizmów w obrębie gatunku prowadzono na długo przed Darwinem. Już pierwsi hodowcy dostrzegli, że na przykład wśród bydła każdy osobnik nieznacznie różni się od pozostałych i do rozrodu przeznaczali te osobniki, które lepiej spełniały ich aktualne potrzeby: dawały więcej mleka lub więcej mięsa. W ciągu kolejnych lat krzyżowali ze sobą wyłącznie te osobniki, które miały pożądane cechy. Taka metoda, nazywana doborem sztucznymdoborem sztucznym (lub sztuczną selekcją), prowadzi do wzmocnienia wybranej cechy w populacji, np. uzyskania większych i bardziej soczystych owoców, bogatych w cukier korzeni buraka cukrowego, nasion zbóż o większej zawartości skrobi, bardziej umięśnionych świń, szybszych koni. W wyniku doboru sztucznego uprawiane rośliny i hodowane zwierzęta zaczęły się różnić od swoich dzikich przodków.
Drogą doboru sztucznego powstały liczne odmiany zbóż, kapusty, pomidorów, drzew i krzewów owocowych, rośliny o ozdobnych kwiatach oraz rasy psów, kotów, koni, krów, owiec czy kóz.
Dobór sztuczny nie jest przypadkowy, to człowiek decyduje, które organizmy będą się rozmnażać i jakimi cechami będą obdarzone.
Zdarza się, że dobór sztuczny, oprócz cech atrakcyjnych dla hodowców, utrwala też cechy niepożądane. Na przykład hodowcy psów otrzymali rasę angielskich buldogów o płaskich, krótkich pyskach, które utrudniają psom oddychanie. Z kolei białe koty o niebieskich oczach są szczególnie narażone na wrodzoną głuchotę.
Cecha | Dobór naturalny | Dobór sztuczny |
miejsce działania | środowisko naturalne | hodowla zwierząt lub uprawa roślin |
działanie | przypadkowe | zamierzone przez człowieka |
cechy organizmu | korzystne dla organizmu w danych warunkach | korzystne dla człowieka |
przeżywalność osobników | przeżywanie osobników najlepiej dostosowanych do środowiska | przeżywanie osobników wybranych przez człowieka |
czas trwania | długi, zwykle setki tysięcy lub miliony lat | krótki, kilkadziesiąt, kilkaset, kilka tysięcy lat |
znaczenie | podstawowy proces ewolucyjny | podstawowy proces wykorzystywany w hodowli i uprawie |
Krzyżowanie osobników należących do różnych gatunków jest najczęściej nieskuteczne, dlatego mieszańce międzygatunkowe, zwłaszcza u zwierząt, zdarzają sie rzadko. Przykładem międzygatunkowego mieszańca klaczy konia i ogiera osła jest muł – zazwyczaj niepłodny.
Słowniczek
mechanizm ewolucji działający w środowisku naturalnym, który sprawia, że w walce o ograniczone zasoby środowiska przeżywają i rozmnażają się osobniki najlepiej przystosowane; w wyniku doboru naturalnego utrwalają się zestawy genów warunkujących cechy korzystne dla przetrwania w danych warunkach środowiska
selekcja i krzyżowanie osobników o cechach pożądanych przez człowieka; ich celem jest utrwalenie lub wzmocnienie określonych właściwości roślin lub zwierząt; tą drogą powstało wiele odmian roślin i ras zwierząt
Podsumowanie
Ewolucja biologiczna zachodzi dzięki nadmiernej rozrodczości organizmów, zmienności osobników jednego gatunku, konkurencji o ograniczone zasoby środowiska i selekcji organizmów niedostosowanych.
Dobór naturalny zachodzi pod wpływem czynników środowiska – przeżywają i skutecznie się rozmnażają tylko osobniki najlepiej dostosowane, które potrafią zdobyć zasoby konieczne do przeżycia.
Dobór sztuczny stosują hodowcy, wybierając do rozrodu osobniki o pożądanych cechach, dzięki czemu powstają nowe rasy zwierząt i odmiany roślin.
Powstawanie nowych gatunków jest wynikiem długo trwającej izolacji dwóch lub większej liczby populacji tego samego gatunku, na które działa dobór naturalny.
Wyjaśnij, czy cecha korzystna do przetrwania w danym czasie i środowisku okaże się korzystna także w przyszłości.
Opisz, jak działa dobór naturalny.
Opisz, na czym polega dobór sztuczny i podaj kilka jego przykładów.
Zadania
Wskaż fakty, dzięki którym zachodzi ewolucja.
- Na świat przychodzi więcej organizmów, niż może przeżyć w określonym środowisku.
- Osobniki jednego gatunku różnią się od siebie.
- Organizmy konkurują ze sobą o ograniczone zasoby środowiska.
- W konkurencji zwyciężają tylko te organizmy, które mają cechy ułatwiające przeżycie w danym środowisku.
- Środowisko zapewnia przeżycie każdemu osobnikowi.
- Całe potomstwo organizmów żyjących na określonym obszarze jest doskonale przystosowane do warunków środowiska.
- Efektem działania doboru naturalnego są zmiany cech organizmów zauważalne w każdym pokoleniu.
- Zmiany w środowisku nie mają wpływu na zmienność genetyczną organizmów.
Uzupełnij zdania, wybierając z listy poprawne wyrażenia.
dobór sztuczny, dobór naturalny
Rodzaj selekcji, której wynikiem jest utrwalenie u organizmów wybranych przez człowieka cech, to .................................
Rodzaj selekcji sprawiający, że w kolejnych pokoleniach utrwalane są cechy ułatwiające przeżycie w środowisku, to .................................
Podane sformułowania przyporządkuj do odpowiednich kategorii.
przeżywają osobniki o cechach wybranych przez człowieka, efektem działania mogą być nowe gatunki, działa w środowisku naturalnym, utrwala cechy korzystne dla populacji, utrwala cechy korzystne dla gatunku, efektem działania są rasy zwierząt i odmiany roślin, działa w warunkach hodowli lub uprawy, działa przypadkowo, przeżywają osobniki o cechach ułatwiających przetrwanie w środowisku, utrwala cechy korzystne z punktu widzenia człowieka, celowe działanie człowieka
| DOBÓR NATURALNY | |
|---|---|
| DOBÓR SZTUCZNY |
Uporządkuj etapy powstawania gatunków zaczynając od góry.
- Kiedy pasmo górskie nie jest już barierą rozdzielającą populacje, funkcjonują one jako dwa gatunki.
- Populacja pewnego gatunku ptaków zostaje rozdzielona przez wysokie pasmo gór.
- Po wielu tysiącach lat różnice między oboma populacjami są tak duże, że ich osobniki nie mogą się już krzyżować.
- Ptaki tworzą dwie odrębne populacje, które powoli zmieniają się, każda w innych warunkach środowiska.