Spis treści

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.

Karol Darwin

Źródło: John G. Murdoch, Wikimedia Commons, domena publiczna.

Aby zrozumieć poruszane w tym materiale zagadnienia, przypomnij sobie:

- na czym polega ewolucja organizmów;

- czym charakteryzują się dowody bezpośrednie i pośrednie.

Twoje cele

- Wyjaśnisz, czym są mechanizmy ewolucji.

- Wskażesz genetyczne i ekologiczne czynniki mające wpływ na powstawanie gatunków.

- Określisz zasady działania doboru naturalnego.

- Podasz przykłady doboru sztucznego.

- Porównasz dobór naturalny z doborem sztucznym.

- Opiszesz, 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 okręcie Beagle [wym. bigyl] 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.

Trasa II podróży badawczej HMS Beagle

Źródło: Dariusz Adryan, licencja: CC BY 3.0.

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. Gatunki takie określa się endemitami.

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.

Zmienność dziobów u darwinek z Galapagos

Źródło: John Gould, QWerk, edycja: Aleksandra Ryczkowska, licencja: CC BY 3.0.

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 naturalnego wyjaśniającej przyczyny ewolucji, opublikowane w dziele „O powstawaniu gatunków drogą doboru naturalnego”, wydanym w roku 1859.

Polecenie 1

Podaj przykłady modyfikowania cech różnych organizmów przez czynniki środowiska. Zastanów się, czy cechy te są dziedziczne. Uzasadnij odpowiedź.

Uzupełnij

Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

2. Jak działa dobór naturalny?

Teoria doboru naturalnego zaproponowana przez Karola Darwina, dzięki późniejszym badaniom między innymi Grzegorza Mendla oraz Francisca Cricka i Jamesa Watsona została udoskonalona i w ten sposób powstała syntetyczna teoria ewolucji.

- 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; tę właściwość nazywamy zmiennością genetyczną gatunku; powstaje ona w wyniku rekombinacji i mutacji;

- 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;

- cechy przodków są dziedziczone, co oznacza, że najlepiej przystosowane organizmy przekazują swoje geny potomstwu.

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.

Izolacja geograficzna na przykładzie zięb Darwina

Źródło: Andrzej Bogusz, licencja: CC BY 3.0.

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.

Ważne!

Dobór naturalny to mechanizm ewolucji biologicznej, który daje szansę na przetrwanie i pozostawienie licznego potomstwa osobnikom dobrze przystosowanym. Organizmy konkurują ze sobą o dostęp do pokarmu, wody, miejsca do życia czy partnera do rozrodu. Tę konkurencję Darwin nazwał walką o byt. Wygrywają ją osobniki najlepiej przystosowane do warunków środowiska, czyli najsilniejsze, najbardziej odporne na choroby  i najskuteczniej zdobywające pożywienie. To one mają szansę dożyć wieku rozrodczego i przekazać swoje geny następnemu pokoleniu. Dzięki doborowi naturalnemu korzystne cechy są utrwalane w populacji.

Polecenie 2

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.

Uzupełnij

Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

Polecenie 3

Różnorodność ubarwienia i deseni muszli ślimaka gajowego

Źródło: Tomorrow Sp. z o.o., Liz Lister, Kristine Paulus, Kabir Bakie, Didier Descouens, Erik Veldhuis, Rubén Díaz Caviedes, Norbert Nagel, Gary Rogers, Wikimedia Commons, Flickr, Geograph, licencja: CC BY-SA 2.0.

Które ślimaki mają muszle ubarwione w taki sposób, by były one słabo widoczne dla drapieżników?

Uzupełnij

Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

Polecenie 4

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.

Uzupełnij

Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

Ciekawostka

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 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.

Porównanie doboru naturalnego z doborem sztucznym

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

Dobór sztuczny nie jest przypadkowy, to człowiek decyduje, które organizmy będą się rozmnażać i jakimi cechami będą obdarzone. Naukowcy zbadali te cechy i spędzili dużo czasu na obliczeniach, jak mogą być dziedziczne. Im bardziej te cechy są wyrażane u potomstwa, tym bardziej są one dziedziczne. Zdolność ludzi do zrozumienia zjawisk natury pozwoliła im używać jej produktów dla własnych korzyści. Stopień inteligencji osiągnięty przez gatunek ludzki był bardzo ważny dla generowania i rozwoju strategii, które poprawiały jakość ich życia i zwiększały szanse na przeżycie.

Jednym z wielkich osiągnięć ludzkości jest selektywna hodowla zwierząt i roślin, które mają fundamentalne znaczenie dla rozwoju i ekspansji populacji ludzkiej.

- Aktywnie wybierając najlepsze cechy zwierząt i roślin, ludzie byli w stanie lepiej się odżywiać, lepiej znosić niekorzystne warunki środowiskowe, kolonizować więcej środowisk i rozprzestrzeniać się na prawie cały świat.

- Przykładem doboru sztucznego stosowanego u roślin jest słodka kukurydza. Współczesna kukurydza znacznie różni się od jej prawdopodobnego poprzednika, rośliny zwanej teosinte [wym. tijosinte]. Teosinte bardziej przypomina trawę niż współczesna kukurydza, która ma duże, soczyste ziarna.

- Ponad 30 000 lat temu ludzie zaczęli oswajać wilki. Udomowienie to czynność polegająca na oddzieleniu niewielkiej grupy organizmów (w tym przypadku wilków) od głównej populacji i wybraniu przez hodowcę osobników o pożądanych cechach. Udomowienie wilków przez tysiące lat skutkowało utratą niektórych z najbardziej agresywnych cech, takich jak instynktowne i obronne zachowanie w obecności ludzi (wycie, pokazywanie zębów, atakowanie czy ucieczka), a także wielkość i kształt zębów. Z czasem, w wyniku udomowienia, powstał nowy gatunek – pies domowy. Istniejące obecnie rasy psów powstały dzięki selekcji zwierząt o różnych cechach na podstawie osobistych preferencji człowieka. Zwierzęta, które miały pożądane cechy, były rozmnażane ze sobą, a cechy te utrwalały się w kolejnych pokoleniach. W ten sposób człowiek doprowadził do istnienia wielu różnych od siebie ras psów. Zwróć uwagę, że choć dalmatyńczyk niemal w niczym nie przypomina jamnika, to obie rasy należą do tego samego gatunku, ponieważ mogą się krzyżować i wydawać na świat płodne potomstwo.

- Dzisiejsze krowy, świnie i kury również mają cechy, które zostały sztucznie wyselekcjonowane. Najbardziej pożądane są zwierzęta duże i szybko rosnące, ponieważ te cechy są bardziej opłacalne dla producentów – umożliwiają pozyskanie większej ilości mięsa w krótszym czasie.

Zróżnicowanie w obrębie gatunku wilk szary

Źródło: Aleksandra Ryczkowska, Derek Bakken, Amber Rosenbaugh, Mood210, Tommy Gildseth, Brian Snelson, choco@Nerima, Jakub Hałun, Wikimedia Commons, Flickr , licencja: CC BY-SA 2.0.

Ciekawostka

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.

Buldog angielski, rasa psa zaliczana do grupy molosów, wyhodowana w XVIII wieku w Anglii, użytkowana jako pies do towarzystwa i odstraszający

Źródło: Pleple2000, Wikimedia Commons, licencja: CC BY-SA 3.0.

Ciekawostka

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.

Muł

Źródło: Iván Salvía, edycja: Aleksandra Ryczkowska, Wikimedia Commons, licencja: CC BY-SA 3.0.

Podsumowanie

- Powstawanie nowych gatunków jest wynikiem długo trwającej izolacji dwóch lub większej liczby populacji tego samego gatunku, na które działa dobór naturalny.

- Dobór naturalny to główny mechanizm ewolucji biologicznej. Polega na tym, że w danych warunkach środowiska przeżywają i wydają potomstwo najlepiej przystosowane do tych warunków osobniki.

- Dobór sztuczny to działanie prowadzące do utrwalenia u organizmów pożądanych dla człowieka cech, dzięki czemu powstają nowe rasy zwierząt i odmiany roślin.

Praca domowa

Ćwiczenie 1

Wyjaśnij, czy każda cecha korzystna do przetrwania w danym czasie i środowisku okaże się korzystna także w przyszłości.

Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

Ćwiczenie 2

Opisz, jak działa dobór naturalny.

Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

Ćwiczenie 3

Opisz, na czym polega dobór sztuczny i podaj kilka jego przykładów.

Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

Słownik

abiotyczne czynniki

fizykochemiczne elementy środowiska nieożywionego działające na organizmy żywe

biotyczne czynniki

organizmy żywe mające wpływ na rozwój innych żywych organizmów oraz na środowisko

dobór naturalny

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

dobór sztuczny

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

endemit

organizm, głównie roślinny lub zwierzęcy, należący do różnych jednostek systematycznych (np. podgatunków, gatunków, rodzajów, rodzin, a nawet rzędów) zamieszkujące ograniczone, stosunkowo niewielkie terytorium i tylko dla niego właściwe; powstaje zwykle wskutek izolacji geograficznej; np. hatteria jest gatunkiem endemicznym na wyspach Nowej Zelandii; w Polsce endemitem jest m.in. przytulia krakowska

syntetyczna teoria ewolucji

nowoczesna teoria objaśniająca mechanizmy ewolucji; objaśnia pozorną sprzeczność między darwinizmem i genetyką

walka o byt

w Darwinowskiej teorii ewolucji: współzawodnictwo o warunki bytowe między osobnikami danej populacji lub między populacjami różnych gatunków

Zadania

Pokaż ćwiczenia:

Ćwiczenie 1

Wskaż fakty, dzięki którym zachodzi ewolucja.

Zaznacz prawidłowe odpowiedzi.

- Osobniki jednego gatunku różnią się od siebie.

- Zmiany w środowisku nie mają wpływu na zmienność genetyczną organizmów.

- Całe potomstwo organizmów żyjących na określonym obszarze jest doskonale przystosowane do warunków środowiska.

- Na świat przychodzi więcej organizmów, niż może przeżyć w określonym środowisku.

- W konkurencji zwyciężają tylko te organizmy, które mają cechy ułatwiające przeżycie w danym środowisku.

- Efektem działania doboru naturalnego są zmiany cech organizmów zauważalne w każdym pokoleniu.

- Środowisko zapewnia przeżycie każdemu osobnikowi.

- Organizmy konkurują ze sobą o ograniczone zasoby środowiska.

Źródło: Alicja Kasińska, licencja: CC BY 3.0.

Ćwiczenie 2

Uzupełnij zdania, wybierając z listy poprawne wyrażenia.

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    .

dobór naturalny     dobór sztuczny

Źródło: Alicja Kasińska, licencja: CC BY 3.0.

Ćwiczenie 3

Uporządkuj etapy powstawania gatunków zaczynając od góry.

1. Poziom 1:Po wielu tysiącach lat różnice między oboma populacjami są tak duże, że ich osobniki nie mogą się już krzyżować.

2. Poziom 2:Ptaki tworzą dwie odrębne populacje, które powoli zmieniają się, każda w innych warunkach środowiska.

3. Poziom 3:Kiedy pasmo górskie nie jest już barierą rozdzielającą populacje, funkcjonują one jako dwa gatunki.

4. Poziom 4:Populacja pewnego gatunku ptaków zostaje rozdzielona przez wysokie pasmo gór.

Źródło: Alicja Kasińska, licencja: CC BY 3.0.

Ćwiczenie 4

Podane sformułowania przyporządkuj do odpowiednich kategorii.

dobór naturalny

dobór sztuczny

Przenieś element.utrwala cechy korzystne dla populacji

Przenieś element.działa w środowisku naturalnym

Przenieś element.utrwala cechy korzystne dla gatunku

Przenieś element.celowe działanie człowieka

Przenieś element.efektem działania mogą być nowe gatunki

Przenieś element.działa przypadkowo

Przenieś element.przeżywają osobniki o cechach wybranych przez człowieka

Przenieś element.działa w warunkach hodowli lub uprawy

Przenieś element.utrwala cechy korzystne z punktu widzenia człowieka

Przenieś element.efektem działania są rasy zwierząt i odmiany roślin

Przenieś element.przeżywają osobniki o cechach ułatwiających przetrwanie w środowisku

Źródło: Alicja Kasińska, licencja: CC BY 3.0.

Ćwiczenie 5

Karol Darwin stworzył teorię ewolucji. Współczesne spojrzenie na ewolucję opiera się również na wiedzy z zakresu genetyki i paleontologii.

Uzupełnij poniższe zdania, wpisując właściwe słowa tak, aby założenia tzw. syntetycznej teorii ewolucji były prawdziwe.

1. Podstawą procesów ewolucyjnych jest zmienność          organizmów, czyli bezkierunkowe i przypadkowe zmiany w materiale genetycznym.

2. Rozmnażanie się płciowe osobników stwarza możliwość wystąpienia nowych kombinacji genów, co nazywamy zmiennością         .

3. Większość gatunków wydaje na świat więcej potomstwa niż może przeżyć, dlatego osobniki muszą konkurować o te same zasoby środowiska. Konkurencję tę Darwin nazwał         .

4. Mechanizm sprawiający, ze przeżywają osobniki najlepiej przystosowane do środowiska to         .

Źródło: Ilona Kruk, licencja: CC BY-SA 3.0.

Ćwiczenie 6

Teoria ewolucji została stworzona w XIX wieku. Karol Darwin na podstawie swoich wnikliwych obserwacji i porównywania gatunków żyjących w jego czasach, jak i gatunków wymarłych, stworzył teorię ewolucji. Współczesne spojrzenie na ewolucję opiera się na badaniach genetyków i paleontologów. Dzisiaj mówimy o syntetycznej teorii ewolucji.

Poniżej przedstawiono podstawowe założenia teorii Darwina. Zapoznaj się z nimi i zaznacz te spośród nich, które są nieprawdziwe.

Zaznacz prawidłowe odpowiedzi.

- Największe szanse przeżycia mają osobniki najlepiej dostosowane do danych warunków, osobniki z cechami niekorzystnymi odpadają – następuje sekcja naturalna.

- Organizmy konkurują ze sobą, czego przejawem jest walka o byt.

- Ciągle używane narządy się rozwijają, a nieużywane redukują się i zanikają.

- Cechy nabyte są utrwalane dziedzicznie.

- Podstawą zmian ewolucyjnych jest przypadkowa, dziedziczna zmienność wśród organizmów każdego gatunku.

- W przyrodzie istnieje nadwyżka rozrodczości (organizmy produkują dużo potomstwa, jednak ich ilość jest względnie stała w populacji).

Źródło: Ilona Kruk, licencja: CC BY-SA 3.0.

Notatnik

Uzupełnij

Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.