что такое скачки эволюции

Скачки в эволюции человека совпадали с изменениями климата

Авторы статьи использовали этот алгоритм для анализа образцов из спрессованных зерен песка и пыли, извлеченных другими группами ученых со дна Средиземного моря, Атлантического и Индийского океанов у северных и восточных берегов Африки.

Ветер постоянно уносит пыль и другие мелкие частицы материи с материка в прибрежные районы океана, где они оседают и скапливаются на дне в виде морских осадочных пород. Анализ минерального и химического состава этих отложений и изучение органических частиц, случайно попавших в эти породы, помогает ученым понять, какой климат господствовал в Африке в минувшие эпохи.

Исследователи сопоставили периодические вариации климата в восточной и северной частях Африки на протяжении последних 5 миллионов лет.

Ученые выделили в этом отрезке три эпохи, которые они связывают с глобальными или крупными региональными изменениями климата.

Последний период ученые считают отголоском периода похолодания, который «вклинился» в эпоху мягкого климата среднего плейстоцена.

Как считают палеоклиматологи, причиной этого могли стать два события. Первой причиной могло стать отделение Новой Гвинеи от Австралии и уменьшение интенсивности экваториальной циркуляции вод. Вторая гипотеза включает в себя периодические открытия и закрытия Панамского прохода с аналогичными последствиями для климата.

Ученые заметили, что периоды изменений климата удивительным образом совпадают с появлением новых видов древних людей. Они считают, что эти совпадения сложно считать случайностью, так как они выходят за пределы статистических погрешностей. К примеру, похолодание в среднем плиоцене палеоклиматологи связывают с появлением первых австралопитеков и освоением прямохождения их потомками.

Источник

Объяснение эволюционных скачков

Если вы когда-нибудь собирали большой пазл, то знаете, что сначала собираются небольшие фрагменты, потом эти фрагменты соединяются в более крупные части рисунка, а уже затем крупные части соединяются в единую, большую картину.

Эволюционный процесс мы вполне можем представить как процесс самосборки, самоорганизации материи, на разных уровнях которого возникают структуры разного уровня сложности. Только если при сборке пазла заранее известен рисунок, то здесь такого плана нет. Это процесс чисто творческий, и всегда удивляет непредсказуемостью и неистощимой фантазией природы.

Такая аналогия легко объясняет так называемые «эволюционные скачки», когда в течение сравнительно короткого времени резко увеличивается биоразнообразие планеты, появляется множество новых видов.

До кембрийского взрыва очень длительное время планету населяли лишь простейшие одноклеточные организмы. Можно ли сказать, что всё это время эволюция не происходила? Наверное, нет.

Когда вы собираете пазл, долгое время вы просто занимаетесь перебором различных вариантов и сочетаний отдельных элементов и фрагментов. Это занимает очень много времени. Но затем, когда основные фрагменты и части уже собраны, собрать целую картину не составляет большого труда.

В перерывах между эволюционными скачками происходит очень важный процесс, в ходе которого перебираются различные варианты, различные состояния системы, формируются и проверяются наиболее устойчивые структуры. Можно сказать, происходит поиск новых решений и форм. И когда все возможные варианты исчерпаны, происходит эволюционный скачок – прорыв на новый уровень самоорганизации. Это можно назвать минутой вдохновения Природы, когда она в творческом порыве реализует за короткий срок огромное количество новых идей, новых решений!

Конечно, эта гипотеза тоже попахивает креационизмом, но она ничуть не противоречит научному подходу. Процесс самосборки структур осуществляется в полном соответствии с законами физики, химии, и именно поэтому в результате эволюции сохраняются лишь наиболее устойчивые, энергетически эффективные структуры и процессы (в том числе биологические организмы и системы), которые способствуют уменьшению энтропии всей системы.

Именно поэтому эволюция всегда происходит в сторону развития сознания (самосознания), поскольку именно оно способствует синхронизации всех уровней материи в момент эволюционного скачка и образованию целостных, гармоничных структур, эффективно вписанных в окружающую действительность. Именно поэтому нас не перестает поражать разумность, целесообразность природы, в которой всё предусмотрено. Всё выглядит так, как будто организм был создан именно для этой среды, а среда создана специально для организма. И, несмотря на огромное разнообразие форм и уровней самоорганизации, система сохраняет целостность, ощущается и осознается нами как единое целое.

Кроме того, чем выше уровень сознания в системе, тем разумнее выглядит процесс самосборки. Если на первых этапах необходим перебор всех возможных сочетаний, то с появлением устойчивых структур развитие становится всё более предсказуемым, закономерным. Именно на этом этапе, судя по всему, и возникают биологические формы жизни.

Источник

Объяснение эволюционных скачков

Если вы когда-нибудь собирали большой пазл, то знаете, что сначала собираются небольшие фрагменты, потом эти фрагменты соединяются в более крупные части рисунка, а уже затем крупные части соединяются в единую, большую картину.

Эволюционный процесс мы вполне можем представить как процесс самосборки, самоорганизации материи, на разных уровнях которого возникают структуры разного уровня сложности. Только если при сборке пазла заранее известен рисунок, то здесь такого плана нет. Это процесс чисто творческий, и всегда удивляет непредсказуемостью и неистощимой фантазией природы.

Такая аналогия легко объясняет так называемые «эволюционные скачки», когда в течение сравнительно короткого времени резко увеличивается биоразнообразие планеты, появляется множество новых видов.

До кембрийского взрыва очень длительное время планету населяли лишь простейшие одноклеточные организмы. Можно ли сказать, что всё это время эволюция не происходила? Наверное, нет.

Когда вы собираете пазл, долгое время вы просто занимаетесь перебором различных вариантов и сочетаний отдельных элементов и фрагментов. Это занимает очень много времени. Но затем, когда основные фрагменты и части уже собраны, собрать целую картину не составляет большого труда.

В перерывах между эволюционными скачками происходит очень важный процесс, в ходе которого перебираются различные варианты, различные состояния системы, формируются и проверяются наиболее устойчивые структуры. Можно сказать, происходит поиск новых решений и форм. И когда все возможные варианты исчерпаны, происходит эволюционный скачок – прорыв на новый уровень самоорганизации. Это можно назвать минутой вдохновения Природы, когда она в творческом порыве реализует за короткий срок огромное количество новых идей, новых решений!

Конечно, эта гипотеза тоже попахивает креационизмом, но она ничуть не противоречит научному подходу. Процесс самосборки структур осуществляется в полном соответствии с законами физики, химии, и именно поэтому в результате эволюции сохраняются лишь наиболее устойчивые, энергетически эффективные структуры и процессы (в том числе биологические организмы и системы), которые способствуют уменьшению энтропии всей системы.

Именно поэтому эволюция всегда происходит в сторону развития сознания (самосознания), поскольку именно оно способствует синхронизации всех уровней развития материи в момент эволюционного скачка и образованию целостных, гармоничных структур, эффективно вписанных в окружающую действительность. Именно поэтому нас не перестает поражать разумность, целесообразность природы, в которой всё предусмотрено. Всё выглядит так, как будто организм был создан именно для этой среды, а среда создана специально для организма. И, несмотря на огромное разнообразие форм и уровней самоорганизации, система сохраняет целостность, ощущается и осознается нами как единое целое.

Кроме того, чем выше уровень сознания в системе, тем разумнее выглядит процесс самосборки. Если на первых этапах необходим перебор всех возможных сочетаний, то с появлением устойчивых структур развитие становится всё более предсказуемым, закономерным. Именно на этом этапе, судя по всему, и возникают биологические формы жизни.

Источник

Доказан скачкообразный характер эволюционного процесса

Британские биологи придумали удивительно простую методику, позволяющую разрешить давний спор между приверженцами теории постепенной эволюции (градуализм) и сторонниками скачкообразной эволюции (пунктуализм). Оказалось, что соотношение градуалистической и пунктуалистической составляющих эволюционного процесса можно оценить количественно, сопоставив длины ветвей «эволюционных деревьев» — стандартных реконструкций эволюционного развития различных групп организмов, которые строятся на основе сравнения нуклеотидных последовательностей ДНК. Проанализировав деревья, построенные для 122 групп, ученые пришли к выводу, что в среднем 22% различий в ДНК возникает во время кратких периодов интенсивного видообразования, а остальные 78% постепенно накапливаются во время долгих «градуалистических» периодов. Скачкообразность эволюции в большей мере свойственна растениям и грибам и в меньшей — животным.

Хотя сам факт биологической эволюции давно признан биологами и не вызывает ни малейших сомнений, многие ключевые вопросы эволюционной теории до сих пор остаются спорными. Одним из самых острых вопросов такого рода является вопрос о равномерности темпов эволюции. Сам Дарвин, как и многие его последователи, видели эволюцию как процесс в основном плавный, постепенный. Когда в результате синтеза классического дарвинизма с генетикой и молекулярной биологией родилась синтетическая теория эволюции, эта точка зрения (градуализм) значительно укрепилась. Главным, даже единственным источником наследственной изменчивости стали считать случайные мутации — ошибки при копировании ДНК. Многие исследователи полагали, что, поскольку мутационный процесс совершенно случаен и ненаправлен, то и идти он должен примерно с одинаковой скоростью у всех живых организмов.

Это предположение легло в основу принципа «молекулярных часов», который активно используется и по сей день. На основе этого принципа исследователи оценивают время расхождения видов (то есть определяют, когда жил их последний общий предок) по числу различий в нуклеотидных последовательностях ДНК. И это обычно не так уж плохо работает, что само по себе может показаться странным. Ведь сегодня все хорошо понимают, что мутагенез не всегда является абсолютно случайным, его темп может целенаправленно регулироваться клеткой, в разных группах организмов и даже в разных частях одного и того же генома он идет с разной скоростью. Однако все эти трудности многим кажутся вполне преодолимыми. Можно добавить оговорок и ограничений, выбрать «подходящий» кусок генома, учесть особенности группы, принять в расчет разницу между значимыми и «молчащими» нуклеотидными заменами — и молекулярные часы продолжают тикать.

Альтернативой градуализму является пунктуализм, или теория прерывистого равновесия, сформулированная в 1972 году Стивеном Гоулдом (Stephen Jay Gould, 1941-2002) и Нильсом Элдриджем (Niles Eldredge, р. 1943).

Эта концепция предполагает, что в эволюции видов чередуются длительные периоды стабильности, когда основные черты вида сохраняются неизменными, и короткие периоды быстрых изменений, в ходе которых вид преобразуется — либо целиком превращается в другой вид, либо делится на два или более новых вида, либо «отпочковывает» их от себя. Точка зрения пунктуалистов, основанная на обширном палеонтологическом материале, имеет и достаточно веские теоретические обоснования. В самых общих чертах их можно свести к следующему. Вид представляет собой относительно устойчивую самоподдерживающуюся систему. Чтобы на месте старой системы возникла новая, старая должна быть разрушена. Нужна некая «встряска», приводящая к разрушению внутренних связей, к дестабилизации.

В популяциях живых организмов дестабилизация проявляется прежде всего в резком росте изменчивости. Имеются экспериментальные подтверждения того, что резкое изменение условий (или интенсивный отбор — например, в опытах по одомашниванию животных) приводит не к плавному и постепенному сдвигу морфологических характеристик популяции, а к резкому росту изменчивости, «размыванию» признаков, и только потом из этой дестабилизированной популяции может выкристаллизоваться новая разновидность или вид (см. А. С. Раутиан. Правило дестабилизации).

Поначалу споры градуалистов с пунктуалистами были довольно бурными, но сегодня эти две концепции довольно мирно уживаются в пределах единой развивающейся эволюционной теории. Они справедливо считаются не противоречащими друг другу, а взаимодополнительными, и быстро обрастают всевозможными примерами, уточнениями, дополнениями и обоснованиями. Большинство специалистов признают, что эволюция иногда может идти по пунктуалистическому, иногда — по градуалистическому сценарию.

Обе концепции, однако, до сих пор относятся к числу «эмпирических обобщений», а не строгих теорий — как, впрочем, и практически все остальные законы эволюции. В немалой степени это объясняется тем, что никому пока не удалось выяснить точное количественное соотношение градуалистической и пунктуалистической составляющих в эволюционном процессе.

Статья британских биологов, опубликованная в последнем номере журнала Science, представляет собой серьезную попытку решить эту весьма актуальную задачу. Методика, примененная исследователями, проста, как всё гениальное. Странно, что никто до этого не додумался раньше. Суть идеи в том, что искомое соотношение легко можно вычислить, сопоставив между собой длины ветвей эволюционных «деревьев», которые строятся при помощи стандартных методик на основе матриц генетических расстояний.

Эволюционное древо по молекулярным данным строится так. Берут нуклеотидные последовательности какого-нибудь гена у нескольких видов живых организмов. Сравнивают их попарно и определяют процент различающихся нуклеотидов в каждой паре. Получившуюся матрицу обрабатывают одним из нескольких стандартных статистических методов и на выходе получают искомое дерево. На практике всё это, конечно, несколько сложнее: например, часто на выходе получается не одно, а несколько альтернативных деревьев, из которых затем приходится конструировать некий «консенсус», но это не столь важно. Важно же то, что ветви получившегося дерева имеют определенную длину, соответствующую величине генетических различий, или, что то же самое, величине эволюционных изменений данного гена в данной эволюционной линии.

Все виды, используемые в таком анализе, обычно современные (выделение ДНК из ископаемых остатков — это все-таки экзотика). Значит, если эволюция шла равномерно (градуалистически), то расстояние от основания («корня») древа до кончика любой из ветвей (эти кончики соответствуют анализируемым видам) должно быть одинаковым, и оно не должно зависеть от количества «узлов» (точек ветвления), расположенных между кончиком ветви и корнем. Если же эволюция ускорялась в момент ветвления, то есть шла по пунктуалистическому сценарию, то расстояние от корня до конца ветви должно быть связано прямой зависимостью с числом узлов, расположенных между ними (см. рисунок).

«Длину пути» (расстояние от корня до конца ветви) можно представить как x = nb + g, где g — «градуалистическая составляющая», b — «пунктуалистическая составляющая», или величина изменений, возникающих в каждом узле, n — число узлов между концом ветви и корнем.

Если «пунктуалистический эффект» (ускорение эволюции во время видообразования, то есть в узлах дерева) имеет место, то величина b должна быть положительной, и, следовательно, должна быть положительная корреляция между x и n. Исследователи проанализировали эволюционные деревья, построенные по молекулярным данным для 122 групп близкородственных видов. В 57 случаях из 122 между x и n обнаружилась вполне четкая, статистически достоверная корреляция. Для остальных деревьев корреляция оказалась недостоверной, в основном по той причине, что у этих деревьев было слишком мало ветвей (то есть количество видов в выборке оказалось недостаточным для получения статистически надежных результатов).

Необходимо отметить, что в данной работе рассматривались только различия в нуклеотидных последовательностях, причем функциональное значение этих различий никак не учитывалось (да этого никогда и не делают при построении «молекулярных деревьев»). На морфологическом уровне картина может быть иной. Известно, что значительная часть изменений ДНК никак не отражается на строении организма, и, с другой стороны, даже очень небольшие изменения в ключевых участках ДНК могут привести к радикальным изменениям морфологии.

Вполне возможно, что те изменения ДНК, которые происходят очень быстро в период видообразования, связаны с более значительными морфологическими преобразованиями, чем те, что происходят во время «градуалистического» этапа эволюции. В этом случае в морфологической эволюции будет значительно больше «пунктуализма», чем в эволюции молекулярной. Что, собственно, и наблюдается в палеонтологической летописи. Чтобы убедиться в этом, необходимо провести по сходной методике анализ эволюционных деревьев, построенных не по молекулярным, а по морфологическим признакам. К сожалению, такие деревья сейчас вышли из моды, их редко публикуют, и собрать необходимый для подобного исследования материал будет нелегко.

Данная работа представляет большой теоретический интерес как еще одна попытка строгого количественного обоснования одного из эмпирических «законов эволюции». О другой недавней попытке такого рода Элементы уже писали (см. Эволюция на островах идет быстрее, 14.09.2006). Все-таки приятно, что давно подмеченные зоологами и палеонтологами, но не доказанные закономерности эволюции постепенно начинают получать строгие обоснования.

Источник

Размер геномов в ходе эволюции жизни на Земле увеличивался ускоренными темпами

Российские ученые на основе продуманной методики доказали, что рост размеров генома связан с увеличением сложности организмов в ходе эволюции. Этот, казалось бы, очевидный вывод до сих пор не поддавался статистическому доказательству. Однако, как показали американские специалисты, этот рост не удается объяснить с помощью существующих популяционных моделей дрейфа генов и накопления случайных мутаций.

Диапазон изменчивости размеров генома огромен: он составляет почти 7 порядков — от внутриклеточных бактерий с геномами в 150–200 тысяч пар нуклеотидов до некоторых амеб с их 700 млрд пар нуклеотидов. Казалось бы, увеличение сложности генома должно быть связано со сложностью морфологической организации. Бактерии просты — им и простого генома хватает, а чтобы управлять развитием сложного животного, требуется более сложная генетическая «программа».

Но, как ни удивительно, подтвердить это предположение не удавалось (см. C-value enigma). Берем ли мы безвыборочный массив видов или выбираем отдельные филогенетические линии, не удается статистически подтвердить связь между размером геномов и уровнем организации. Например, сходные в морфофизиологическом смысле виды злаков имеют 20-кратный разброс в размерах генома. В то же время у человека геном примерно в 40 раз меньше, чем у двоякодышащей рыбы Protopterus aethiopicus (см.: Comparison of different genome sizes).

Это противоречие можно разрешить двумя способами. Первый — доказать, что причины отсутствия, казалось бы, очевидной корреляции носят искусственный характер, то есть связаны с методическими просчетами. Второй путь — доказать, что указанной связи действительно нет, и предложить другую содержательную причину изменений размера генома в ходе эволюции. В текущей научной литературе появилось два сообщения, помогающих разобраться в этой проблеме.

Одно из них предлагает новый методический подход к оценке связи размера генома и сложности организации (или уровня эволюционного развития). Этот подход был разработан группой российских специалистов под руководством А. В. Маркова из Палеонтологического института (Москва) и опубликован в «Палеонтологическом журнале». Другое, опубликованное в PLoS Genetics, позволяет понять, насколько далеко продвинулись ученые, выбравшие второй путь.

Марков с коллегами показали наличие связи между уровнем организации и минимальным размером генома представителей этого уровня — но не для всех живых организмов в целом, а только для одной эволюционной линии, ведущей от прокариот к млекопитающим. В этой эволюционной линии тенденция к росту сложности организма (отнюдь не являющаяся всеобщим эволюционным законом) проявилась наиболее ярко. Специфика этого исследования в том, что в качестве меры размера генома в той или иной группе организмов использован минимальный геном, а не диапазон, не средние величины и не случайные виды. При этом внутриклеточные паразиты не рассматривались, так как они вовсю пользуются генами хозяина, экономя собственные ресурсы. Именно минимальный геном в большой группе организмов может помочь приблизительно оценить объем необходимой (неизбыточной) генетической информации, обеспечивающей существование представителей таксона. Более точную оценку получить трудно, поскольку нет абсолютно надежных способов отличить действительно ненужные участки ДНК от функционально значимых (например, от некодирующих последовательностей, выполняющих регуляторные функции).

Кроме минимального генома для каждого эволюционного уровня учитывалось также примерное время появления данной группы организмов (см. таблицу).

Ученые подобрали функции (размер генома в зависимости от времени появления), наилучшим образом аппроксимирующие эти данные. Получилось, что эту зависимость лучше всего описывает гиперэкспоненциальная функция, то есть степенная экспонента; немного хуже — экспонента (см. рис. 1).

Гиперэкспоненциальный рост свидетельствует о том, что увеличение генома — это самоускоряющийся процесс. Чем больше геном, тем выше темпы роста. Какие процессы лежат в основе этого автокатализа? По предположению ученых, одним из источников увеличения генома может быть формирование новых генов и регуляторных участков путем дупликации и перекомбинирования имеющихся функциональных участков. Большое число генов допускает и больший набор возможных перекомбинаций их участков, и эта функция, очевидно, не прямая, а степенная. Сложность сама собой порождает рост сложности.

Полученные данные заставляют обратить внимание на следующий факт. Самый резкий скачок в увеличении минимального размера генома зафиксирован в позднем докембрии и раннем палеозое (600–540 млн лет назад), а максимальные темпы роста биоразнообразия, то есть сложность более высоких иерархических уровней жизни, были достигнуты много позже — в конце мезозоя и в кайнозое (начиная примерно со 100 млн лет назад). Не исключено, что рост генома в какой-то мере способствовал росту биоразнообразия, предоставив дополнительные степени свободы для генетических комбинаций (хотя необходимо помнить, что взрывной рост разнообразия в мезозое и кайнозое происходил в основном за счет сравнительно просто устроенных животных, таких как моллюски и насекомые, и в меньшей степени за счет костистых рыб, птиц и млекопитающих). Это расхождение должно заинтересовать будущих исследователей.

Таким образом, если осмысленно подходить к выбору ряда усложняющихся форм и оценкам размера геномов, то удается не только подтвердить связь между сложностью организации и геномом, но и увидеть черты самоускоряющегося процесса. Это, безусловно, макроэволюционный масштаб преобразований. При этом в пределах каждого таксона рост генома может и не выявляться, и даже его вовсе может и не быть. Так, в эволюции птиц и прокариот преобладающей тенденцией, по-видимому, было уменьшение, а не увеличение размера генома.

Во второй статье американские ученые из Университета Райса (Хьюстон) и Калифорнийского университета в Риверсайде попытались отследить микроэволюционные процессы, регулирующие рост генома. В данном случае анализировалась не «необходимая» часть генома, которую можно приблизительно оценить по минимальному размеру генома в пределах большой группы, а весь геном целиком, включая его «факультативную» часть, размер которой может очень сильно варьировать, например, из-за размножения «эгоистических» мобильных элементов и иных повторяющихся последовательностей. Предполагается, что размер генома должен быть связан обратной зависимостью с численностью популяции. В больших популяциях за счет вероятностных процессов слабовредные мутации должны эффективно отсеиваться отбором. Считается, что большинство дупликаций повторяющихся участков ДНК представляют собой как раз слабовредные мутации. Поэтому в больших популяциях отбор должен удерживать геном от разбухания, а в маленьких, напротив, слабовредные дупликации и новые копии мобильных элементов будут накапливаться, увеличивая размер генома.

Проверять эту модель следует с большой осторожностью, так как исследователя поджидают неожиданные статистические трудности. В зависимости от характера ветвления филогенетического древа выборки получаются разные результаты. Если смешать филогенетически далекие и близкие ветви, то получается «средняя температура по больнице»: смешанная выборка демонстрирует якобы прямую зависимость, а каждая отдельная ветвь может характеризоваться обратной зависимостью. Поэтому модели популяционных процессов (микроэволюционных) можно проверять только с учетом влияния филогенетической близости видов животных или растений.

На рис. 2 хорошо заметно увеличение размеров генома в ходе эволюции. Является ли размер популяции ведущим фактором этого увеличения? Нет, не является, заключили исследователи. Им не удалось выявить значимую корреляцию между размером популяции и самыми разными характеристиками геномов: числом генов, размером и числом интронов, скоростью дупликации генов, относительным и абсолютным числом транспозонов.

Таким образом, анализируя два исследования, проведенные на противоположных концах света, приходим к заключению, что мы пока не можем (к сожалению!) понять сути геномных процессов, управляющих разрастанием или сжатиемя геномов во времени. Мы только можем зафиксировать явление — рост размеров «необходимой» части генома в некоторых эволюционных линиях, увязанный каким-то непонятным образом с возрастанием сложности морфофизиологической организации, — и констатировать его ускоренный характер. И на каких-то дорожках этого запутанного исследования мы уже можем поставить знак «тупик», чтобы не тратить время и деньги на бесполезные маршруты.

Источник