Доклад на тему: "Теория эволюции"
Жизнь на Земле развивалась путем естественного отбора и ряда химических и физических реакций.
Прежде чем мы перейдем к теме эволюции, которая, возможно, является самой значительной идеей в науках о жизни, я хотел бы обратить внимание на один момент, который был сделан во введении. В научном смысле термин "теория" не обязательно подразумевает отсутствие уверенности относительно концепций, о которых идет речь. Многие теории, включая теорию относительности, на самом деле являются одними из наиболее широко принятых компонентов научного мировоззрения, в отличие от обычая и исторического значения этого слова.
Даже если существует ряд конкурирующих теорий, каждая из которых предлагает свою версию эволюции, ни один серьезный ученый сегодня не ставит под сомнение реальность эволюции. В этом отношении развитие не отличается от гравитации. Существует несколько теорий гравитации, включая общую теорию относительности, закон всемирного тяготения Ньютона и, возможно, универсальную теорию в будущем. Однако закон тяготения гласит, что все, что упало, упадет. Точно так же эволюция является фактом, несмотря на то, что ученые продолжают расходиться во мнениях относительно частных теорий.
Когда мы говорим об истории жизни на Земле, следует выделить два этапа, которые мы принимаем во внимание. На каждом этапе события развивались под влиянием двух различных принципов. Первая живая клетка была создана из неорганических материалов на первом этапе химической эволюции на самой древней Земле. На втором этапе различные пути развития потомства живой клетки привели к тому разнообразию жизни, которое мы наблюдаем сегодня. На этом этапе эволюцией руководил закон естественного отбора.
Химическая эволюция
Идея о том, что мы можем понять, как неживые материалы организуются в простые живые системы, только недавно пополнила наше понимание человеческого мышления. Эксперимент Миллера-Ури 1953 года стал значительным шагом вперед в этом направлении, поскольку впервые продемонстрировал, что самые обычные химические реакции могут производить основные биологические молекулы. С этого момента исследователи предложили множество альтернативных способов, с помощью которых развитие соединений могло бы продолжаться. Часть этих мыслей представлена ниже, однако важно помнить, что до сих пор нет согласия относительно того, какой из этих путей может быть правильным. Одно мы знаем точно: либо один из этих процессов, либо другой процесс, который еще никто не открыл, привел к появлению первой живой клетки на Земле (если только жизнь не возникла в другом месте; концепция панспермии обсуждается в главе "Кислоты и основания").
Основной бульон. Молекулы из эксперимента Миллера-Ури попали в океан вместе с дождем в результате воспроизведенных процессов. Неизвестный процесс организовал эти молекулы и дал начало первой клетке здесь или, возможно, в водоеме, образованном приливом.
Первичное пятно нефти. Циклы Милла-Ури могут привести к образованию липидов, частицы которых обрываются, образуя маленькие круги (вы часто видите такие капли на внешнем слое супа). Каждый круг содержит неравномерное количество частиц. Один из миллионов пузырьков на поверхности океана мог разделиться пополам, потому что он мог содержать правильное сочетание молекул энергии и материалов. Это могла быть начальная клетка.
Развитие системы кодирования, основанной на использовании молекул РНК, связано с одной из проблем эволюционной теории (см. также Центральная догма молекулярной биологии). Проблема заключается в том, что ДНК кодирует белки, но когда большинство людей говорят об эволюции, они имеют в виду естественный отбор. Английский натуралист Чарльз Дарвин ввел понятие естественного отбора в своей монументальной публикации 1859 года "О происхождении видов путем естественного отбора или о сохранении благоприятствуемых пород в борьбе за жизнь". Альфред Рассел Уоллес, живший с 1823 по 1913 год, выдвинул концепцию естественного отбора независимо от Дарвина. Первый из этих постулатов известен каждому, кто наблюдал любую популяцию, включая человеческую: одни люди больше, другие быстрее бегают, третьи выделяются цветом на фоне среды обитания. Второй постулат отражает прискорбный факт о мире природы: существует постоянная конкуренция за ресурсы, поскольку рождается гораздо больше организмов, чем выживает.
Эти постулаты, взятые вместе, приводят к интригующему выводу: вероятность дожить до взрослого возраста и произвести потомство увеличивается, если некоторые особи обладают признаком, который позволяет им более успешно конкурировать в определенной среде. Например, мускулатура хищников позволяет им успешнее охотиться. Кроме того, вероятно, что их дети унаследуют эту особенность. Мы бы сказали так: весьма вероятно, что люди передадут своим детям гены быстрого бега. В результате в поколении "детей" будет больше людей с "быстрыми" генами, чем в поколении "родителей", и еще больше - в поколении "внуков". "Признак, повышающий шансы на выживание, в конечном итоге распространится по популяции таким образом.
Уоллес и Дарвин назвали этот процесс естественным отбором. Он напомнил Дарвину об искусственном отборе. Позволяя скрещиваться только половозрелым особям, люди используют искусственный отбор для выведения растений и животных с желаемыми признаками. Дарвин рассуждал: "Если люди могут это делать, то почему природа не может?" Превосходная выносливость людей с универсальными качествами в прогрессивные эпохи и на протяжении значительного отрезка времени является первопричиной появления того разнообразия видов, которое мы наблюдаем в современном мире.
Считывания кода ДНК требуется активность белков. Недавно исследователи обнаружили, что РНК также может выполнять одну из функций, которые белки выполняют в живых системах. В настоящее время РНК отвечает за преобразование кода ДНК в белки. Похоже, что самым значительным событием в эволюции жизни на Земле стало образование молекул РНК.
Океанический путь. Химические процессы и соединения могут значительно отличаться от тех, что происходят на поверхности, из-за огромного давления на дне океана. Химия этой среды, которая могла способствовать развитию жизни, является предметом исследования ученых. Если ответ на этот вопрос "да", то возможно, что жизнь зародилась на дне океана, а на сушу перебралась позже.
Мир глины. Статические электрические заряды на поверхности глины океанского дна могли быть первой формой жизни, а не химические реакции. Согласно этому плану, электроны на поверхности глины удерживали маленькие молекулы вместе, когда они образовывали более крупные молекулы, а не случайные комбинации, что и привело к появлению сложных молекул жизни.
Комплексы с автокатализом. Теория сложных саморегулирующихся систем породила эту идею. Это предположение гласит, что на стадии первичного бульона зародилась химия жизни, а не развивалась поэтапно.
Как видите, существует множество идей о том, как неорганические материалы могут привести к возникновению жизни. Однако никто особенно не интересовался этими теориями, и происхождение жизни не было приоритетной областью науки до конца 1990-х годов. В 1997 году одной из главных обязанностей НАСА стало исследование происхождения жизни. Я искренне надеюсь, что ученые скоро смогут выращивать в своих лабораториях простые организмы, сравнимые с теми, которые могли существовать на нашей планете четыре миллиарда лет назад.
Дарвин, сторонник униформистской доктрины, знал, что развитие новых видов должно происходить с течением времени - то есть, что различия между двумя популяциями должны становиться все меньше и меньше, пока не станет невозможным их скрещивание. Позднее ученые обнаружили, что эта закономерность сохраняется не всегда. Вместо этого вид проходит через процесс, известный как прерывистое равновесие, при котором он остается неизменным в течение длительного времени, прежде чем внезапно измениться. Действительно, оба типа видообразования очевидны в окаменелостях, что неудивительно, учитывая современное состояние генетики. Первый из этих двух постулатов теперь ясен: в ДНК различных особей записаны различные версии одного и того же гена. Изменение ДНК может привести к совершенно разным результатам: от полного отсутствия эффекта (если изменение затрагивает часть ДНК, которую организм не использует) до значительного воздействия (если изменяется ген, кодирующий ключевой белок). Естественный отбор либо распространит ген по всей популяции (если изменение полезно), либо устранит его (если изменение вредно), как только ген будет изменен, постепенно или сразу. Говоря иначе, гены определяют скорость изменений, а естественный отбор определяет направление изменений в популяции, когда эти изменения уже произошли.
Теория эволюции, как и любая другая научная теория, должна была быть доказана в жизни. Эта теория подтверждается тремя основными типами наблюдений.
Ископаемое доказательство.
Останки растений или животных обычно оказываются в окружающей среде. Однако бывают случаи, когда некоторые из них становятся недоступными для разложения и опускаются в почву, подобно паводковому илу. Медленные химические процессы постепенно заменяют кальций в скелете или других твердых частях тела минералами из окружающей породы по мере превращения ила в породу (см. Цикл преобразования породы). Кожа или перья, например, могут оставаться в редких случаях из-за условий.) В результате этого процесса в камне появляется идеальный отпечаток оригинальной части тела - окаменелость. Под ископаемыми понимается коллекция всех обнаруженных окаменелостей.
Подобно возрасту отпечатков пальцев, найденных в грязевых отложениях на древних австралийских скалах, возраст окаменелостей составляет около 3,5 миллиардов лет. Они рассказывают увлекательную историю о постепенном усложнении и расширении разнообразия, которое привело к появлению широкого спектра форм жизни, существующих сегодня на Земле. Большую часть прошлого жизнь была относительно простой, представленной одноклеточными организмами. Примерно 800 миллионов лет назад впервые появились многоклеточные организмы. Только несколько десятилетий назад ученые убедились, что они жили в ту эпоху, основываясь на отпечатках, оставленных в отложениях. Их тела были мягкими, как у медуз, поэтому отпечатков почти не оставалось. Настоящие окаменелости впервые появились около 550 миллионов лет назад, когда появились твердые покровы и скелеты. Первые позвоночные животные, рыбы, появились около 300 миллионов лет назад. Около 65 миллионов лет назад начали вымирать динозавры (см. "Массовое вымирание"), а ископаемые люди впервые появились в Африке 4 миллиона лет назад. В "Летописи окаменелостей" содержится подробный рассказ о каждом из этих событий.
Если жизнь развивалась именно таким образом, то количество совпадений между последовательностями ДНК современных организмов должно варьироваться в зависимости от того, как давно жил их общий предок, что мы и можем предположить. Поскольку общий предок людей и шимпанзе жил 8 миллионов лет назад, а общий предок людей и рыб жил сотни миллионов лет назад, у людей и шимпанзе должно быть больше одинаковых последовательностей ДНК, чем у людей и рыб. Действительно, это предположение подтверждается нашими исследованиями ДНК живых организмов: сходство ДНК организмов уменьшается с увеличением расстояния друг от друга на эволюционном древе. Это понятно, учитывая, что чем больше времени прошло, тем больше различий накопилось.
Биохимические свидетельства.
Молекулярные часы - это термин, используемый для описания процесса раскрытия нашей эволюционной истории посредством анализа ДНК. Наиболее убедительная поддержка теории эволюции исходит из этого. ДНК шимпанзе более похожа на ДНК человека, чем ДНК рыбы. Это не наоборот, хотя могло бы быть и наоборот. Это показывает, говоря языком научной философии, что теорию эволюции можно опровергнуть - можно представить результат, который бы указывал на ее ложность. Поскольку не существует наблюдений или экспериментов, которые могли бы ощутимо убедить креационистов в ложности их доктрины, эволюция не является так называемой креационистской доктриной, как если бы она была основана на библейской Книге бытия.
Несовершенства замысла
Хотя несовершенство дизайна само по себе не поддерживает эволюцию, оно полностью согласуется с дарвиновской концепцией жизни и опровергает идею о том, что живые существа были созданы с определенной целью в уже существующей жизни. Дело в том, что организму не обязательно быть совершенным, чтобы успешно противостоять своим врагам, чтобы успешно передавать гены следующему поколению. Вследствие этого каждый шаг на эволюционной лестнице должен быть связан с предыдущим, а признаки, которые могли быть выгодны в какой-то момент, будут "заморожены" и продолжат существовать даже после того, как будут обнаружены более подходящие варианты.
Инженеры называют эту особенность "эффектом QWERTY" (QWERTY означает алфавитный порядок букв в верхнем ряду почти всех современных клавиатур). Основной целью первых клавиатур было ускорение набора текста и предотвращение заедания клавиш механических пишущих машинок. Несмотря на возможность появления высокопроизводительных клавиатур, такая конструкция клавиатуры сохранилась до наших дней.
Аналогично, несмотря на то, что любой современный студент-инженер справился бы с этой задачей лучше, особенности структуры были "закреплены" на ранних стадиях эволюции и остались неизменными. Вот несколько иллюстраций.
Хотя не весь падающий свет попадает в глаз таким образом, человеческий глаз устроен так, чтобы преобразовывать его в нервные импульсы перед сетчаткой.
Тот факт, что листья растений зеленые, говорит о том, что они отражают часть попадающего на них света .Любой инженер знает, что черный человек должен получать солнечную энергию.
Змеи с глазницами под кожей живут в пещерах глубоко под землей. Это не имеет смысла для животных, предназначенных для подземной жизни, но имеет смысл, если предки змей жили на поверхности и нуждались в глазах.
В туловище китов есть крошечные кости для задних конечностей. Сегодня эти кости бесполезны, но если предки китов когда-то жили на суше, то вполне логично, откуда они взялись.
Хотя аппендикс участвует в переваривании травы у некоторых травоядных животных, функция аппендикса у человека неизвестна. Эти доказательства не только давно убедили серьезных ученых в справедливости эволюционной теории Дарвина, но и служат основой для любого объяснения того, как функционируют живые системы на нашей планете.
