Evoliucijos įrodymai: nuo fosilijų iki DNR

Kasdienėje kalboje žodis „teorija“ dažnai reiškia spėlionę ar nepatvirtintą prielaidą. Tačiau moksle šio žodžio prasmė yra visiškai kitokia. Mokslinė teorija – tai ne spėjimas, o galingas, išsamus, įrodymais pagrįstas paaiškinimas, apjungiantis daugybę faktų ir stebėjimų apie gamtos pasaulį. Evoliucijos teorija yra būtent tokia. Tai nėra „tik teorija“, tai – fundamentalus principas, kertinis moderniosios biologijos akmuo, be kurio daugelis medicinos, genetikos, ekologijos ir kitų sričių atradimų būtų tiesiog nesuprantami.

Teiginys, kad gyvybė kinta, nėra pagrįstas vienu vieninteliu faktu ar atradimu. Evoliucijos teorijos galia slypi jos gebėjime paaiškinti ir sujungti milžinišką kiekį informacijos iš visiškai skirtingų ir nepriklausomų mokslo sričių. Įsivaizduokite, kad tiriate bylą: turite pirštų atspaudus, liudininkų parodymus, DNR pavyzdžius ir motyvą. Jei visa tai veda prie to paties įtariamojo, jūsų byla yra be galo stipri. Lygiai taip pat yra su evoliucija.

Šioje pamokoje išnagrinėsime įrodymų grandinę. Pasinersime į žemės gelmes ieškodami fosilijų – suakmenėjusių pasakojimų apie praeities gyvybę. Lyginsime dabartinių organizmų anatomiją, atrasdami netikėtų panašumų ir paslėptų protėvių pėdsakų. Keliausime po pasaulį tyrinėdami biogeografiją – geografinį gyvybės paplitimą. Stebėsime embrionų vystymąsi, ieškodami giminystės ryšių ankstyvosiose gyvybės stadijose. Ir galiausiai, gilinsimės į pačią gyvybės esmę – DNR, kurios sekose slypi tiksliausias ir neginčijamas evoliucijos metraštis. Visi šie įrodymai, surinkti iš skirtingų perspektyvų, susijungia į vieną galingą ir nepaneigiamą istoriją – didįjį gyvybės pasakojimą.

Paleontologija – mokslas, tiriantis išnykusias gyvybės formas per jų suakmenėjusias liekanas – fosilijas. Fosilijų metraštis yra tarsi nepilnai išlikusi, bet be galo vertinga knyga, pasakojanti apie gyvybės istoriją. Nors daugelis organizmų po mirties tiesiog suyra, palankiomis sąlygomis (pvz., greitas palaidojimas nuosėdose) jų liekanos gali išlikti milijonus metų.

📸 Iliustracija per Google Vaizdus: Fosilijų susidarymo proceso schema (mineralizacija). 1) Gyvūnas miršta ir nuskęsta vandens telkinyje. 2) Jį greitai uždengia nuosėdų (smėlio, dumblo) sluoksniai. 3) Minkštieji audiniai suyra, lieka tik skeletas. 4) Laikui bėgant, nuosėdos virsta uoliena, o mineralai iš vandens įsiskverbia į kaulus ir pakeičia organinę medžiagą. 5) Per milijonus metų, dėl erozijos uolienų sluoksniai atsidengia ir fosilija aptinkama.

Fosilijų amžiaus nustatymas

Mokslininkai fosilijų amžių nustato dviem pagrindiniais būdais:

• Santykinis datavimas: Pagrįstas superpozicijos principu. Nuosėdinių uolienų sluoksniai gula vienas ant kito, tad giliau esantys sluoksniai (ir juose rastos fosilijos) yra senesni nei esantys arčiau paviršiaus. Tai leidžia sudaryti fosilijų chronologinę seką.
• Absoliutus (radiometrinis) datavimas: Šis metodas naudoja radioaktyviųjų izotopų skilimo dėsnius. Uolienose esantys nestabilūs radioaktyvūs izotopai (pvz., uranas-238, kalis-40) tam tikru, pastoviu greičiu skyla į stabilius izotopus. Matuojant „tėvinio“ ir „dukterinio“ izotopų santykį uolienos pavyzdyje, galima apskaičiuoti, kada uoliena susidarė ir taip nustatyti joje esančių fosilijų amžių milijonų metų tikslumu.

Fosilijos atskleidžia evoliucinius pokyčius

Fosilijų seka uolienų sluoksniuose atskleidžia laipsniškus organizmų pokyčius:

• Pirmiausia atsiranda paprastesni organizmai (pvz., prokariotai), vėliau – sudėtingesni (eukariotai, daugialąsčiai).
• Galima atsekti ištisas evoliucines linijas, pavyzdžiui, roplių virtimą žinduoliais arba arklių evoliuciją nuo mažų, miškinų gyvūnų iki didelių, atvirų lygumų gyventojų.

Tarpinės grandys – „trūkstamos grandys“ surastos

Vieni iš svarbiausių evoliucijos įrodymų yra tarpinių formų (arba pereinamosios) fosilijos. Tai organizmų, turinčių požymių, būdingų tiek senesnei (protėvinei), tiek jaunesnei (palikuonių) grupei, liekanos. Jos veikia kaip evoliucinės grandinės jungtys, tiesiogiai iliustruojančios perėjimą iš vienos stambios organizmų grupės į kitą.

Lyginamoji anatomija nagrinėja skirtingų organizmų rūšių sandaros panašumus ir skirtumus. Ji atskleidžia, kad daugelis iš pažiūros labai skirtingų organizmų yra sukonstruoti pagal tą patį bazinį „brėžinį“, paveldėtą iš bendro protėvio. Tai panašu į skirtingų modelių automobilius, pagamintus ant tos pačios platformos.

Homologinės struktūros: bendras paveldas

Homologinės struktūros – tai organai ar kūno dalys skirtingose rūšyse, kurios turi panašią sandarą, nes yra paveldėtos iš bendro protėvio, tačiau gali atlikti skirtingas funkcijas.

📸 Iliustracija per Google Vaizdus: Keturių stuburinių galūnių homologijos schema. Aiški iliustracija, kurioje lyginami žmogaus rankos, katės kojos, banginio peleko ir šikšnosparnio sparno kaulai. Skirtingomis spalvomis pažymėti homologiniai kaulai: žastikaulis (oranžine), stipinkaulis (geltona), alkūnkaulis (žalia), riešakauliai (mėlyna), delnakauliai ir pirštakauliai (violetine). Aiškinamajame tekste pabrėžiama, kad nors funkcijos skiriasi (čiupti, vaikščioti, plaukti, skristi), kaulų planas išlieka tas pats.

Klasikinis pavyzdys yra stuburinių penkiapirštė galūnė. Žmogaus ranka, katės priekinė letena, banginio pelekas ir šikšnosparnio sparnas išoriškai atrodo labai skirtingai ir pritaikyti skirtingoms funkcijoms. Tačiau jų skeletas sudarytas iš tų pačių kaulų (žastikaulio, stipinkaulio, alkūnkaulio, riešakaulių, delnakaulių, pirštakaulių), išsidėsčiusių ta pačia tvarka. Geriausias paaiškinimas šiam stulbinančiam panašumui yra tas, kad visos šios rūšys paveldėjo galūnės struktūrą iš bendro protėvio, o vėlesnės evoliucijos eigoje ši struktūra buvo modifikuota prisitaikant prie skirtingo gyvenimo būdo. Jei kiekviena rūšis būtų sukurta atskirai, nebūtų jokios priežasties banginio pelekui ar šikšnosparnio sparnui turėti pirštų kaulus.

Analoginės struktūros: konvergentinė evoliucija

Analoginės struktūros atlieka panašią funkciją, tačiau jų sandara ir evoliucinė kilmė yra skirtingos. Jos nėra paveldėtos iš bendro protėvio. Tokios struktūros atsiranda, kai negiminingi organizmai prisitaiko prie panašių aplinkos sąlygų. Šis procesas vadinamas konvergentine evoliucija.

• Pavyzdys: Paukščio, vabzdžio ir šikšnosparnio sparnai. Visi jie skirti skraidyti (panaši funkcija). Tačiau paukščio sparną sudaro kaulai, raumenys ir plunksnos; šikšnosparnio sparną – kaulai, raumenys ir odos plėvė; o vabzdžio sparnas yra tiesiog chitininė išauga. Jų vidinė sandara visiškai kitokia. Panaši ir ryklių (žuvis) bei delfinų (žinduolis) kūno forma – abiem atvejais ji yra обтекаемая (hidrodinamiška), nes tai yra optimali forma greitai judėti vandenyje.

Rudimentinės struktūros: evoliucijos palikimas

Rudimentai – tai evoliucinės liekanos. Tai nefunkcionuojančios arba labai supaprastėjusios struktūros, kurios buvo pilnai išsivysčiusios ir funkcionavo organizmo protėviams. Rudimentų egzistavimas neturi prasmės, jei organizmai sukurti tobuli, bet puikiai paaiškinamas evoliucijos kontekste – tai „genetinės šiukšlės“, paliktos protėvių.

• Pavyzdžiai:
  • Gyvatės ir banginiai turi dubens ir užpakalinių kojų liekanas, nors kojų ir nebeturi.
  • Žmogaus apendiksas (kirmėlinė atauga) yra žolėdžių protėvių didelės aklosios žarnos liekana.
  • Žmogaus uodegikaulis yra protėvių uodegos liekana.
  • Strausio sparnai per maži ir silpni, kad paukštis galėtų skristi, bet tai protėvių, kurie skraidė, palikimas.

Biogeografija tiria, kaip ir kodėl organizmai paplitę tam tikrose geografinėse vietovėse. Evoliucijos teorija kartu su žiniomis apie kontinentų dreifą (tektoninių plokščių judėjimą) suteikia galingą paaiškinimą, kodėl tam tikras rūšis randame vienur, o kitur jų nėra.

Kontinentų dreifas ir bendrų protėvių pėdsakai

Kadaise visi Žemės žemynai buvo susijungę į vieną superkontinentą – Pangėją, kuri vėliau skilo į Lauraziją ir Gondvaną. Šioms dalims toliau skaldantis ir judant, kartu buvo išskiriamos ir kadaise bendroje teritorijoje gyvenusios organizmų populiacijos. Atskirtos vandenynais, šios populiacijos evoliucionavo skirtingomis kryptimis, duodamos pradžią naujoms rūšims. Būtent todėl dabar randame negiminingas, bet panašiai atrodančias rūšis panašiose klimato zonose skirtinguose žemynuose (konvergencija) arba, atvirkščiai, artimai giminingas rūšis labai tolimuose žemynuose.

• Pavyzdys: Sterbliniai žinduoliai. Sterbliniai atsirado, kai žemynai dar buvo susijungę. Australijai atsiskyrus nuo kitų žemynų anksčiau, nei juose išplito placentiniai žinduoliai, Australijos sterbliniai evoliucionavo be konkurencijos ir užėmė visas ekologines nišas (plėšrūno – sterblinis vilkas, graužiko – vombatas, kanopinio – kengūra). Kitur, išskyrus kelias išimtis (pvz., oposumai Amerikoje), sterblinius beveik visur išstūmė efektyvesni placentiniai žinduoliai.

Salų Biogeografija: natūralios laboratorijos

Salos, ypač vulkaninės kilmės ir toli nuo žemyno, yra tarsi natūralūs evoliucijos eksperimentai. Darviną labiausiai įkvėpė Galapagų salų pavyzdys.

• Salų gyventojai panašiausi į artimiausio žemyno gyventojus. Pavyzdžiui, Galapagų salų rūšys (kikiliai, vėžliai) yra labiausiai giminingos ne Afrikos ar Azijos, o artimiausio Pietų Amerikos žemyno rūšims. Tai rodo, kad salos buvo kolonizuotos iš artimiausio šaltinio, o vėliau organizmai evoliucionavo vietoje.
• Endeminės rūšys. Dauguma salų rūšių yra endeminės, t. y., nerandamos niekur kitur pasaulyje. Tai rodo, kad po kolonizacijos jos vystėsi izoliuotai.
• Adaptyvioji radiacija. Salose, kuriose mažai plėšrūnų ir konkurentų, viena protėvinė rūšis gali greitai išsivystyti į daugybę naujų rūšių, prisitaikiusių prie skirtingų nišų. Tai vadinama adaptyviąja radiacija. Galapaguose viena kikilių rūšis davė pradžią 13 skirtingų rūšių, turinčių skirtingus snapus, pritaikytus misti sėklomis, vabzdžiais ar net gerti kraują.

Jei paleontologija, anatomija ir biogeografija teikia netiesioginius įrodymus, tai lyginamoji embriologija ir, ypač, molekulinė biologija leidžia pažvelgti į pačius giliausius evoliucinių ryšių mechanizmus.

Lyginamoji embriologija: vystymosi kelio aidas

Stebint stuburinių gyvūnų – žuvų, varliagyvių, roplių, paukščių ir žinduolių (įskaitant žmogų) – embrionus ankstyvosiose vystymosi stadijose, matyti stulbinantys panašumai. Visi jie turi uodegas ir ryklių lankus (arba faringinius plyšius). Žuvims šie lankai išsivysto į žiaunas. Sausumos stuburiniams, įskaitant žmones, jie modifikuojasi ir tampa ausies, galvos bei kaklo struktūrų dalimis. Panašus embrionų vystymosi kelias rodo, kad visi stuburiniai paveldėjo tuos pačius „pradinius“ vystymosi genus iš bendro žuviško protėvio.

Molekulinė biologija: įrodymai, įrašyti DNR

Tai pati moderniausia ir stipriausia evoliucijos įrodymų sritis, nes ji tiesiogiai lygina pačią genetinę informaciją.

• Universalus genetinis kodas: Absoliučiai visi žinomi gyvi organizmai – nuo bakterijų iki žmogaus – naudoja tą patį genetinį kodą. DNR bazių tripletas (kodonas), pavyzdžiui, GGU, koduoja glicino aminorūgštį tiek jūsų ląstelėje, tiek žarnyno lazdelės (E. coli) bakterijoje. Būtų neįtikėtinas sutapimas, jei gyvybė būtų atsiradusi kelis kartus nepriklausomai ir visais atvejais evoliucionuotų identiškai sudėtinga informacijos kodavimo sistema. Universalus kodas – tai stiprus įrodymas, kad visa gyvybė Žemėje kilo iš vieno bendro protėvio.

• DNR sekų palyginimas: Kadangi mutacijos DNR kaupiasi tam tikru vidutiniu greičiu, artimiau giminingos rūšys turės daugiau panašumų savo DNR sekose nei tolimai giminingos rūšys. Tai leidžia sudaryti labai tikslius evoliucinius giminystės medžius – filogenetinius medžius.

  Organizmai	DNR panašumas su žmogumi
  Šimpanzė	~ 98.8 %
  Pelė	~ 85 %
  Bananas	~ 50 %

  Šie skaičiai puikiai atitinka giminystės ryšius, nustatytus pagal anatomiją ir fosilijas.

• Pseudogenai („genų fosilijos“): DNR grandinėje randama neveikiančių genų, kurie yra veikiančių genų „šešėliai“. Tai genai, kurie dėl mutacijų prarado savo funkciją. Pavyzdžiui, dauguma žinduolių gali patys sintetinti vitaminą C, nes turi veikiantį GULO geną. Žmonės, šimpanzės ir kitos beždžionės šio vitamino gaminti negali – jį turime gauti su maistu. Mūsų DNR randamas neveikiantis GULO geno variantas (pseudogenas). Įdomiausia tai, kad visų primatų šis genas „sugadintas“ lygiai toje pačioje vietoje. Tai įrodo, kad mutacija įvyko mūsų bendram protėviui, o mes visi paveldėjome jau neveikiantį geną.

Įrodymai iš skirtingų sričių leidžia mokslininkams atkurti evoliucinius kelius ir sugrupuoti organizmus pagal jų giminystės ryšius. Dabar patys pabandykite tapti evoliucijos biologu ir išspręsti filogenetinį galvosūkį.

Užduotis: Sudėliokite evoliucijos medį

• Interaktyvi užduotis „NOVA Labs: Evolution Lab“ (Misija 2)
  • Ką darysite? Naudodamiesi morfologiniais (išvaizdos) ir genetiniais (DNR) duomenimis, turėsite sudėlioti teisingą evoliucinį (filogenetinį) medį įvairiems organizmams, nuo paprasčiausių iki sudėtingiausių.
  • Tikslas: Praktikoje pritaikyti žinias apie homologijas ir DNR palyginimą, suprasti, kaip mokslininkai nustato evoliucinius ryšius, ir pamatyti, kaip genetiniai duomenys gali patvirtinti ar paneigti išvadas, padarytas remiantis vien išvaizda. (Užduotis anglų kalba).