Насколько быстро происходит эволюция?

Эволюция может происходить по двум направлениям: быстрая и адаптивная эволюция происходит в более короткие сроки, от нескольких тысяч лет до нескольких десятилетий, в то время как макроэволюция, приводящая к образованию различных видов, часто происходит в течение более длительного периода времени, обычно от нескольких сотен тысяч до миллионов лет. Известны также случаи образования новых видов в течение всего нескольких лет, как, например, вьюрки на Галапагосских островах.

Земля существует примерно 4,5 миллиарда лет. За это время множество организмов — от древних рыб и современных людей до бактерий и динозавров — эволюционировали, процветали, а иногда и вымирали.

Люди в том виде, в котором мы их знаем, существуют всего несколько сотен тысяч лет — ничтожная часть истории нашей планеты. Считается, что эволюция организмов происходит в геологическом масштабе за миллионы лет, однако мы можем наблюдать, как организмы вокруг нас эволюционируют в измененные формы в течение нашей короткой человеческой истории. Как это возможно, что для эволюции растений и животных потребовались миллионы лет, но мы можем быть свидетелями того, как новые виды птиц появляются в течение нескольких десятилетий, а новые штаммы бактерий — в течение нескольких недель?

Два типа эволюции

Биологи предположили, что существует два типа эволюции: адаптивная эволюция происходит в течение коротких промежутков времени, а макроэволюция - в течение миллионов лет. Это означает, что быстрые изменения в популяциях не всегда приводят к долговременным изменениям вида. Для устойчивых изменений требуются миллионы лет.

Ученые объясняют это на примере человека. Сегодня люди на несколько сантиметров выше, чем 200 лет назад, но это не значит, что мы будем продолжать расти с каждым годом и в итоге через тысячи лет станем выше в среднем на несколько метров. Мы можем продолжать расти, а можем и не продолжать, а можем начать становиться короче.

Другой пример — лошади. Когда сравнивали лошадей, разделенных несколькими поколениями, то заметили множество мелких изменений в их костях. Когда же сравнивали лошадей, разделенных несколькими миллионами лет, изменений оказалось меньше.

Быстрая эволюция может происходить в течение нескольких поколений, обычно в ответ на определенные изменения в окружающей среде, но эти быстрые изменения могут не сохраняться. Серьезные изменения занимают миллионы лет. Когда изменения сохраняются, условия, вызвавшие эти изменения (окружающая среда, хищники или антропогенные причины), также должны сохраняться и присутствовать на обширных территориях в течение миллионов лет.

Это явление сравнивают с фондовым рынком. Если мы посмотрим на ежедневные колебания цен на акции, система покажется нам весьма неустойчивой. Если же мы увеличим масштаб и сравним цены за более длительный период времени, то рынок покажется гораздо более стабильным.

Так, если мы подсчитаем мутации ДНК за несколько тысяч лет, мы увидим больше мутаций, чем если мы подсчитаем тот же показатель за несколько миллионов лет. За короткий период времени происходит множество мутаций, но за более длительный период эти мутации маскируют друг друга и/или естественный отбор устраняет пагубные и неблагоприятные мутации.

Репродуктивные циклы определяют скорость эволюции

Каждый раз, когда организм размножается, в его генетическую структуру вносятся случайные изменения (мутации). У организмов с двухцепочечной ДНК есть корректор, который исправляет ошибки, но не все ошибки исправляются. У вирусов корректоров нет, поэтому они накапливают мутации гораздо быстрее. Как следствие, каждые несколько месяцев появляются новые штаммы вируса гриппа и COVID-19.

Если эти случайные изменения приводят к изменению функции, что делает организм более приспособленным к окружающей среде, то эти изменения, скорее всего, сохранятся. Эволюция происходит, когда естественный отбор благоприятствует определенным генетическим изменениям, которые приводят к какому-либо выживанию или репродуктивному преимуществу.

Организмы, размножающиеся каждые несколько часов (например, бактерии), эволюционируют гораздо быстрее, чем организмы, которым требуются месяцы (или даже годы) для размножения.

Иногда новые виды могут эволюционировать за несколько лет

На Земле существует около 1 триллиона видов (большая часть которых, судя по всему, состоит из микроорганизмов). По оценкам ученых, видообразование в среднем происходит при накоплении мутаций в течение двух миллионов лет, но есть и исключения. Скорость образования новых видов зависит от типа организма и окружающей среды.

Одной из определяющих характеристик видов является репродуктивная изоляция, то есть невозможность спаривания особей двух разных видов в естественных условиях. Однако этот критерий не может быть использован для бактерий, поскольку они не размножаются половым путем.

Для эволюции необходимы наследственные изменения, поэтому время генерации или скорость размножения вида является важнейшим фактором, определяющим скорость его эволюции.

В одном из исследований, посвященных вьюркам, было отмечено, что один из видов вьюрков, обитающих на Галапагосских островах, перебрался на другой остров, где спарился с другой местной птицей. Это привело к образованию нового вида всего за три поколения!

Растения могут дублировать свой геном в семенах (это называется полиплоидией) и образовывать новый вид, поскольку этот полиплоид не может скрещиваться и размножаться половым путем с исходной диплоидной формой растения.

Бактерии могут размножаться в течение нескольких часов и, таким образом, образовывать новые виды в течение нескольких дней или лет.

Адаптивная эволюция может происходить в течение относительно короткого периода времени

Примером адаптивной эволюции путем естественного отбора может служить эволюция рыбы томкод в реке Гудзон, которая стала устойчивой к токсичным химикатам. В период с 1947 по 1976 год компания General Electric выбрасывала в реку Гудзон токсичные загрязняющие вещества, которые оседали в донных отложениях на дне реки. Обычно эти токсичные загрязнители убивают рыбу в реке, но атлантический томкод эволюционировал, чтобы выжить в присутствии этого токсичного загрязнителя в течение короткого промежутка времени — всего 60 лет.

Этот тип адаптивной эволюции произошел, когда случайная мутация сделала отдельную рыбу с генетическим вариантом более способной к выживанию в сложной среде, в то время как остальные вымирали. Выживший вариант размножался и производил на свет новые варианты. В течение нескольких поколений эти варианты стали доминирующей популяцией, поскольку обладали преимуществами генетического характера.

Люди также постоянно эволюционируют. В одном из недавних исследований был сделан вывод, что эволюция человека «[...] ускорилась за последние 40 000 лет и стала в 100 раз быстрее за последние 5000 лет». Исследователи отметили, что 7 % генома человека, представляющие собой около 1800 генов, продемонстрировали признаки ускоренной эволюции. Было высказано предположение, что многие из этих эволюционных изменений происходят в ответ на рацион питания (например, способность лучше переваривать крахмал, жирные кислоты и лактозу) или болезни (например, малярию, СПИД и устойчивость к желтой лихорадке у африканцев).

Заключение

Скорость эволюции варьируется в зависимости от вида и применяемой эволюционной силы. Изменения, которые происходят в ответ на определенную среду и делают разновидность более приспособленной к выживанию в этой среде, скорее всего, будут унаследованы и закреплены в популяции. Однако эти краткосрочные изменения могут сохраняться или не сохраняться в течение более длительного геологического времени.