Karol Darwin i jego teoria ewolucji drogą doboru naturalnego

Karol Darwin: kim jest dla nas dzisiaj

Teoria ewolucji Darwina

W ostatnim czasie wiele się mówi o Darwinie i jego teorii. Coraz częściej wypowiadają się o nim dyletanci w dziedzinie biologii; coraz rzadziej ci, co mieliby coś do powiedzenia, bo nie chcą ściągać na siebie burzy medialnej.

Arystoteles, najwyższy autorytetem ze wszystkich nauczycieli w europejskim obszarze kulturowym, duchowy mistrz teologów i filozofów średniowiecza, powiedział, że "człowiek ze wszystkich zwierząt jest nam najlepiej poznany". Po co kwestionować to, co wie każdy i co w zbiorowej świadomości istnieje od tak dawna? Dlaczego ktoś zarzuca Karolowi Darwinowi, że zamiast zwierzęciem, nazwał człowieka gatunkiem?

Przyrodnikom początków XIX wieku znane były pewne rodzaje skamieniałych zwierząt i roślin i byli oni świadomi tego, że w anatomii występują narządy homologiczne i narządy szczątkowe. Wielu uczonych podejrzewało, że musi istnieć jakaś forma ewolucji (przywróćmy temu słowu pozytywne, twórcze znaczenie, pokrewne słowu "rozwój"), która doprowadziła do powstanie rozmaitości żywych istot wokół nich. Nie posiadali jednakże żadnej unifikującej teorii, która wyjaśniłaby, jak do takiej ewolucji mogłoby dojść. Dwie osobistości utorowały wówczas drogi do późniejszych poszukiwań mechanizmów ewolucji. Pierwszą z nich był Jean Lamarck. Druga z nich to zarazem jedna z największych postaci biologii, Charles Darwin.

Teoria ewolucji przed Darwinem

Pierwszej systematyzacji nauki o ewolucji dokonał Francuz, Jean Baptiste de Lamarck (1774-1829) w 1809 roku. Lamarck opisał mechanizm, z pomocą którego, jak twierdził, ewolucja może się toczyć. Mechanizm ten znany jest jako "dziedziczenie cech nabytych".

Załóżmy, że istnieje salamandra, która zamieszkuje jakieś siedliska trawiaste. Przypuśćmy, argumentował Lamarck, że salamandra ta z trudnością musi się przedzierać przez morze traw, ponieważ krótkie łapki nie mogą sprostać twardym źdźbłom ani sięgnąć gruntu. Przypuśćmy dalej, że te salamandry zaczęły czołgać się na brzuchu, by przemieścić się z miejsca na miejsce. Przestają korzystać z nóg, dlatego mięśnie kończyn nieużywane zanikają, a same kończyny stają się małe. Lamarck utrzymywał, że salamandry przekażą tę nabytą cechę swemu potomstwu. Przez pewien czas nóżki salamander były tak mało używane, że zanikły: tak więc beznogie salamandry wyewoluowały, dziedzicząc po rodzicach cechę nabytą (niedorozwój nóg). Uczonemu nie udało się jednak zaprezentować żadnego eksperymentalnego dowodu lub obserwacji na poparcie zachodzenia takich i podobnych zjawisk. Jego teoria nie znalazła zatem wielu zwolenników. Następna istotna idea wyszła od brytyjskiego naukowca Charlesa Darwina.

Darwin chodzi do szkoły

Charles Darwin (1809-1882), jak wielu ludzi genialnych, z początku nie wykazywał żadnych wyjątkowych uzdolnień. Od najmłodszych lat nie lubił szkoły, wolał zamiast tego obserwować ptaki i zbierać owady, które uczył się rozróżniać. Kiedy skończył 16 lat, został wysłany do szkoły medycznej do Szkocji. Medycyna wydała się jednak młodemu Darwinowi "nieznośnie nudna". Bardziej interesowało go uczęszczanie na wykłady z historii naturalnej, jak nazywano wówczas biologię. Widząc, że Charles stracił entuzjazm do zostania doktorem, jego ojciec zasugerował mu karierę duchownego. Darwin przystał na ten pomysł i wkrótce zapisał się na uniwersytet w Cambridge w Anglii, co miało miejsce w 1827 roku (miał wówczas 18 lat). Tu znów, przyznał się, "mój czas był marnowany, przez wszystko, co miało związek ze studiami na akademii". Darwin zawarł tam przyjaźń z Johnem S. Henslowem, profesorem botaniki, która uczyniła jego pobyt w Cambridge nadzwyczaj owocnym. Znajomość przyrody u Darwina wzrosła w czasie długich rozmów z Henslowem. Henslow utwierdził Darwina w przekonaniu, że powinien on studiować historię naturalną. W 1831 z polecenia Henslowa Darwina został zatrudniony jako przyrodnik mającej się właśnie rozpocząć wyprawy dookoła świata na okręcie o nazwie "Beagle".

Wyprawa na statku "Beagle"

"Beagle" wyczarterowany został na pięcioletnią wyprawę do Ameryki Południowej i na południowy Pacyfik, celem której miało być rysowanie map i gromadzenie potrzebnych informacji (mniej więcej na tym polegają dzisiejsze misje sond kosmicznych). Praca Darwina jako przyrodnika - naturalisty polegała na zbieraniu okazów, obserwacjach i sporządzaniu szczegółowych notatek na temat każdego zaobserwowanego zjawiska, które by uznał za istotne. W początkowym okresie wyprawy Charles zaczytał się w podręczniku geologii, podarowanym mu przez Henslowa. Książka ta, "Podstawy geologii" Charlesa Lyella, skierowała zainteresowania Darwina na studiowanie form rzeźby terenu. W Chile widział skutki trzęsienia ziemi: teren wydźwignięty siłami natury o wiele metrów. W Andach zwróciły jego uwagę skamieniałe muszle morskich organizmów w złożach skalnych, znajdujących się 4,3 km nad poziomem oceanu. Przyznał Lyellowi rację, że poprzez miliony lat trzęsienia ziemi i inne procesy geologiczne mogły zmieniać oblicze lądów. Ponieważ przeobrażeniom ulegała geologia całych krain, formowały się w nich nowe środowiska. Darwin uważał, że zwierzęta powinny adaptować się do takich zmian. Wyniesienie lądu na tysiące metrów nad poziom morza doprowadza do przemiany na dużych obszarach gorącego klimatu zwrotnikowego w klimat alpejski; potężny łańcuch górski staje się zaporą dla wilgotnego powietrza, które zaczyna odtąd zraszać jedną jego stronę, gdy druga pozostaje bez opadów. Podczas pięcioletniej wyprawy "Beagle" kapitan niejednokrotnie wysadzał Darwina na ląd w jakimś porcie i zabierał go znów w innym w kilka miesięcy później. Jednym z powodów, dla których Darwin był tak zapalony do badań na lądzie była dręcząca go na statku choroba morska, przez którą nie mógł się doczekać opuszczenia go. W tym czasie Darwin przebył setki mil poprzez rejony, których nie było na żadnej mapie. Obserwował tysiące gatunków organizmów i zbierał różnego rodzaju skamieniałości. W czasie monotonnych rejsów morskich wykorzystywał czas na katalogowanie swoich okazów i spisywanie uwag.

Darwin wraca do Anglii

Kiedy wrócił do Anglii w październiku 1836 roku, jego kolekcja została oceniona przez społeczność naukową. Wiele okazów Darwin rozesłał specjalistom do szczegółowych studiów. Pewien ornitolog obejrzał kolekcję ptaków pochodzących z Archipelagu Galapagos, położonego około 1000 km na zachód od wybrzeża amerykańskiego. Stwierdził, że znajduje się tam trzynaście podobnych do siebie, choć odrębnych gatunków zięby. Różniły się m.in. dziobami, przystosowanymi do róznych pokarmów. Inni eksperci, badający przywiezione skamieniałości, klasyfikowali je jako szczątki wymarłych już zwierząt. Znajdowały się wśród nich, między innymi, gryzonie o wielkości hipopotama. Podobieństwa zięb z Galapagos doprowadziły Darwina do wniosku, że gatunki te musiały kiedyś mieć wspólnego przodka. Podobieństwa wymarłych ssaków z kolei do ssaków dzisiejszych naprowadziły go na myśl, że gatunki zmieniają się w przeciągu czasu. W roku 1837 rozpoczął pisanie notatek do swego pierwszego dzieła o ewolucji. Przez kilka lat uzupełniał je faktami, które mogły zostać użyte na poparcie teorii. Znalazł dowód wywodzący się ze studiów zapisu kopalnego: zaobserwował mianowicie, że kopalne zwierzęta o podobnym wieku względnym (wyprowadzony z kolejności następowania po sobie warstw w różnych częściach świata) są bliżej ze sobą spokrewnione, niż z tymi, od których dzieli je znaczny względny przedział czasowy. Porównanie struktur homologicznych, narządów szczątkowych i rozwoju zarodkowego żyjących gatunków dostarczyły uczonemu dodatkowych dowodów na ewolucję. Specjalistów od rozrodu zwierząt i roślin rozpytywał o różnice pomiędzy gatunkami dzikimi i udomowionymi. Prowadził też swoje własne eksperymenty z rozrodem, a także z rozprzestrzenianiem się nasion.

Eureka, czyli ewolucja przez naturalną selekcję

Najważniejsze pytanie wciąż było bez odpowiedzi: jeśli ewolucja zachodzi, jakimi środkami i na jakie sposoby to się dzieje? W roku 1838 dwudziestodziewięcioletni Charles Darwin przeczytał książkę pod tytułem "Esej o podstawach populacji" brytyjskiego ekonomisty, Thomasa Malthusa (1776-1834). Malthus twierdził, że populacja ludzka, jeżeli wzrastałaby w niekontrolowany sposób, będzie podwajać się co 25 lat. Zasobów jednakże, takich jak żywność, powietrze i woda, nie będzie przybywało w podobnym tempie. Tak więc ludzkie istnienia są uwikłane w "walkę o przetrwanie", konkurując ze sobą o ograniczone zasoby. Pomysł ten pomógł Darwinowi odkryć mechanizm, którego potrzebował. Łącząc ideę konkurencji ze swymi własnymi obserwacjami wyjaśnił, jak może zachodzić ewolucja. Po pierwsze, uznał, że pomiędzy osobnikami jednego gatunku istnieje zmienność. Po drugie, założył, że deficyt zasobów w rozszerzającej się populacji będzie prowadził do konkurowania pomiędzy osobnikami tego samego gatunku, ponieważ wszystkie one korzystają z tych samych, limitowanych zasobów (nie musi to być pożywienie, ale też np. terytorium, kryjówki czy możliwość pozostania niedostrzeżonym dla drapieżców). Taka konkurencja doprowadzi do śmierci pewnych osobników (na iluż filmach przyrodniczych wraca motyw pewnego fundamentalnego "okrucieństwa" przyrody, w której matka dopuszcza do śmierci części potomstwa, by przeżyła choć część z nich), podczas gdy reszta przeżyje. Z tego wszystkiego Darwin wyciągnął wniosek, że osobniki posiadające korzystne innowacje przeżyją i przystąpią do reprodukcji z większy prawdopodobieństwem niż te, które takich innowacji nie mają. Darwin ukuł termin doboru naturalnego, aby opisać proces, w którym organizmy o korzystnych zmianach przeżywają i rozmnażają się w większym tempie. Odziedziczona zmienność, która zwiększa szansę przeżycia organizmu w konkretnym środowisku, nazwana została adaptacją (przystosowaniem). Poprzez wiele pokoleń adaptacja może rozszerzyć się na cały gatunek. W ten sposób, według Darwina, zachodzi ewolucja przez dobór naturalny. Jako przykład przytoczył Darwin fakt, że niektóre ptaki i ssaki zmieniają w zimie futro na białe. Ta zmiana koloru, jak mówił, pomagała chronić się przed drapieżnikami, z trudem wypatrującymi swe ofiary na śniegu. Osobniki, które nie zmieniły koloru na zimę, z łatwością zostawały dostrzeżone i upolowane. Tym samym w przyszłym pokoleniu dominowało potomstwo umiejących zmieniać kolor futra czy upierzenia, o ile oczywiście umiejętność ta była dziedziczna.

O pochodzeniu gatunków

Darwin dobierał dowody na ewolucje drogą naturlnej selekcji przez około 20 lat. Pomiędzy 1842 a 1844 napisał 230 stron liczący esej, w którym podsumował swą teorię i dowody na jej poparcie. W latach 1850. rozpoczął prace nad szczegółowym, wielotomowym dziełem prezentującym jego teorię naukowej społeczności. Darwin być może nigdy by go nie ukończył, ponieważ inny brytyjski naukowiec, Alfred Russel Wallace (1823-1913), wystąpił w roku 1858 z takim samym pomysłem. Żyjąc przez pewien czas na Archipelagu Malajskim (Ocean Spokojny) sformułował on teorię i również napisał esej, który wysłał Darwinowi. Koledzy doradzili Darwinowi, aby zaprezentował swoją teorię i esej Wallace'a jednocześnie na jednej konferencji naukowej. Tak też się stało. Prezentacja wzbudziła jednak bardzo nikłe zainteresowanie, w zgodzie zresztą z bardzo skromnym charakterem Darwina. Opublikowanie "O pochodzeniu gatunków" w 1859 roku zmieniło natomiast biologię na zawsze. Pierwsze wydanie książki sprzedano już na pierwszy dzień. Darwin jasno i logicznie przedstawiał swój pomysł, iż dobór naturalny to poszukiwany mechanizm ewolucji. Liczni naukowcy przekonywali się do jego teorii przez cały okres jego życia. Dziś unifikuje ona i tłumaczy wszystkie fakty w biologii.

Schematy ewolucji

Dobór naturalny może doprowadzić do ukształtowania zupełnie nowych gatunków. Czasami liczne gatunki rozwijają się z pojedynczego gatunku - protoplasty. Podobieństwa struktury szkieletu i umięśnienia ptaków wróblowatych, błękitniczków i seledynków z Wysp Hawajskich doprowadziły naukowców do konkluzji, że 23 gatunki tych blisko spokrewnionych ptaków wyewoluowały z jednego gatunku wyjściowego. Taki schemat ewolucji, gdzie wiele pokrewnych gatunków rozwija się z jednego przodka, nazwany został radiacją adaptatywną. Radiacja adaptatywna najpowszechniej występuje, gdy jakiś gatunek odnosi sukces inwazyjny na izolowanym obszarze (wyspie, w paśmie górskim), gdzie nie ma wielu gatunków konkurujących o niszę. Jeśli dostępne są tam różne, odmienne nisze, wówczas rozwija się więcej gatunków.

Ewolucja dywergentna i konwergentna

Radiacja adaptatywna jest przykładem ewolucji dywergentnej. Ewolucja dywergentna jest procesem, w którym dwa lub więcej spokrewnione gatunki stają się coraz bardziej do siebie niepodobne. Dwa gatunki lisa zamieszkujące USA, lis rudy (Vulpes vulpes) i lis długouchy (V. macrotis) dostarczają przykładu gatunków, które podlegały dywergencji. Pierwszy z nich żyje w krajobrazie rolniczym i w lasach, gdzie rudy kolor sierści pomaga mu zlać się z otaczającymi drzewami. Lis długouchy żyje na otwartych przestrzeniach i na pustyniach, a piaskowe zabarwienie pozwala się zamaskować przed ofiarami i drapieżnikami. Uszy tego gatunku są większe niż te lisa rudego, co jest adaptacją do środowiska pustyni. Zwiększona powierzchnia uszu oddaje nadmiar ciepła zgromadzonego w ciele. Podobieństwa budowy ciała wskazują, że lis rudy i lis długouchy miały wspólnego przodka. W miarę jak adaptowały się do odmiennych środowisk, ich wygląd zaczął coraz bardziej od siebie odbiegać.

W ewolucji konwergentnej, przeciwnie, niespokrewnione gatunki stają się do siebie bardziej i bardziej podobne, gdyż adaptują się do tego samego typu środowiska. Amerykańskie kaktusy i afrykańskie wilczomlecze uzyskały podobny wygląd, przystosowując się do życia w pustynnym środowisku. Rodziny, do których należą, są przedstawicielami odrębnych rzędów roślin dwuliściennych. Gatunku pustynne odznaczają się kolumnowymi, zielonymi łodygami uzbrojonymi w kolce. Te przystosowania służą magazynowaniu wody i obronie przeciw agresorom.

Koewolucja

Koewolucja są to równoczesne, sprzężone ze sobą zmiany u dwóch lub więcej gatunków, żyjących w ścisłej współzależności. Koewoluować mogą czasem drapieżniki i ich ofiary, pasożyty i ich żywiciele, zwierzęta żywiące się roślinami i rośliny. Inny to wzajemna ewolucja roślin kwiatowych i zwierząt, które je zapylają. W tropikalnych częściach świata kwiaty są odwiedzane przez nietoperze, które piją nektar. W futro na twarzy i karku nietoperza wbija się pyłek, który zwierzę przenosi na następny odwiedzany kwiat. Gatunki nietoperzy, które żerują na kwiatach, mają wydłużony pyszczek i długi język z pędzelkowatym zakończeniem. Adaptacje te pomagają im w żerowaniu. Kwiaty, które koewoluowały z nietoperzami, mają jasne kolory, aby nietoperze, które są aktywne nocą, mogły je z łatwością zlokalizować. Kwiaty wydzielają owocowy zapach, który przyciąga nietoperze.

Dywergencja, konwergencja i koewolucja są to rozmaite drogi, na których organizmy osiągają jeden cel: adaptują się do środowiska. Są to zarazem przykłady na to, że różnorodność życia na Ziemi wynika z wiecznie zmieniających się interakcji między gatunkiem a jego środowiskiem. Nie jest to jedyny mechanizm kształtujący różnorodność życia, ale jego to właśnie odkrycie i wyartykułowanie w języku nauki zawdzięczamy Darwinowi.