Ewolucja i powstanie życia

Link do prezentacji z lekcji znajdziecie tu.

Ciekawe filmy na temat ewolucji i mechanizmów z nią związanych.

• Ewolucja i dobór naturalny.
• Dlaczego dzieci różnią się od rodziców czyli zmienność wewnątrzgatunkowa.
• Kontrowersje wokół ewolucji.

Ewolucja (łac. evolutio – rozwinięcie, rozwój) – to ciągły proces, polegający na stopniowych zmianach cech kolejnych pokoleń wskutek eliminacji przez dobór naturalny (lub sztuczny) części osobników (genotypów) z bieżącej populacji. 

Zależnie od siły doboru oraz szybkości wymiany pokoleń, po krótszym lub dłuższym czasie, w stosunku do stanu populacji wyjściowej powstają tak duże różnice, że można mówić o odrębnych gatunkach.

Teorię ewolucji sformułował angielski przyrodnik Karol Darwin. Opisał ją w swej książce "O powstawaniu gatunków drogą doboru naturalnego" w 1859 r. 

Na ewolucje organizmów wpływ ma kilka czynników, a przede wszystkim:

• Zmienność genetyczna,
• Presja środowiska.

Procesy prowadzące do ewolucji nazywamy jej mechanizmami. Najważniejszym z nich jest dobór, czyli ukierunkowane zmiany prowadzące do wypierania pewnych genotypów przez inne. Z punktu widzenia ewolucji najistotniejszy jest dobór naturalny, który polega na tym, że 

osobniki lepiej dostosowane pożyją dłużej i wydadzą więcej potomstwa niż osobniki mniej dostosowane, w konsekwencji zwiększając udział genów warunkujących cechy korzystne w puli genowej populacji. Dobór naturalny jest głównym mechanizmem odpowiedzialnym za proces adaptacji ewolucyjnej. Szczególnym przypadkiem doboru naturalnego jest dobór płciowy, gdzie o dostosowaniu decyduje atrakcyjność dla płci przeciwnej. Dobór płciowy został zaproponowany przez Karola Darwina jako wytłumaczenie pochodzenia ekstrawaganckich i kosztownych cech u organizmów żywych takich jak pawi ogon - "skoro przeżył z czymś tak utrudniającym życie to musi mieć super geny". W sytuacji gdy człowiek ingeruje w rozwój populacji krzyżując osobniki tak, aby uzyskać konkretne cechy (np. rasy psów) mamy do czynienia z doborem sztucznym. 

Z ewolucją związane jest zagadnienie powstawania nowych gatunków czyli procesu specjacji. Nowy gatunek powstaje na skutek powstania bariery reprodukcyjnej pomiędzy wyjściowymi populacjami. Bariera może być geograficzna (np. zatoka oddzieli się od morza tworząc jezioro i zamykając w nim część ryb) lub spowodowana niemożnością rozmnożenia się osobników.

Dowody ewolucji:

1) Bezpośrednie

• skamieniałości

• odciski w skałach

• żywe skamieniałości

2. Pośrednie

• podobieństwa fizjologii i biochemii

• narządy homologiczne

• narządy analogiczne (konwergencja ewolucyjna)

• biogeografia (endemity)

• rozwój zarodkowy

Życie na Ziemi

Ziemia wydaje nam się zazwyczaj przyjaznym i stabilnym środowiskiem, jednak nie zawsze tak było. Od chwili powstania pierwszych organizmów żywych (ok 3,5-4 mld lat temu) do dziś przeszło długą drogę od prymitywnych jednokomórkowców do nas.

Badaniem zmian zachodzących w litosferze i na jej powierzchni zajmuje się geologia historyczna. Przyjmuje ona zasadę, że zjawiska i procesy geologiczne mające miejsce w przeszłości są odzwierciedlone we współcześnie odnalezionych skamieniałościach. Pozwalają one bardzo precyzyjnie określić wiek skał – zarówno bezwzględny (metoda izotopowa), jak i względny. 

Na podstawie badań radiometrycznych w miarę precyzyjnie określono bezwzględny wiek Ziemi na ok. 4,6 miliarda lat.

PODSTAWOWY PODZIAŁ DZIEJÓW ZIEMI

Podział dziejów Ziemi na jednostki geologiczne – ery, okresy, epoki, piętra – opracowany został z uwzględnieniem:

- zmian w świecie organicznym,

- zmian klimatu,

- wielkich ruchów górotwórczych.

Gdyby dzieje Ziemi sprowadzić do jednego roku wówczas zależności pomiędzy czasem trwania poszczególnych er wyglądałyby następująco:

NAJWAŻNIEJSZE WYDARZENIA W POSZCZEGÓLNYCH ERACH

PREKAMBR (archaik i proterozoik) – najstarsza, najdłuższa i najsłabiej poznana era:
- rozpoczął się z chwilą powstania skorupy ziemskiej, a zakończył, gdy intensywnie zaczęło rozwijać się życie;
- uformowały się pierwsze kontynenty, powstała atmosfera i hydrosfera;
- trwały nieustanne procesy górotwórcze i wybuchy wulkanów;
- brak skamieniałości świadczyć może o braku życia; wiadomo jednak jest, że już w proterozoiku pojawiły się pierwsze pojedyncze komórki utożsamiane z bakteriami i sinicami, z których zaczęły ewoluować pierwsze rośliny zdolne do procesu fotosyntezy (produkcji tlenu); 
- wzrost zawartości tlenu w atmosferze spowodował znaczny rozwój świata organicznego, co zakończyło prekambr.

PALEOZOIK – era rozwoju życia:
- bardzo charakterystyczne dla paleozoiku są wielkie ruchy górotwórcze (orogeneza kaledońska, orogeneza hercyńska), które spowodowały powstanie olbrzymich łańcuchów górskich;
- podczas całej ery kontynenty dryfowały i zmieniając swoje położenie zmieniały strefy klimatyczne, ostatecznie jednak ponownie połączyły się w jeden wielki superkontynent nazwany Pangeą; 
- świat organiczny intensywnie się rozwijał;
- w kambrze pojawiły się pierwsze bezkręgowce zdolne do wytwarzania szkieletów i pancerzy, z tego okresu pochodzą m.in. ślady trylobitów – pierwszej skamieniałości przewodniej;

- w kolejnych okresach rozwijały się rośliny naczyniowe;

- z ordowiku pochodzą szczątki najstarszych kręgowców;

- początkowo życie ograniczało się do środowiska wodnego, ale stopniowo najpierw rośliny (w sylurze), a następnie zwierzęta (w dewonie)  zaczęły zasiedlać środowisko lądowe; 

- w karbonie bujny rozkwit roślinności (potężne skrzypy, widłaki, paprocie) dał początek bogatym złożom węgla kamiennego; 

- pod koniec ery pojawiły się pierwsze gady;

MEZOZOIK – era dominacji olbrzymich dinozaurów: 

- w dalszym ciągu zmieniał się rozkład kontynentów i oceanów – Pangea uległa rozpadowi, a powstałe w ten sposób kontynenty dryfowały w kierunku obecnego ich położenia;

- w erze tej zanotowano stosunkowo małe nasilenie ruchów górotwórczych, dopiero w kredzie pojawiły się pierwsze oznaki (fazy) orogenezy alpejskiej;

- charakterystyczne były częste transgresje i regresje mórz i oceanów, stąd pochodzą pokłady wapieni i innych skał osadowych;

- w świecie flory dominowały rośliny nagozalążkowe ustępując pod koniec ery roślinom okrytozalążkowym;

- na lądzie, w wodzie i w powietrzu zaczęły panować gady;

- na okres jury przypada szczyt rozwoju grupy gadów zwanej dinozaurami, która wyginęła pod koniec kredy;

- w jurze pojawił się pierwszy ptak (archeopteryks);

- skamieniałościami przewodnimi mezozoiku były amonity i belemnity;

- u schyłku mezozoiku większość gadów wymarła – nastała era ssaków, które zaczęły wyodrębniać się na drodze ewolucji.

KENOZOIK – najmłodsza era, trwająca do chwili obecnej:

- w starszym okresie (paleogenie) miało miejsce właściwe wypiętrzenie gór fałdowania alpejskiego (jego działanie odczuwamy do dziś jako np. trzęsienia ziemi);

- na początku czwartorzędu, wraz z ochłodzeniem klimatu, nastąpiło zlodowacenie wielu obszarów naszego globu (epoka plejstocenu); 

- ukształtowanie pionowe i poziome kontynentów przybrało obraz zbliżony do współczesnego

- ewolucja organizmów doprowadziła do powstania obecnych gatunków, które w dalszym ciągu  odkrywane są przez gatunek dominujący – homo sapiens, tj. człowiek rozumny.

Ewolucja człowieka

Systematyka człowieka:

Królestwo: Zwierzęta

Typ: Strunowce

Gromada: Ssaki

Rząd: Naczelne

Rodzina: Człowiekowate

Rodzaj: Człowiek (Homo)

Gatunek Rozumny (Sapiens)

Znamy co najmniej kilka gatunków zaliczanych do rodzaju Homo, pochodzących z różnych okresów i różnych rejonów świata. 

Gatunek człowiek rozumny wraz z małpami i małpiatkami zaliczany jest do rzędu (grupy systematycznej) naczelnych. Człowiek jest najbliżej spokrewniony z małpami człekokształtnymi, do których zalicza się goryle, szympansy, orangutany i gibony. Stopień pokrewieństwa mierzy się liczbą wspólnych genów. W przypadku człowieka rozumnego i szympansa stopień pokrewieństwa jest największy: nasze DNA i DNA szympansa jest w 98% jednakowe. Świadczy to o tym, że stosunkowo niedawno (w skali wieku Ziemi) my i szympansy mieliśmy wspólnych przodków. Dowodem tak bliskiego pokrewieństwa są podobieństwa między naszymi gatunkami.

Dotyczą one:

• budowy ciała – mamy na przykład wzrok skierowany do przodu, chwytne ręce, w których kciuk może dotknąć opuszek pozostałych palców, co umożliwia wykonywanie skomplikowanych i precyzyjnych ruchów oraz manipulowanie przedmiotami; tak jak małpy człekokształtne nie mamy zewnętrznego ogona;
• budowy białek – ludzie i szympansy mają niemal identyczne białka osocza, a w hemoglobinie obu tych gatunków sekwencja aminokwasów jest taka sama;
• zachowań społecznych – żyjemy w grupach rodzinnych, długo opiekujemy się potomstwem, mamy wiele sposobów wyrażania emocji, łączą nas silne więzi z innymi członkami społeczności.

Czym człowiek się wyróżnia w świecie zwierząt?

1. Człowiek ma wyprostowaną, dwunożną postawę ciała. Jego chwytne ręce są wyjątkowo sprawne, umożliwiają posługiwanie się narzędziami i wykonywanie bardzo precyzyjnych ruchów. Owłosienie ludzkiego ciała określa się jako szczątkowe. Zachowało się tylko w niektórych miejscach, a reszta skóry jest naga i ma wiele gruczołów potowych, co zapobiega przegrzaniu.

2. Ludzkie zęby są drobne, kieł nie wystaje ponad inne zęby. Ostatni z zębów trzonowych pojawia się czasem w późnym wieku, a czasem nigdy nie wyrasta. Takie uzębienie umożliwia pobieranie pokarmu miękkiego, poddanego wcześniej obróbce (pieczeniu), natomiast nie jest przystosowane do żywienia się surowym mięsem czy twardymi częściami roślin. Żuchwa i szczęka, na których są osadzone ludzkie zęby, nie tworzą łuków wysuniętych ku przodowi, jak u małp. Dzięki temu twarzowa część czaszki człowieka w odróżnieniu od czaszek małpich jest płaska. Ponieważ ludzka czaszka oparta jest na kręgosłupie, a nie zwisa z przodu jak u współczesnych czworonożnych małp, nie potrzebuje obecności grzebieni kostnych ani wyraźnych nierówności, do których byłyby przyczepione potężne mięśnie potrzebne do jej unoszenia i poruszania. Dorosłe samce szympansów mają zarówno grzebienie czaszkowe, jak i wały nadoczodołowe, a także rozbudowaną żuchwę.

3. Zasadniczą cechą czaszki człowieka jest też wysokie czoło i duża pojemność mózgoczaszki. U człowieka wynosi ona około 1350 cm3 (1/40 masy ciała), a u szympansa 400 (1/120).

4. Wyjątkowy jest też mózg człowieka: duży w stosunku do reszty ciała, o silnie pofałdowanej korze mózgowej. W mózgu człowieka występuje ośrodek mowy. Dobrze rozwinięty mózg pozwala na uzyskanie świadomości samego siebie (to jestem ja, teraz myślę to…, czuję tak…, potrafię…). Taki mózg jest zdolny do szybkiego uczenia się. Odbywa sie ono przez całe życie, ale najintensywniej zachodzi w dzieciństwie, które u człowieka trwa wyjątkowo długo. Duży mózg, samoświadomość i kilkunastoletni okres dorastania, podczas którego młodociane osobniki wymagają opieki ze strony starszych, umożliwiły rozwój różnych form życia społecznego, tworzenie tradycji, nauki, kultury, techniki, uniezależnienie się w znacznym stopniu od czynników środowiska zewnętrznego.

Historia naszego rodzaju zaczęła się w Afryce. Około 10 mln lat temu we wschodniej części kontynentu nastąpiła stopniowa zmiana klimatu, która spowodowała zanikanie lasów i pojawianie się sawann. Nasi czworonożni przodkowie stopniowo tracili nadrzewne środowisko życia i zasoby pokarmu, które im najbardziej odpowiadały.

Na sawannie dostępny był trudno strawny pokarm w postaci nasion, traw i owadów, ale i bardzo pożywny pokarm mięsny – drobne ssaki oraz padlina. Wystarczyło obserwować sępy krążące nad martwym zwierzęciem, a następnie szybko biec w jego kierunku, by zdążyć się pożywić wraz z innymi padlinożercami lub zanim mięso zgnije. Obserwacja otoczenia konieczna na odkrytym terenie wymagała częstego stawania na dwóch nogach i unoszenia głowy ponad wysokimi trawami. Dwunożność dawała też inną korzyść: wyprostowana postawa ciała lepiej niż postawa czworonożna chroniła organizm przed przegrzaniem. W przypadku istot dwunożnych światło słoneczne ogrzewa bezpośrednio mniejszą powierzchnię ciała – tylko głowę. Dla ochrony mózgu przed przegrzaniem na skórze głowy do dziś zachowały się włosy. Ich warstwa (zwłaszcza, gdy włosy są mocno skręcone, wełniste) stanowi izolację termiczną.
Poruszanie się na dwóch nogach uwolniło ręce od funkcji podporowej. Od tej pory ręce mogły służyć do łuskania nasion, przenoszenia pokarmu, wytwarzania narzędzi, noszenia noworodków, które już nie mogły chwytać się futra, jako że nasi przodkowie już go nie posiadali.
Dobór naturalny doprowadził do tego, że ok. 4 mln lat temu pojawiły się gatunki dwunożnych australopiteków, najprawdopodobniej przodków ludzi. Mózg australopiteka był o około 20% większy niż jego małpiego przodka. Oznaczało to dłuższy okres ciąży, trudniejszy poród oraz wydłużenie dzieciństwa, podczas którego młode były nieporadne, a matki wymagały pomocy, np. zaopatrywania w pokarm. Prawdopodobnie już u australopiteków pojawił się charakterystyczny dla kolejnych form ludzkich podział zadań: samce zdobywały mięso, samice zajmowały się zbieractwem, wytwarzaniem narzędzi i opieką nad młodymi.

Około 3 milionów lat temu pojawił się w Afryce gatunek, który zaliczamy do rodzaju Homo (człowiek). Był to Homo habilis, człowiek zręczny. Produkował już narzędzia kamienne o różnych kształtach i przeznaczeniu. Nie prowadził polowań na duże zwierzęta – chwytał żółwie, jaszczurki, gryzonie, wybierał z gniazd jaja i młode ptaki, zjadał owady i korzystał z padliny pozostawionej przez drapieżniki. Budował też domostwa: tworzyły je kamienne kręgi, wokół których wznoszono ogrodzenia z gałęzi stanowiące osłonę od wiatru i światła słonecznego. Korzystał też z ognia, choć nie umiał go rozniecać. Podczas pożarów wywołanych przez pioruny zachowywał żarzące się węgle i stale podtrzymywał ogień.

Rozniecanie ognia opanował dopiero człowiek wyprostowany (Homo erectus). Pojawił się około 2 mln lat temu. Posługiwał się ogniem, który umożliwiał mu odpędzanie drapieżników, ogrzewanie się podczas zimnych nocy, pieczenie mięsa. Przyjmowanie miękkiego pożywienia, rozdrobnionego za pomocą narzędzi sprawiło, że masywne zęby stały się niepotrzebne i zmniejszały się w kolejnych pokoleniach. Człowiek wyprostowany rozpoczął też zbiorowe polowania na duże zwierzęta.

Przedstawiciele Homo erectus byli pozbawieni potężnych zębów i ostrych pazurów, dlatego musieli zdobyć przewagę nad swoimi ofiarami w inny sposób. Najprawdopodobniej polowali, ścigając wytrwale zwierzęta i nie pozwalając im zatrzymać się. Taki sposób polowania stosowany jest i w obecnych czasach przez niektóre plemiona w Afryce i Ameryce Środkowej. Temperatura ciała zwierząt rosła w trakcie ucieczki, a ochłodę mogło im dać jedynie ziajanie (parowanie wody z języka i wnętrza jamy gębowej), które podczas biegu jest niemożliwe. Dla człowieka długotrwały bieg w afrykańskim słońcu był łatwiejszy, dlatego że jego skóra była naga i pokryta licznymi gruczołami potowymi, które schładzały ciało. Dobór naturalny dawał więc przewagę osobnikom, które miały przystosowania do ochrony przed przegrzaniem i tym, które żywiły się mięsem. Pokarm mięsny pozwalał zwiększać rozmiary ciała.
Człowiek wyprostowany osiągał ok. 170 cm wzrostu, a objętość jego mózgu wynosiła ok. 1000 cm3. Sylwetką przypominał człowieka współczesnego, jedynie twarz zachowała silne wały nadoczodołowe, niskie czoło i silnie wysunięte do przodu kości twarzoczaszki. Gatunek ten podjął wędrówkę w poszukiwaniu terenów zasobnych w pokarm. Około 2 miliony lat temu zasiedlił Azję i Europę.
Około 400 tys. lat temu Europę i Azję Centralną zamieszkiwał zarówno człowiek wyprostowany, jak i człowiek rozumny neandertalski. Drugi z tych gatunków przetrwał znacznie dłużej, wyginął zaledwie 20 tys. lat temu. W czasach neandertalczyków w Europie panowały bardzo trudne warunki. Na północy kontynentu zalegał lądolód, a spora część ziemi na południe od niego była skuta wieczną zmarzliną. Wędrowały po niej ogromne zwierzęta: mamuty, nosorożce włochate, jelenie olbrzymie, renifery, ale także wilki, lamparty, niedźwiedzie, lwy i hieny jaskiniowe. Jednak w tych warunkach neandertalczycy radzili sobie znakomicie. Tworzyli duże grupy rodzinne, w których istniał podział pracy, wspólnie polowali na wielkie zwierzęta. Używali odzieży i biżuterii. Posługiwali się mową, tworzyli naskalne rysunki, grali na instrumentach z kości. Oddawali cześć siłom przyrody (kult ognia czy niedźwiedzia jaskiniowego). Ceremonialnie grzebali zmarłych, składając do grobu ich ulubione przedmioty, pokarm i kwiaty. Prawdopodobnie mieli jasną skórę. Ich mózg był o ok. 1/3 większy niż mózg człowieka współczesnego.

Nasz gatunek – Homo sapiens sapiens – pojawił się około 40 tys. lat temu. W Europie żył przez długi czas równocześnie z neandertalczykiem (Homo sapiens neanderthalensis). Prawdopodobnie oba podgatunki konkurowały ze sobą, a słabszym konkurentem okazał się człowiek neandertalski, który wyginął około 20 tys. lat temu. Europejczycy mają koło 4-5% genów neandertalczyków, co świadczy o tym, że te gatunki krzyżowały się ze sobą.

Początkowo człowiek rozumny, tak jak jego przodkowie, prowadził koczowniczy tryb życia. Z czasem zaczął opiekować się zwierzętami i tak, około 9 tys. lat temu, doszło do udomowienia psa, kozy, owcy. Wcześniej, około 10 tys. lat temu, człowiek opanował umiejętność uprawy wybranych roślin. Konieczność pielęgnowania roślin i czekania na zebranie plonów wiązała się z ograniczeniem wędrówek. Powstały pierwsze osiedla, a potem miasta i rozpoczął się rozwój cywilizacji. Ten przełomowy moment naszej historii ewolucyjnej nazywamy rewolucją neolityczną.

Niecałe 8 tys. lat temu na ziemie polskie wkroczyli ludzie, którzy prowadzili rolnictwo i hodowlę, chociaż nie zrezygnowali ze zbieractwa i łowiectwa. Uprawiali ziemię – siali pszenicę, jęczmień i proso. Hodowali różne zwierzęta. Potrafili tkać lniane materiały i robić gliniane garnki. Na terenie Gór Świętokrzyskich wydobywali krzemień, skałę, która łatwo poddawała się odłupywaniu i tworzyła bardzo ostre krawędzie. Uzyskane w ten sposób narzędzia były gładzone.