Кіріспе

Өмірдің әртүрлілігін тудырған процестерді зерттеу. Эволюциялық биология – Жер бетіндегі өмірдің әртүрлілігін қалыптастырған эволюциялық процестерді (табиғи іріктеу, ортақ тегі, түрлену) зерттейтін биология саласы. Ол сондай-ақ Жердегі тіршілік нысандарының тарихын зерттеу ретінде де анықталады. Эволюциялық теория бойынша, барлық түрлер бір-бірімен байланысты және ұрпақтан ұрпаққа қарай біртіндеп өзгеріп отырады. Популяция ішіндегі генетикалық вариациялар организмнің фенотипіне (физикалық қасиеттеріне) әсер етеді. Бұл фенотиптік өзгерістер кейбір организмдерге артықшылық береді, олар осы қасиеттерін ұрпақтарына жеткізеді. Көптеген буын бойында түрлердің эволюциясына мысалдар – қатпарлы көбелектер мен ұшуға жарамсыз құстар. 1930 жылдары эволюциялық биология ғылымы Джулиан Хакслидің атап көрсетуінше, генетика, экология, систематика және палеонтология сияқты бұрын байланыссыз болған биологиялық зерттеу салаларының бірігуінен пайда болды. Қазіргі зерттеулердің саласы адаптацияның генетикалық құрылымын, молекулалық эволюцияны және табиғи іріктеу, генетикалық дрейф және биогеография сияқты эволюцияға әсер ететін түрлі күштерді қамтиды. Сонымен қатар, эволюциялық даму биологиясы ("эво-дево") жаңа саласы эмбриогенездің қалай басқарылатынын зерттейді, осылайша даму биологиясын бұрынғы эволюциялық синтез қамтыған зерттеу салаларымен интеграциялайтын кең ауқымды синтезді ұсынады.

Қосалқы салалар

Эволюция – биологиядағы басты біріктіруші ұғым. Биологияны әртүрлі жолдармен бөлуге болады. Бір жолы – молекулалық деңгейден бастап жасушаға, организмнен популяцияға дейінгі биологиялық ұйымдастыру деңгейлері бойынша. Тағы бір тәсілі – зоология, ботаника және микробиология сияқты, бұрын өмірдің негізгі бөлімдері деп есептелген таксономиялық топтар арқылы. Үшінші жолы – далалық биология, теориялық биология, эксперименталды эволюция және палеонтология сияқты әдістер арқылы. Осы пәннің бөлінуінің баламалы жолдары эволюциялық биологиямен біріктіріліп, эволюциялық экология және эволюциялық даму биологиясы сияқты қосалқы салаларды құрады. Соңғы кезде биологиялық ғылым мен қолданбалы ғылымдардың интеграциясы эволюциялық биологияның кеңейтілген салаларын тудырды, оларға эволюциялық робототехника, инженерия, алгоритмдер, экономика және архитектура жатады. Эволюцияның негізгі механизмдері жаңа дизайнды жасау үшін немесе басқа жағдайда шешуге қиын мәселелерді шешу үшін тікелей немесе жанама түрде қолданылады. Осы қолданбалы салаларда жасалған зерттеулер, әсіресе компьютерлік ғылым және машина жасау сияқты инженерлік салалардағы эволюция бойынша жұмыстардың прогресіне үлкен үлес қосады.

Өзгермелі эволюция

Адаптациялық эволюция – қоршаған ортаның өзгеруіне байланысты болатын эволюциялық өзгерістер, бұл организмді оның тіршілік ортасына бейімдейді. Бұл өзгеріс организмнің тірі қалу және көбею мүмкіндігін арттырады (мұны организмнің жарамдылығы деп атауға болады). Мысалы, Галапагос аралындағы Дарвиннің құстары ұзақ өмір сүру үшін әртүрлі пішіндес мүңкідерге ие болды. Егер екі жақын туыс емес түрлер ұқсас ортада өмір сүріп, бірдей жағдайларға тап болса, адаптациялық эволюция конвергенттік эволюция болып табылуы мүмкін.

Ынтымақтастық эволюциясы

Конвергентті эволюция – туыс немесе қатысы алыс организмдердің тәуелсіз түрде ұқсас белгілерді дамыту процесі. Эволюцияның осы түрі екі түрдің арасында бірдей функция, құрылым немесе пішінге ие аналогтық құрылымдарды қалыптастырады. Мысалы, акулалар мен дельфиндер сыртқы түрімен ұқсас болғанымен, олардың туыстығы жоқ. Сол сияқты, құстар, ұшатын жәндіктер және жарықанаттардың барлығы ұшу қабілетіне ие, бірақ олар бір-бірімен туыс емес. Мұндай ұқсас белгілер көбінесе ұқсас қоршаған ортаның әсерінен пайда болады.

Түрлі эволюция

Дивергентті эволюция – түр пайда болу процесі. Бұл бірнеше жолмен жүзеге асуы мүмкін:

Аллопатриялық түрлену – түрлер физикалық кедергі арқылы бөлініп, популяция екі топқа ажыратылған кезде пайда болады. Эволюциялық механизмдер, мысалы, генетикалық дрейф және табиғи іріктеу, содан кейін әр популяцияға тәуелсіз әрекет ете алады. Перипатриялық түрлену – бұл аллопатриялық түрленудің бір түрі, ол жаңа популяциялардың бірі бастапқы популяциядан едәуір кішкентай болған кезде пайда болады. Бұл негізін қалаушының әсеріне алып келеді және популяция бастапқы популяциядан өзгеше аллель жиіліктері мен фенотиптеріне ие болуы мүмкін. Бұл кішкентай популяцияларда генетикалық дрейфтің әсері көрінуі ықтимал. Екі немесе одан көп түр бір-бірімен бірге эволюциялаған кезде, бір түр басқа түрлердегі өзгерістерге бейімделеді. Эволюцияның бұл түрі симбиоздық қарым-қатынастағы түрлерде жиі кездеседі. Мысалы, жыртқыш пен жемтіктің коэволюциясы – бұл коэволюцияның ең көп таралған түрі. Мұнда жыртқыш тиімдірек аңшы болу үшін эволюциялануы керек, себебі жемтік аулаудан қашу үшін таңдау қысымына ұшырайды. Ал жемтік өз кезегінде жақсырақ тірі қалу стратегияларын дамытуы қажет. «Қызыл патшайым» гипотезасы – жыртқыш пен жемтіктің өзара әрекеттесуінің мысалы. Гүлді өсімдіктермен тозаңдандыратын жәндіктер (мысалы, аралар) және өсімдіктер мен шөпқоректілер арасындағы қарым-қатынас та диффузиялық немесе гильдиялық коэволюцияның кең таралған мысалдары болып табылады.

Механизм: Эволюциялық процесс

Эволюцияның механизмдері негізінен мутацияға, генетикалық дрейфке, гендер ағынына, кездейсоқ емес жұптасуға және табиғи іріктеуге бағытталған. Мутация: Мутация – организмнің генінің немесе хромосомасының ішінде ДНК тізбегінің өзгеруі. Көптеген мутациялар зиянды немесе бейтарап болады; яғни, олар зиян келтіре де, пайда да келтіре алмайды, бірақ кейде пайдалы болуы мүмкін. Генетикалық дрейф: Генетикалық дрейф – вариациялық процесс, ол бір ұрпақтан екінші ұрпаққа үлгі алу қателіктерінің нәтижесінде пайда болады. Табиғатта кездейсоқ оқиғаның нәтижесінде популяция ішіндегі аллель жиілігі өзгереді немесе әсер етеді. Бұл үлкен популяцияларға қарағанда шағын популяцияларға күштірек әсер етеді. Гендер ағыны: Гендер ағыны – бір популяцияның гендік қорынан екінші популяцияға генетикалық материалдың ауысуы. Популяцияда бір түрден екінші түрге миграция орын алып, нәтижесінде аллель жиілігі өзгереді. Табиғи іріктеу: Түрдің тіршілікке жарауы және көбею қабілеті түрдің қоршаған ортаға бейімделуіне байланысты. Осы процесс табиғи іріктеу деп аталады. Популяциядағы белгілі бір қасиеттері бар түрлердің тіршілікке жарау және ұрпақ беру қабілеті басқа түрлерге қарағанда жоғары (фитнес), және олар осы генетикалық ерекшеліктерін ұрпақтарына береді.

Эволюциялық даму биологиясы

Эволюциялық даму биологиясында ғалымдар даму процесіндегі әртүрлі факторлардың нақты бір организмнің қазіргі дене құрылымын қалыптастырудағы рөлін зерттейді. Онтогенездің және филогенетикалық процестің генетикалық реттелуі осы саланың дамуына және биологияны осы тұрғыдан түсінуге мүмкіндік береді. Даму кезеңіндегі түрлі процестерді қарастырып, эволюциялық ағашты зерттеу арқылы нақты бір құрылымның қашан пайда болғанын анықтауға болады. Мысалы, үш кіндік қабаты книдарийлер мен ктенофорларда кездеспейді, ал олар құрттарда кездеседі және құрттың түріне қарай әр деңгейде дамыған болуы мүмкін. Бұл тәсілмен Хокс гендерінің және көз сияқты сезім органдарының дамуы сияқты басқа да құрылымдарды зерттеуге болады.

Филогенетикалық ағаштар

Филогенетикалық ағаштар – генетикалық туыстықтың суреттемелері. Олар түрлердің бір-бірімен қандай дәрежеде туыс екенін көрсететін схемалар. Олар түрлердің физикалық ерекшеліктері мен ДНҚ ұқсастығын талдау арқылы құрастырылады. Содан кейін, молекулалық сағатты қолдана отырып, ғалымдар түрлердің қашан бөлініп шыққанын анықтай алады. Филогенездің мысалы – тіршілік ағашы.

Гомологтар

Бірдей тектік шежіресі бар гендер гомологтар деп аталады. Егер түр пайда болу оқиғасы болса және бір ген екі түрлі түрге өтсе, онда бұл гендер ортологтар болады. Егер ген бір түр ішінде дубликатталса, онда ол паралог болып табылады. Молекулалық сағатты осы оқиғалардың қашан болғанын бағалау үшін пайдалануға болады.

Тарих

Табиғи іріктеу арқылы эволюция идеясын 1859 жылы Чарльз Дарвин ұсынған, бірақ эволюциялық биология өз алдына академиялық пән ретінде 1930 және 1940 жылдары қазіргі синтез кезеңінде қалыптасты. 1980 жылдарға дейін көптеген университеттерде эволюциялық биология кафедралары болған жоқ. АҚШ-та көптеген университеттер ботаника мен зоологияның ескі факультеттерінің орнына молекулалық және жасушалық биология немесе экология және эволюциялық биология факультеттерін құрды. Палеонтология көбінесе жер ғылымдарымен біріктіріледі. Микробиология да микробиологиялық физиология мен геномика жақсырақ түсінілгендіктен, эволюциялық ғылымға айналып келеді. Бактериялар мен бактериофагтар сияқты вирустардың жылдам өршу уақыты эволюциялық сұрақтарды зерттеуге мүмкіндік береді. Көптеген биологтар эволюциялық биологияның қазіргі заманғы ғылымын қалыптастыруға үлес қосты. Теодосий Добжанский мен Э. Б. Форд эмпирикалық зерттеу бағдарламасын құрды. Рональд Фишер, Сеуолл Райт және Дж. Б. С. Холдейн берік теориялық база жасады. Жүйелемеде Эрнст Майр, палеонтологияда Джордж Гейлорд Симпсон және ботаникада Г. Ледьярд Стеббинс қазіргі синтезді қалыптастыруға көмектесті. Джеймс Кроу, Ричард Левонтин, Дэн Хартл, Маркус Фельдман және Брайан Чарльзуорт эволюциялық биологтардың бір буынын тәрбиеледі.

Қазіргі зерттеу тақырыптары

Қазіргі эволюциялық биологиядағы зерттеулер әртүрлі тақырыптарды қамтиды және молекулалық генетика, компьютерлік ғылым сияқты алуан түрлі салалардан идеяларды қосады. Біріншіден, эволюциялық зерттеулердің кейбір салалары қазіргі эволюциялық синтезде толыққанды түсіндірілмеген құбылыстарды түсіндіруге бағытталған. Оларға түр пайда болуы, жыныстық көбеюдің эволюциясы, ынтымақтастықтың эволюциясы, қартаю эволюциясы және эволюцияға қабілеттілік жатады. Екіншіден, кейбір эволюциялық биологтар эволюция туралы ең тікелей сұрақ қояды: «не болды және қашан?». Бұл палеобиология сияқты салаларды қамтиды, онда палеобиологтар мен эволюциялық биологтар, соның ішінде Томас Холлидей мен Анжали Госвами, мезозой және кайнозой дәуірлерінде (299 миллионнан 12 мың жыл бұрын) ерте сүтқоректілердің эволюциясын зерттеді. Эволюцияны жалпы зерттеуге қатысты басқа салалар («не болды және қашан?») жүйелеме және филогенетиканы қамтиды. Үшіншіден, қазіргі эволюциялық синтез гендердің молекулалық негізін ешкім түсінбеген кезде жасалған. Бүгінде эволюциялық биологтар бейімделу және түр пайда болуы сияқты қызықты эволюциялық құбылыстардың генетикалық архитектурасын анықтауға тырысады. Олар қанша ген қатысады, әр геннің әсері қаншалықты күшті, әр геннің әсерлері қаншалықты өзара байланысты, гендер не істейді және оларға қандай өзгерістер болады (мысалы, нүктелік мутациялар, геннің дупликациясы немесе тіпті геномның дупликациясы) сияқты сұрақтарға жауап іздейді. Егіздерді зерттеуде байқалған жоғары мұрагерлік белгілерін геномдық масштабтағы ассоциациялық зерттеулер арқылы осы мұрагерлікке жауапты гендерді табу қиындығымен салыстыруға тырысады. Генетикалық архитектураны зерттеудегі бір қиындық – қазіргі эволюциялық синтезді катализдеген классикалық популяциялық генетиканы қазіргі молекулалық білімді ескере отырып жаңарту қажеттігі. Бұл молекулалық эволюция теориясының бір бөлігі ретінде ДНК тізбегінің деректерін эволюциялық теориямен байланыстыру үшін үлкен математикалық дамуды талап етеді. Мысалы, биологтар іріктеуге ұшыраған гендерді анықтау арқылы күшті таңдауға ұшыраған гендерді анықтауға тырысады. Төртіншіден, қазіргі эволюциялық синтез эволюцияға қандай күштер әсер ететіні туралы келісімге келді, бірақ олардың салыстырмалы маңыздылығы туралы емес. Қазіргі зерттеулер осы мәселені анықтауға бағытталған. Эволюциялық күштерге табиғи іріктеу, жыныстық іріктеу, генетикалық дрейф, генетикалық ағым, даму шектеулері, мутациялық бейімділік және биогеография жатады. Бұл эволюциялық тәсіл организмдер биологиясы мен экологиясы, мысалы, өмірлік цикл теориясы сияқты қазіргі зерттеулердің көптеген салаларының кілті болып табылады. Гендер мен олардың функцияларын анықтау салыстырмалы тәсілдерге көп көңіл бөледі. Эволюциялық даму биологиясы («эво-дево») даму процестерінің қалай жұмыс істейтінін зерттейді және оларды әртүрлі организмдерде салыстырып, олардың қалай эволюцияға ұшырағанын анықтайды. Көптеген дәрігерлер эволюциялық биология туралы жеткілікті білімге ие емес, бұл оны қазіргі медицинада қолдануды қиындатады. Алайда, эволюциялық медицина арқылы ауруды тереңірек түсінуге және эволюциялық терапияны әзірлеуге күш салынып жатыр.

Қазіргі кездегі дәріге төзімділік

Эволюция дәрілерге қарсы тұруда маңызды рөл атқарады; мысалы, ВИЧ-тың дәрілерге және организмнің иммундық жүйесіне қалай төзімді болатыны. ВИЧ-тың төзімділік мутациясы – тірі қалғандар мен олардың ұрпақтарының табиғи іріктелуінің нәтижесі. Иммундық жүйеге қарсы күрескен аз ғана ВИЧ вирусы көбейіп, иммундық жүйеге де төзімді ұрпақтар тудырды. Дәріге төзімділік пациенттер үшін көптеген проблемаларды тудырады, мысалы, аурудың күшеюі немесе аурудың дәрімен емдеуге келмейтін жағдайға өзгеруі мүмкін. Тиісті дәрі болмаса, ауру пациенттің өліміне әкелуі мүмкін. Егер организмде белгілі бір дәрілерге төзімділік пайда болса, онда дұрыс дәрі табу қиын болады. Антибиотиктердің тағайындалған толық курсын аяқтамау – бұл антибиотиктерге қарсы бактериялардың эволюциясына және организмде таралуына себеп болатын төзімділіктің мысалы. Дәрінің толық дозасы организмге еніп, тиісті қызметін атқармаса, бастапқы дозадан аман қалған бактериялар көбейе береді. Бұл кейіннен қайталап пайда болатын, емдеуі қиын болатын ауруға әкелуі мүмкін, себебі бұл бактериялар алғашқы қолданылған дәріге төзімді болады. Антибиотиктерге төзімділіктің алдын алу үшін, дәрігердің жазып берген дәрі-дәрмектерін толық қабылдау өте маңызды. Созылмалы аурулары бар адамдар, әсіресе өмір бойы қайталап тұратын аурулары барлар, антибиотиктерге төзімділікке бейімделу қаупі жоғары. Себебі, дәрінің шамадан тыс қолданылуы немесе тым жоғары дозасы пациенттің иммундық жүйесін әлсіретіп, аурудың дамуына және күшеюіне себеп болуы мүмкін. Мысалы, қатерлі ісікпен ауыратын пациенттерге олардың әлсіз иммундық жүйесіне байланысты, дәрінің күштірек дозасы қажет болады.

Журналдар

Кейбір ғылыми журналдар эволюциялық биологияға толыққанды маманданған, оның ішінде "Evolution", "Journal of Evolutionary Biology" және "BMC Evolutionary Biology" журналдары осы санатқа жатады. Ал кейбір журналдар эволюциялық биологияның тармақтарын қамтиды, мысалы, "Systematic Biology", "Molecular Biology and Evolution" және оның туыс журналы "Genome Biology and Evolution", сондай-ақ "Cladistics". Тағы бір топ журналдар эволюциялық биологияны басқа да ұқсас салалармен үйлестіреді. Мысалы, "Molecular Ecology", "Proceedings of the Royal Society of London Series B", "The American Naturalist" және "Theoretical Population Biology" журналдары экологиямен және организмдер биологиясының басқа да аспектілерімен байланысты. Экологиямен байланыс "Trends in Ecology and Evolution" және "Annual Review of Ecology, Evolution, and Systematics" сияқты шолу журналдарында да ерекше көзге түседі. "Genetics" және "PLoS Genetics" журналдары молекулалық генетикамен байланысты, бірақ олардың мәселелері тікелей эволюциялық сипатқа ие болмауы мүмкін.