Докази еволюції

Популяція «Ara-3» (в центрі) чисельніша, оскільки в ході еволюції бактерії набули здатності засвоювати цитрат.

Групі біологів із Мічиганського університету під керівництвом Річарда Ленскі вдалось змоделювати в лабораторії процес еволюції живих організмів на прикладі бактерії кишкової палички (Escherichia coli).

Через велику швидкість розмноження зміна поколінь кишкової палички відбувається вкрай швидко, тому учені очікували, що тривале спостереження продемонструє механізми еволюції у дії. На першому етапі експерименту, в 1988 році, 12 колоній бактерій були поміщені в ідентичні умови: ізольоване поживне середовище, в якому було присутнє тільки одне джерело живильних речовин — глюкоза. Крім того, в середовищі був цитрат, який в присутності кисню ці бактерії не можуть використовувати як джерело їжі. За 20 років в колоніях змінилось понад 44 тисячі поколінь бактерій.

Учені спостерігали за змінами, які відбувались із бактеріями. Більшість із них мали однаковий характер у всіх популяціях — наприклад, розмір бактерій збільшувався, хоча і різними темпами. Проте приблизно між поколіннями номер 31000 і 32000 в одній з популяцій відбулися кардинальні зміни, які не спостерігалися в інших. Бактерії набули здатності засвоювати цитрат. Використовуючи збережені зразки бактерій із різних поколінь, дослідникам вдалось встановити, що початок серії змін, які привели до утворення нового різновиду бактерій, стався в межах покоління номер 20000 і тільки в цій колонії[3][14].

Наприкінці 1950-х — на початку 1960-х років відомий радянський біолог Георгій Шапошников провів ряд дослідів, в процесі яких проводилась зміна кормових рослин у різних видів попелиць. Під час дослідів вперше спостерігалася репродуктивна ізоляція використаних в експерименті особин від вихідної популяції, що свідчить про утворення нового виду[15][16][17][18].

Частота виникнення мутацій у вірусів набагато вища, ніж у багатоклітинних організмів, тому їх еволюція відбувається в десятки разів швидше. Найбільш помітним для людей еволюційним пристосуванням вірусів є набуття стійкості проти лікарських препаратів. Коли в 80-х з'явилися перші засоби для лікування ВІЛ, у більшості пацієнтів ефективне лікування тривало не достатньо довго, оскільки вірус набував стійкості проти антиретровірусних препаратів впродовж кількох років[19], що робило лікування ними неефективним. Зараз, щоб сповільнити еволюцію вірусу ВІЛ до форм нечутливих до ліків, використовують для лікування хворих на СНІД використовують суміші препаратів з різними механізмами дії, в цьому випадку виникнення в одного з екземплярів вірусу мутації, що захищає від дії певного препарату, не гарантує цьому екземпляру вірусу виживання, що сповільнює закріплення такої мутації.

Відповідно до опублікованого в 2008 році дослідження, у популяції стінних ящірок Podarcis sicula всього за 36 років (вкрай короткий для еволюції період) змінилися розмір і форма голови, збільшилася сила укусу і розвинулися нові структури в травному тракті. Ці фізичні зміни відбулися одночасно з серйозними змінами в популяційній щільності і соціальній структурі.

У 1971 році п'ять пар дорослих особин Podarcis sicula з острова Под Копісте були перевезені на сусідній острів Под Маркару (ці хорватські острови розташовані на півдні Адріатичного моря, недалеко від Ластово). Умови на новому місці були близькі до звичного середовища, наземні хижаки були відсутні, і за три десятиліття ящірки природним чином поширилися на острові (витіснивши при цьому місцеву популяцію Podarcis melisellensis). Коли дослідники повернулися на Под Маркару, вони виявили, що ящірки на цьому острові істотно відрізняються від ящірок на Под Копісте. Порівняння мітохондріальної ДНК показало, що популяції генетично не відрізняються, але в той же час в популяції з Под Маркару середній розмір особин збільшений, задні кінцівки коротше, максимальна швидкість бігу менше, а також відрізняється реакція на напад хижаків. Ці зміни будови і поведінки пояснюються меншою активністю хижаків на Под Маркару і наявністю щільнішої рослинності, що сприяло маскуванню.

Крім того, у нової популяції істотно змінилися розмір і форма голови, вона стала масивнішою, збільшилася сила укусу. Ці фізичні зміни відповідають зміни раціону: P. sicula з Под Копісте переважно комахоїдні, а дієта ящірок на Под Маркару в залежності від сезону майже на дві третини складається з рослинної їжі. Рослини на новому місці проживання жорсткі і волокнисті, а потужні щелепи дозволяють якісніше відкушувати і подрібнювати рослинну їжу.

Найбільш неочікуваною[20] відмінністю виявилась наявність у нової популяції у кишечнику ілеоцекальних клапанів, які призначені для сповільнення проходу їжі за рахунок створення камер бродіння, в яких мікроби можуть розбивати важко перетравлювані шматочки рослинності. Ці клапани ніколи раніше не були виявлені у цього різновиду ящірок, включаючи початкову популяцію з острова Под Копісте. Фахівці називають їх «еволюційним нововведенням, новою властивістю, яка була відсутня у предкової популяції і раніше в ході еволюції у цих ящірок».[21] Крім того, в кишечнику нової популяції присутні нематоди, які відсутні у вихідної популяції.

Зміни в дієті також викликали зміни в щільності популяції і соціальній структурі. Через те, що рослини — це набагато більше, передбачуване і надійніше джерело їжі, ніж комахи, кількість ящірок збільшилася. Крім того, пропала необхідність ганятися за здобиччю, а це призвело до того, що ящірки перестали агресивно захищати свої території.[22]

У той саме час, деякі вчені не поспішають із висновками. Так, наприклад, на думку Ендрю Гендрі, професора біології з Університету Макгілла у Монреалі, ще варто обговорювати те, як інтерпретувати подібні зміни, — чи мають вони генетичну основу, чи це є Модифікаційною мінливістю у відповідь на вплив навколишнього середовища. Втім, він додає, що такого роду зміни дійсно драматичні, тому було б логічним кроком підтвердити генетичну основу таких змін[23].

Розвиток і поширення стійкості до антибіотиків у бактерій і стійкості до пестицидів у рослин та комах є доказом еволюції видів. Поява стійких до ванкоміцину форм золотистого стафілококу та небезпечність, яку вони становлять для пацієнтів лікарень, — це прямий результат еволюції шляхом природного відбору. Ще один приклад — розвиток штамів шигели, стійких до антибіотиків із групи сульфаніламідів[24]. Поява малярійних комарів, стійких до ДДТ, і розвиток у австралійських популяцій кролів стійкості до міксоматозу демонструють дію еволюції в умовах тиску відбору при швидкій зміні поколінь.

За останні 50 років зареєстровано понад 2500 випадків адаптації комах-шкідників до різних пестицидів. Тому для боротьби зі шкідниками замість звичайних отрут намагаються використовувати біологічні пестициди — ентомопатогенні віруси. Зокрема для боротьби з яблуневою плодожеркою Cydia pomonella (личинки якої — це ті самі «черв'яки» в червивих яблуках) активно використовується Cydia pomonella грануровірус (CpGV). Але у 2003 році були зафіксовані перші випадки зниження ефективності вірусу, і до 2005 року з'явилися популяції яблуневої плодожерки у яких стійкість до вірусу зросла у 100 тис. разів у порівнянні з початковою. Встановлено, що причиною стійкості є мутація в статевій Z-хромосомі[25].

Згідно із синтетичною теорією еволюції, утворення нових видів відбувається внаслідок поділу особин одного виду на групи, які не схрещуються між собою. Такий поділ може бути викликаний різними причинами, такими як наявність непереборних географічних бар'єрів (алопатричне видоутворення) чи розділення по екологічних нішах всередині одного ареалу (симпатричне видоутворення). Після виникнення між популяціями різноманітних типів ізоляцій, популяцій починають еволюціонувати незалежно, внаслідок чого між популяціями поступово накопичуються генетичні відмінності, і через деякий час досягається генетична несумісність — схрещування виявляється неможливим.

Крім того, нові види можуть виникати практично миттєво (в геологічному масштабі часу) шляхом поліплоїдії (кратного збільшення кількості хромосом в клітині) і гібридизації (схрещення різних видів).

Спостереження за сучасними видами показують, що видоутворення безперервно відбувається в існуючих популяціях.

Діаграма демонструє варіанти схрещення сусідніх популяцій одного виду. У третьому випадку ареали окремих популяцій утворюють кільце, в результаті дві сусідні популяції мають генетичну спорідненість, проте не схрещуються між собою і поводять себе як окремі види.

У визначенні поняття біологічного виду істотне значення має практично повна репродуктивна ізоляція в природних умовах[26]. Якщо видоутворення відбувається поступово, як наслідок незначних послідовних змін, тоді і сьогодні ми маємо спостерігати всі можливі стадії видоутворення, а це означає і всі можливі стадії репродуктивної ізоляції: вільне схрещування між популяціями, ускладнене схрещування, зниження плодючості потомства, безплідне потомство і повну генетичну ізоляцію. Якщо нічого подібного серед сучасних видів виявити не вдалося б, то тим самим основи еволюційної теорії були б спростовані[27].

Існує безліч прикладів того, як різні види можуть схрещуватися за виняткових умов. Наприклад, у чорної ворони і сірої ворони різні ареали, але на перетині цих ареалів види можуть утворювати гібриди. Ще один приклад — різні види риб роду чукучанів з ріки Платт, які живуть поруч, але рідко схрещуються[28].

Неповне видоутворення можна спостерігати у різних кільцевих видів[29]: представники виду живуть навколо гір, водойм і т. п., при цьому сусідні популяції схрещуються між собою і незначно відрізняються, а крайні форми розрізняються значно і не схрещуються (див. діаграму). Приклад кільцевого виду — безлегенева саламандра (Ensatina eschscholtzii), що живе на схилах гір поблизу тихоокеанського узбережжя Північної Америки. Залежно від району проживання навколо гір саламандри утворюють різні форми, поступово змінюють свої морфологічні та екологічні характеристики. Крайні форми Ensatina eschscholtzii eschscholtzii і Ensatina eschscholtzii klauberi, перша з яких має червонувате забарвлення, а друга чорно-біле, співіснують у вузькій зоні гір на півдні Каліфорнії, проте між собою не схрещуються[29][30]. Інші приклади колових видів — зелений вівчарик (Phylloscopus trochiloides), оленяча миша (Peromyscus maniculatus), наземний равлик (Partula olympia), дрозофіла (Drosophila paulistorum).

У багатьох гібридів знижена фертильність. У гібридів землерийок із роду бурозубок розмноження ускладнене внаслідок різниці хромосомних наборів. Той же ефект спостерігався в лабораторії при схрещуванні дрозофіл Drosophila pseudoobscura із Юти і Каліфорнії. Фертильність також знижена у гібридів жаб з родини бомбінових кумки червоночеревої і кумки жовточеревої[31].

Багато інших видів можуть давати безплідне гібридне потомство. Серед них — різноманітні земноводні (наприклад — деякі види жаб із роду Rana) і ссавці (наприклад, мул — гібрид від схрещування коня і віслюка — як правило, безплідний). Гібриди гребінчастого тритона і мармурового тритона безплідні внаслідок наявності непарних хромосом[32].

При схрещуванні ряду інших видів досягається запліднення, але пізніше зародок гине. Як приклад можна навести леопардову жабу (Rana pipiens) і лісову жабу (Rana sylvatica) із роду справжніх жаб[33]. Аналогічна ситуація спостерігається у дрозофіл і у деяких рослин, таких як бавовник звичайний (Gossypium hirsutum) і бавовник барбадоський (Gossypium barbadense)[34].

Білий ведмідь

Конкретним прикладом масштабних еволюційних змін при неповному видоутворенні є білий ведмідь, який, незважаючи на спорідненість із бурим ведмедем (Ursus arctos), очевидну через той факт, що ці види можуть схрещуватися і давати плодюче потомство[35], набув значних фізіологічних відмінностей з бурим ведмедем. Ці відмінності дозволяють білому ведмедю комфортно жити в умовах, в яких бурий ведмідь не вижив би. Зокрема, білий ведмідь здатен проплисти десятки кілометрів у крижаній воді, його забарвлення зливається зі снігом, він не замерзає в Арктиці. Все це можливо завдяки конкретним змінам: біле забарвлення сприяє маскуванню хижака при полюванні на тюленів; пустотілі волоски збільшують плавучість і зберігають тепло; шар підшкірного жиру, товщина якого до зими доходить до 10 сантиметрів, забезпечує додаткову теплоізоляцію; подовжена, в порівнянні з іншими ведмедями, шия дозволяє легше тримати голову над водою під час плавання; збільшені лапи з перетинками діють як весла; невеликі горбки і порожнини-присоски на підошвах зменшують небезпеку посковзнутися на льоду, а щільна шерсть на підошвах захищає лапи від сильного холоду і забезпечує тертя; вуха менші, ніж у інших ведмедів, і зменшують втрати тепла; повіки діють як сонячні окуляри; його зуби гостріші, ніж у інших ведмедів, і більше підходять для повністю м'ясного раціону; збільшений об'єм шлунка дозволяє голодному хижакові з'їсти відразу цілого тюленя, крім того, білий ведмідь здатен обійтися без їжі до дев'яти місяців за рахунок переробки сечовини[36][37].

Судячи з палеонтологічного літопису і з вимірювань швидкості мутацій, повна несумісність геномів, яка робить неможливим схрещування, досягається в природі в середньому за 3 млн років[38]. Це означає, що спостереження за утворенням нового виду в природних умовах в принципі є можливим, але це — рідкісна подія. Водночас, за лабораторних умов швидкість еволюційних змін може бути збільшеною, тому є підстави сподіватися на спостереження видоутворення у лабораторних тварин[39][40].

Відомо багато випадків видоутворення через гібридизацію і поліплоїдизацію у таких рослин, як коноплі, кропива, первоцвіт, редька, капуста, а також у різних видів папороті. У ряді випадків видоутворення у рослин відбувалося без гібридизації та поліплоїдизації (кукурудза[41], Stephanomeria malheurensis із родини айстрових[42]).

Дрозофіли, також відомі як плодові мушки, належать до найбільш вивчених організмів. З 1970-х років зафіксовано багато випадків видоутворення у дрозофіл. Видоутворення відбувалося, зокрема, за рахунок просторового розділення, розділення за екологічними нішами в одному ареалі, зміни поведінки в паруванні, дизруптивного відбору, а також за рахунок поєднання ефекту засновника з ефектом пляшкового горла.

Видоутворення спостерігалося в лабораторних популяціях кімнатних мух, мухи-осетниці Eurosta solidaginis, яблуневої плодової мухи Rhagoletis pomonella, борошняних жуків, комарів та інших комах.

Відомі випадки, коли в результаті тиску відбору (у присутності хижаків) одноклітинні зелені водорості з роду хлорела утворювали багатоклітинні колоніальні організми, а бактерії за аналогічних умов змінювали будову і збільшували розміри (з 1,5 до 20 мікрометрів за 8-10 тижнів). Чи є ці випадки прикладами видоутворення, залежить від того, яке визначення виду використовується (за безстатевого розмноження неможливо долучити критерій репродуктивної ізоляції)[43][44].

Видоутворення також спостерігалося і у ссавців. Шість випадків видоутворення у хатніх мишей на острові Мадейра за останні 500 років були наслідком виключно географічної ізоляції, генетичного дрейфу і злиття хромосом. Злиття двох хромосом — це найпомітніша відмінність геномів людини і шимпанзе, а у деяких популяцій мишей на Мадейрі за 500 років було дев'ять подібних злить[2][45].

Яблунева плодова муха

Яблунева плодова мухаRhagoletis pomonella є прикладом спостережуваного симпатричного видоутворення (тобто видоутворення в результаті поділу за екологічними нішами)[46][47]. Спочатку вид мешкав у східній частині США. До появи європейців личинки цих мух розвивалися тільки в плодах глоду. Однак із завезенням в Америку яблунь (перша згадка яблунь в Америці — 1647 рік), відкрилася нова екологічна ніша. В 1864 році личинок Rhagoletis pomonella було виявлено в яблуках, і тим самим зафіксовано яблуневу расу цього виду[48]. За півтора століття спостережень раси дуже сильно розійшлися. Вони майже не схрещуються одна з одною (рівень гібридизації не перевищує 4-6 %). Яблунева раса парується майже виключно на яблунях, а глодова — на глоді, що, враховуючи різний час дозрівання плодів, призводить до репродуктивної ізоляції. Незабаром є можливим перетворення цих рас в самостійні види.

У плодових мух, або ж мух-осетниць відомо ще кілька видів-двійників, які живуть на різних видах рослин, — імовірно, видоутворення у них відбувалось саме за описаною схемою[49][50][51].

Перший екземпляр неандертальця був знайдений у 1856 році, за три роки до видання «Походження видів». На момент виходу книги не було відомо ніяких інших викопних решток, які б підтверджували еволюційне походження людини і людиноподібних мавп від спільного предка. Хоча неандерталець є незалежним видом із роду людей, з тих пір було знайдено безліч скелетів проміжних форм між давніми антропоїдами і людиною.

Оскільки спільний предок людини і шимпанзе пересувався на чотирьох кінцівках, а мозок у нього був більше ніж у шимпанзе, згідно із теорією Дарвіна в процесі еволюції повинно було розвинутися прямоходіння, а також мав збільшитися об'єм мозку. Таким чином, повинний був існувати один із трьох варіантів перехідних форм:

1. Проміжний розмір мозку, розвиток прямоходіння.
2. Розмір мозку приблизно такий як у шимпанзе, розвинене прямоходіння.
3. Більший мозок, прямоходіння не розвинене[72].

У 1920-х роках в Африці були виявлені рештки істоти, яку Раймонд Дарт назвав австралопітеком. Пізніше були знайдені й інші рештки австралопітеків, в тому числі — відома Люсі і череп AL 444-2. Австралопітеки жили у східній та північній Африці 4-2 млн років тому. Об'єм мозку австралопітека був трохи більше, ніж у шимпанзе. Кістки таза за будовою найбільш близькі до кісток таза людини. Будова черепа характерно для прямоходячих тварин, що можна визначити зокрема за foramen magnum — отвором в потиличній кістці, що з'єднує порожнину черепа з хребетним каналом. Більше того, в Танзанії в скам'янілому вулканічному попелі були виявлені сліди, залишені двоногими гомінідами. Вік слідів становить 3,6 млн років[73][74]. Таким чином, австралопітеки є «перехідною формою номер два»: у них було розвинене часткове прямоходіння, але мозок був приблизно як у шимпанзе[75].

Пізніше були знайдені рештки ардипітека, вік яких становить 4,5 млн років. Аналіз скелету показав, що по землі ардипітеки пересувалися на двох задніх кінцівках, а по деревах лазили на всіх чотирьох[76][77]. Прямоходіння у ардипітеків було слабо розвинене в порівнянні з наступними гомінідами, вони не могли долати великі відстані[78]. Ардипітек являє собою перехідну форму між спільним предком людини і шимпанзе та австралопітеком.

Отже, в результаті еволюції у гомінід спочатку розвинулося прямоходіння, і тільки потім почалося суттєве збільшення об'єму мозку. У австралопітеків, які жили 4-2 млн років тому, об'єм мозку був близько 400 см³, приблизно як у шимпанзе. Людина уміла (Homo habilis) жила 2,4—1,4 млн років тому, розмір мозку становив у неї 500—640 см³. Людина працююча (Homo ergaster) жила 1,9—1,4 млн років тому, розмір мозку — 700—850 см³. Людина прямоходяча (Homo erectus) жила 1,4—0,2 млн років тому, розмір мозку становив від 850 см³ у ранньої особини до 1100 см³ у пізніх. Гейдельберзька людина (Homo heidelbergensis) жила 600—350 тисяч років тому, розмір мозку становив 1100—1400 см³. Неандертальці жили 350—25 тисяч років тому, розмір мозку становив 1200—1900 см³. 200 тисяч років тому з'явилася людина розумна (Homo sapiens), розмір мозку людей становить 1000—1850 см³. Згідно із сучасними уявленням, не всі перелічені види були безпосередніми предками сучасних людей. Зокрема, неандертальці розвивалися паралельно з Homo sapiens. Тим не менш, на прикладі цих видів можна спостерігати напрямок еволюції гомінідів. Ці види добре представлені в палеонтологічному літописі[79][80].

Згідно із Дарвіном, «в ряду форм, які непомітно переходять одна в іншу від будь-якої мавпоподібної істоти до людини в її сучасному стані, було б неможливо точно вказати, якій саме з цих форм слід вперше дати найменування „людини“»[81]. Саме з цією проблемою зіткнулись сучасні палеонтологи, які змушені ділити знайдені рештки гомінідів на різні роди. Наприклад, черепи KNM ER 1813, KNM ER 1470 і OH 24 («Твіггі») в різний час класифікувались як Australopithecus habilis і як Homo habilis, лише тому що вони опинилися на штучному «кордоні», довільно проведеному між практично нерозрізненими родами[82].

Еволюція коня. Показана реконструкція викопних видів, отриманих із послідовних шарів породи. Справа — вигляд спереду лівої ноги з виділеним сегментом, в також зуб у поперечному розрізі[83].

Еволюція коня достатньо повно простежується в Північній Америці. Найдавніший представник коневих — гіракотерій (Hyracotherium, також відомий як Eohippus) — був розміром з лисицю і жив у Північній Америці 54 млн років тому (нижній еоцен), а потім поширився в Європу і в Азію[84]. Це була тварина стрункої будови, з короткими ногами, але пристосоване для бігу. У нього було чотири пальці на передніх ногах і три пальці на задніх, пальці розміщувались практично вертикально. Різці були маленькі, кутні зуби приплющені і покриті зверху емаллю.

Вірогідний шлях розвитку коней від гіракотерій до сучасного виду вміщує не менше 12 родів і декілька сотень видів. При цьому відбулись наступні зміни:

• Збільшення розміру (з 0,4 до 1,6 м)
• Подовження ніг і стоп
• Редукція бічних пальців
• Подовження і потовщення середнього пальця
• Збільшення ширини різців
• Заміщення премолярів кутніми зубами
• Подовження зубів
• Збільшення коронки кутніх зубів

Судячи по викопним рослинам із різних шарів, болотисті місцевості, в яких мешкав гіракотерій, поступово ставали сухіше. Предки коней почали покладатись на покращений за рахунок піднятої голови огляд і на високу швидкість бігу для порятунку від хижаків. Якщо при ходінні по м'якому болотистому ґрунту велика кількість пальців на кінцівках була виправдана, то у змінених умовах існування для первісних коней стало вигіднішим, коли бічні пальці почали у них поступово відмирати, а середні — розвиватися. Зміна будови зубів пояснюється зміною раціону, а саме — переходом з м'якої рослинності на траву та листя.

Іноді у коней розвиваються один чи два зайвих пальця, частіше зустрічається 2-й (внутрішній) палець з цілком розвиненими п'ястковими чи плюсневими кістками, цілком розвинутими суглобами пальця і копитом, яке, проте, рідко торкається землі. У випадку розвитку двох зайвих пальців нога отримує схожість із ногами предкових видів.

Передні кінцівки ссавців являють собою приклад гомологічних органів, оскільки утворюються із одних і тих же тканин зародка по схожому механізму, складаються із одного і того ж набору кісток, але при цьому виконуються різні функції. Третя кістка п'ясті відзначена червоним кольором.

П'ятипала кінцівка

П'ятипала кінцівка, яка характерна для чотириногих хребетних — приклад гомології органів. Більш того, простежується гомологія п'ятипалої кінцівки і плавників деяких викопних видів кистеперих риб, від яких, як видно, походять перші земноводні. Кінцівки чотириногих розрізняються за формою і пристосовані до виконання найрізноманітніших функцій у самих різних умовах. На прикладі ссавців:

• У мавп передні кінцівки витягнуті, кисті пристосовані для хапання, що полегшує лазання по деревах.
• У свині перший палець відсутній, а другий і п'ятий — зменшені. Решта два пальці довше і твердіше інших, кінцеві фаланги покриті копитами.
• У коня також замість кігтів копито, нога подовжена за рахунок кісток середнього пальця, що сприяє більшій швидкості пересування.
• Кроти мають вкорочені і потовщені пальці, що допомагає при копанні.
• Мурахоїд використовує великий середній палець для розкопування мурашників і гнізд термітів.
• У китів передні кінцівки є плавниками. При цьому число фаланг пальців збільшено в порівнянні з іншими ссавцями, а самі пальці приховані під м'якими тканинами.
• У кажана передні кінцівки перетворилися в крила за рахунок значного подовження чотирьох пальців, а гакоподібний перший палець використовується, щоб висіти на деревах.

При цьому всі ці кінцівки містять схожий набір кісток з одним і тим же відносним розташуванням[88]. Єдність структури не може бути пояснено з точки зору корисності, так як кінцівки використовуються для зовсім різних цілей.

Частини ротового апарату комах

Частини ротового апарату у різних видів комах. a, вусики; c, фасеткове око (до ротового апарату не відносяться); lb, нижня губа; lr, верхня губа; md, жвали (верхні щелепи); mx, максилли (нижні щелепи).

Основні частини ротового апарату комах — верхня губа, пара жвал (верхні щелепи), підглоточник (hypopharynx), дві максилли (нижні щелепи) і нижня губа (другі максилли, які зрослись). У різних видів ці складові частини розрізняються за формою і розміром, у багатьох видів деякі з частин втрачені. Особливості будови ротового апарату дозволяють комахам використовувати різні джерела їжі (див. малюнок): (A) У початковому вигляді (наприклад, у коників) сильні жвали і максилли використовуються для кусання і жування.

(B) Медоносна бджола використовує нижню губу для збору нектара, а жвалами подрібнює пилок розминає віск.

(C) У більшості метеликів верхня губа зменшена, жвали відсутні, максилли утворюють хоботок.

(D) У самиць комарів верхня губа і максилли утворюють трубку, жвали використовуються для протикання шкіри.

Зовнішньо схожі органи та їх частини, які походять від різних початкових зачатків і мають неоднакову внутрішню будову, називаються аналогічними. Зовнішня схожість виникає в ході конвергентної еволюції, тобто в ході незалежного пристосування до подібних умов існування.

Приклади:

• Крила птахів — видозмінені передні кінцівки, крила комах — складки хітинового покрову.
• Зябра риб — утворення, пов'язані із внутрішнім скелетом, зябра багатьох ракоподібних — відрости кінцівок, ктенідіальні зябра молюсків розвиваються в мантійній порожнині, а зябра голозябрових молюсків — нарости покровів спинної сторони тіла.
• Обтічна форма тіла у водних ссавців — китів, дельфінів — і у риб.
• Колючки барбарису, кактуса — видозмінене листя, колючки глоду розвиваються із пагонів.
• Вусики винограду (які утворюються із пагонів) і вусики гороху (видозмінене листя).
• Форма різних сукулентів (рослин, які мають спеціальні тканини для запасу води), таких як кактуси і молочай[~ 6].

Повна відсутність цілеспрямованого запозичення вдалих конструкцій відрізняє еволюцію від свідомого проектування. Наприклад, пір'я — це вдала конструкція, яка допомагає у польоті, але у ссавців (в тому числі у кажанів) пір'я відсутнє. Зябра надзвичайно корисні для водних тварин, але у ссавців (таких як китоподібні) вони відсутні. Для того, щоб спростувати теорію еволюції, достатньо виявити пір'я чи зябра у якого-небудь виду ссавців[86][89].

Рудиментами називаються органи, які втратили своє основне призначення в процесі еволюційного розвитку організму. Рудименти також можна визначити незалежно від еволюційної теорії як редуковані структури, які мають менші можливості в порівнянні з відповідними структурами в інших організмах. Якщо рудимент і виявляється функціональним, то він виконує відносно прості або незначні функції за допомогою структур, очевидно призначених для складніших цілей. Хоча багато з рудиментарних органів абсолютно не функціональні, відсутність функцій не є необхідною умовою для рудиментарності[90]. Такі органи вкрай поширені в природі[91].

Наприклад, крило птаха — вкрай складна анатомічна структура, спеціально пристосована для активного польоту, але крила страусів не використовуються для польоту. Ці рудиментарні крила можуть використовуватися для порівняно простих завдань, таких як підтримка рівноваги на бігу і привернення уваги самиць. Таким чином, специфічна складність крил страуса неадекватна простоті завдань, для яких ці крила використовуються, і саме тому ці крила називають рудиментами. У числі інших нелітаючих птахів з рудиментарними крилами — галапагоські баклани, ківі і какапо. Для порівняння, крило пінгвіна має велике значення, діючи як плавник, а отже не може вважатися рудиментом[92].

Бугорок вушної раковини (дарвінівський бугорок) зустрічається у 10 % людей. Справа — гомологічна гостра верхівка вуха у макаки.

Приклади рудиментів:

• Очі у деяких риючих і печерних тварин, таких як протей, сліпак, кріт, астіанакс мексиканський (Astyanax mexicanus, сліпа печерна риба). Часто очі приховані під шкірою.[93]
• Мала гомілкова кістка у птахів.
• Залишки волосяного покрову і тазових кісток у деяких китоподібних[94].
• У деяких змій, у тому числі у пітона, є кістки задніх кінцівок[95][96]. Ці кістки не кріпляться до хребта і відносно вільно переміщаються в черевній порожнині.
• У багатьох видів жуків, таких як Apterocyclus honoluluensis, крила лежать під надкриллями, які зрослися[97].
• У людини до рудиментів зокрема відносяться хвостові хребці, волосяний покрив тіла, вушні м'язи, бугор вушної раковини, морганієві шлуночки гортані.

Червоподібний відросток сліпої кишки (апендикс) у деяких травоїдних тварин використовується для перетравлення рослинної їжі і має велику довжину. Наприклад, у коали довжина апендикса становить від 1 до 2 метрів. Апендикс людини має довжину від 2 до 20 сантиметрів і не бере участі в розщеплюванні їжі. Всупереч поширеному переконанню, наявність у апендикса другорядних функцій не означає, що він не є рудиментом.

Теорія еволюції прогнозує які рудиментарні органи можуть бути знайдені, а які — принципово неможливі. Будь-який рудиментарний орган організму був повністю розвинений у його предків. Тому кожен виявлений рудимент повинен відповідати еволюційному дереву, інакше основи теорії еволюції довелося б переглядати. Це черговий приклад спростовуваності еволюційної теорії, тобто свідоцтво відповідності критеріям Поппера для визнання теорії науковою[98].

Атавізмом називається поява в особини ознак, властивих віддаленим предкам, але відсутніх у найближчих предків. Поява атавізмів пояснюється тим, що гени, які відповідають за певну ознаку, збереглись в ДНК, але в нормі не формують структури, типові для предків.

Приклади атавізмів:

• Хвостоподібний придаток у людини;
• Суцільний волосяний покрив на тілі людини;
• Додаткові пари молочних залоз;
• Задні ноги у китів;
• Задні плавники у дельфінів[99];
• Задні ноги у змій[100];
• Додаткові пальці у коней[101];
• Відновлення статевого розмноження у нечуйвітра волохатенького і у кліщів родини Crotoniidae[102][103];

Аргументи на користь еволюції аналогічні аргументам для рудиментів[104].

Схема проходження зворотного гортанного нерва в жирафа

У результаті еволюції кожна нова конструкція утворюється зі старої за рахунок послідовності пристосовних змін. Ця особливість є причиною специфічних непорозумінь в будові живих організмів[105].

Наприклад, зворотний гортанний нерв у ссавців проходить (у складі блукаючого нерва) від мозку до серця, огинає (вже як самостійний нерв) дугу аорти і повертається до гортані. Внаслідок цього нерв проходить набагато довший шлях, ніж необхідно, а аневризма аорти може призводити до паралічу лівої голосової зв'язки. Особливо наочно проблема помітна на прикладі жирафа, у якого довжина зворотного нерва може досягати 4 метрів, хоча відстань від мозку до гортані — всього кілька сантиметрів. Таке розташування нервів і судин ссавці успадкували від риб, у яких шия відсутня[106].

Травна система ссавців перетинається з дихальними шляхами, в результаті ми не можемо одночасно дихати і ковтати, а крім того є небезпека вдавитися. Еволюційне пояснення даної обставини полягає в тому, що предками ссавців є кистепері риби (Crossopterygii) з групи Osteolepiformes, які заковтували повітря, щоб дихати.

Спрощена схема розміщення нейронів сітківки. Сітківка складається із декількох шарів нейронів. Світло падає зліва і проходить через всі шари, досягаючи фоторецепторів (правий шар). Від фоторецепторів сигнал передається біполярним клітинам і горизонтальним клітинам (середній шар, позначений жовтим кольором). Потім сигнал передається амакріновим та гангліонарним клітинам (лівий шар). Ці нейрони генерують потенціали дії, які передаються по зоровому нерву в мозок.

Ще один приклад — сітківка хребетних і сліпа пляма. У хребетних нервові волокна і гангліозні клітини сітківки розташовані поверх світлочутливих клітин, і світло має пройти через декілька шарів клітин, перш ніж потрапить на палички і колбочки. Сліпа пляма — це ділянка сітківки, яка позбавлена фоторецепторів, від якої відходить до мозку зоровий нерв. Для вирішення численних проблем, викликаних таким влаштуванням сітківки, у хребетних є ряд адаптацій. Зокрема, у нервових волокон, що йдуть поверх сітківки, відсутня мієлінова оболонка, що підвищує їх прозорість, але знижує швидкість передачі сигналу. Подібні за будовою ока головоногі не мають цього недоліку[107]. Це наочно показує, що і у хребетних, можливо, могли б в ході еволюції сформуватися очі без сліпих плям[108][109]. Вважається, що така будова ока пов'язана зі способом його розвитку в онто- і філогенезі. Ймовірно, у спільних віддалених предків хордових фоторецептори знаходились на спинній поверхні тіла. Потім, при формуванні нервової трубки, вони опинилися на її внутрішній поверхні, тобто на стінці нервового каналу (як у ланцетника). Очі сучасних хребетних утворюються як випинання стінок нервової трубки (очні міхури), а фоторецептори як і раніше формуються в їхній внутрішній стінці.

Такі часті патології як випадіння матки, часте запалення носоглотки, болі в попереку у людей частково пов'язані з тим, що ми використовуємо для прямоходіння тіло, сформоване еволюцією протягом сотень мільйонів років для пересування на чотирьох кінцівках[110].

Носієм спадкової інформації у всіх клітинах є молекули ДНК, у всіх відомих організмів і основі розмноження  — реплікація цієї молекули. В ДНК всіх організмів використовується 4 нуклеотиди (аденін, гуанін, тимін, цитозин), хоча в природі зустрічаються не менше 102 різних нуклеотидів.[130] Крім того, в природі зустрічаються 390 різних амінокислот[131], але білки всіх організмів складаються із одного і того ж набору, в якому лише 22 амінокислоти.[~ 9] При цьому можливі 1,4×10⁷⁰ різноманітних інформаційно еквівалентних генетичних кодів, які використовують одні й ті самі кодони і амінокислоти.[132]

Якщо не враховувати еволюційне походження всіх організмів від спільного предка, то ніщо не заважає кожному виду мати власний генетичний код. Такий стан речей був би вкрай вигідним, тому що при цьому унеможливлювалося б подолання вірусами міжвидових бар'єрів. Проте, нічого подібного не спостерігається, і теорія еволюції виключає таку можливість: зміни генетичного коду призводять до зміни більшості білків організму, така мутація практично завжди виявляється летальної, тому код не міг значно змінитися з часів останнього спільного предка, що гарантує його універсальність.

Учені, які зробили значний внесок у виявлення структури генетичного коду в 1950-х і 1960-х роках, у своїх дослідженнях активно використовували припущення, що код є практично універсальним. Френсіс Крік, Сідні Бреннер, Джордж Гамов і інші зробили це припущення виходячи з версії про еволюційний походження від спільного предка[133], не маючи жодних прямих доказів універсальності коду[134]. Покладаючись на універсальність коду, Бреннер в 1957 році дійшов висновку про неперекривність коду (один і той же нуклеотид не може входити одночасно до складу двох або більше триплетів)[135]. Робота мала велике значення, оскільки до неї більшість дослідників вважали, що код перекривається.

У 1961 році, за п'ять років до встановлення структури генетичного коду, Френсіс Крік посилався на роботу Бреннера у статті «Спільна природа генетичного коду для білків»[136]. Спираючись на еволюційне передбачення про універсальність коду (зокрема — на тому, що у бактерій, тютюну і людей код влаштований однаково), Крік встановив такі найважливіші властивості генетичного коду як триплетність (значущою одиницею коду є поєднання трьох нуклеотидів — триплет, чи кодон), неперекривність і наявність «стартових» кодонів, з яких починається зчитування (трансляція).

Також можна відзначити вкрай схожі процеси метаболізму в клітинах всіх організмів. Так, гліколіз у всіх еукаріотів і у більшості прокаріотів проходить за 10 однакових кроків, в одній і тій же послідовності, з використанням одних і тих же десяти ферментів (при тому, що можливі тисячі різних, але термодинамічно еквівалентних шляхів гліколізу)[137]. У всіх вивчених видів основним переносником енергії в клітині є аденозинтрифосфат (АТФ), хоча цю роль могли б виконувати сотні інших молекул[138][139].

Після злиття двох хромосом залишаються характерні сліди: залишки теломер (позначені червоним кольором) і рудиментарна центромера (позначені синім кольором).

У всіх представників родини гомінідів по 24 хромосоми, за винятком людей, у яких лише 23 хромосоми. Людська 2-га хромосома, згідно з широко визнаною точкою зору, є результатом злиття двох хромосом предків[140][141].

Докази злиття засновані на наступних фактах:

• Хромосома людини відповідає двом хромосомам мавп. Найближчий родич людини, бонобо, має практично ідентичні тим, що знаходяться у 2-й хромосомі людини, послідовності ДНК, але вони розміщуються на двох окремих хромосомах. Те саме вірне для більш далеких родичів: горили і орангутана[142][143].
• На хромосомі людини наявні рудиментарні центромери. Звичайно хромосома має тільки одну центромеру, але на довгому плечі 2-ї хромосоми спостерігаються залишки другої[144].
• Крім того, на хромосомі людини наявні рудиментарні теломери. Звичайно теломери знаходяться тільки на кінцях хромосом, але послідовності нуклеотидів, характерні для теломер, спостерігаються також і в середині 2-ї хромосоми[145].

Таким чином 2-га хромосома являє собою переконливий доказ еволюційного походження людей і інших мавп від спільного предка.

Ендогенні ретровіруси являють собою сліди древніх вірусних інфекцій в ДНК. Ретровіруси (такі як ВІЛ і Т-лімфотропний вірус людини, який спричиняє лейкоз і лімфому) вбудовують власний код в геном зараженого організму. Звичайно після цього клітина починає продукувати нові копії вірусу[146], але в цьому процесі можливі збої: копіювання вбудованої вірусної послідовності пригнічується клітиною власника, але послідовність залишається в структурі хромосоми. Якщо цей процес відбувся із стовбуровою статевою клітиною, тоді таку послідовність будуть наслідувати нащадки інфікованої особини. Вірогідність незалежного вбудування в геном однакових вірусів на однакові позиції є нехтовно малою[147]. Це означає, що генетичний код одного і того ж ретровірусу може бути присутнім у двох тварин на одній і тій же позиції в ДНК тільки в тому випадку, якщо ці тварини походять від спільного предка.

Близько 1 % людського геному займають ендогенні ретровіруси, загалом таких послідовностей в ДНК кожної людини близько 30 000[148]. Деякі із цих вірусів зустрічаються тільки у людини. Інші послідовності зустрічаються тільки у шимпанзе і у людини (там самим підтверджується походження людини і шимпанзе від одного предка). Також є послідовності, які зустрічаються у горил, шимпанзе і людини, у орангутанів, горил, шимпанзе і людини, і так далі.[149][150][151] Розподілення ендогенних ретровірусів точно відповідає філогенетичному дереву.

Також можна навести приклад із родини котячих. У малих кішок (точніше — у таких тварин як очеретяний кіт, європейська лісова кішка, степова кішка і свійська кішка) знайдена спільна ретровірусна вставка. Ні у яких інших хижих цей ретроген не виявлений[150][152][153].

Галапагоські в'юрки, вперше описані Дарвіном.

Під час навколосвітньої подорожі на кораблі «Бігль» Чарлз Дарвін описав 13 видів в'юрків, які мешкали на Галапагоських островах. Спостереження за цими птахами наштовхнуло Дарвіна на ідею походження видів за рахунок мінливості і природного відбору. Всі галапагоські в'юрки походять від спільного предка, який випадково потрапив сюди із Південної Америки. Від початкової форми, яка харчувалась насінням, виникли три групи птахів: земляні в'юрки, які харчуються насінням, комахоїдні деревні в'юрки і славкові в'юрки, які також харчуються дрібним насінням. Внаслідок пристосування до різних джерел їжі, в'юрки почали сильно відрізнятися один від одного будовою дзьоба. Три звичайних види в'юрків — великий, середній і малий — зустрічаються на більшості островів. В цьому випадку вони добре розрізняються за розмірами дзьобів і, відповідно, за розмірами насіння, якому вони надають перевагу. На одному із островів мешкає лише середній земляний в'юрок, і тут у птахів дзьоби менші — у відсутності конкурентів середній земляний в'юрок частково займає нішу малого в'юрка[164].