"Evolution" oder "Evolution"? Der Schlüssel liegt in der Größe

Anmerkung des Autors:

Sollte Evolution mit „Evolution“ oder „Entwicklung“ übersetzt werden? Einige Forscher befürworten die Verwendung des Begriffs „Evolution“ nachdrücklich. Sie sind der Ansicht, dass sich der „Fortschritt“ in der Evolution klar definieren und beobachten lässt, wenn man die Größe lebender Populationen als Maßstab verwendet und sie auf der Ebene der Schwestergruppen vergleicht. Daher sollte man auf die Übersetzung „Evolution“ nicht verzichten.

Theoretisch ist es während eines kurzen Zeitraums, in dem die Umgebung stabil ist, akzeptabel, „Fortschritt“ zu verwenden, um eine bessere Anpassung an die Umgebung anzuzeigen. Die Umgebung ist jedoch ein hochdimensionaler Raum und ändert sich im Laufe der Zeit häufig in verschiedenen Dimensionen, und die Richtung der Änderung ist unterschiedlich. Daher verläuft auch die Evolution verschiedener Arten als Reaktion auf Umweltveränderungen über einen beträchtlichen Zeitraum hinweg unterschiedlich, was einen einfachen Vergleich ihrer Vor- und Nachteile unmöglich macht.

Es heißt, dass es keine konstante Kriegslage, keine konstante Wasserform und keine konstante Evolutionsrichtung gibt. Der Autor geht von der Perspektive der „Richtung der Evolution“ aus und stellt Ihnen das Konzept der „Evolution“ vor, das sowohl zeitlich als auch räumlich recht komplex ist.

Tatsächlich ist die Verdrängung von Arten in der Natur oft nicht auf eine Verbesserung des Überlebensniveaus der Nachzügler zurückzuführen, sondern auf veränderte Spielregeln – Umweltveränderungen haben neue Anpassungsstandards mit sich gebracht. Da sich Dinosaurier nicht an die niedrigen Temperaturen und die sauerstoffarme Umgebung anpassen konnten, machten sie anpassungsfähigeren Säugetieren Platz. Da sich die Umgebung ständig ändert, ist es möglich, dass sich die Spielregeln erneut ändern? Wohin werden sich die Menschen dann „entwickeln“?

Geschrieben von Lu Ping (Institut für Zoologie, Chinesische Akademie der Wissenschaften)

Ob das Wort Evolution mit „Evolution“ oder „Entwicklung“ übersetzt werden sollte, ist seit vielen Jahren ein in der chinesischen wissenschaftlichen Forschung und in populärwissenschaftlichen Kreisen häufig diskutiertes Thema. Der Unterschied zwischen „Evolution“ und „Evolution“ beruht oft darauf, ob der Evolutionsprozess eine Richtung hat – „Evolution“ bedeutet Vorwärtsbewegung, was impliziert, dass die Evolution eine Richtung hat und dass zwischen dem Überleben des Stärkeren und Höhen und Tiefen unterschieden wird, während das Wort „Evolution“ neutral ist und keine Richtung widerspiegelt.

Kann man also sagen, dass der tatsächliche biologische Evolutionsprozess gerichtet ist?

Auf der Ebene der Arten kann die biologische Evolution als „vererbbare Veränderungen im genetischen Material und den Informationen einer Art“ definiert werden, die zu Veränderungen von Merkmalen wie der makroskopischen Morphologie und Funktion führen können. Der Veränderungsprozess gliedert sich in zwei Schritte. Der erste Schritt besteht darin, dass es in der biologischen Gruppe (Population) einer Art zu vererbbaren Veränderungen kommt, das heißt, dass das genetische Material mutiert. Dieser Prozess wird fast ausschließlich durch den zufälligen Einfluss physikalischer und chemischer Faktoren verursacht und ist allgemein als richtungslos anerkannt.

Der zweite Schritt besteht in der „Fixierung“ der Mutation in der gesamten Population, also darin, einen Zustand zu erreichen, in dem jeder einzelne Organismus der Population die Mutation trägt. Für diesen Prozess sind zwei Szenarien möglich: Das eine ist eine neutrale Mutation, die die Überlebens- und Fortpflanzungsfähigkeit des Organismus, also seine Fitness, nicht beeinträchtigt. Seine Häufigkeit in der gesamten Population der Art entwickelt sich zufällig und es besteht eine gewisse Wahrscheinlichkeit, dass es zufällig einen festen Zustand erreicht. Dieses Szenario wird als genetische Drift bezeichnet und ist offensichtlich nicht gerichtet. Die andere ist eine Mutation, die die Fitness beeinträchtigt. Wenn diese Art der Mutation den Organismus anpassungsfähiger an die Umwelt macht, wird er aufgrund der natürlichen Selektion tendenziell in der Population „fixiert“. Dieses adaptive Evolutionsszenario, das durch natürliche Selektion vorangetrieben wird, ist auch die Quelle dessen, was allgemein als „evolutionäre Gerichtetheit“ angesehen wird.

Abbildung 1. Zwei Schritte im biologischen Evolutionsprozess (Zeichnung des Autors)

Abbildung 2. Zwei Szenarien der Mutationsfixierung. Unter ihnen wird die natürliche Selektion oft als „gerichtet“ angesehen. (Bild vom Autor)

Lässt man, wenn man von zufälligen Mutationen und neutraler Evolution absieht, sagen, dass die Geschichte der biologischen adaptiven Evolution eine Richtung hat? Wenn wir ein Szenario betrachten, in dem eine Art in eine neue Umgebung eintritt und nicht vollständig an einen bestimmten stabilen Umweltfaktor angepasst ist, dann werden sich unter der Wirkung der natürlichen Selektion Mutationen in der nächsten Generation, die besser an diesen Umweltfaktor angepasst sind, tatsächlich in der Population ausbreiten, d. h. es gilt das „Überleben des Stärkeren“, und dieser Prozess ist offensichtlich zielgerichtet. Anstatt zu diskutieren, ob die Evolution eine Richtung hat, ist es daher möglicherweise sinnvoller, darüber nachzudenken, in welchem ​​Ausmaß und auf welcher Skala die Evolution eine Richtung hat.

Wenn wir im obigen Beispiel die Annahmen einer einzelnen Art, eines einzelnen stabilen Umweltfaktors usw. außer Acht lassen, werden wir feststellen, dass es schwierig ist, die Richtung der Evolution zu definieren. Dies liegt daran, dass die adaptive Evolution zwei Merkmale aufweist: Zum einen hat sie eine hohe Dimension und zum anderen verändert sie sich mit den Umweltveränderungen.

Umwelt und Anpassung sind hochdimensional

Die sogenannte Umwelt ist eine Kombination vieler Umweltfaktoren wie Temperatur, Sauerstoffgehalt, Luftfeuchtigkeit, Sonneneinstrahlung usw. Wenn jeder Faktor in einer Dimension quantifiziert wird, ist die Umwelt ein hochdimensionaler Raum. der „Punkt“ (eigentlich ein kleiner Unterraum), den eine Art in diesem Raum einnehmen kann, ist die sogenannte „Nische“.

Abbildung 3. Umweltraum und ökologische Nische (vom Autor erstellt)

In einer ökologischen Nische können die Eigenschaften jeder Dimension des Umweltraums einen Selektionsdruck auf die Arten ausüben. Wie also passen sich Arten durch natürliche Selektion an eine bestimmte ökologische Nische an? Dies erfordert die Einführung eines weiteren räumlichen Konzepts – des Merkmalsraums. Verschiedene Organismen verfügen über zahlreiche funktionelle Merkmale, wie etwa Körpergröße, Lebensdauer, Ernährung usw. Die Kombination verschiedener Merkmale bildet einen Merkmalsraum. Die Dimensionen des Merkmalsraums stellen unterschiedliche Merkmale von Organismen dar, während die Dimensionen des Umweltraums unterschiedliche Umweltfaktoren darstellen. Eine Art ist eine spezifische Kombination von Ausprägungen verschiedener Merkmale und verfügt aufgrund ihrer Anpassung an eine ökologische Nische über eine besondere Fitness. Die Abbildung des Merkmalsraums auf die Fitness wird als Fitnesslandschaft bezeichnet.

Der Prozess der Anpassung einer Art an die Umwelt (eine ökologische Nische) kann als eine Veränderung der Merkmale auf dem Fitnessterrain betrachtet werden, ein Prozess des Aufstiegs hin zum „Gipfel“ hoher Fitness. Daher handelt es sich bei der adaptiven Evolution um die spezifischen vererbbaren Veränderungen, die in vielen Merkmalsdimensionen von Organismen unter der Einwirkung der natürlichen Selektion als Reaktion auf den durch bestimmte Umweltfaktoren verursachten Selektionsdruck auftreten. Wenn wir unsere Perspektive von diesem einzelnen „Kletterprozess“ auf mehr Arten und mehr ökologische Nischen ausweiten, werden wir feststellen, dass die adaptive Evolution eine hohe Dimension und viele Richtungen hat.

Erstens können unterschiedliche Arten in derselben Richtung und in derselben Umweltdimension unterschiedliche funktionale Merkmalsänderungen durchlaufen, um sich kontinuierlich an die Umweltfaktoren anzupassen. Als Reaktion auf die sauerstoffarme Umgebung beim Tauchen haben Fischer in Südostasien beispielsweise eine vergrößerte Milz, die dazu geeignet ist, mehr rote Blutkörperchen zu speichern, die beim Tauchen freigesetzt werden. Dadurch wird die Sauerstofftransportkapazität des Blutes verbessert, ohne dass es zu Bluthochdruck kommt. während Wale den Myoglobingehalt in ihren Muskeln erhöhen, um die Sauerstoffspeicherkapazität der Muskeln zu verbessern. Diese beiden unterschiedlichen evolutionären Merkmalsrichtungen können sich beide an die sauerstoffarme Richtung in der Umweltdimension des Sauerstoffgehalts anpassen.

Zweitens können sich verschiedene Organismen in derselben Umweltdimension an unterschiedliche Richtungen anpassen, das heißt, sich in Richtung unterschiedlicher ökologischer Nischen bewegen. Beispielsweise neigen Vögel, die gut im Langstreckenflug sind, dazu, den Fettstoffwechsel für eine langfristige und kontinuierliche Energieversorgung zu nutzen, während Vögel, die kurze Strecken fliegen müssen, wie etwa Fasane, dazu neigen, den Kohlenhydratstoffwechsel für eine schnelle Energieversorgung zu nutzen. Dabei handelt es sich um unterschiedliche Anpassungsrichtungen, die durch Unterschiede in den ökologischen Nischen in der Dimension der Flugdistanz verursacht werden.

Schließlich ist es durchaus möglich, dass unterschiedliche Organismen in unterschiedlichen Dimensionen der Umwelt eine adaptive Evolution durchlaufen und sich an unterschiedliche ökologische Nischen anpassen. Beispielsweise haben sich unter den Säugetieren viele Hochlandarten an Faktoren wie Sauerstoffmangel, niedrige Temperaturen und ultraviolette Strahlung angepasst, indem sie die Sauerstofftransportkapazität des Hämoglobins erhöht haben. Mehrere Meeressäugetierarten haben sich an Faktoren wie Tauchen und schwache Lichtverhältnisse angepasst, indem sie den Myoglobinspiegel erhöht und die visuelle Wahrnehmung bei schwachem Licht verbessert haben. Es handelt sich dabei um einen Unterschied in der Anpassungsrichtung verschiedener biologischer Gruppen an unterschiedliche Umweltdimensionen.

Daher ist die Dimensionalität der adaptiven Evolution sehr hoch und Arten in unterschiedlichen ökologischen Nischen haben ihre eigenen Evolutionsrichtungen, was es schwierig macht, Richtungen auf einer über die Arten hinausgehenden Ebene zu vergleichen und zu diskutieren. Sogar Schwestertaxa sind in mehreren Dimensionen schwer zu vergleichen. Beispielsweise sind Schimpansen und Menschen Schwestergruppen. Aufgrund ihrer Anpassung an das Leben auf Bäumen verfügen Schimpansen über eine weitaus größere Kraft in den oberen Gliedmaßen als Menschen. Allerdings ergibt es offensichtlich wenig Sinn zu behaupten, der Mensch sei in irgendeiner Hinsicht „rückständiger“ als der Schimpanse, da beide Arten unterschiedliche ökologische Nischen besetzen.

Die Anpassungsrichtung ändert sich häufig, wenn sich die Umgebung ändert

Wenn wir unsere Perspektive noch weiter auf die Zeitdimension ausdehnen, werden wir feststellen, dass die Umwelt der Erde enorme Veränderungen erfahren hat. Es gibt nicht nur viele Dimensionen, sondern auch häufige Änderungen. So sind beispielsweise Temperaturschwankungen zwischen Eis- und Zwischeneiszeiten in der Erdgeschichte immer wieder aufgetaucht. Da sich die Umgebung ständig ändert, ändert sich auch die lokale Ausrichtung des Anpassungsprozesses in der entsprechenden Dimension ständig. Der „Wohlstand“ einer biologischen Gruppe innerhalb einer Periode der Erdgeschichte kann auf die Tatsache zurückzuführen sein, dass sie in einer oder mehreren Umweltdimensionen hochgradig anpassungsfähige Merkmale entwickelt hat und dadurch in der Lage war, in neue ökologische Nischen vorzudringen, eine Strahlungsevolution zu durchlaufen und die Vielfalt zu erhöhen; Doch selbst bei sehr vielfältigen Gruppen kann es aufgrund dynamischer Veränderungen in der Umwelt zu großflächigen Aussterben kommen, was es schwierig macht, die Richtung der Evolution statisch zu definieren.

Nehmen wir als Beispiel das Mesozoikum. Im Vergleich zu heute war die Umgebungstemperatur im Mesozoikum höher, der Sauerstoffgehalt in der Atmosphäre war höher und die Reptilien, darunter Dinosaurier, Flugsaurier, Ichthyosaurier und andere Gruppen, entwickelten eine große Vielfalt. Die frühen Säugetiere waren relativ weniger vielfältig. Am Ende des Mesozoikums führten jedoch Ereignisse wie Meteoriteneinschläge zu Umweltveränderungen wie einem Rückgang der Oberflächentemperatur und einer Verringerung des Sauerstoffgehalts in der Atmosphäre. Die Stoffwechseleigenschaften der frühen Säugetiere und ihre weitere Evolution passten sich besser an diese Umgebung mit niedrigen Temperaturen und niedrigem Sauerstoffgehalt an, was zu einer Strahlungsevolution und einer erhöhten Vielfalt führte.

Abbildung 5: Betrachtet man die unterschiedlichen Werte eines einzelnen spezifischen Merkmals verschiedener Arten, so entsprechen diese einer unterschiedlichen Fitness zu einem bestimmten historischen Zeitpunkt (Umwelt) und bilden eine Fitnesstopographie; Diese Fitnesstopographie wird sich mit der Zeit (Umwelt) ändern und diese Änderung selbst wird die Evolutionsentwicklung verschiedener Arten/biologischer Gruppen beeinflussen.

Dabei scheinen sich Säugetiere besser an ihre Umwelt anzupassen, und zwar hauptsächlich deshalb, weil sich die Umwelt verändert hat. Das heißt, die Spielregeln haben sich geändert, und nicht, weil sich die Spielfähigkeiten der Säugetiere verbessert haben. Es ist wie bei einem Sporttreffen: Die Athleten treten im Kurzstreckenrennen gegeneinander an und manche schneiden besser ab; Wird die Veranstaltung jedoch plötzlich in ein Langstreckenrennen umgewandelt, scheidet der ursprüngliche Sieger aus. Der neue Sieger muss jedoch nicht unbedingt besser im Kurzstreckenrennen sein, und es ist sinnlos, den Sieger des Langstreckenrennens als „Richtung des Fortschritts“ zu definieren, da es in Zukunft möglicherweise nicht unbedingt keine Kurzstreckenrennen mehr geben wird. Ebenso sind Umweltveränderungen schwankend und richtungslos, sodass es schwierig ist, die Richtung der adaptiven Evolution zu definieren.

Darüber hinaus interagieren Organismen miteinander. Wie im obigen Beispiel wurden durch das durch Umweltveränderungen verursachte Aussterben großer Reptilien ökologische Nischen „freigegeben“, wodurch die später wohlhabenden Gruppen sich weiter ausbreiten und weiterentwickeln konnten, was zu einer größeren Vielfalt führte. Sogar Organismen und Umwelt interagieren miteinander und einige ökologische Nischen werden einfach von „Pionier“-Gruppen geschaffen.

Das Beispiel der Cyanobakterien ist sehr typisch: Im Kambrium kam es zu einer starken Diversifizierung der vielzelligen Eukaryoten, und die oxidative Umgebung der Erde, in der die meisten eukaryotischen Zellen gedeihen, ist das Ergebnis der Sauerstoffproduktion prokaryotischer Cyanobakterien durch Photosynthese über einen Zeitraum von fast zwei Milliarden Jahren. Ohne Cyanobakterien gäbe es keinen Wohlstand der Eukaryoten, geschweige denn eine „Richtung“ der Evolution, wie etwa die effektive Nutzung von Sauerstoff.

Daher hat die Evolution in einem begrenzten Teil der Geschichte eine Richtung; Da die verschiedenen Richtungen in unterschiedlichen Umgebungen jedoch nicht vergleichbar sind, besteht keine Notwendigkeit, die Richtung der Evolution im größeren Maßstab hervorzuheben.

In dem auf Grundlage der existierenden Arten erstellten Evolutionsbaum sind die früh auftretenden Gruppen aufgrund des Aussterbens spärlich vertreten, während der Wohlstand der später auftretenden Gruppen den Menschen oft den Eindruck einer „evolutionären Zielgerichtetheit“ und eines „Fortschritts“ vermittelt. Diese Situation gibt es tatsächlich und es gibt viele Beispiele dafür, aber es ist keine Regel. Wenn wir uns die Verbreitung der Wirbeltiere unter den bilateral symmetrischen Tieren ansehen und die Schwestergruppe der Hemichordata oder darüber hinaus die Stachelhäuter finden, könnte es scheinen, dass die Wirbeltierarten zahlreicher und „fortgeschrittener“ sind. Wenn wir jedoch noch weiter gehen und die aus den drei oben genannten Gruppen bestehenden Deuterostomier mit ihrer Schwestergruppe, den Ecdysozoa, vergleichen, dann stellt die Insektengruppe der Ecdysozoa mehr als die Hälfte aller in der Biosphäre der Erde existierenden Arten dar und übertrifft damit bei weitem die der Wirbeltiere. Man kann kaum sagen, dass die Wirbeltiere weiter entwickelt sind oder die Richtung der Evolution darstellen. Beispielsweise scheinen sich Eukaryoten zu komplexen und vielfältigen vielzelligen Gruppen entwickelt zu haben, doch in der Biosphäre der Erde waren die Prokaryoten sowohl in Bezug auf die Häufigkeit als auch die Gruppenvielfalt den Eukaryoten immer überlegen. und auch bei Eukaryoten gibt es Fälle, in denen sich mehrzellige Gruppen wie Hefen zu Einzellern entwickelt haben. Daher handelt es sich bei der Prosperität der Taxa in den späteren Stadien der Evolutionsgeschichte und der „Richtungsabhängigkeit“ der zunehmenden Komplexität biologischer Merkmale um lokale Muster des Evolutionsbaums und nicht um stabile Gesetze.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Umwelt vieldimensional ist und sich häufig verändert. Die adaptive Evolution der Arten ist ein vielschichtiger und komplexer Prozess, der von den Wechselwirkungen zwischen den Arten sowie zwischen den Arten und der Umwelt beeinflusst wird. Die sogenannte Gerichtetheit der Evolution bezieht sich auf die adaptive Evolution von Veränderungen in einer bestimmten Dimension der Merkmale einer Art unter dem Selektionsdruck einer einzigen stabilen Umgebung in der lokalen Evolutionsgeschichte sowie auf die daraus resultierende Strahlungsevolution der Vielfalt. Ein Taxon, das in einer Umgebung anpassungsfähiger ist, ist in anderen Umgebungen möglicherweise nicht anpassungsfähig. Daher spiegelt sich die Richtung des Evolutionsprozesses nur im lokalen Raum und in der lokalen Zeit wider.

Dieser Artikel wird vom Science Popularization China Starry Sky Project unterstützt

Produziert von: Chinesische Vereinigung für Wissenschaft und Technologie, Abteilung für Wissenschaftspopularisierung

Hersteller: China Science and Technology Press Co., Ltd., Beijing Zhongke Xinghe Culture Media Co., Ltd.

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