Evoluution määritelmä

Evoluutio tarkoittaa muutosta populaation geenivarastossa sukupolvien myötä. Siinä eliölajit sopeutuvat ympäristöönsä luonnonvalinnan kautta. Evoluutio on asteittainen, ohjaamaton, luonnollinen tapahtumasarja, joka muuttaa populaatioiden ominaisuuksia. Evoluution mekanismeja ovat perinnöllisyys (jälkeläiset perivät vanhempiensa ominaisuudet), muuntelu (jälkeläiset ovat keskenään erilaisia) ja luonnonvalinta (keskenään erilaiset jälkeläiset menestyvät eri tavoin).

Lisääntymisen yhteydessä geenien kopioitumisessa tapahtuu molekyylitasolla kopiointivirheitä. Jälkeläiset muistuttavat vanhempiaan, koska monet ominaisuudet periytyvät geeneissä sukusolujen mukana. Jälkeläiset eivät kuitenkaan ole täysin samanlaisia kuin vanhempansa, koska mutaatiot ja sukusolujen yhtyessä syntyvät uudet geeniyhdistelmät tuottavat uusia ominaisuuksia ja ominaisuusyhdistelmiä.

Nykyisin evoluution katsotaan olevan hyvinkin erilaista eri tilanteissa eri lajeilla. Nykyisen evoluutioteorian mukaan kehitys voidaan jakaa pitkiin suvantovaiheisiin, jolloin muutosta ei tapahdu juurikaan, ja erittäin nopean kehityksen pyrähdyksiin.¹

Evoluution mekanismit

Evoluution mekanismeja ovat muun muassa luonnonvalinta, seksuaalivalinta, mutaatiot ja migraatio. Luonnonvalinta johtaa populaation parempaan sopeutumiseen senhetkiseen ympäristöönsä, sillä menestyneimmistä yksilöistä tulee lopulta vallitseva tyyppi populaatiossa tehokkaamman lisääntymisen myötä. Toisin sanoen geenit määräävät eliön ominaisuudet, ja paremmin menestyvät eliöt kantavat siis geenejä, joista tämä parempi menestys johtuu. Paremmin menestyvät yksilöt pääsevät lisääntymään useammin, ja niin niiden kantamat parempaa menestystä aikaansaavat geenit yleistyvät populaatiossa. Evoluutio voi myös johtaa monimutkaistumiseen, yksinkertaistumiseen tai luonnon biodiversiteetin eli monimuotoisuuden kasvuun: elinympäristön vapaana olevaan lokeroon kehittyy yleensä jossain vaiheessa oma siihen erikoistunut lajinsa.

Mutaatiot

Mutaatio on eliön perinnöllinen muutos, geneettisen materiaalin eli DNA:n kopioitumisessa tapahtuva virhe. Mutaatiot aikaansaavat "raaka-aineen" luonnonvalinnalle, ja ne ovat uuden geneettisen materiaalin ainoa lähde.

Mutaatioista suurin osa on neutraaleja, toisin sanoen ne eivät johda havaittaviin muutoksiin eliön elonjäämismahdollisuuksissa tai sopivuudessa elinympäristöönsä. Mutaatioista, jotka eivät ole neutraaleja, suurin osa on vahingollisia tai haitallisia. Vain pieni osa on adaptiivisia eli sellaisia että ne auttavat eliötä elämään ja lisääntymään elinympäristössään, mutta tämä pieni hyödyllisten mutaatioiden määrä mahdollistaa sopeutumisen eli evoluution.

Useampien eläinten ja kasvien DNA:ssa on suurehko määrä materiaalia, jolla ei ole tunnettua geneettistä roolia. Ihmisen tapauksessa tämän ”roska-DNA:n” eli tilke-DNA:n osuus on peräti 97 %. Tämä prosenttimäärä vaihtelee suuresti myös toisiaan lähellä olevien lajien välillä. Mutaatiot näissä alueissa ovat aina neutraaleja ja näihin ei kohdistu ns. selektiivistä painetta. Siksi ne ovat sopivia niin sanottuja ”molekyylikelloja”, joiden avulla eri lajien geneettiset etäisyydet voidaan mitata. Aina on kuitenkin oltava varovainen. Se, että emme tiedä jonkin DNA-alueen käyttötarkoitusta, ei välttämättä merkitse ettei sellaista olisi olemassa. Viime aikoina on löytynyt esimerkkejä tästä juuri roska-DNA:n joukosta. Silloin molekyylikellon käytön edellytykset eivät täyty.

Hyödyllisten mutaatioiden todennäköisyys eliössä on pieni. Ja jotta kyseinen hyödyllinen mutaatio voisi periytyä jälkeläisille, sen täytyy tapahtua sukusolulinjassa, jossa se ei tapahdu kuin äärimmäisen harvoissa tapauksissa. Silti niin voi tapahtua ja tapahtuukin jatkuvasti.

Esimerkiksi säteilyttämällä on saatu aikaan erilaisten eläin- ja kasvilajien sukusolulinjoihin sellaisia muutoksia, jotka ovat periytyneet jälkipolville. Eräät näistä ovat olleet eliölle eduksi. Luonnossa esiintyvä säteily on yksi mutaatioiden aiheuttaja, mutta koska luonnossa säteily on huomattavasti alhaisempaa kuin säteilytyskokeissa, tapahtuu luonnossa mutaatioita paljon harvemmin. Luonnossa kuitenkin on aikaa sekä yksilöitä huomattavasti enemmän ”käytettävissä” kuin säteilytyskokeissa, joten edullisia mutaatioita syntyy lähes välttämättä pitkien aikojen kuluessa, vaikka ne ovat harvinaisia ihmisten aikaskaalalla.

Edullisen mutaation tunnistaa siitä, että sen saaneet eliöt menestyvät sukupolvesta toiseen. Niitä, jotka eivät saa yksilöä menestymään, kutsutaan haitallisiksi tai neutraaleiksi mutaatioiksi. Vähänkin edulliset mutaatiot toisinaan leviävät, ja tulevat vallitsevaksi tyypiksi populaatiossa. Silloin edullisen mutaation saaneet ovat enemmistössä, ja seuraavan edullisen mutaation saa luultavimmin joku edellisen mutaation saanut yksilö. Näin edulliset mutaatiot kasautuvat. Mitä tekee tätä kasautumista vielä nopeammaksi, on ns. sukupuolellinen lisääntyminen, jonka seurauksena geenit ”sekoitetaan” kuin korttipakka ja populaation eri osissa yhtä aikaa sattuneet hyödylliset mutaatiot saadaan yhdistetyksi yhteen yksilöön. Näin evoluutio muuttuu ”rinnakkaisprosessoinniksi”.

Jos laji hyötyy nykyisessä ympäristössään esimerkiksi pitkistä jaloista, jalan pituutta ja sitä kautta nopeutta kasvattavat mutaatiot ovat edullisia mutaatioita. Koska nopeammat esimerkiksi pääsevät paremmin pakoon saalistajiaan, ne pääsevät lisääntymään useammin, ja monen sukupolven aikana on todennäköistä, että pitempijalkaisuuden geenit tulevat yleisiksi ominaisuuksiksi populaatiossa. Nämä pidempijalkaiset voivat saada myös muita edullisia mutaatioita, jolloin mutaatiot todellakin kasautuvat. Mikäli laji on jakaantunut useammalle eristäytyneelle alueelle, nämä edulliset mutaatiot tai niiden kasaumat eivät tietenkään kulje kaikkien lajin edustajien saataville. Pian mutaatioita on kertynyt niin paljon, etteivät eri kantojen edustajat ole keskenään lisääntymiskykyisiä. Tällöin on tapahtunut lajiutuminen edullisten mutaatioiden kasaantumisen seurauksena.

Lajiutuminen

Missä tahansa eliöpopulaatiossa yksilöiden ominaisuudet vaihtelevat hieman sekä perimästä että ympäristöstä johtuen. Siten tapahtuu väistämättä niin, että tietyt ominaisuudet suosivat lisääntymistä enemmän kuin toiset, ja tästä syystä nämä ominaisuudet yleistyvät populaatiossa. Elinolosuhteiden muuttuessa (ilmasto, maantiede, sattuma, muut eliöt) saattaakin olla, että jotkin toiset ominaisuudet edesauttavat lisääntymistä enemmän kuin muut, jolloin ne vuorostaan alkavat lisääntyä populaatiossa. Tästä syntyy vähitellen lajiutumista, eritoten jos populaatio jakautuu kahteen tai useampaan osaan, esimerkiksi maantieteellisistä syistä, joten populaatioiden kesken ei juurikaan tapahdu geenienvaihtoa. Näin kehityshaarat erkanevat hiljalleen toisistaan ja lopulta yksi kantamuoto on lajiutunut eri lajeiksi, jotka eivät ole lisääntymiskykyisiä keskenään.

Lajiutuminen on yhden lajin kehittyminen useammaksi. Lajiutumiselle erotetaan kolme mekanismia:

• Allopatria: populaation osat elävät maantieteellisesti erillään.
• Sympatria: populaation osat elävät samassa maantieteellisellä alueella, mutta eri ekologisissa lokeroissa.
• Parapatria: populaation osat elävät maantieteellisesti vierekkäin.

Kaikissa tapauksissa osapopulaatioiden geneettiset ominaisuudet muuttuvat satunnaisesti kumuloituvien mutaatioiden seurauksena yhä enemmän erilleen. Lopulta eri populaatiot ovat geneettisesti niin kaukana toisistaan, etteivät ne pysty enää saamaan keskenään lisääntymiskykyisiä jälkeläisiä. Näin on syntynyt kaksi lajia.

Parapatrian erikoistapaus on niin sanottu rengaslaji, jossa on kyse monesta vierekkäisestä populaatiosta, jotka kaikki lisääntyvät naapurinsa kanssa, mutta ääripäät eivät enää lisäänny keskenään.

Ehkä tunnetuin esimerkki lajiutumisesta on darwininsirkkujen erikoistuminen 13:ksi eri lajiksi Galápagossaarilla yhdestä saarille saapuneesta kantalajista. Niiden nokat ovat erikoistuneet erilaisten ravintolokeroiden täyttämiseen. Siitä myös Darwin sai ideansa lajien synnystä.

Migraatio

Migraation rooli evoluutiossa on se, että tietyssä paikassa alkunsa saanut uusi, hyödyllinen perinnöllinen piirre yleistyy koko populaatiossa. Mitä suurempi yhtenäinen populaatio, sitä suurempi myös mutaatioiden määrä, myös hyödyllisten mutaatioiden määrä, joka on tästä vain pieni murto-osa. Eli mitä suurempi populaation koko yksilöinä, sitä nopeammin evoluutiota tapahtuu.

Populaatiosta tulisi kuitenkin vaatia, että yksilö voi fyysisesti matkustaa paikasta toiseen populaation sisällä. Kuivalla maalla eläville organismeille esim. se tarkoittaa, että on oltava yhtenäinen kuiva maa-alue. Tästä vaikuttavin esimerkki on Australia.

Yleisen käsityksen mukaan 45 miljoona vuotta sitten Australian mannerlaatta erosi lopullisesti etelämantereelta ja purjehti pois, niin, että Australiassa elävät eliöt kehittyivät eri tavalla (ja paljon hitaammin) kuin eliöt muualla. Australiassa elävät edelleen pussieläimet ja ovat sopeutuneet samoihin eri ekologisiin lokeroihin kuten muussa maailmassa. Esim. missä muussa maailmassa on susia, hiiriä ja myyriä, on Australiassa pussisusi, -hiiri ja -myyrä. Tämä on myös esimerkki konvergenssista.