21. Evoluution perusteet

Evoluutio on elämän kehittymistä - ilman suuntaa

bi_9_elaman_maailmakaudet_eoppi_1391_peda.jpg

Maapallo ja sen pinnalla oleva elämä saattavat näyttää vakailta ja muuttumattomilta. Sitä se ei kuitenkaan ole. Eliöt ja elinympäristöt ovat jatkuvassa muutoksessa. Menneet muutokset voidaan havaita tarkastelemalla maakerroksiin hautautuneita fossiileita. Nykykäsityksen mukaan elämä kehittyi merissä ja alkeellisista levistä kehittyi vähittäisten muutosten myötä alkeellisia yksisoluisia ja pikkuhiljaa monisoluisia eliöitä. Eliölajien vähittäistä muutosta kutsutaan evoluutioksi. Evoluutiota tapahtuu koko ajan, eikä sillä ole tiettyä suuntaa; evoluutio ei tähtää mihinkään tiettyyn kehitysmuotoon eikä päämäärään.

Evoluution kehityskulku alkoi noin 4 miljardia vuotta sitten yksinkertaisista yksisoluisista organismeista. Eliökunnan kehitysvaiheet jaetaan kausiin, joille kullekin on tyypillistä uusien kasvi- ja eläinryhmien ilmaantuminen ja toisaalta sukupuuttoaallot. Ihmisen kehitystarina antaa vastauksia, miten nykyihminen kehittyi hallitsevaksi lajiksi ja levittäytyi maapallon eri alueille.
   

Kemiallinen evoluutio

bi_9_alkumaapallo_jsalomaa_eoppi_1371_peda.jpg
Maapallo syntyi noin 4,6 miljardia vuotta sitten samoihin aikoihin muiden aurinkokuntamme planeettojen ja Auringon kanssa. Maapallon vähitellen jäähtyessä tulivuorista peräisin oleva vesihöyry tiivistyi sateiksi ja näin muodostuivat valtameret. Maapallolle syntyi myös kiinteä kivikehä ja kaasukehä. Varhaisen kaasukehän eroaa koostumukseltaan nykyisestä ilmakehästä. Se sisälsi vesihöyryä, hiilidioksidia, typpeä, hiilimonoksidia ja myrkyllisiä kaasuja, mutta siinä ei ollut vapaata happea eikä siten UV-säteilyltä suojaavaa otsonikerrosta. Siten alkumaapallon olosuhteet olivat nykyisten eliöiden kannalta katsottuna vaateliaat.
miller_koe_sveistola.JPG
Aluksi kaasukehän epäorgaanisista aineista syntyi yksinkertaisia, elämälle tärkeitä orgaanisia yhdisteitä, kuten proteiinien ja nukleiinihappojen osia.

Näin elämän synty oli ottanut ensimmäisen askeleensa, kemiallisen evoluution, jonka ansiosta muodostui yksinkertaisista orgaanisista yhdisteistä solujen kannalta tärkeitä monimutkaisia, orgaanisia molekyylejä.

Seuraava vaihe oli biologinen evoluutio, eli ensimmäisten elävien eliöiden kehittyminen.

Evoluution todisteita

fossiili_sveistola_eoppi_1229_peda.jpgFossiili muodostuu, kun eliö jää hapettomaan tilaan, jossa sen rakenne ei hajoa, vaan rakennusaineet joko säilyvät tai korvautuvat hajoamattomilla mineraaleilla.


Fossiileja on tallentunut maakerroksiin sekä suohon ja jäähän, kuten löydetyt mammutit. Myös esimerkiksi meripihkaan on jäänyt esihistoriallisia hyönteisiä.


Fossiilit ovat todisteita eliöiden vähittäisestä kehittymisestä ja muuttumisesta. Mitä syvemmällä maakerrostumissa eläinten ja kasvien jäänteet ovat, sitä alkeellisempia ne ovat. Vastaavasti lähempänä pintaa ja siten uudemmissa kerrostumissa olevat fossiilit ovat rakenteeltaan enemmän nykyisten eliömuotojen kaltaisia.
evoluutio_alkio_kehitys_jsalomaa_eoppi_1364_peda.jpg
Lajien kehittymistä voidaan tutkia myös yksilönkehityksen vaiheita vertaamalla. Kalalla, kanalla ja ihmisellä on kaikilla varhaisessa vaiheessa hyvin paljon toisiaan muistuttavat muodot. Tämä kertoo siitä, että lajeilla on evoluution vaiheessa ollut yhteinen kantamuoto.

Myös raajojen samankaltaisuutta vertaamalla voidaan havaita lajien kehittyneen samoista kantamuodoista. Selkärankaisten eturaajoissa voidaan havaita tietty yhteinen perusrakenne, josta ne ovat muotoutuneet kullekin lajille tyypilliseen muotoon.

surkastumat_jsalomaa_eoppi_1365_peda.png.jpgEliölajeilla tavatut surkastumat ovat myös todiste niiden kehittymisestä alkeellisemmista muodoista. Ihmiselläkin on surkastumia, mm. korvanliikuttajalihakset ja vilkkuluomi silmässä.

Ihmisen harjoittama eläin- ja kasvilajien jalostus on myös todiste evoluutiosta; se on nopeutettua evoluutiota. Jalostus perustuu yksilöiden välisiin eroihin ominaisuuksissa. Jalostaja valikoi eläin- tai kasvilajin yksilöistä ne, joilla on halutut ominaisuudet ja niitä lisäämällä muuttaa lajia haluttuun suuntaan. Näin on muodostettu esimerkiksi nykyiset viljeltävät hyötykasvilajikkeet, joilla kaikilla on luonnon oma kantamuoto. Samoin koti- ja lemmikkieläinrodut pohjautuvat johonkin kantamuotoon.

Todiste evoluutiosta on myös lajien geneettinen samankaltaisuus: mitä enemmän lajien välillä on samankaltaisuutta perimässä, sitä lähempänä ne ovat kehityshistorialtaan toisiaan. Ihmisen ja simpanssin perimä on toiminnallisten geenien osalta 99,4-prosenttisesti samanlainen, kun taas ihmisen ja hiiren geenit ovat 80-prosenttisesti samoja. Geneettinen samankaltaisuus johtaa valkuaisaineiden samankaltaisuuteen.

Nykyään on elossa muutamia lajeja, joiden sanotaan olevan eläviä fossiileja, sillä ne ovat säilyneet lähes muuttumattomia miljoonien vuosien ajan. Tällaisia ovat siili, neidonhiuspuu ja vesinokkaeläin. Lajin kehittyminen ja ulkomuodon muuttuminen ei siis ole aina välttämätöntä lajin säilymisen kannalta.

Fossiilien muodostuminen on

Kirjaudu sisään lähettääksesi tämä lomake




Perustelut

Kirjaudu sisään lähettääksesi tämä lomake

Monet tekijät saavat aikaan evoluutiota


Mikä sitten saa aikaan havaitun eliöiden vähittäisen muuttumisen? Tärkein evoluutiota aikaansaava tekijä on luonnonvalinnaksi nimitetty voima tai mekanismi. Luonnonvalinta perustuu sille, että lajin yksilöt tuottavat jälkeläisiä enemmän kuin sillä paikalla pystyy elämään. Suurimmalla todennäköisyydellä selviävät kunkin eliölajin yksilöt, jotka ovat sopeutuneet parhaiten sillä hetkellä vallitseviin luonnonolosuhteisiin. Eli ne menestyvät parhaiten ja tuottavat eniten jälkeläisiä siirtäen geenejään seuraavalle sukupolvelle. Geenien mukana siirtyvät perinnölliset ominaisuudet.

Tärkeää on se, että yksilöiden välillä on eroja ominaisuuksissa, jotka vaikuttavat niiden menestymiseen. Näitä eroja tuottavat mutaatiot ja suvullisen lisääntymisen kautta syntyvä muuntelu.

Samalla paikalla elävät ja keskenään lisääntyvät saman lajin yksilöt muodostavat populaation. Populaatiossa periaatteessa kaikki lajin yksilöt voivat lisääntyä toistensa kanssa. Jos populaatio jostain syystä joutuu tilanteeseen, että joku tekijä estää yksilöiden lisääntymisen keskenään, voivat yksilöt pitkän ajan kuluessa kehittyä eri suuntiin, jolloin lajista muodostuu erilaisia muotoja, alalajeja ja pitkän ajan kuluessa jopa eri lajit. Puhutaan lajiutumisesta. Lisääntymisesteenä populaatioiden välillä voi toimia esimerkiksi vuoristo, joka jakaa populaation tai ihmisen rakentama tie, joka jakaa metsän osiin.

Lajiutumista voi tapahtua myös niin, että saman lajin yksilöt joutuvat erilaisiin elinympäristöihin, joissa ympäristötekijät muokkaavat lajia pikku hiljaa. Laji sopeutuu vallitseviin olosuhteisiin, ja tapahtuu luonnonvalintaa.

Lajin, alalajin tai populaation säilymiseen muuttuvissa ympäristöolosuhteissa vaikuttaa se, miten paljon yksilöiden välillä on eroja niiden perimässä, ts. miten paljon ne eroavat toisistaan geneettisesti. Koska yksilön perimä saa aikaan yksilön ominaisuudet, geneettisesti monimuotoinen populaatio on myös ominaisuuksiltaan monimuotoinen. Tällöin elinympäristön muuttuessa löytyy yksilöitä, joiden ominaisuudet edesauttavat selviämistä uusissa olosuhteissa ja laji tai populaatio pystyy sopeutumaan näihin uusiin olosuhteisiin. Mikäli haluamme suojella lajeja ja populaatioita, on pidettävä huoli siitä, että sen perimä säilyy monimuotoisena.

Nykyelämässä todisteeksi evoluutiosta käyvät bakteerit, jotka ovat kehittyneet vastustuskykyisiksi eli resistenteiksi useille antibiooteille. Bakteereista on siis kehittynyt kantoja, joihin lääkkeenä käytetyt antibiootit eivät enää tehoa; on syntynyt ns. tappajabakteereita.

bi_9_suuntaava_valinta_jsalomaa_eoppi_1293_2_peda.jpg
Luonnonvalinta voi suosia esimerkiksi suuria yksilöitä. Tämän seurauksena lajin yksilöt ovat tulevaisuudessa suurempia kuin nykyisin.

Evoluutioteoria on oppi eliöiden kehittymisestä

Havainnot fossiileista ja eri paikoilla elävistä saman lajin erilaisistabiologia_linnut_galapagos_sirku_editorial_use_only_shutterstock_50430250 – Kopio_peda (1).jpg muodoista herättivät 1800-luvulla useiden tutkijoiden mielenkiinnon. Muiden muassa englantilainen Charles Darwin perehtyi laivamatkoillaan mm. Galapagos-saarten erilaisiin muotoihin sirkusta. Darwin tutki lähekkäin sijaitsevia saaria, niiden elinolosuhteita ja eliölajeja sekä vertasi niitä lähteiden mantereen olosuhteisiin.

Darwin havaitsi, että eri saarilla vallitsivat erilaiset ympäristö- ja ravinto-olosuhteet, että eri saarilla elävät sirkut erosivat toisistaan mm. nokan muodon perusteella. Alun perin samanlaisten sirkkujen nokat olivat vuosituhansien aikana muovautuneet näiden erilaisten olosuhteiden mukaan erilaisiksi eri saarilla. Tämä oli Darwinin mukaan todiste luonnonvalinnasta ja sopeutumisesta. Hänen tutkimusten ja kirjoitusten perusteella kehittyi evoluutioteoria. Moderni evoluutiokäsitys sisältää myös kulttuurievoluution, eli tiedon, kokemusten ja käsitysten siirtymisen sukupolvelta toiselle.

Elämän alkuaika

Maapallon on arvioitu syntyneen 4,6 miljardia vuotta sitten. Kuuma planeetta oli eloton ja vuosimiljoonien aikana merien rannikoille muodostui aluksi yksinkertaisia kemiallisia yhdisteitä. Myöhemmin monimutkaisemmista yhdisteistä kehittyi mikroskooppisen pieniä orgaanisia aineita sisältäviä rakkuloita. Rakkulat pystyivät jakautumaan uusiksi rakkuloiksi ja näin tapahtui alkusynty meressä 4 miljardia vuotta sitten. Ensimmäisen solun synty tällaisesta rakkulasta on ollut mahdollinen alkumaapallon oloissa tuliperäisillä alueilla merenpohjassa tai laavan virratessa merenlahtiin. Biologinen evoluutio käynnistyi.
levat_sinileva_sveistola_eoppi_1374_peda.jpg
Oletettavasti ensimmäiset solut olivat bakteerien kaltaisia eliöitä, jotka ottivat ympäristöstä aineita. Ensimmäiset omavaraiset eliöt, jotka pystyivät yhteyttämään, olivat syanobakteereita eli sinileviä. Auringonvalon avulla hiilidioksidista ja vedestä valmistui fotosynteesissä sokereita, joihin auringon energiaa sitoutui. Sokerin lisäksi yhteyttämisessä valmistui happea, jota vapautui ympäristöön. Vapautunut happi (O2) muodosti korkealla ilmakehässä otsonia (O3). Otsonikerroksen muodostuminen suojasi eliöitä UV-säteilyltä ja elämän nousu maalle mahdollistui seuraavaksi.

Ensimmäisillä eliöillä, bakteereilla ja sinilevillä ei ollut rakenteessaan tumaa laisinkaan. Myöhemmin kehittyneillä yksisoluisilla eliöillä oli monimutkaisempi solurakenne. Niillä aitotumaisina oli jo solulimassa tumakotelon ympäröimä tuma sekä monia muita soluelimiä. Nämä rakenteet mahdollistivat aiempaan nähden tehokkaamman aineenvaihdunnan. Aitotumaisten fossiileja on ajoitettu 500 miljoonan vuoden ikäisiksi. Evoluutio eteni edelleen, kun alkoi kehittyä monisoluisia eliöitä. Elämän alkuaika, kehitys alkusynnystä ensimmäisiin monisoluisiin, kesti 4 miljardia vuotta. Tämän ajanjakson osuus on siis noin 90 prosenttia maapallon koko iästä!


Elämän vanha aika

Elämän vanhan ajan merissä elämä kehittyi nopeammin vuosimiljardvalkohai_shutterstock_76001860_peda.jpgeja kestäneeseen edelliseen aikakauteen nähden. Selkärangattomat meduusat olivat vanhan ajan alussa kehittyneimpiä eläimiä. Kova kuori oli ensimmäisenä simpukoilla ja nivelikkäät raajat mm. trilobiitti-äyriäisillä. Kilpailu lajien välillä teki osasta lajeista saalistajia. Ensimmäiset selkärankaiset olivat alkeellisia kaloja: rustokaloja ja luukaloja. Rustokaloihin kuuluvilla hailla ja rauskuilla ei ole luista selkärankaa eikä uimarakkoa.



Monisoluisten pääryhmistä kehittyivät eläinten lisäksi sienet ja kasvit, jotka olivat ensimmäisiä maa-alueiden valtaajia. Maalle siirtymisessä kasveille kehittyi ominaisuuksia, joiden avulla lajit selviävät vähäiselläkin vedellä. Veden antamaa tukea ei ollut pystyssä pysymiseen. Kasvien kehitys eteni vesien levistä sammaliin.
kasvit_saniaiset_kallioimarre_oharma_eoppi_1377_peda.jpg
Sanikkaisilla oli jo veden kuljetusta varten johtosolukoita, joka oli ratkaiseva ominaisuus kasvien menestymisessä maalla. Hiilikaudella, 300 miljoonaa vuotta sitten saniaiset, kortteet ja lieot olivat vallitsevina elämän vanhan ajan metsissä. Suuret nopeakasvuiset saniaispuut hautautuivat maakerroksiin ja muodostivat hapettomissa oloissa kivihiiltä. Juuri niitä kivihiilivarantoja, joita tänäkin päivänä käytetään energianlähteenä!


Elämän keskiaika

Elämän vanhalta ajalta seuraavalle aikakaudelle siirryttäessä tapahtui suuria mkapypalmu_sveistola_eoppi_1378_peda.jpguutoksia. Arvioiden mukaan jopa 90 prosenttia lajeista kuoli sukupuuttoon. Ilmaston muuttuminen kuivemmaksi ja viileämmäksi muutti elämän keskiajalla kasvien runsaussuhteita.

Itiökasvien menestys jäi taakse, kun siemenkasveista paljassiemeniset havupuut ja käpypalmut ottivat valta-aseman. Myös koppisiemeniset kasvit alkoivat kehittyä jo tällä aikakaudella.

Sammakkoeläimille ilmaston kuivuminen tiesi elinolojen heikentymistä. Matelijat kehittyivät ja levittäytyivät meri- ja maaekosysteemeihin. Fossiililöytöjen perusteella myös ilmaan nousu onnistui.

Elämän keskiajan omaleimaisimpia matelijoita ovat hirmuliskot eli dinosaurukset. Ravinnon suhteen hirmuliskoissa oli kasvinsyöjiä, raadonsyöjiä ja petoja.
kentrosaurus_sveistola_eoppi_1336_peda.jpg
Miksi nämä suuret eläimet hävisivät tämän aikakauden lopulla? Yhdeksi selitykseksi on esitetty maapalloon törmännyttä meteoriittia. Auringonsäteet eivät aiempaan tapaan lämmittäneet maapallon pintaa, ja hirmuliskot eivät enää selvinneetkään samalla tavalla kylmemmässä ilmastossa.


Elämän uusi aika

valkovuokko_oharma_eoppi_1036_peda.jpgSiemenkasveihin kehittyi elämän keskiajan lopulla paljassiemenisten rinnalle koppisiemenisiä kasveja. Koppisiemenisillä siemen on kuivuudelta suojassa emilehden osan sisällä eli niin sanotusti "kopissa". Tämä ominaisuus on osaltaan tehnyt tästä siemenkasvien ryhmästä elämän uuden ajan menestyneimmän kasviryhmän.


Elämän uusi aika on eläinten osalta nisäkkäiden ja lintujen aikaa. Ilmaston viileneminen ei hidastanut näiden tasalämpöisten eläinten menestymistä kuten kävi vaihtolämpöisille matelijoille. Linnuilla höyhenpeite auttoi lämmönsäätelyssä. Lintujen lailla myös nisäkkäiden kehittyminen oli alkanut elämän keskiajalla. Linnut ja nisäkkäät kehittyivät monimuotoisiksi eläinryhmiksi elämän uudella ajalla. Maapallon suurekosysteemeille tundralta sademetsiin levittäytyi petoja ja kasvinsyöjiä.


panda_shutterstock.PNG
Elämän keskiajalla suurin osa lajeista hävisi sukupuuttoon. Myös elämän uudella ajalla on huomattava määrä lajeja kuollut sukupuuttoon.

Pussihukat, muuttokyyhkyt ja monet muut mielenkiintoiset eläimet eivät ole luonnon aiheuttamien muutosten takia hävinneet vain yhden lajin aikaansaannosten tuloksena. Onko tämä yksi laji aikaansaamassa uuden sukupuuttoaallon?

Isopanda on luonnonsuojelun lippulaiva, sillä tämän sympaattisen eläimen pelätään kuolevan sukupuuttoon.