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演化的证据本文重定向自 演化證據

(重定向自共同起源的證據)

此条目为生物演化的证据。查尔斯·达尔文在生物学家中第一个科学地论证了生物的演化,并汇集了系统分类学生物地理学比较解剖学、比较胚胎学、古生物学等领域的证据,说明如果生物是由共同祖先演化而来的话,那么这些领域的种种现象就有了合理的解释。

目前已有压倒性的证据支持演化的真实性,学界普遍认为演化是事实,而不仅仅是理论或假说,对于进化论的真确性,存在有强烈的科学共识,演化以外任何关于物种起源或人类起源的学说,目前都不获支持。绝大多数的科学社群和学术团体,都认为进化论是唯一能完全满足在生物学古生物学分子生物学遗传学人类学及其他各领域中所观察到的现象的理论。一项在1991年所作的盖洛普民调显示,只有大约5%的科学家(包括生物学领域以外的其他科学家)认为自己是创造论者。截至目前为止,没有任何反对进化论且经过科学方面同行审查的论文,名列科学与医学期刊搜索引擎PubMed当中。

虽然进化论有科学和考古支持,但由于缺乏可靠的历史文献历史学家一般不会视进化论为可信的历史。生命的演化史和人类的演化史,不属信史范畴,并被视作史前史学

古生物学与化石纪录

三叶虫化石,三叶虫是的亲戚,活跃于大约5亿年前到2亿五千万年前

古生物学是以生物化石为基础,以研究生物亲缘关系的一种研究。当生物个体死亡之后,它的尸体通常会经由微生物分解而腐化,使得生存痕迹消失。但有时候这些遗迹可能会因为某些因素而被保存。只要是来自古代生物造成的痕迹,或是生物体本身,都可以称为化石。化石对于了解生物演化历程而言相当重要,因为化石是较为直接的证据,且带有许多详细的资讯。

19世纪初叶,博物学家发现层层叠叠的沉积岩中的化石具有一定的排列顺序。在沉积岩中,年代更为久远的物质沉积得更深,更接近沉积岩的底部,而更为近期的沉积物位于上面一些。当然,这也不是绝对的,更古老的岩石有时位于年轻岩石之上,那是由于地壳大规模巨变导致的。与当代生物密切相似的化石出现于相对年轻的沉积物中,而与当代生物差距较大的化石位于更古老的沉积物中。根据这些观察,许多博物学家认为生物随着时间而变化,其中包括查尔斯·达尔文的祖父。但是,达尔文和阿尔弗雷德·罗素·华勒斯第一个指出自然选择是推动演化的动力,或者被达尔文称之为“变异的遗传”。

达尔文于1859年发表《物种起源》时,古生物学还是一门新兴的科学领域。地质史上许多年代的沉积岩要么是鲜为人知,要么是还没有充分研究。达尔文公开自己的理论以前,花了近20年的时间搜集支持论点的证据,他也仔细考虑了支持论点的证据不充分的问题,比如说那个时代的化石记录不完全,缺少有些主要生物群体之间的过渡化石等。

从那时起的一个半世纪以来,古生物学家发现了很多达尔文时代所未知的过渡型生物。在各种各样的考古点,在年龄为5亿4千万到6亿3千5百万年之间的沉积石里发现了软件多细胞生物的痕迹。在更早的沉积物里发现的化石痕迹表明,蠕虫样的生物可能早在10亿年以前就存在了。其中有一些生物很可能是单细胞生物和硬件生物之间的过渡型,前者是地球生命史开始的20亿年或更长的时间里唯一的居民,而后者从5亿4千万年以前开始大量出现于化石记录中。而且,在此期间出现的许多生物都是过渡型生物,它们连接早期的软体生物和某些主要的演化谱系,例如一直繁衍到今天的鱼类节肢动物、和软体动物等。

在化石形成过程中,生物体外的痕迹由于快速地受到掩埋,因此不会发生风化与分解的情形。而较为常见的化石,则通常源自骨骼或外壳等坚硬部位,并经由类似铸模的过程形成。坚硬的骨骼在动物死亡之后,会因为有机物的腐败,而产生一些漏洞。将骨骼掩埋的砂石或矿物,则会经由这些漏洞侵入骨骼内部,并将其填满。这种过程称为置换作用,属于型体的保留,而不是生物体本身的保留。也有一些化石是生物体本身,例如被冰冻的猛犸象琥珀里的昆虫。此外,古代动物的脚印,或是植物在地底下因为温度与压力的作用而碳化,都可称为化石。

始祖鸟复原模型

不同时代的生物化石,会出现的在不同的地层中,如此便能够研究古生物之间、乃至与现代生物之间的关系。“失落的环结”指演化过程可能出现过,却尚未发现的物种;而连接两个物种之间的化石,则称为“过渡化石”。例如可能位在鸟类与恐龙中间的始祖鸟(Archaeopteryx)化石;以及最近所发现的一种具有四肢的大型浅水鱼提塔利克Tiktaalik),可能是鱼类与两栖类的过渡化石。

化石纪录对于古生物的研究有所限制,因为形成化石并不容易。举例而言,软体动物身上并没有太多能够形成化石的部分,还有一些生物生存在难以形成化石的环境当中。即使化石形成之后,也有可能因为某些原因被摧毁,使得大多数化石皆是零散的状态,只有少数化石能够保持完整。而当演化上的改变在族群当中只占有少部分,或是环境变化使族群规模缩小,都会使它们形成化石的几率相对较小。此外,化石几乎无法用来研究生物内部器官构造和机制。

生物地理学与物种分布

A图显示古代大陆间有陆桥连结,因此动物可在大陆间自由迁徙。B图显示陆桥消失之后,各地物种受到孤立,并形成新起源的情形。

由于板块移动造成的大陆漂移(如南美洲与非洲),以及冰河时期前后造成的海平面高度的变化(如白令海峡陆桥),改变了陆地之间的相连性,使得一些相差遥远的地区,虽然能够在地底下挖出许多相似的生物化石,如今却因为海洋或山脉的隔离,而使现有的物种具有相当大的差异。

例如在南美洲新世界猴美洲豹骆马;以及非洲旧世界猴狮子长颈鹿。此外,与世界上其他地方的胎盘动物相比较为原始的有袋类动物,虽已大多灭绝,但澳洲大陆却依然保留如袋鼠无尾熊等许多有袋类。除了不同陆块之间具有这种现象之外,在大陆与其邻近岛屿,也因为曾经在地理上相连,而能够找到相似但具有变异的物种。例如台湾日本中国猕猴之间的差异。

型态比较

脊椎动物同源构造的相互比较。从上到下,从左到右分别是有尾目蝾螈等)、鳄鱼蝙蝠鲸鱼鼹鼠以及人类前肢

曾有观点认为脊椎动物五趾肢的比较,支持了脊椎动物具有共同祖先的理论。举例而言,虽然人类鲸鱼蝙蝠的五趾肢在型态上有所差异,但是主要架构都很相似。这些“同源”的构造,适应了不同的功能,如抓握、行走、游泳与飞行。

此外有一些构造在功能上相似,但却具有不同的型态。例如蝙蝠、鸟类与昆虫的翅膀;昆虫与脊椎动物的章鱼与脊椎动物的眼睛鱼类鲸鱼龙虾等。这类“异源”的构造,适应了相同的功能,如飞行、行走、感光与游泳。

发育过程

所有的脊椎动物胚胎在发育初期都非常相似,在发育的过程中,这样的相似会逐渐减少,最后形成各物种的型态。举例而言,虽然各种成熟的脊椎动物差异很大,但是它们的胚胎型态在发育初期却非常相似,腮裂仍然出现在已经没有爬虫类鸟类哺乳类胚胎中。鱼类二房心会被保留到成体,而人类的胚胎虽然也有这种构造,却会在胚胎成熟后消失。

1870年代提出胚胎重演学说的恩斯特·海克尔,认为不同物种在同一段发育时期的差异也会显现出这些物种在演化上的亲近程度,而且这些生物演化历史的重复表现,能够出现在任何生物的胚胎发育过程。但是到了1997年,海克尔的理论正式被推翻。理察森与先前的一些研究发现,胚胎发育的型态,并不完全符合演化上的亲近程度。即使如此,现今的某些中学生物教科书依然继续使用海克尔的理论。

在胚胎重演论提出直到被推翻的期间,胚胎学对于演化机制的解释并没有太大的进展。但是近年的演化发育生物学Evolitionary developmental biologyEvo Devo)研究,将分子生物学发育生物学等学门结合,解释基因的改变对于动物形态的控制过程。同时也发现外表差异相当大的动物之间,也拥有相同的调控基因。以及相同的基因在不同的时间与空间,具有不同的作用。这些调控动物发育过程的基因,主要为一类Hox基因

分子证据

分子生物学生物化学可以利用构成生命的各种分子,来研究生物的亲缘关系。这些分子包括了核糖核酸RNA)、去氧核糖核酸DNA)、蛋白质与糖体等。现在的科学家已经可以用机器与电脑将这些分子的碱基序列、氨基酸序列定序。研究这些序列的学门分别为基因体学蛋白质体学。此外还有一种更为复杂的糖体学,专门分析糖类构造。

基因体学透过去氧核糖核酸序列的比较,可以建立出与传统分类学大致符合的种系发生树。这种方法通常用来确认并增强分类学的研究,将其他演化证据的漏洞修补或是修正。例如人类的DNA序列与黑猩猩的差异约为1.2%,与大猩猩的差异约为1.6%,与狒狒则为6.6%,如此就能推断并量化人类与猿类的亲缘关系。此外一种组成核糖体的16S rRNA序列,也是研究亲缘关系的重要分子,这些研究导致了三域系统的出现,将真核生物古生菌细菌分开。

蛋白质体学也支持了生物具有共同祖先的说法,因为许多生命所需的蛋白质,例如核糖体DNA聚合酶RNA聚合酶,不但出现在较原始的细菌,也出在复杂的哺乳类体内。这些蛋白质的核心部分在不同生物中保有相似的构造与功能,而较复杂的生物具有较多的蛋白质次单位(protein subunit),以调控更复杂的蛋白质相互作用。

生物体内有一种去氧核糖核酸片段,虽然与已知基因具有相似的序列,但是却无法发挥作用并完成蛋白质的制造。这类无用的核酸片段称为伪基因,是支持生物具有共同祖先的证据之一。它们之所以无法正常作用,是因为在演化过程中,基因突变累积过多的缘故。

抗药性

微生物病毒抗药性,在医学上是重要问题,也是演化证据之一。例如金黄葡萄球菌在1943年时仍可使用青霉素(盘尼西林)治疗,到了1947年就已经发现具抗药性的菌株。1960年代改用甲氧苯青霉素,同样因为抗药性菌种的散布,使得1980年代改用万古霉素,2002年时,已发现抗万古霉素的菌种。

返祖现象

返祖现象是指个别生物体出现了其祖先所具有的性状的现象。返祖现象在很多物种中都有发生,如双翅目昆虫的后翅已经退化为平衡槌,但偶尔会出现有两对翅膀的个体;家养的已经失去飞翔的能力,但偶尔也会出现飞行能力特别强的个体。人类也有返祖现象,常见的有先天性遗传多毛症、有尾返祖畸形、副乳等等。遗传学家认为这些现象大多是由基因变异引起的,一般属于常染色体隐性遗传,因此大多数具有返祖现象的人都生出了正常的后代,不过也有个别例外。 返祖现象被认为是进化论的证据之一。现代遗传学对返祖现象的解释主要有两种,一是决定某个形状的多个基因原本已经分开,通过杂交或其他原因又重组在一起;二是决定这种性状的基因在演化过程中已经被阻遏蛋白所屏蔽,但由于某种原因导致阻遏蛋白脱落,被屏蔽的基因恢复了活性,于是又表现出了祖先的性状。

人工选择

人工选择的结果:吉娃娃和大丹犬体形的差异

人工选择是指针对家养植物和动物特定性状进行育种,使这些性状的表现逐渐强化,而人们不需要的性状则可能逐渐消匿的过程。人类以控制家养植物和动物的繁殖,确定哪些具有特定性状动物或植物会繁殖的后代生存,因此此过程也决定哪些基因会被遗传给后代。人工选择的过程中,会产生了显著家畜的演化。例如,人们以控制养殖产生了不同类型的狗。吉娃娃大丹犬的大小之间的差异是人工选择的结果。

人工选择已经产生了各式各样的植物。最近的遗传证据表明,玉米的驯化发生在1万年前墨西哥中部。.在驯化之前玉米的野生形式,可食部分很小,而且不易收集。今天的玉米遗传合作库存中心(Maize Genetics Cooperation Stock Center)保持了超过10万个玉米的遗传变异中出现过的随机突变和染色体的变化。

圣克鲁兹岛加拉巴哥象龟加拉巴哥群岛当地的特有动物品种。当年达尔文就是透过观察包括圣克鲁兹岛在内、各岛上的象龟亚种,启发他之后提出进化论概念的灵感。

在自然选择和人工选择的变化都是随机突变的结果,​​在遗传过程在本质上是相同的。达尔文仔细观察动物和植物的人工选择的结果,形成许多支持自然选择的论据。在“物种起源”一书中,达尔文提出,如果人类可以使家养动物和植物在短期内产生明显变化,那么物种经历数百万年的自然选择,就可能演化出现在我们所见的新物种。

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