उत्क्रांती जीवशास्त्र हा पृथ्वीवरील जीवनरूपांच्या इतिहासाचा अभ्यास आहे. उत्क्रांती म्हणजे नक्की काय? पृथ्वीवर लाखो वर्षांमध्ये घडून आलेल्या वनस्पती आणि प्राण्यांमधील बदल समजून घेण्यासाठी, आपल्याला जीवनाच्या उत्पत्तीच्या संदर्भाची माहिती असणे आवश्यक आहे, म्हणजेच पृथ्वीची, ताऱ्यांची आणि खरं तर स्वतः विश्वाची उत्क्रांती. पुढे येणारी गोष्ट सर्वात लांबलचक रचलेल्या आणि अनुमानित गोष्टींपैकी एक आहे. ही पृथ्वीच्या उत्क्रांतीच्या संदर्भात आणि विश्वाच्या उत्क्रांतीच्या पार्श्वभूमीवर ग्रह पृथ्वीवर जीवनाची उत्पत्ती आणि जीवनरूपांची किंवा जैवविविधतेची उत्क्रांती यांची कहाणी आहे.

७.१ जीवनाची उत्पत्ती

जेव्हा आपण स्वच्छ रात्रीच्या आकाशात ताऱ्यांकडे पाहतो, तेव्हा एका अर्थाने आपण भूतकाळाकडे पाहत असतो. ताऱ्यांचे अंतर प्रकाशवर्षांमध्ये मोजले जाते. आज आपण जे पाहतो ती एक वस्तू आहे जिचा उत्सर्जित प्रकाश त्याचा प्रवास लाखो वर्षांपूर्वी सुरू केला आणि ट्रिलियन किलोमीटर अंतरावरून आता आपल्या डोळ्यांपर्यंत पोहोचला आहे. तथापि, जेव्हा आपण आपल्या तात्काळ सभोवतालच्या वस्तू पाहतो तेव्हा आपण त्या तत्काळ पाहतो आणि म्हणून वर्तमान काळात पाहतो. म्हणून, जेव्हा आपण ताऱ्यांकडे पाहतो तेव्हा स्पष्टपणे आपण भूतकाळात झाकोळी घालत असतो.

जीवनाची उत्पत्ती ही विश्वाच्या इतिहासातील एक अद्वितीय घटना मानली जाते. विश्व विस्तीर्ण आहे. तुलनात्मकदृष्ट्या पृथ्वी स्वतः जवळजवळ एक कण आहे. विश्व खूप जुने आहे - जवळजवळ २० अब्ज वर्षे जुने. आकाशगंगांचे प्रचंड गुच्छ विश्व बनवतात. आकाशगंगांमध्ये तारे आणि वायू आणि धुळीचे ढग असतात. विश्वाचा आकार लक्षात घेता, पृथ्वी खरोखरच एक कण आहे. बिग बॅंग सिद्धांत आपल्याला विश्वाच्या उत्पत्तीचे स्पष्टीकरण देण्याचा प्रयत्न करतो. तो भौतिक दृष्टीने अकल्पनीय असलेल्या एका विलक्षण प्रचंड स्फोटाबद्दल बोलतो. विश्वाचा विस्तार झाला आणि म्हणून तापमान खाली आले. काही काळानंतर हायड्रोजन आणि हेलियम तयार झाले. वायू गुरुत्वाकर्षणाखाली घनरूप झाले आणि आजच्या विश्वाच्या आकाशगंगा तयार झाल्या. आकाशगंगेच्या सौरमंडळात, पृथ्वी सुमारे ४.५ अब्ज वर्षांपूर्वी तयार झाली असावी असे मानले जाते. प्रारंभिक पृथ्वीवर वातावरण नव्हते. वितळलेल्या वस्तुमानातून सोडलेले पाण्याची वाफ, मिथेन, कार्बनडायऑक्साइड आणि अमोनिया यांनी पृष्ठभाग झाकला होता. सूर्यापासूनच्या अतिनील किरणांनी पाण्याचे हायड्रोजन आणि ऑक्सिजनमध्ये विघटन केले आणि हलका H2 सुटला. ऑक्सिजनने अमोनिया आणि मिथेनसोबत प्रतिक्रिया करून पाणी, CO2 आणि इतर पदार्थ तयार केले. ओझोनचा थर तयार झाला. ते थंड झाल्यावर, पाण्याची वाफ पावसाच्या रूपात पडली, सर्व खोल भाग भरून समुद्र तयार झाले. पृथ्वीच्या निर्मितीनंतर ५०० दशलक्ष वर्षांनी, म्हणजे जवळजवळ चार अब्ज वर्षांपूर्वी जीवन दिसू लागले.

जीवन बाह्य अवकाशातून आले का? काही शास्त्रज्ञांचा असा विश्वास आहे की ते बाहेरून आले. प्रारंभिक ग्रीक विचारवंतांना असे वाटत असे की जीवनाच्या एककांना ‘बीजाणू’ म्हणतात ते पृथ्वीसह विविध ग्रहांवर हस्तांतरित केले गेले. ‘पॅनस्पर्मिया’ ही काही खगोलशास्त्रज्ञांची आजही आवडती कल्पना आहे. दीर्घकाळापासून असेही मानले जात होते की जीवन कुजलेल्या आणि कुजलेल्या पदार्थांपासून जसे की पेंढा, चिखल इ. निर्माण झाले. हा स्वयंस्फूर्त निर्मितीचा सिद्धांत होता. लुई पाश्चर यांनी काळजीपूर्वक प्रयोग करून दाखवून दिले की जीवन फक्त पूर्व-अस्तित्वात असलेल्या जीवनापासूनच येते. त्यांनी दाखवून दिले की पूर्व-निर्जंतुकीकरण केलेल्या फ्लास्कमध्ये, मारलेल्या यीस्टपासून जीवन आले नाही तर हवेसाठी खुले असलेल्या दुसऱ्या फ्लास्कमध्ये, ‘मारलेल्या यीस्ट’ पासून नवीन सजीव जीव निर्माण झाले. स्वयंस्फूर्त निर्मितीचा सिद्धांत एकदा आणि सर्वांसाठी रद्द करण्यात आला. तथापि, यामुळे पृथ्वीवर पहिले जीवनरूप कसे आले याचे उत्तर मिळाले नाही.

रशियाचे ओपारिन आणि इंग्लंडचे हाल्डेन यांनी असे प्रस्तावित केले की जीवनाचे पहिले रूप पूर्व-अस्तित्वात असलेल्या निर्जीव सेंद्रिय रेणूंपासून (उदा. आरएनए, प्रथिने इ.) आले असू शकते आणि जीवनाच्या निर्मितीच्या आधी रासायनिक उत्क्रांती झाली, म्हणजेच, अजैव घटकांपासून विविध सेंद्रिय रेणूंची निर्मिती. पृथ्वीवरील परिस्थिती होती - उच्च तापमान, ज्वालामुखीचे वादळ, CH4, NH3 इ. असलेले अपचयी वातावरण. १९५३ मध्ये, अमेरिकन शास्त्रज्ञ एस.एल. मिलर यांनी प्रयोगशाळेच्या प्रमाणात (आकृती ७.१) समान परिस्थिती निर्माण केली. त्यांनी ८०००C वर CH4, H2, NH3 आणि पाण्याची वाफ असलेल्या बंद फ्लास्कमध्ये विद्युत प्रवाह निर्माण केला. त्यांनी अमीनो आम्लांची निर्मिती पाहिली. समान प्रयोगांमध्ये इतरांनी साखर, नायट्रोजन बेस, रंगद्रव्य आणि चरबी यांची निर्मिती पाहिली. उल्कापिंडाच्या सामग्रीच्या विश्लेषणात देखील समान संयुगे आढळली ज्यामुळे असे दिसून येते की अशाच प्रक्रिया अवकाशात इतरत्र घडत आहेत. या मर्यादित पुराव्यासह, अनुमानित कथेचा पहिला भाग, म्हणजे रासायनिक उत्क्रांती बहुतेक किंवा कमी स्वीकारली गेली.

आकृती ७.१ मिलरच्या प्रयोगाचे आकृतिबंध प्रतिनिधित्व

जीवनाचा पहिला स्व-प्रतिकृती चयापचयी कॅप्सूल कसा निर्माण झाला याबद्दल आपल्याला कल्पना नाही. जीवनाचे पहिले अ-पेशीय रूप तीन अब्ज वर्षांपूर्वी उद्भवले असू शकतात. ते राक्षसी रेणू (आरएनए, प्रथिने, बहुशर्करा इ.) असू शकतात. कदाचित या कॅप्सूलने त्यांचे रेणू पुनरुत्पादित केले. जीवनाचे पहिले पेशीय रूप सुमारे २००० दशलक्ष वर्षांपूर्वीपर्यंत शक्यतो उद्भवले नाही. ही कदाचित एकपेशीय होती. सर्व जीवनरूप केवळ पाण्याच्या वातावरणात होते. जीवोत्पत्तीची ही आवृत्ती, म्हणजे, जीवनाचे पहिले रूप निर्जीव रेणूंपासून उत्क्रांतीच्या शक्तींद्वारे हळूहळू निर्माण झाले, हे बहुसंख्यांकडून स्वीकारले जाते. तथापि, एकदा तयार झाल्यावर, जीवनाच्या पहिल्या पेशीय रूपांमधून आजची जटिल जैवविविधता कशी विकसित झाली असावी ही मोहक कहाणी आहे ज्याची खाली चर्चा केली जाईल.

७.२ जीवनरूपांची उत्क्रांती - एक सिद्धांत

पारंपरिक धार्मिक साहित्य आपल्याला विशेष निर्मितीच्या सिद्धांताबद्दल सांगते. या सिद्धांताचे तीन अर्थ आहेत. एक, आज आपण ज्या सर्व सजीव प्राणी (प्रजाती किंवा प्रकार) पाहतो ते अशाच प्रकारे निर्माण करण्यात आले होते. दोन, निर्मितीपासूनच विविधता नेहमी समान होती आणि भविष्यातही तीच राहील. तीन, पृथ्वी सुमारे ४००० वर्षे जुनी आहे. या सर्व कल्पनांवर एकोणिसाव्या शतकात जोरदार आव्हान देण्यात आले. एच.एम.एस. बीगल नावाच्या एका पालवाहू जहाजावर जगभरातील समुद्र प्रवासादरम्यान केलेल्या निरीक्षणांवर आधारित, चार्ल्स डार्विन यांनी असा निष्कर्ष काढला की विद्यमान सजीव रूपांमध्ये केवळ त्यांच्यातच नव्हे तर दशलक्षो वर्षांपूर्वी अस्तित्वात असलेल्या जीवनरूपांशीही विविध प्रमाणात समानता आहे. अशा अनेक जीवनरूपांचे आता अस्तित्व नाही. पृथ्वीच्या इतिहासातील विविध कालखंडात नवीन जीवनरूपे निर्माण झाल्याप्रमाणेच गेल्या वर्षांमध्ये विविध जीवनरूपांचे नाश झाले आहेत. जीवनरूपांची हळूहळू उत्क्रांती झाली आहे. कोणत्याही लोकसंख्येमध्ये वैशिष्ट्यांमध्ये अंतर्निहित भिन्नता असते. जी वैशिष्ट्ये काहींना नैसर्गिक परिस्थितीत (हवामान, अन्न, भौतिक घटक इ.) चांगल्या प्रकारे टिकून राहण्यास सक्षम करतात ती अशा नैसर्गिक परिस्थितीत टिकून राहण्यासाठी कमी सुसज्ज असलेल्यांपेक्षा जास्त प्रजनन करतील. वापरलेला दुसरा शब्द म्हणजे व्यक्ती किंवा लोकसंख्येची अनुकूलता. डार्विनच्या मते, अनुकूलता शेवटी आणि केवळ प्रजननक्षमतेचा संदर्भ देते. म्हणून, जे एखाद्या वातावरणात अधिक अनुकूल असतात, ते इतरांपेक्षा जास्त संतती सोडतात. म्हणून, हे अधिक टिकतील आणि म्हणून निसर्गाद्वारे निवडले जातील. त्यांनी याला नैसर्गिक निवड असे संबोधले आणि ते उत्क्रांतीचे एक यंत्रणा म्हणून सूचित केले. हे देखील लक्षात ठेवूया की मलय द्वीपसमूहात काम करणाऱ्या निसर्गतज्ञ अल्फ्रेड वॉलेस यांनीही त्याच वेळी सुमारे समान निष्कर्ष काढले होते. वेळेत, स्पष्टपणे नवीन प्रकारचे जीव ओळखण्यायोग्य आहेत. विद्यमान सर्व जीवनरूप समानता सामायिक करतात आणि सामान्य पूर्वज सामायिक करतात. तथापि, हे पूर्वज पृथ्वीच्या इतिहासातील (युग, कालखंड आणि युग) विविध कालखंडात उपस्थित होते. पृथ्वीचा भूवैज्ञानिक इतिहास पृथ्वीच्या जैविक इतिहासाशी जवळून संबंधित आहे. एक सामान्य परवानगीयुक्त निष्कर्ष असा आहे की पृथ्वी खूप जुनी आहे, पूर्वी विचारल्याप्रमाणे हजारो वर्षे नव्हे तर अब्जावधी वर्षे जुनी आहे.

७.३ उत्क्रांतीसाठी पुरावे काय आहेत?

जीवनरूपांची उत्क्रांती खरोखरच पृथ्वीवर घडली आहे याचा पुरावा अनेक बाजूंनी आला आहे. जीवाश्म हे खडकांमध्ये आढळणाऱ्या जीवनरूपांच्या कठीण भागांचे अवशेष आहेत. खडक गाळ तयार करतात आणा पृथ्वीच्या कवचाचा आडवा छेद पृथ्वीच्या दीर्घ इतिहासात एकमेकांच्या वर गाळांची मांडणी दर्शवतो. विविध वयाच्या खडक गाळामध्ये विविध जीवनरूपांचे जीवाश्म असतात जे कदाचित त्या विशिष्ट गाळाच्या निर्मितीदरम्यान मरण पावले. त्यापैकी काही आधुनिक जीवांसारखे दिसतात (आकृती ७.२). ते नामशेष झालेले जीव दर्शवतात (उदा., डायनासोर). विविध गाळ थरांमधील जीवाश्मांचा अभ्यास त्यांच्या अस्तित्वात असलेला भूवैज्ञानिक कालखंड दर्शवतो. अभ्यासाने असे दिसून आले की जीवनरूप वेळोवेळी बदलतात आणि काही जीवनरूप विशिष्ट भूवैज्ञानिक कालावधीपुरते मर्यादित असतात. म्हणून, पृथ्वीच्या इतिहासात विविध काळात जीवनाची नवीन रूपे निर्माण झाली आहेत. या सर्वांना जीवाश्मशास्त्रीय पुरावा म्हणतात. जीवाश्मांचे वय कसे मोजले जाते हे तुम्हाला आठवते का? तुम्हाला किरणोत्सर्गी-दिनांकनाची पद्धत आणि प्रक्रियेमागील तत्त्वे आठवतात का?

आकृती ७.२ डायनासोरचे वंशवृक्ष आणि त्यांचे आधुनिक काळातील समकक्ष जीव जसे की मगर आणि पक्षी

उत्क्रांतीसाठी भ्रूणशास्त्रीय पाठिंबा देखील अर्न्स्ट हेकेल यांनी सर्व कशेरुकांमध्ये सामान्य असलेल्या भ्रूणावस्थेदरम्यानच्या काही वैशिष्ट्यांच्या निरीक्षणावर आधारित प्रस्तावित केला होता जे प्रौढांमध्ये अनुपस्थित असतात. उदाहरणार्थ, मानवासह सर्व कशेरुकांच्या गर्भाच्या डोक्याच्या मागे एक ओळ अवशेषात्मक कल्ल्यांची भेग विकसित होते परंतु ते केवळ माशांमध्ये कार्यात्मक अवयव आहे आणि इतर कोणत्याही प्रौढ कशेरुकांमध्ये आढळत नाही. तथापि, कार्ल अर्न्स्ट वॉन बेअर यांनी केलेल्या काळजीपूर्वक अभ्यासाने हा प्रस्ताव नापसंत केला गेला. त्यांनी लक्षात घेतले की गर्भ इतर प्राण्यांच्या प्रौढ टप्प्यातून कधीही जात नाहीत.

तुलनात्मक शरीररचना आणि आकारशास्त्र आजच्या आणि वर्षांपूर्वी अस्तित्वात असलेल्या जीवांमधील समानता आणि फरक दर्शवते.

सामान्य पूर्वज सामायिक केले होते की नाही हे समजून घेण्यासाठी अशा समानताांचा अर्थ लावला जाऊ शकतो. उदाहरणार्थ व्हेल, वटवाघुळ, चित्ता आणि मानव (सर्व सस्तन प्राणी) पुढच्या अंगांच्या हाडांच्या नमुन्यात समानता सामायिक करतात (आकृती ७.३ब). जरी या प्राण्यांमध्ये ही पुढची अंगे वेगवेगळी कार्ये करत असली तरी, त्यांची शारीरिक रचना समान आहे - त्यांच्या सर्व पुढच्या अंगांमध्ये प्रगंडास्थी, त्रिज्यास्थी, अंतःप्रकोष्ठिका, मणिबंधास्थी, मेटाकार्पल्स आणि अंगुल्यास्थी असतात. म्हणून, या प्राण्यांमध्ये, भिन्न गरजांना अनुकूल होण्यासाठी समान रचना वेगवेगळ्या दिशांनी विकसित झाली. ही अपसरणी उत्क्रांती आहे आणि या रचना सजातीय आहेत. सजातीयता सामान्य वंशावळ दर्शवते. इतर उदाहरणे म्हणजे कशेरुकांचे हृदय किंवा मेंदू. वनस्पतींमध्ये देखील, बोगनवेलिया आणि कुकुर्बिटाचे काटे आणि प्रतान सजातीयता दर्शवतात (आकृती ७.३अ). सजातीयता अपसरणी उत्क्रांतीवर आधारित आहे तर सादृश्य ही अगदी विरुद्ध परिस्थितीचा संदर्भ देते. फुलपाखराचे आणि पक्ष्यांचे पंख सारखे दिसतात. ते शारीरिकदृष्ट्या समान रचना नसली तरी ती समान कार्ये करतात. म्हणून, सादृश्य रचना अभिसरणी उत्क्रांतीचा परिणाम आहेत - समान कार्यासाठी भिन्न रचना विकसित होतात आणि म्हणून समानता असते. सादृश्याची इतर उदाहरणे म्हणजे ऑक्टोपसचे डोळे आणि सस्तन प्राण्यांचे डोळे किंवा पेंग्विन आणि डॉल्फिनचे फ्लिपर्स. असे म्हणता येईल की समान आवासामुळे भिन्न गटातील जीवांमध्ये समान अनुकूली वैशिष्ट्यांची निवड झाली आहे परंतु त्याच कार्यासाठी: शक्करकंद (मुळातील बदल) आणि बटाटा (खोडातील बदल) हे सादृश्याचे दुसरे उदाहरण आहे.

त्याच तर्काच्या रेषेत, विविध जीवांमध्ये दिलेले कार्य करणाऱ्या प्रथिने आणि जनुकांमधील समानता सामान्य वंशावळीबद्दल सूचना देतात. ही जैवरासायनिक समानता विविध जीवांमधील संरचनात्मक समानतेप्रमाणेच समान सामायिक वंशावळीकडे निर्देश करतात.

मानवाने शेती, बागकाम, खेळ किंवा सुरक्षेसाठी निवडलेल्या वनस्पती आणि प्राण्यांची पैदास केली आहे. मानवाने अनेक जंगली प्राणी आणि पिके पाळीव केली आहेत. या गहन पैदास कार्यक्रमामुळे अशा जाती निर्माण झाल्या आहेत ज्या इतर जातींपेक्षा वेगळ्या आहेत (उदा., कुत्रे) परंतु तरीही त्या त्याच गटातील आहेत. असा युक्तिवाद केला जातो की जर शेकडो वर्षांमध्ये, मानव नवीन जाती निर्माण करू शकतो, तर निसर्ग दशलक्षो वर्षांमध्ये तेच करू शकला नाही का?

आकृती ७.३ (अ) वनस्पती आणि (ब) प्राण्यांमधील सजातीय अवयवांचे उदाहरण

नैसर्गिक निवडीद्वारे उत्क्रांतीला पाठिंबा देणारे आणखी एक मनोरंजक निरीक्षण इंग्लंडमधून आले. १८५० च्या दशकात, म्हणजे औद्योगिकीकरण सुरू होण्यापूर्वी, केलेल्या पतंगांच्या संग्रहात, असे आढळून आले की झाडांवर गडद-पंखांच्या किंवा मेलॅनाइज्ड पतंगांपेक्षा अधिक पांढऱ्या-पंखांचे पतंग होते. तथापि, त्याच भागातून, परंतु औद्योगिकीकरणानंतर, म्हणजे १९२० मध्ये, केलेल्या संग्रहात, त्याच भागात अधिक गडद-पंखांचे पतंग होते, म्हणजे प्रमाण उलटे होते.

आकृती ७.४ झाडाच्या खोडावर पांढऱ्या-पंखांचे पतंग आणि गडद-पंखांचे पतंग (मेलॅनाइज्ड) दर्शविणारी आकृती (अ) अप्रदूषित क्षेत्रात (ब) प्रदूषित क्षेत्रात

या निरीक्षणासाठी मांडलेले स्पष्टीकरण असे होते की ‘शिकारी एका पतंगाला विरोधाभासी पार्श्वभूमीवर ओळखतील’. औद्योगिकीकरणोत्तर कालावधीत, औद्योगिक धूर आणि काजळीमुळे झाडांचे खोड गडद झाले. या परिस्थितीत पांढऱ्या-पंखांचे पतंग शिकाऱ्यांमुळे टिकू शकले नाहीत, गडद-पंखांचे किंवा मेलॅनाइज्ड पतंग टिकले. औद्योगिकीकरण सुरू होण्यापूर्वी, जवळजवळ पांढऱ्या रंगाच्या लाइकेनची दाट वाढ झाडांवर आच्छादित होती - त्या पार्श्वभूमीवर पांढऱ्या पंखांचे पतंग टिकले परंतु गडद रंगाचे पतंग शिकाऱ्यांनी निवडले. तुम्हाला माहिती आहे का की लाइकेनचा औद्योगिक प्रदूषण निर्देशक म्हणून वापर केला जाऊ शकतो? ते प्रदूषित असलेल्या भागात वाढत नाहीत. म्हणून, स्वतःला छपवण्यास सक्षम असलेले पतंग, म्हणजे, पार्श्वभूमीत लपून राहणे, टिकले (आकृती ७.४). औद्योगिकीकरण झाले नाही अशा भागात उदा., ग्रामीण भागात, मेलॅनिक पतंगांची संख्या कमी होती या वस्तुस्थितीमुळे ही समज पाठिंबा देते. यावरून असे दिसून आले की मिश्र लोकसंख्येमध्ये, जे अधिक चांगले अनुकूल होऊ शकतात, ते टिकतात आणि लोकसंख्येचा आकार वाढवतात. लक्षात ठेवा की कोणताही प्रकार पूर्णपणे नष्ट होत नाही.

त्याचप्रमाणे, हर्बिसाइड्स, कीटकनाशके इ. चा अतिरिक्त वापर केवळ खूपच कमी वेळेत प्रतिरोधक प्रजातींच्या निवडीचा परिणाम झाला आहे. सूक्ष्मजीवांसाठी देखील हेच खरे आहे ज्यांच्या विरोधात आपण युकेरियोटिक जीव/पेशींविरुद्ध प्रतिजैविक किंवा औषधे वापरतो. म्हणून, प्रतिरोधक जीव/पेशी शतकांऐवजी महिने किंवा वर्षांच्या वेळेत दिसत आहेत. ही मानवनिर्मित कृतीद्वारे उत्क्रांतीची उदाहरणे आहेत. हे आपल्याला हे देखील सांगते की नियतत्ववादाच्या अर्थाने उत्क्रांती ही एक दिशात्मक प्रक्रिया नाही. ही निसर्गातील यादृच्छिक घटना आणि जीवांमधील यादृच्छिक उत्परिवर्तनावर आधारित एक स्टोकास्टिक प्रक्रिया आहे.

७.४ अनुकूली विकिरण म्हणजे काय?

आकृती ७.५ गॅलापागोस बेटावर डार्विनला आढळलेल्या फिंच पक्ष्यांच्या चोचींची विविधता

त्यांच्या प्रवासादरम्यान डार्विन गॅलापागोस बेटांवर ग