Copyright © 2005 Pearson Education, Inc. publishing as Benjamin Cummings
PowerPoint Lectures forBiology, Seventh Edition
Neil Campbell and Jane Reece
Lectures by Chris Romero
Chapter 22
Chapter 22
Descent with Modification: ADarwinian View of Life
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Overview: Darwin Introduces a RevolutionaryTheory
A new era of biology began on November 24,1859
The day Charles Darwin published On theOrigin of Species by Means of NaturalSelection
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The Origin of Species
Focused biologists’ attention on the greatdiversity of organisms
 Figure 22.1
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Darwin made two major points in his book
He presented evidence that the many speciesof organisms presently inhabiting the Earth aredescendants of ancestral species
He proposed a mechanism for the evolutionaryprocess, natural selection
EVOLUTION: change over time in geneticcomposition of a population.
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Concept 22.1: The Darwinian revolutionchallenged traditional views of a young Earthinhabited by unchanging species
In order to understand why Darwin’s ideaswere revolutionary
We need to examine his views in the context ofother Western ideas about Earth and its life
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The historical context of Darwin’s life and ideas
Figure 22.2
Linnaeus (classification)
Hutton (gradual geologic change)
Lamarck (species can change)
Malthus (population limits)
Cuvier (fossils, extinction)
Lyell (modern geology)
Darwin (evolution, nutural selection)
Mendel (inheritance)
Wallace (evolution, natural selection)
1750
American Revolution
French Revolution
U.S. Civil War
1800
1850
1900
1795
Hutton proposes his theory of gradualism.
1798
Malthus publishes “Essay on the Principle of Population.”
1809
Lamarck publishes his theory of evolution.
1830
Lyell publishes Principles of Geology.
1831–1836
Darwin travels around the world on HMS Beagle.
Darwin begins his notebooks on the origin of species.
1837
Darwin writes his essay on the origin of species.
1844
Wallace sends his theory to Darwin.
1858
The Origin of Species is published.
1859
Mendel publishes inheritance papers.
1865
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Resistance to the Idea of Evolution
The Origin of Species
Shook the deepest roots of Western culture
Challenged a worldview that had beenprevalent for centuries
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The Scale of Nature and Classification of Species
The Greek philosopher Aristotle
Viewed species as fixed and unchanging
 The Old Testament of the Bible
Holds that species were individually designedby God and therefore perfect
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Carolus Linnaeus
Interpreted organismal adaptations asevidence that the Creator had designed eachspecies for a specific purpose
Was a founder of taxonomy, classifying life’sdiversity “for the greater glory of God”
Binomial Nomenclature.
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Fossils, Cuvier, and Catastrophism
The study of fossils
Helped to lay the groundwork for Darwin’s ideas
Fossils are remains or traces of organismsfrom the past
Usually found in sedimentary rock, which appearsin layers or strata
Figure 22.3
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Paleontology, the study of fossils
Was largely developed by French scientistGeorges Cuvier
Cuvier opposed the idea of gradualevolutionary change
And instead advocated catastrophism,speculating that each boundary betweenstrata represents a catastrophe
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Theories of Gradualism
Gradualism
Is the idea that profound change can takeplace through the cumulative effect of slow butcontinuous processes
Geologists Hutton and Lyell
Perceived that changes in Earth’s surface canresult from slow continuous actions stilloperating today
Exerted a strong influence on Darwin’s thinking
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Lamarck’s Theory of Evolution
Lamarck hypothesized that species evolve
Through use and disuse and the inheritance ofacquired traits
But the mechanisms he proposed areunsupported by evidence
Figure 22.4
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Concept 22.2: In The Origin of Species, Darwinproposed that species change through naturalselection
As the 19th century dawned
It was generally believed that species hadremained unchanged since their creation, but amajor change would challenge this thinking
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Darwin’s Research
As a boy and into adulthood, Charles Darwin
Had a consuming interest in nature
Soon after Darwin received his B.A. degree
He was accepted on board the HMS Beagle,which was about to embark on a voyagearound the world
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The Voyage of the Beagle
During his travels on the Beagle
Darwin observed and collected manyspecimens of South American plants andanimals
Darwin observed various adaptations of plantsand animals
That inhabited many diverse environments
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Darwin’s interest in the geographic distributionof species
Was kindled by the Beagle’s stop at the GalápagosIslands near the equator west of South America
Figure 22.5
England
EUROPE
NORTH
AMERICA
Galápagos
Islands
Darwin in 1840,
after his return
SOUTH
AMERICA
Cape of
Good Hope
Cape Horn
Tierra del Fuego
AFRICA
HMS Beagle in port
AUSTRALIA
Tasmania
New
Zealand
PACIFIC
OCEAN
Andes
ATLANTIC
OCEAN
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Darwin’s Focus on Adaptation
As Darwin reassessed all that he had observedduring the voyage of the Beagle
He began to perceive adaptation to theenvironment and the origin of new species asclosely related processes
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From studies made years after Darwin’svoyage
Biologists have concluded that this is indeedwhat happened to the Galápagos finches
Figure 22.6a–c
(a) Cactus eater. The long,sharp beak of the cactusground finch (Geospizascandens) helps it tearand eat cactus flowersand pulp.
(c) Seed eater. The large groundfinch (Geospiza magnirostris)has a large beak adapted forcracking seeds that fall fromplants to the ground.
(b) Insect eater. The green warblerfinch (Certhidea olivacea) uses itsnarrow, pointed beak to grasp insects.
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In 1844, Darwin wrote a long essay on theorigin of species and natural selection
But he was reluctant to introduce his theorypublicly, anticipating the uproar it would cause
In June 1858 Darwin received a manuscriptfrom Alfred Russell Wallace
Who had developed a theory of naturalselection similar to Darwin’s
Darwin quickly finished The Origin of Species
And published it the next year
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The Origin of Species
Darwin developed two main ideas
Evolution explains life’s unity and diversity
Natural selection is a cause of adaptiveevolution
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Descent with Modification
The phrase descent with modification
Summarized Darwin’s perception of the unityof life
States that all organisms are related throughdescent from an ancestor that lived in theremote past
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In the Darwinian view, the history of life is like a tree
With multiple branchings from a common trunkto the tips of the youngest twigs that representthe diversity of living organisms
Figure 22.7
Hyracoidea
(Hyraxes)
Sirenia
(Manatees
and relatives)
Years ago
Millions of years ago
Deinotherium
Mammut
Stegodon
Mammuthus
Platybelodon
Barytherium
Moeritherium
Elephas
maximus
(Asia)
Loxodonta
africana
(Africa)
Loxodonta
cyclotis
(Africa)
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Natural Selection and Adaptation
Evolutionary biologist Ernst Mayr
Has dissected the logic of Darwin’s theory intothree inferences based on five observations
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Observation #1: For any species, populationsizes would increase exponentially
If all individuals that are born reproducedsuccessfully
Figure 22.8
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Observation #2: Nonetheless, populations tendto be stable in size
Except for seasonal fluctuations
Observation #3: Resources are limited
Inference #1: Production of more individualsthan the environment can support
Leads to a struggle for existence amongindividuals of a population, with only a fractionof their offspring surviving
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Observation #4: Members of a population varyextensively in their characteristics
No two individuals are exactly alike
Figure 22.9
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Observation #5: Much of this variation isheritable
Inference #2: Survival depends in part oninherited traits
Individuals whose inherited traits give them ahigh probability of surviving and reproducingare likely to leave more offspring than otherindividuals
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Inference #3: This unequal ability of individualsto survive and reproduce
Will lead to a gradual change in a population,with favorable characteristics accumulatingover generations
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Artificial Selection
In the process of artificial selection
Humans have modified other species overmany generations by selecting and breedingindividuals that possess desired traits
Figure 22.10
Terminal
bud
Lateral
buds
Brussels sprouts
Cabbage
Flower
cluster
Leaves
Cauliflower
Flower
and
stems
Broccoli
Wild mustard
Kohlrabi
Stem
Kale
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Summary of Natural Selection
Natural selection is differential success inreproduction
That results from the interaction betweenindividuals that vary in heritable traits and theirenvironment
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Natural selection can produce an increase over time
In the adaptation of organisms to theirenvironment
Figure 22.11
(a)A flower mantidin Malaysia
(b)A stick mantidin Africa
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If an environment changes over time
Natural selection may result in adaptation tothese new conditions
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Concept 22.3: Darwin’s theory explains a widerange of observations
Darwin’s theory of evolution
Continues to be tested by how effectively it canaccount for additional observations andexperimental outcomes
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Differential Predation in Guppy Populations
Researchers have observed natural selection
Leading to adaptive evolution in guppypopulations
                       Reznick and Endler transplanted guppies from pike-cichlid pools to killifish pools
and measured the average age and size of guppies at maturity over an 11-year period (30 to
60 generations).
EXPERIMENT
Pools with killifish,
but not guppies prior
to transplant
Experimental
transplant of
guppies
Predator: Killifish; preys
mainly on small guppies
Guppies:
Larger at
sexual maturity
than those in
“pike-cichlid pools”
Predator: Pike-cichlid; preys mainly on large guppies
Guppies: Smaller at sexual maturity than
those in “killifish pools”
Figure 22.12
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RESULTS
                          After 11 years, the average size and age at maturity of guppies in the transplanted
populations increased compared to those of guppies in control populations.
161.5
185.6
67.5
Weight of guppies
at maturity (mg)
Age of guppies
at maturity (days)
92.3
48.5
Control Population: Guppies
from pools with pike-cichlids
as predators
Experimental Population:
Guppies transplanted to
pools with killifish as
predators
76.1
Males
Females
85.7
58.2
Males
Females
CONCLUSION
                            Reznick and Endler concluded that the change in predator resulted in different variations
in the population (larger size and faster maturation) being favored. Over a relatively short time, this altered
selection pressure resulted in an observable evolutionary change in the experimental population.
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The Evolution of Drug-Resistant HIV
In humans, the use of drugs
Selects for pathogens that through chancemutations are resistant to the drugs’ effects
The drug does not create resistant pathogens,it selects for resistant individuals alreadypresent in the population
Natural selection is a cause of adaptiveevolution
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The ability of bacteria and viruses to evolverapidly
Poses a challenge to our society
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Homology, Biogeography, and the Fossil Record
Evolutionary theory
Provides a cohesive explanation for manykinds of observations
Homology
Is similarity resulting from common ancestry
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Anatomical Homologies
Homologous structures between organisms
Are anatomical resemblances that representvariations on a structural theme that waspresent in a common ancestor
Figure 22.14
Human
Cat
Whale
Bat
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Comparative embryology
Reveals additional anatomical homologies notvisible in adult organisms
Figure 22.15
Pharyngeal
pouches
Post-anal
tail
Chick embryo
Human embryo
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Vestigial organs
Are some of the most intriguing homologousstructures
Are remnants of structures that servedimportant functions in the organism’sancestors
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Molecular Homologies
Biologists also observe homologies amongorganisms at the molecular level
Such as genes that are shared amongorganisms inherited from a common ancestor
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Anatomical resemblances among species
Are generally reflected in their molecules, theirgenes, and their gene products
Figure 22.16
Species
Human
Rhesus monkey
Mouse
Chicken
Frog
Lamprey
14%
54%
69%
87%
95%
100%
Percent of Amino Acids That Are
Identical to the Amino Acids in a
Human Hemoglobin Polypeptide
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Biogeography
Darwin’s observations of the geographicdistribution of species, biogeography
Formed an important part of his theory ofevolution
Species adapt to environment based on thegenes from ancestors
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Sugar
glider
AUSTRALIA
NORTH
AMERICA
Flying
squirrel
Figure 22.17
Some similar mammals that have adapted tosimilar environments
Have evolved independently from different ancestors(Convergent evolution)
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The Fossil Record
The succession of forms observed in the fossilrecord
Is consistent with other inferences about themajor branches of descent in the tree of life
Paleontologists
Have discovered fossils of many suchtransitional forms
Figure 22.18
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Darwin’s theory of evolution by naturalselection
Integrates diverse areas of biological studyand stimulates many new research questions