Biological Evolution and the Kinship of All Life

In this film, Drs. Sean Carroll, Jeff Hardin, and Neil Shubin explore key ideas about the process of natural selection and evolution, the observation of convergence in biological organisms, and the human connection to evolutionary history.

Biological Evolution and the Kinship of All Life

Video Transcript:

(transcripción en español, aquí abajo)

Dr. Neil Shubin: There is something incredibly beautiful about seeing the past, finding a fossil, and being one of the first humans on the planet to hold this piece of history of our planet. But there’s a beauty that lies even deeper, because if you know how to look, you can begin to see connections. You can begin to see connections among humans and one another, among humans and other species, and between humans, other species, and the planet itself. The only reason that is possible is because we share an evolutionary connection with them.

Dr. Jeff Hardin: Evolution, simply put, is the change of organisms over time. These changes suggest that if we were to go back in time, we would be able to see that current organisms have some shared common ancestor in the past.

Dr. Neil Shubin: The Earth’s a dynamic place. The more we study biology, the more we study paleontology and geology, the more we see that everything on our Earth is capable of changing, and that includes the species on it.

Dr. Sean B. Carroll: I don’t think the terms evolution and Darwinism should be interchanged. Darwinism is a left-over term from a 19th Century…but evolutionary science has grown enormously in the 150 years since Darwin. So, I think it’s just better to refer to it as evolutionary science in all of its stripes.

Our understanding of evolution has expanded in the most dramatic ways in the last 30 or 40 years I’d say in two dimensions. One is the mechanisms. Changes happen in creatures because of changes in DNA. Well, that was just outside Darwin’s grasp. It wasn’t until the 1960’s that we cracked the genetic code. It wasn’t until the subsequent decades that we could really start looking at different creatures and say, “Well, they differ here versus there in the genetic code.” So really, DNA is a forensic record of evolution. It’s where all the blueprints, it’s where all the important changes are taking place.

Dr. Jeff Hardin: The key idea is that genetic material changes through mutation. How mutations occur in an organism has nothing to do with desires or its fitness or its own adaptation. There’s no obvious connection between that organism’s life and the particular mutation it acquires.

Dr. Sean B. Carroll: Here’s the random process. As DNA is replicated in germ cells making sperm and egg, there are random copying errors that take place, these typos, substitution of a letter, little deletions, et cetera. Where those occur in the DNA is essentially at random. So, that’s the raw material that evolution is working with. That’s random. The nonrandom part is this sifting and winnowing process, which is now that you have a population of individuals with all these random mutations distributed throughout, who works better? Who just does a little bit better in terms of maybe getting to food, finding a mate, producing offspring, or whatever it might be? That’s a nonrandom process.

That depends upon the conditions that an organism is confronted with. That’s natural selection. Natural selection works both ways. It works for things that are beneficial, and against things that are harmful, not random. The variations themselves have arisen at random. It’s that interplay between random and nonrandom natural selection that is the evolutionary process. That’s the machinery.

The second big change in our understanding of evolution is the fossil record. Darwin, when he wrote The Origin of Species, he said, “The crust of the Earth is a vast museum that’s barely been explored.” Well, we’ve been exploring that crust for the last 150 years, and great stuff is coming out of there.

Dr. Neil Shubin: When you’re a paleontologist, one of the greatest thrills is, from time to time, you’ll find a species in the fossil record that bridges two great steps in evolution. What this represents is a great transition between fish and land living animal. This is a creature that has fins with limb bones inside. It shows us how this huge transition that if you just look at the end points, seems so incredibly impossible happened. It makes the impossible possible. It makes the impossible real.

Dr. Sean B. Carroll: Whether it’s feathered dinosaurs out of China or a dozen different Hominid species coming out of Africa, we keep finding new things that existed in the past that give us yet a fuller picture of the history of life on Earth.

Dr. Jeff Hardin: It’s important to say that evolutionary biologists don’t all agree to what extent evolutionary history is contingent. That is to say, if you were to wind the tape of history back and replay it forward, would you get a very different result or would you get something remarkably similar to what we have now?

Dr. Neil Shubin: Would everything be the same? Would there be a bipedal, hairy, warmblooded species with big brains walking around? We simply don’t know the answer to that, but there are some interesting little data points along the way. One interesting observation is convergence and parallel evolution. That is, we sometimes see similar patterns of evolution in unrelated creatures.

Dr. Jeff Hardin: The eye is an example of convergence. The structures in eyes that things like squids or octopi have and mammals have are remarkably similar, yet they’re derived from very different structures over evolutionary time, so we’re converging on a particular solution.

Dr. Sean B. Carroll: I don’t think you would see exactly the same creatures emerge because there’s a tremendous amount of contingency in history. The easiest way to think about that is a pretty good sized asteroid hit the world 66 million years ago, and that really changed the makeup of life on the planet. That said, biologists are struck that similar types of creatures can evolve independently in different parts of the world.

Dr. Jeff Hardin: It’s clear there is contingency in evolution, but to what extent is contingency the order of the day versus convergence? Well, evolutionary biologists are working that out. Understanding our evolutionary history helps us understand who we are today. Evolutionary biology has incredible value for understanding how humans work.

Dr. Sean B. Carroll: I think the discussion that’s really interesting between religious thinkers and scientists is getting over this question of, “Did evolution really happen?” The more interesting question is how should we think about the role of humanity, the role of individual lives and our meaning and purpose here in light of evolution, in light of our evolutionary history?

Dr. Neil Shubin: When we look at other critters, we understand much more about ourselves. We understand how our cells work, how our cells divide, how they die. The trick of understanding much of cancer and some of the cell biology of cancers means understanding other creatures. I like to think that as we discover cures, from Alzheimer’s to different cancers, that the breakthroughs that will extend and enrich our lives will in some way be based on flies, worms, and, in some cases, even fish. I can’t imagine a more powerful or more beautiful statement on the importance of our evolutionary connection to the rest of life on our planet than that.


La evolución biológica y la relación de todo en la vida

Dr. Neil Shubin: Hay algo increíblemente hermoso en ver el pasado, en descubrir un fósil, y ser uno de los primeros seres humanos en sostener un pedazo de historia de nuestro planeta. Pero hay una belleza que se encuentra aún más a fondo, porque si sabes dónde buscar, empezarás a ver conexiones. Empiezas a ver conexiones entre humanos y entre nosotros mismos, entre humanos y otras especies, entre humanos, otras especies y el planeta. Solo es posible porque compartimos una conexión evolutiva con ellos.

Dr. Jeff Hardin: La evolución, puesto de manera simple, es el cambio de organismos a lo largo del tiempo. Estos cambios sugieren que, si volviéramos al pasado, podríamos ver que los organismos actuales tienen un ancestro común en el pasado.

Dr. Neil Shubin: La Tierra es un planeta dinámico. Cuanto más estudiamos la biología, cuanto más estudiamos la paleontología y la geología, más podemos ver que todo en la Tierra es capaz de cambiar, incluso sus especies.

Dr. Sean B. Carroll: No creo que los términos evolución y Darwinismo deban intercambiarse. Darwinismo es un término anticuado del siglo 19…pero la ciencia evolutiva se ha desarrollado enormemente en los 150 años desde Darwin. Por lo tanto, creo que sería mejor llamarlo la ciencia evolutiva de toda forma.

Nuestro entendimiento de la evolución se ha sido ampliado de una manera espectacular en los últimos 30 o 40 años, yo diría en dos aspectos. Uno es el mecanismo. Los cambios en las criaturas ocurren debido a cambios en la ADN. Bueno, eso estaba fuera del alcance de Darwin. No fue hasta los años 60 que desciframos el código genético. Solo fue en las décadas siguientes que realmente empezamos a analizar diferentes criaturas y decir, “Bueno, hay diferencia aquí y allí en su código genético.” De hecho, la ADN es un registro forense de la evolución. Ahí tiene todos los planes, donde ocurren todos los cambios importantes.

Dr. Jeff Hardin: La idea principal es que el material genético cambia a través de la mutación. La manera en que la mutación ocurre en un organismo no tiene nada que ver con sus deseos, su aptitud o su adaptación. No hay conexión obvia entre la vida de un organismo y la mutación específica que adquiere.

Dr. Sean B. Carroll: Este es el proceso aleatorio. Mientras se replica el ADN en las células germinativas formando el esperma y el óvulo, errores de copia aleatorios ocurren, errores tipográficos, substitución de una letra, pequeñas eliminaciones, etcétera. Dónde eso ocurre en el ADN es básicamente al azar. Así que, esta es la materia prima con que la evolución está trabajando. Es aleatorio. La parte que nos es aleatoria es este proceso de tamizado y aventamiento, que es ahora hay una población de individuos con todas estas mutaciones aleatoriamente distribuidas, ¿quién funciona mejor? ¿Quién hace un poco mejor en buscar comida, encontrar una pareja, procrear, o lo que sea? Eso es un proceso no aleatorio.

Eso depende de las condiciones a las que el organismo se enfrente. Es selección natural. La selección natural funciona de ambas maneras. Funciona para cosas que son de beneficio, y en contra de las cosas que son nocivas. No aleatorio. Las variaciones mismas surgen al azar. Ese juego entre la selección natural aleatoria y no aleatoria es el proceso evolutivo. Eso es el mecanismo.

El segundo gran cambio en nuestro entendimiento de la evolución es el registro fósil. Darwin, cuando escribió “El Origen de Las Especies”, dijo que “la corteza terrestre es un gran museo que apenas ha sido explorado.” Bueno, hemos explorado esa corteza durante los últimos 150 años, y estamos descubriendo cosas excelentes.

Dr. Neil Shubin: Como paleontólogo, una de las cosas más emocionantes es que a veces encuentras una especie en el registro fósil que une dos grandes pasos en la evolución. Lo que representa es una gran transición entre el pez y el animal terrestre. Esta es una criatura que tiene aletas con huesos en sus miembros. Nos muestra cómo esta gran transición que, si tan solo ves en los puntos finales, parece imposible, pero sucedió. Hace posible lo imposible. Hace real lo imposible.

Dr. Sean B. Carroll: Ya sea los dinosaurios emplumados de China o varias especies homínidas de África, seguimos encontrando nuevas cosas que existieron en el pasado que nos pinta un amplio panorama de la historia de la vida en la Tierra.

Dr. Jeff Hardin: Es importante decir que no todos los biólogos evolutivos concuerdan en el alcance contingente de la historia evolutiva. Es decir, si retrocediéramos la cinta de la historia y la tocáramos otra vez, ¿recibiríamos un resultado muy diferente o saldría algo notablemente parecido a lo que tenemos ahora?

Dr. Neil Shubin: ¿Sería todo igual? ¿habría especies bípedas, peludas, de sangre caliente con cerebros grandes caminando por allí? No sabemos la respuesta, pero hay algunos puntos de dato interesantes a lo largo de la historia. Una observación interesante es la convergencia y evolución paralela. O sea, a veces notamos patrones similares de evolución entre criaturas no relacionadas.

Dr. Jeff Hardin: El ojo es un ejemplo de convergencia. La estructura de los ojos que cosas como los calamares y pulpos tienen y los mamíferos tienen son notablemente similares, pero son derivados de estructuras muy diferentes a lo largo del tiempo evolutivo, así que estamos convergiendo en una solución específica.

Dr. Sean B. Carroll: No creo que verías las mismas criaturas emergiendo porque hay muchísimas contingencias en la historia. La manera más fácil de pensar en eso es que un asteroide formidable chocó con la Tierra hace 66 millones de años, y eso de veras cambió la composición de la vida en el planeta. Aun así, los biólogos se sorprenden de que criaturas similares pueden evolucionar independientemente en diferentes partes del mundo.

Dr. Jeff Hardin: Queda claro que hay contingencia en la evolución, pero ¿hasta qué grado es la contingencia la orden del día con relación a la convergencia? Bueno, los biólogos evolutivos están trabajando en eso. Entender nuestra historia evolutiva nos ayuda a entender quién somos hoy. La biología evolutiva tiene un valor tremendo en entender cómo funciona el ser humano.

Dr. Sean B. Carroll: Pienso que la discusión que es muy interesante entre los religiosos y los científicos es superar esta cuestión de “¿la evolución ocurrió realmente?” La pregunta más interesante es ¿cómo debemos encarar el papel de la humanidad, el papel de los individuos y nuestro significado y propósito con respeto a la evolución, con respeto a nuestra historia evolutiva?

Dr. Neil Shubin: Cuando vemos a otras criaturas, entendemos mucho más acerca de nosotros mismos. Entendemos cómo funcionan nuestras células, cómo se dividen, y cómo se mueren. El truco de entender el cáncer y un poco sobre la biología molecular de cánceres, significa entender otras criaturas. Me gusta pensar que mientras descobrimos curas, desde Alzheimer a diferentes cánceres, que los avances científicos que prolongan y enriquecen nuestras vidas de alguna manera van a ser basados en moscas, gusanos, y en algunos casos hasta peces. No encuentro una expresión más poderosa, más bella acerca de la importancia de nuestra conexión evolutiva al resto de la vida en nuestro planeta.

There is something incredibly beautiful about reflecting on the past. Today we have access to innovative technology and decades of valuable research data that allow us to observe the dynamic history of the of the world in a new way. By examining the fossil record and DNA of various lifeforms, scientists can gather a general picture of the history of life on Earth and how it has developed through time. In this film, Drs. Sean Carrol, Jeff Hardin, and Neil Shubin explore key ideas about the process of natural selection and evolution, the observation of convergence in biological organisms, and the human connection to evolutionary history.

Featured Scholars:

Dr. Sean B. Carroll is a professor of genetics, molecular biology, and medical genetics at the University of Wisconsin-Madison, and a researcher and vice-president for science education at the Howard Hughes Medical Institute. He is a leader in the field of evolutionary developmental biology, or “evo devo,” and is the author of Endless Forms Most Beautiful: The New Science of Evo Devo and the Making of the Animal Kingdom (W. W. Norton, 2005).

Dr. Jeff Hardin is chair of the department of zoology at the University of Wisconsin. He is the senior author of World of the Cell (Pearson Education, 2015).

Dr. Neil Shubin is the Robert R. Bensley Professor of Organismal Biology and Anatomy, associate dean for academic strategy, and a member of the Committee on Evolutionary Biology at the University of Chicago. He is the author of Your Inner Fish: A Journey into the 3.5-Billion-Year History of the Human Body (Knopf Doubleday, 2008) and The Universe Within: Discovering the Common History of Rocks, Planets, and People (Pantheon Books, 2013).

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