§ 11. Прямые наблюдения процесса эволюции

Определения и обозначения

Прямое наблюдение эволюции — фиксация изменений наследственных признаков организмов в популяции за сравнительно короткий срок. Учёные прослеживают, как меняется доля разных вариантов признака в поколениях. Это отличается от вывода по ископаемым остаткам: о давно исчезнувших организмах судят, сравнивая находки, а при прямом наблюдении изменение видно в живых популяциях.

Индустриальный меланизм — увеличение доли тёмных особей в популяции в условиях промышленного загрязнения. Слово «меланизм» связано с тёмной окраской; классический пример — берёзовая пяденица, у которой встречаются светлая и тёмная формы. Термин помогает описать не потемнение каждой бабочки, а распространение наследственной тёмной окраски среди потомков.

Устойчивость к антибиотикам — способность некоторых бактерий выживать и размножаться при воздействии антибиотика. Устойчивость связана с наследственными особенностями бактерий и передаётся потомству при размножении. Это понятие нужно, чтобы объяснить, почему после лечения доля устойчивых бактерий может увеличиться, хотя антибиотик не превращает каждую бактерию в устойчивую.

Устойчивость к инсектицидам — способность насекомых переносить действие веществ, предназначенных для их уничтожения. Она связана с наследственной изменчивостью: особи одной популяции могут различаться по восприимчивости к препарату. Если устойчивые насекомые чаще выживают и размножаются, их признак становится распространённее в следующих поколениях.

Как это устроено

Наблюдения за берёзовой пяденицей сравнивали в промышленных районах и местностях с чистым воздухом. В загрязнённых районах доля тёмных бабочек возрастала, а в чистых чаще встречались светлые. Такая разница указывает на изменение частот наследственных форм в популяциях, а не на то, что отдельные бабочки меняли окраску в течение жизни.

Причина различий связана с тем, насколько хорошо бабочек видят хищники. Загрязнение затемняло стволы деревьев, поэтому светлая пяденица становилась заметнее, а тёмная лучше маскировалась. Менее заметные особи с большей вероятностью избегали нападения, доживали до размножения и передавали потомству наследственную окраску; когда загрязнение снижалось, преимущество могло измениться.

В популяции бактерий могут существовать варианты, различающиеся по восприимчивости к антибиотику. При его применении чувствительные бактерии погибают чаще, тогда как уже устойчивые могут выжить. Размножаясь, они передают потомству особенности, обеспечивающие устойчивость, поэтому доля таких бактерий в популяции растёт.

Устойчивость насекомых к инсектицидам формируется по сходной схеме. До обработки особи могут различаться по наследственным признакам, и некоторые из них переносят действие вещества лучше остальных. После обработки эти особи чаще выживают и размножаются; повторные обработки вновь отбирают устойчивых, поэтому их численность и доля могут возрастать.

Во всех трёх примерах меняется соотношение наследственных вариантов в популяции под действием условий среды. Загрязнение, антибиотик и инсектицид различаются как факторы, но ни один из них не создаёт нужный признак по заказу. Они влияют на выживание и размножение носителей разных вариантов, и потому эти наблюдения служат свидетельством действия естественного отбора.

Примеры прямых наблюдений эволюционных изменений

Сопоставляйте в каждой строке наследственный признак с фактором, который влияет на выживание его носителей. Последний столбец показывает результат отбора на уровне популяции. Таблица помогает увидеть общий механизм, хотя сами признаки и условия отбора в примерах различаются.

Разбор задач

Задача 1. В промышленном районе доля тёмных берёзовых пядениц выросла, а после снижения загрязнения стала уменьшаться. Нужно указать фактор отбора и объяснить, почему соотношение форм менялось. Для этого свяжем окраску бабочек с заметностью на фоне деревьев и вероятностью оставить потомство.

1. Назовём фактор отбора: это действие хищников, которые чаще обнаруживают заметных бабочек. Загрязнение меняет фон, на котором сидят пяденицы, но само по себе не окрашивает каждую особь. Поэтому учитываем, какая форма лучше скрывается в конкретных условиях.

2. При загрязнении стволы темнеют, и тёмные бабочки становятся менее заметными. Они чаще избегают нападения, доживают до размножения и передают наследственную окраску потомству. Так доля тёмной формы в популяции растёт.

3. После снижения загрязнения фон становится светлее, и маскировочное преимущество тёмной формы ослабевает. Если светлые бабочки теперь реже становятся добычей, они чаще оставляют потомство. Поэтому доля тёмных форм может уменьшиться.

Ответ: фактор отбора — хищники, а направление отбора зависит от маскировки на фоне стволов. Меняется частота наследственных форм в популяции, а не окраска отдельных бабочек под воздействием загрязнения.

Задача 2. После курса антибиотика большая часть бактерий погибла, но некоторые выжили и оставили потомство. Объясним, почему популяция стала более устойчивой. Важно различать появление наследственного варианта и его отбор препаратом.

1. Сначала учитываем, что бактерии в популяции могут различаться по наследственным свойствам. Среди них до лечения могли быть варианты, способные переносить антибиотик лучше других. Препарат не сообщает бактериям, какой признак нужно приобрести.

2. Антибиотик уничтожил преимущественно чувствительные бактерии, а устойчивые выжили. Значит, после курса изменился состав оставшейся части популяции. Выжившие размножились, и их наследственные особенности передались потомкам.

3. Сравним долю устойчивых бактерий до и после размножения выживших. Если устойчивые оставили больше потомства, их относительная доля увеличится, даже если общее число бактерий сначала сократилось. Это результат отбора, а не превращения всех клеток одновременно.

Ответ: популяция стала более устойчивой, потому что антибиотик отобрал уже существовавшие устойчивые варианты, которые выжили и размножились.

Задача 3. Инсектицид применяли несколько сезонов; сначала он уничтожил большинство насекомых, а позднее стал действовать слабее. Нужно объяснить наблюдение и предположить, что произойдёт с популяцией при продолжении отбора. Рассмотрим последовательность изменений от различий между особями до потомства.

1. До обработок насекомые могли отличаться по наследственной устойчивости к веществу. При первом применении уязвимые особи погибли, а часть менее восприимчивых выжила. Следовательно, оставшиеся насекомые не представляют случайную выборку всей исходной популяции.

2. Выжившие размножились и передали потомству наследственные варианты, связанные с устойчивостью. При следующих обработках такие потомки снова имели больше шансов выжить. Поэтому со временем устойчивые особи стали встречаться чаще.

3. Если отбор продолжится, доля устойчивых насекомых может и дальше расти, а эффективность той же обработки — снижаться. Это прогноз, а не утверждение, что устойчивость обязательно появится у каждой особи. Результат зависит от наследственной изменчивости и условий размножения популяции.

Ответ: повторные обработки отбирали устойчивых насекомых, которые размножались и увеличивали долю своего наследственного варианта. Поэтому популяция могла стать менее восприимчивой к инсектициду.

Типичные ошибки

Ошибка — считать, что отдельная особь эволюционирует за время своей жизни. Такое представление возникает, когда изменения популяции описывают словами «бабочка потемнела» или «бактерия приспособилась». Проверьте себя: речь должна идти о наследуемом признаке и его частоте среди особей в ряду поколений, а не об изменении одной особи.

Ошибка — думать, что загрязнение или антибиотик целенаправленно создают полезный признак. Так можно решить, если смешать причину отбора с происхождением наследственной изменчивости. Проверьте объяснение: фактор среды должен влиять на выживание уже различающихся особей, а не действовать как план, по которому организм меняется.

Ошибка — утверждать, что все бактерии или насекомые приобретают устойчивость одновременно. Обычно так говорят, замечая, что после обработок вся популяция в среднем переносит препарат лучше. Проверьте себя вопросом, кто выжил и оставил потомство: преимущественно носители наследственных вариантов, а не все особи сразу.

Ошибка — путать изменение численности с эволюцией. Число организмов может уменьшиться после обработки, но само по себе это не показывает, что изменился наследственный состав популяции. Чтобы сделать вывод об эволюционном изменении, нужно проследить, меняется ли частота наследственных признаков у выживших и их потомков.

Связь с другими темами

Чтобы понять прямые наблюдения эволюции, нужно знать, что такое популяция и наследственная изменчивость: без различий между наследственными вариантами отбору нечего изменять. Представление о естественном отборе помогает объяснить, почему одни особи оставляют больше потомства, чем другие. Эта тема показывает один из механизмов микроэволюции — изменений в популяциях, которые могут наблюдаться в сравнительно короткие сроки. Она также помогает понять, почему устойчивость возбудителей болезней и вредителей может распространяться при применении лекарств и средств защиты растений.

Что запомнить

• Эволюционные изменения можно наблюдать на протяжении жизни человека.
• Единица эволюционных изменений — популяция, а не отдельный организм.
• Естественный отбор меняет соотношение наследственных вариантов в популяции.
• Фактор среды не создаёт нужный признак целенаправленно, а влияет на выживание и размножение его носителей.
• Применение антибиотиков и инсектицидов способствует распространению устойчивых форм.
• Прямые наблюдения изменений в популяциях подтверждают действие естественного отбора.