27. Факторы — поставщики материала для эволюции

Определения и обозначения

Наследственная изменчивость — изменения признаков, которые могут передаваться потомству и служат материалом для эволюции. Такие различия связаны с наследственным материалом организма и не исчезают автоматически при смене условий среды. Благодаря им отбор может влиять на состав популяции.

Мутационная изменчивость — наследственные изменения, возникающие вследствие мутаций генов, хромосом или числа хромосом. Мутация может породить вариант, которого прежде не было в популяции. Поэтому этот вид изменчивости служит источником новых наследственных различий.

Комбинативная изменчивость — появление новых сочетаний уже существующих аллелей при половом размножении. Аллели — варианты одного и того же гена, а их сочетания у потомков отличаются от родительских. Это объясняет разнообразие потомства даже без появления новых мутаций.

Эволюционный материал — наследственные различия между организмами, на которые может действовать естественный отбор. Сами различия ещё не означают, что популяция обязательно изменится: важно, как они связаны с выживанием и размножением. Понятие помогает отличать источник изменений от процесса, который влияет на их распространённость.

Как это устроено

Естественный отбор меняет соотношение наследуемых вариантов, но не может создать вариант, которого в популяции нет. Если особи различаются, а некоторые различия помогают оставлять больше потомства, соответствующие наследственные варианты могут становиться чаще. Без наследственной изменчивости потомки в отношении признаков были бы одинаковы, и отбору нечего было бы сортировать. Поэтому изменчивость поставляет материал, а отбор влияет на его дальнейшую судьбу.

Мутации возникают при изменениях ДНК или хромосом, например из-за ошибок копирования наследственного материала либо воздействия некоторых факторов среды. Они могут затронуть отдельный ген, структуру хромосомы или число хромосом; эти изменения называют соответственно генными, хромосомными и геномными. Мутация не появляется потому, что организму нужен определённый признак: её возникновение не направлено на удовлетворение потребностей. Полезность или вредность варианта проявляется уже во взаимодействии организма со средой.

При мейозе гомологичные хромосомы обмениваются участками — это кроссинговер, который может объединить аллели в новых сочетаниях. Затем хромосомы разных пар расходятся в гаметы независимо друг от друга, поэтому гаметы получают разные комбинации материнских и отцовских хромосом. При оплодотворении случайно встречаются две гаметы, что создаёт дополнительные сочетания наследственных вариантов. Так разнообразие потомков растёт без обязательного появления новых генов.

Главное различие двух видов изменчивости — в источнике различий. При мутационной изменчивости наследственный материал изменяется, поэтому может появиться новый вариант гена или измениться хромосома. При комбинативной изменчивости исходные аллели уже существуют, но оказываются собраны в новой комбинации. Оба процесса создают наследственные различия, однако только мутации непосредственно поставляют новые варианты генов.

Сначала наследственный вариант возникает у отдельного организма или в его половых клетках, а затем при передаче потомству может попасть в популяцию. Если носители разных вариантов неодинаково выживают или оставляют потомство, вклад каждого варианта в следующие поколения будет различаться. В результате частоты наследственных вариантов могут измениться, а вместе с ними меняется состав популяции. Этот процесс не гарантирован для каждой отдельной мутации или комбинации: на результат влияют условия и случайные события.

Источники наследственной изменчивости как материал эволюции

Сравнивайте источники изменений, чтобы понять, возник ли новый наследственный вариант или по-новому скомбинировались уже имеющиеся аллели. Строки о передаче потомству и значении показывают, почему оба вида изменчивости важны для эволюции. При этом сами по себе мутации и комбинации не равны естественному отбору.

Разбор задач

У растения обнаружили наследуемое изменение окраски, связанное с изменением одного гена. Определите источник изменчивости. Здесь важно разделить два признака условия: изменение передаётся потомству и связано с конкретным геном. Первый признак показывает, что речь идёт о наследственной изменчивости, а второй помогает установить её источник.

1. Уточняем, наследуется ли изменение: по условию оно передаётся потомству.
2. Определяем, что изменилось: изменён один ген, а не только условия среды или сочетание неизменённых аллелей.
3. Связываем изменение гена с мутацией и выбираем вид изменчивости.

Ответ: это мутационная изменчивость, вызванная генной мутацией. Изменение окраски здесь не просто новая комбинация имеющихся аллелей, а следствие изменения одного гена. Наследуемость позволяет рассматривать его как возможный эволюционный материал.

У двух братьев и сестёр, родившихся от одних родителей, различаются сочетания наследуемых признаков. Объясните, как это возможно без возникновения новых мутаций. Нужно выяснить, может ли половое размножение менять сочетание аллелей, не меняя сами аллели. Именно так возникает комбинативная изменчивость, и для неё не требуется появление новых мутаций.

1. При мейозе кроссинговер обменивает участки гомологичных хромосом, создавая новые комбинации аллелей в хромосомах.
2. Хромосомы разных пар независимо расходятся по гаметам, поэтому гаметы одного родителя могут различаться по набору аллелей.
3. При оплодотворении случайно сочетаются гаметы родителей, и каждый ребёнок получает собственную комбинацию наследственного материала.

Ответ: различия между братом и сестрой объясняются комбинативной изменчивостью. Кроссинговер, независимое расхождение хромосом и случайное сочетание гамет по-разному комбинируют уже имеющиеся аллели. Новые гены для этого не возникают.

В популяции появились два наследуемых варианта признака: один возник из-за мутации, другой — из-за нового сочетания аллелей. Объясните, какие процессы могут изменить их распространённость в следующих поколениях. Сначала различаем происхождение вариантов, затем рассматриваем, что может повлиять на их частоту. Источник варианта сам по себе не определяет, станет ли он распространённым.

1. Отмечаем, что мутационный вариант возник из-за изменения наследственного материала, а второй — из-за перекомбинации имеющихся аллелей.
2. Проверяем, наследуются ли оба варианта: по условию они передаются потомству и потому могут сохраняться в популяции.
3. Учитываем естественный отбор: если варианты по-разному влияют на размножение и выживание, их частоты могут измениться.

Ответ: распространённость обоих вариантов может менять естественный отбор, поскольку он действует на наследственные различия. Вариант, носители которого в данных условиях оставляют больше потомства, способен встречаться чаще в следующих поколениях. Отбор не создаёт ни мутацию, ни новую комбинацию аллелей, а влияет на их распространение.

Типичные ошибки

Ошибка: считать, что мутация появляется, потому что организму нужен новый признак. Так думают, когда смешивают возникновение варианта с его возможной пользой: полезность оценивается уже после появления мутации. Проверьте себя вопросом, могла ли мутация возникнуть и без текущей потребности организма; ответ — да.

Ошибка: называть комбинативную изменчивость возникновением новых генов. Её путают с мутационной изменчивостью, потому что в обоих случаях у потомства могут обнаружиться новые сочетания признаков. Проверьте, изменился ли сам наследственный вариант или только его сочетание с другими аллелями.

Ошибка: считать наследуемым любое изменение признака. Внешний вид или свойства организма могут меняться под влиянием условий среды, но такие модификационные изменения, как правило, не меняют наследственный материал. Чтобы проверить себя, выясните, затронут ли генетический материал и может ли изменение передаться потомству.

Ошибка: смешивать поставщиков материала эволюции с естественным отбором. Изменчивость создаёт наследственные различия, а отбор влияет на их распространённость; эти процессы связаны, но выполняют разные роли. Проверьте себя так: сначала назовите источник различия, затем отдельно объясните, как оно может влиять на число потомков.

Связь с другими темами

Чтобы разобраться в теме, нужно знать, что такое гены, аллели и хромосомы, а также понимать основы мейоза и оплодотворения. Эти понятия объясняют, откуда берутся новые наследственные варианты и как формируются их сочетания у потомства. Без представления о передаче наследственного материала трудно отличить мутацию от перекомбинации аллелей.

Тема помогает понять естественный отбор, возникновение адаптаций и причины изменения генофонда популяций. Генофонд — совокупность наследственных вариантов в популяции; его состав может меняться, когда меняются частоты этих вариантов. Различая источник наследственной изменчивости и действие отбора, легче объяснить эволюционные изменения.

Что запомнить

• Эволюции необходима наследственная изменчивость.
• Мутации создают новые наследственные варианты.
• Комбинативная изменчивость образует новые сочетания уже имеющихся аллелей.
• Кроссинговер и независимое расхождение хромосом происходят при мейозе.
• Мутации случайны по отношению к потребностям организма.
• Естественный отбор действует на наследственные различия, но сам не создаёт их.