8. Движущие силы (факторы) эволюции

Определения и обозначения

Естественный отбор — преимущественное выживание и размножение особей с наследственными признаками, повышающими их приспособленность в данных условиях. Проще говоря, носители одних вариантов в среднем оставляют больше потомства, чем носители других. Поэтому частота полезного в этой среде наследственного варианта может вырасти в популяции.

Дрейф генов — случайное изменение частот аллелей в популяции, особенно заметное в малых популяциях. Аллель — один из вариантов гена; его частота показывает, насколько часто он встречается в генофонде. Это понятие помогает отличать изменения, вызванные случайностью, от изменений, связанных с преимуществом при размножении.

Популяционная волна — колебание численности популяции, которое может случайно изменить частоты аллелей. Если после резкого сокращения остаётся небольшая группа особей, её генофонд может не отражать состав исходной популяции. Понятие нужно, чтобы объяснить случайные изменения, возникающие при подъёмах и спадах численности.

Изоляция — ограничение скрещивания между популяциями, уменьшающее обмен генами между ними. Изолированные группы реже обмениваются аллелями, поэтому их генофонды могут постепенно становиться разными. Это определение помогает понять, почему изоляция создаёт условия для расхождения популяций.

Как это устроено

Наследственная изменчивость поставляет материал для эволюции, потому что без различий отбору и случайным процессам было бы нечего менять. Мутации возникают при изменениях генетического материала и могут создавать новые аллели. Их появление случайно относительно того, окажется ли вариант полезным в конкретной среде. Рекомбинации при образовании половых клеток и оплодотворении перемешивают аллели родителей, создавая новые сочетания наследственных признаков.

Естественный отбор действует через различия в выживании и размножении: особи не оставляют одинаковое число потомков. Если наследственный признак помогает выжить или размножиться в данных условиях, его носители в среднем передают соответствующие аллели чаще. Поэтому частота таких вариантов меняется не случайно, а в связи со средой. Если условия изменятся, преимущество может получить другой вариант, так что отбор не задаёт единого направления для всех времён и мест.

Дрейф генов меняет частоты аллелей случайным образом, поскольку вклад отдельных особей в следующее поколение не всегда одинаков. Особенно заметно это в малых популяциях: случайная гибель или большое число потомков у нескольких особей затрагивает значительную часть генофонда. В результате аллель может исчезнуть даже без вредного влияния на организм. При повторении таких событий один из вариантов способен случайно стать единственным, то есть закрепиться в популяции.

Популяционные волны меняют численность группы, а миграции — перемещение особей между популяциями — могут менять её генетический состав. При резком сокращении численности случайно выжившие особи передают потомкам только часть прежнего разнообразия, поэтому волны усиливают влияние дрейфа. Мигранты, напротив, приносят аллели из другой популяции или уносят их, если покидают свою. Так меняются частоты аллелей и степень генетического сходства между популяциями.

Изоляция ограничивает поток генов — обмен аллелями между популяциями через скрещивание. Если обмен ослабевает, мутации, отбор и дрейф могут менять генофонд каждой группы независимо от другой. Различия постепенно накапливаются, особенно если условия среды в группах неодинаковы. При длительном расхождении может возникнуть репродуктивная изоляция: популяции перестают успешно скрещиваться, что создаёт предпосылки для образования новых видов.

Факторы эволюции и их действие на генофонд популяции

Сначала определите, создаёт ли фактор новые варианты или меняет частоты уже имеющихся аллелей. Затем выясните, связано ли изменение с приспособленностью или происходит случайно. Эти признаки помогают отличать отбор от дрейфа и не путать изоляцию с непосредственным появлением новых признаков.

Разбор задач

Наследственная окраска и хищники

В популяции насекомых появился наследственный вариант окраски, который делает особей менее заметными для хищников. Нужно определить, какой фактор может увеличить его частоту, и объяснить механизм. Слово «наследственный» указывает, что признак может передаваться потомству. Маскировка снижает вероятность быть съеденным, но сама по себе ещё не доказывает, что частота варианта обязательно вырастет.

1. Устанавливаем, что различие между особями наследуется: потомство может получить вариант окраски от родителей.
2. Определяем возможное последствие признака: менее заметных насекомых хищники могут поедать реже, поэтому у них появляется больше шансов выжить.
3. Связываем выживание с размножением: если выжившие чаще оставляют потомство, аллели, связанные с окраской, чаще передаются следующему поколению.

Ответ: частоту варианта может увеличить естественный отбор. Он действует потому, что носители наследственной окраски в описанных условиях могут чаще выживать и размножаться. Если преимущество исчезнет или условия изменятся, рост частоты не гарантирован.

Случайная гибель небольшой популяции

После случайной гибели большей части небольшой популяции частота одного аллеля резко снизилась, хотя он не влиял на выживаемость. Нужно назвать фактор и отличить его от естественного отбора. Подсказка — гибель произошла случайно, а аллель не давал носителям ни преимущества, ни недостатка в выживании. Кроме того, популяция была небольшой, а это делает случайные события особенно заметными.

1. Проверяем, есть ли связь между аллелем и приспособленностью: по условию, на выживаемость он не влиял.
2. Учитываем численность: после гибели осталась небольшая группа, и случайный состав выживших мог сильно отличаться от состава исходной популяции.
3. Называем процесс: доля аллеля изменилась из-за случайного события, а не из-за преимущества его носителей.

Ответ: это дрейф генов. При случайной гибели некоторые аллели могут стать реже или исчезнуть, даже если их носители не уступали другим в приспособленности. Малый размер популяции усиливает такой эффект.

Разделённые преградой популяции

Две популяции одного вида оказались разделены преградой. В одной изменились условия среды, и со временем в ней участились особи с определённым наследственным признаком. Нужно объяснить роль изоляции и отбора, а также оценить, как повлиял бы обмен генами. Преграда ограничивает скрещивание между группами, а изменение частоты признака указывает на возможное действие отбора. Чтобы объяснить результат, следует рассмотреть эти факторы вместе, а не приписывать всё одной причине.

1. Определяем роль преграды: изоляция уменьшила обмен генами, поэтому аллели реже переходят из одной популяции в другую.
2. Связываем признак с новой средой: если он помогает выживать или размножаться, его носители могут чаще оставлять потомство.
3. Объясняем изменение частоты: естественный отбор повышает представленность соответствующего наследственного варианта в этой популяции.
4. Проверяем влияние миграции: при обмене генами аллели из другой популяции могли бы поступать в эту группу и ослаблять или менять наблюдаемое изменение.

Ответ: изоляция ограничивает поток генов, а отбор меняет частоты наследственных вариантов в связи с условиями среды. Если бы обмен генами сохранялся, он мог бы приносить другие аллели и влиять на темп и направление расхождения популяций. Следовательно, оба фактора могут действовать одновременно.

Типичные ошибки

Ошибка: считать мутации направленными потребностями организма. Так думают, потому что полезный результат легко принять за цель, к которой организм будто бы стремился. На деле мутации возникают случайно относительно их полезности в конкретных условиях. Проверь себя: спроси, возник ли вариант потому, что он был нужен, или его частота изменилась после появления под действием других факторов.

Ошибка: называть естественным отбором любое изменение частот аллелей. Частоты действительно меняются и при отборе, и при случайных процессах, поэтому их легко смешать. При отборе изменение связано с неодинаковым выживанием или размножением, а дрейф происходит случайно. Проверь себя: есть ли в условии наследственный признак, дающий носителям преимущество в данных условиях?

Ошибка: считать популяционные волны наследственной изменчивостью. Волна может сопровождаться заметной переменой частот аллелей, и поэтому кажется источником новых различий. Однако она меняет численность и может повлиять на состав генофонда, но сама не создаёт новых наследственных вариантов. Проверь себя: появились ли новые аллели или случайно изменилось соотношение уже существующих?

Ошибка: считать изоляцию причиной непосредственного появления новых признаков. Такое представление возникает потому, что изолированные популяции со временем действительно могут различаться. Изоляция не создаёт признаки, а ограничивает обмен генами и позволяет различиям накапливаться независимо. Проверь себя: отделяй барьер для скрещивания от мутаций и других процессов, создающих или меняющих наследственные варианты.

Связь с другими темами

Для понимания темы нужно знать, что такое популяция, генофонд, ген, аллель и наследственная изменчивость. Популяция — группа особей одного вида, способная скрещиваться между собой; её генофонд включает все аллели этой группы. Эти понятия помогают увидеть, что эволюционные изменения происходят не у отдельного организма, а в популяциях на протяжении поколений.

Связь с генетикой объясняет источник наследственных различий: мутации создают аллели, а рекомбинации формируют их новые сочетания. Факторы эволюции затем меняют представленность вариантов в популяциях. Такое понимание пригодится при изучении микроэволюции — изменений внутри вида, — а также видообразования и происхождения приспособлений.

Что запомнить

• Эволюционные изменения популяций выражаются в изменении частот аллелей и генотипов.
• Мутации и рекомбинации создают наследственное разнообразие.
• Естественный отбор зависит от различий в выживании и размножении особей.
• Дрейф генов — случайное изменение частот аллелей; особенно силён в малых популяциях.
• Популяционные волны могут усиливать случайные изменения генофонда.
• Миграции переносят аллели между популяциями, а изоляция ограничивает этот обмен.
• Факторы эволюции могут действовать одновременно.