4.8. Факторы эволюции

Определения и обозначения

Факторы эволюции — процессы и условия, которые изменяют генетический состав популяций и направляют эволюционные изменения. К ним относят мутационный процесс, естественный отбор, популяционные волны, генетический дрейф, изоляцию и миграцию. Это понятие помогает выяснить, почему меняется генофонд популяции и какие процессы приводят к таким переменам.

Мутационный процесс — возникновение наследственных изменений генетического материала, создающих новые варианты признаков. Такие изменения могут затрагивать гены и приводить к появлению новых аллелей — вариантов одного и того же гена. Понятие нужно, чтобы отличать появление наследственного разнообразия от последующего распространения его вариантов.

Генетический дрейф — случайное изменение частот аллелей в популяции, особенно заметное в малых популяциях. Частота аллеля показывает, насколько часто он встречается среди вариантов генов в популяции. Дрейф помогает объяснить изменения генофонда, которые происходят не из-за преимущества признака, а вследствие случайности.

Изоляция — ограничение обмена генами между популяциями, способствующее их генетическому расхождению. Она может возникать, например, когда группы разделены географическим препятствием и редко скрещиваются. Это понятие помогает понять, почему популяции одного вида со временем могут накапливать различия.

Как это устроено

Наследственная изменчивость служит материалом эволюции, потому что без различий между организмами отбору было бы нечего «выбирать». Мутации создают новые аллели, а при половом размножении аллели родителей сочетаются в новых комбинациях. Поэтому потомки могут отличаться друг от друга даже без появления новой мутации в каждом поколении. Чем больше наследственных вариантов есть в популяции, тем разнообразнее возможные реакции на изменения условий.

Естественный отбор действует через различия в выживании и размножении, а не через намеренное изменение организмов. Если наследственный признак помогает особи оставить больше потомков в конкретных условиях, соответствующие варианты чаще передаются следующему поколению. В результате их доля в популяции может увеличиваться. Признак, полезный в одной среде, не обязательно будет преимуществом в другой, поэтому действие отбора зависит от условий.

Популяционные волны — это колебания численности популяции, вызванные, например, изменением условий среды или случайным событием. Когда численность резко меняется, набор особей, которые выживают или размножаются, может оказаться непредставительным для прежней популяции. Поэтому частоты аллелей способны измениться даже без преимуществ у носителей какого-либо признака. Такие изменения численности могут усиливать генетический дрейф, особенно если популяция стала малой.

Генетический дрейф меняет генофонд случайно, а не в направлении большей приспособленности. Например, после случайной гибели части популяции аллели выживших могут встречаться чаще или реже, чем прежде. В малой популяции вклад каждой особи в общий набор аллелей относительно велик, поэтому случайный эпизод заметнее меняет частоты. Дрейф может привести и к утрате аллеля, даже если он не был вредным.

Изоляция сокращает скрещивание между группами, поэтому аллели одной популяции реже попадают в другую. Из-за этого различия, возникшие под действием мутаций, отбора и дрейфа, могут сохраняться и накапливаться. Миграция особей действует противоположным образом: пришедшие особи при размножении переносят свои аллели в новую популяцию. Таким образом, изоляция ограничивает, а миграция поддерживает обмен генами, и обе влияют на изменение генофонда.

Основные факторы эволюции и их действие

Сначала определите, что происходит с наследственными вариантами: они возникают, сочетаются, отбираются или переносятся между популяциями. Затем проверьте, меняется ли численность и может ли случайность повлиять на частоты аллелей. Такое сравнение помогает не смешивать действие отбора и дрейфа.

Разбор задач

Задача 1

В популяции появились особи с наследственным вариантом окраски, которого раньше не наблюдали. Нужно определить фактор, непосредственно создавший новый вариант. Необходимо отделить возникновение признака от его последующего распространения. Учитываем, что речь идёт именно о наследственном изменении.

1. Новый наследственный вариант предполагает изменение генетического материала, а не только временное изменение внешнего вида.
2. Мутационный процесс создаёт новые аллели и тем самым может приводить к появлению ранее не встречавшегося наследственного варианта окраски.
3. Отбор может повлиять на то, как часто вариант будет встречаться позднее, но для вопроса о его непосредственном возникновении это не главный ответ.

Ответ: новый вариант возник вследствие мутации. Его дальнейшее распространение может зависеть от естественного отбора, дрейфа и других факторов. Значит, создание варианта и изменение его частоты — разные этапы.

Задача 2

После случайного пожара численность небольшой популяции резко снизилась, а частота некоторых аллелей среди выживших стала иной. Нужно объяснить, какой фактор мог изменить генофонд. Пожар в условии назван случайным, а преимущество конкретных аллелей не указано. Поэтому проверяем объяснение через изменение численности и случайный состав выживших.

1. Резкое сокращение численности — популяционная волна, то есть изменение размера популяции.
2. Выжившие особи могут случайно отличаться по набору аллелей от исходной популяции; это меняет доли аллелей среди оставшихся.
3. Поскольку популяция мала, случайный вклад каждой выжившей особи велик, а такое изменение частот называют генетическим дрейфом.

Ответ: сокращение численности выступило популяционной волной, а случайное изменение частот аллелей — генетическим дрейфом. По условию нельзя заключить, что аллели изменились из-за преимущества их носителей. Для такого вывода потребовались бы сведения об их влиянии на выживание или размножение.

Задача 3

Две популяции одного вида оказались разделены горным хребтом, а в одной из них условия стали благоприятствовать особям с более густым мехом. Нужно объяснить совместную роль изоляции и отбора. Важно не приписывать горному хребту создание нового наследственного признака. Рассмотрим отдельно обмен генами и изменение частоты признака.

1. Хребет затрудняет перемещение и скрещивание особей, поэтому обмен генами между популяциями сокращается.
2. Если густой мех наследуется и в данных условиях повышает успех размножения, его носители в этой популяции могут оставлять больше потомков.
3. Тогда связанные с этим признаком наследственные варианты могут становиться чаще, а ограниченный обмен генами уменьшает их поступление из другой популяции.

Ответ: изоляция ограничивает обмен генами и позволяет генофондам популяций изменяться независимо. Естественный отбор может повышать частоту наследственных вариантов, связанных с густым мехом, в соответствующих условиях. Итог зависит от того, действительно ли признак наследуется и влияет на выживание или размножение.

Типичные ошибки

Мутацию иногда считают целенаправленным приспособлением, потому что новый признак может оказаться полезным. Но мутации возникают независимо от того, нужны ли они организму в текущих условиях. Чтобы проверить себя, спросите: появился ли вариант до действия отбора, а не в ответ на потребность популяции?

Естественному отбору ошибочно приписывают создание новых наследственных вариантов. Отбор действует на наследственную изменчивость, уже имеющуюся в популяции, а новые варианты возникают, в частности, благодаря мутациям. Проверьте объяснение вопросом: процесс создал признак или изменил успех его носителей?

Генетический дрейф смешивают с естественным отбором, потому что оба процесса меняют частоты аллелей. Различие в причине: дрейф случаен, а отбор связан с неодинаковым выживанием и размножением особей. Для самопроверки выясните, есть ли в условии связь признака с репродуктивным успехом.

Изоляцию принимают за источник новых аллелей, поскольку после разделения группы начинают различаться. Однако изоляция ограничивает обмен генами, но не создаёт мутации. Спросите себя, возник ли новый вариант или лишь уменьшилось его поступление из другой популяции.

Связь с другими темами

Для понимания факторов эволюции нужны понятия наследственной изменчивости, гена, аллеля и генотипа. Важно также представлять, что популяция — группа особей одного вида, внутри которой происходит размножение и меняется общий генофонд. Эти знания помогают проследить, как изменения отдельных наследственных вариантов становятся изменениями популяции.

Тема связана с естественным отбором, видообразованием и формированием приспособленности организмов. Отбор меняет частоты наследственных вариантов, а изоляция может разделить обмен генами между группами. Если различия накапливаются, это связано с процессами, ведущими к расхождению популяций и возможному образованию видов.

Знание факторов позволяет объяснять изменения частот аллелей и последствия сокращения численности популяции. Например, после резкого уменьшения численности дрейф может случайно изменить состав генофонда. Это помогает отличить случайные изменения от тех, которые связаны с преимуществом признака в конкретных условиях.

Что запомнить

• Элементарная единица эволюции — популяция.
• Эволюционные изменения отражаются в изменении генофонда популяции.
• Мутации и рекомбинации создают наследственную изменчивость.
• Естественный отбор связан с неодинаковым успехом размножения особей.
• Генетический дрейф особенно заметен в малых популяциях.
• Изоляция ограничивает обмен генами между популяциями.
• Факторы эволюции действуют совместно.