§ 38. Современные представления об эволюции органического мира

Определения и обозначения

Эволюция — историческое изменение наследственных особенностей популяций, которое приводит к разнообразию организмов. Речь идёт не об изменении отдельной особи за жизнь, а о переменах, сохраняющихся в поколениях. Такое понимание помогает объяснить, как меняются виды и возникают приспособления.

Популяция — группа особей одного вида, длительно обитающих на общей территории и свободно скрещивающихся между собой. Её считают элементарной единицей эволюции, потому что особи одной популяции передают друг другу наследственные варианты при размножении. Поэтому эволюционные изменения можно обнаружить, сравнивая популяцию в разных поколениях.

Генофонд популяции — совокупность всех генов и их вариантов у входящих в неё особей. Варианты одного гена называют аллелями. Если со временем одни варианты становятся более или менее распространёнными, значит, меняется генофонд и происходит эволюционное изменение.

Синтетическая теория эволюции объединяет идею естественного отбора с данными генетики и других биологических наук. Генетика объясняет, как наследуются признаки и откуда берутся различия между организмами. Вместе эти знания позволяют описывать эволюцию как изменение генофонда популяций.

Как это устроено

Для эволюции нужны наследственные различия, которые могут передаваться потомству. Мутации — случайные изменения генетического материала — создают новые варианты генов, а при размножении гены родителей складываются в новые сочетания. Большинство таких вариантов не обязательно полезно, но без наследственной изменчивости отбору было бы нечего менять.

Естественный отбор действует потому, что в конкретных условиях особи оставляют неодинаковое количество потомков. Если наследственный признак помогает выжить или размножиться, его носители в среднем передают соответствующий вариант генов чаще. Из поколения в поколение такой вариант может стать распространённее, хотя сам отбор не предвидит будущие потребности организма.

Генофонд меняется и без преимущества одних признаков: случайное изменение частот вариантов называют дрейфом генов. Случайность особенно заметна в малых популяциях, где потеря или размножение нескольких особей может существенно изменить доли вариантов. Миграции — перемещение особей между популяциями — переносят их гены и обеспечивают обмен наследственными вариантами.

Изоляция ограничивает скрещивание и обмен генами между популяциями. Если группы долго разделены, их генофонды меняются независимо: на них влияют разные условия среды, мутации и случайный дрейф. Постепенное накопление различий может привести к тому, что особи уже не будут свободно скрещиваться или не смогут оставить плодовитое потомство, — тогда возможно образование новых видов.

Изменения внутри популяций и видов относят к микроэволюции. На протяжении длительного времени накопленные перемены могут проявляться в крупных эволюционных преобразованиях надвидового уровня — макроэволюции. Эти масштабы связаны: крупные изменения складываются из наследственных перемен, происходящих в популяциях на протяжении многих поколений.

Факторы эволюции и их влияние на генофонд популяции

В таблице сопоставлены причины изменения генофонда и их последствия. Чтобы разобрать конкретный пример, сначала определите, какой фактор действует, а затем спросите, создаёт ли он новые варианты, меняет ли их частоту случайно или влияет на обмен генами. Несколько факторов могут действовать одновременно.

Разбор задач

Задача 1

В популяции насекомых появились особи с наследственным вариантом окраски, который делает их менее заметными для хищников. Нужно определить, как этот вариант может повлиять на популяцию. Важно проследить связь между признаком, шансом оставить потомство и изменением частот наследственных вариантов.

1. Окраска наследуется, поэтому её вариант может передаваться потомкам.
2. Менее заметные насекомые могут чаще избегать хищников и доживать до размножения.
3. Если они в среднем оставляют больше потомства, соответствующий вариант окраски может стать распространённее.

Ответ: естественный отбор может повысить частоту этого наследственного варианта в популяции, если он действительно увеличивает выживание и размножение в данных условиях.

Задача 2

Небольшая группа животных отделилась от исходной популяции и основала новую. Через несколько поколений частоты некоторых вариантов генов в группах различаются. Нужно назвать причины, не принимая любое различие за результат отбора.

1. Изоляция уменьшила обмен генами между группами, поэтому их генофонды стали меняться независимо.
2. Малая численность новой популяции усилила дрейф: случайное участие нескольких особей в размножении могло заметно изменить частоты вариантов.
3. Если условия в местах обитания различаются, естественный отбор также может по-разному влиять на группы.

Ответ: возможны изоляция и связанный с малой численностью дрейф генов; при разных условиях добавляется действие естественного отбора. Изоляция сама по себе не меняет частоты генов, но прекращает или уменьшает обмен между популяциями.

Задача 3

Две популяции одного вида долго живут раздельно, в разных условиях, и постепенно накапливают наследственные различия. Требуется объяснить возможный путь от разделения популяций к появлению нового вида. Учитывайте, что одно лишь географическое разделение ещё не означает, что новый вид уже возник.

1. Разделение ограничивает обмен генами, поэтому изменения в каждой популяции накапливаются независимо.
2. Мутации и новые сочетания генов создают различия, а отбор в разных условиях и дрейф могут менять генофонды групп.
3. Со временем различия могут стать такими, что скрещивание между популяциями прекратится или не будет давать плодовитого потомства.

Ответ: накопление наследственных различий при ограниченном обмене генами может привести к репродуктивной изоляции — невозможности успешного скрещивания. Тогда популяции могут стать разными видами.

Типичные ошибки

Ошибка: считать, что эволюционирует отдельная особь. За жизнь организм может измениться, но такие изменения сами по себе не означают перемен в генофонде. Эту ошибку допускают, смешивая развитие организма с эволюцией; проверьте себя вопросом: изменились ли наследственные варианты в популяции за поколения?

Ошибка: думать, что мутации возникают, когда организму нужно приспособиться. Мутации не направляются потребностью, а отбор сохраняет некоторые из уже возникших вариантов. Чтобы проверить рассуждение, отделите появление наследственного изменения от его дальнейшего распространения.

Ошибка: смешивать естественный отбор и дрейф генов. При отборе частоты меняются из-за различий в выживании и размножении, а при дрейфе — случайно; путаница возникает, когда замечают только итоговое изменение частоты. Проверьте, есть ли связь между признаком и успехом размножения.

Ошибка: считать, что изоляция сразу создаёт новый вид. Она ограничивает обмен генами, но не создаёт мгновенно все необходимые различия; видообразование связано с их накоплением и формированием репродуктивной изоляции. Проверьте себя: могут ли группы успешно скрещиваться и оставлять плодовитое потомство?

Связь с другими темами

Для понимания темы нужны знания о наследственности, изменчивости, генах, аллелях, мутациях и размножении организмов: они объясняют передачу и появление вариантов признаков. Понятия вида и популяции помогают понять, на каком уровне происходит эволюция. Генетика популяций описывает изменения через частоты генов и их вариантов в генофонде, а эти знания далее применяются при изучении адаптаций, видообразования и многообразия организмов.

Что запомнить

• Элементарной единицей эволюции считают популяцию.
• Эволюционные изменения проявляются в смене генофонда популяций между поколениями.
• Мутации и новые сочетания генов создают наследственную изменчивость.
• Естественный отбор связан с неодинаковым выживанием и размножением особей.
• Дрейф генов изменяет генофонд случайным образом и особенно значим в малых популяциях.
• Изоляция ограничивает обмен генами между популяциями и может способствовать видообразованию.
• Синтетическая теория эволюции объединяет эволюционные идеи с генетическими данными.