Появление новых аллелей в популяциях может приводить к увеличению генетического разнообразия, что, в свою очередь, способствует адаптации организмов к изменениям окружающей среды. Новые аллели могут улучшать выживаемость и репродуктивный успех особей, что повышает шансы популяции на выживание.
Кроме того, новые аллели иногда могут вызывать негативные последствия, такие как возникновение рецессивных заболеваний или снижение фитнеса. Таким образом, влияние новых аллелей на популяцию зависит от их взаимодействия с окружающей средой и другими генами, что делает процесс эволюции комплексным и многофакторным.
Генетическое разнообразие в популяциях
Основным источником новых аллелей в рамках популяции являются генные мутации. Появление новых мутаций происходит с низкой частотой, обычно составляя от 1 ⋅ 10 -6 до 1 ⋅ 10 -5 (то есть одна мутация на 10 000 — 1 000 000 раздельных гаметов за поколение). Тем не менее, учитывая значительное количество генов (у высших организмов, например, их насчитывается десятки тысяч), общая частота мутаций у живых существ оказывается достаточно высокой.
У некоторых видов от 10 до 25 % индивидуумов (гамет) в одном поколении могут нести мутации. Чаще всего такие мутации снижают жизнеспособность по сравнению с исходными формами.
Тем не менее, в случае перехода в гетерозиготное состояние многие мутации не только не ухудшают жизнеспособность организмов, которые их несут, но даже увеличивают ее. Это явление связано с инбридингом и гетерозисом при скрещивании линий, подвергшихся инбридингу. Некоторые мутации могут быть нейтральными, а небольшая часть из них может способствовать повышению жизнеспособности в определённых условиях.
Хотя доля таких мутаций может быть минимальной, в крупных временных масштабах эволюционного процесса они способны оказать заметное влияние. Однако следует подчеркнуть, что сами по себе мутации не приводят к эволюционным изменениям в популяции или виде. Они только представляют собой материал для эволюционного процесса, и без других эволюционных факторов, мутационный процесс не сможет привести к направленным изменениям в генофонде.
Кроме того, определённая роль в нарушении генетического равновесия популяций принадлежит комбинативной изменчивости, которая возникает в результате кроссинговера и независимого распределения хромосом на стадии мейоза, а также случайного скрещивания особей; эти процессы часто называют половой рекомбинацией. В результате появляются новые генотипы, которые формируются через взаимодействие различных мутаций и аллелей.
Поток генов, заключающийся в обмене генетическим материалом между популяциями одного и того же вида через миграцию особей, также является важным источником генетического разнообразия. При скрещивании генотипы потомства меняются по сравнению с родительскими, так как генетический материал мигрантов включает в себя новые аллели.
Размеры популяций, как в пространственном, так и в количественном плане, подвержены постоянным изменениям. Причины этих колебаний разнообразны и в целом связаны с воздействием как биотических, так и абиотических факторов, таких как наличие пищи, численность хищников, конкурентов, патогенных микроорганизмов, климатические условия и т. д.
Например, рост численности зайцев (корм) может в дальнейшем привести к увеличению популяции волков и рысей, которые на них охотятся; высокая урожайность шишек сосны в теплом сухом климате положительно сказывается на количестве белок. Колебания в численности популяций наблюдаются периодически: после нарастания их численности следует закономерный спад. Эти колебания С. С. Четвериков в 1905 году назвал «волнами жизни» или «популяционными волнами».
Волны жизни влияют на изменение генетической структуры популяций. С увеличением численности возрастает вероятность появления новых мутаций и их комбинаций. Например, если в среднем одна мутация возникает на 100 000 особей, при увеличении популяции в 10 раз количество мутаций Вырастет в 10 раз.
После снижения численности оставшаяся часть особей будет значительно отличаться по генетическому составу от первоначальной популяции: некоторые мутации могут исчезнуть вместе с гибелью индивидов, которые их несли, тогда как другие могут, напротив, стать более распространёнными. При последующем увеличении численности генофонд популяции изменится, так как возрастёт число особей с мутациями. Следовательно, популяционные волны не вызывают наследственной изменчивости, но способствуют изменению частоты мутаций и их рекомбинаций, изменяя тем самым частоты аллелей и генотипов. Таким образом, популяционные волны являются фактором, который обеспечивает материал для эволюции.
Дополнительно на генетическую структуру популяций может оказывать влияние дрейф генов. Он касается малочисленных изолированных популяций, в которых могут отсутствовать некоторые аллели, характерные для данного вида.
Случайные события, такие как преждевременная смерть особи, обладающей редким аллелем, могут привести к исчезновению этого аллеля в популяции, впоследствии заменяясь более распространённым вариантом. Это случайное изменение концентрации аллелей носит название дрейфа генов, открытого С. Райтом и Р. Фишером, а также независимо советскими учеными Н. П. Дубиным и Д. Д. Ромашовым, которые описали это явление как генетико-автоматические процессы.
Дрейф генов может способствовать дальнейшему обеднению генофонда малой популяции, в результате чего происходит её гомозиготация. Важно отметить, что изменения в генофонде не обладают адаптивной ценностью. Потерянные аллели могут иметь такую же или даже более высокую приспособительную ценность, чем преобладающие в популяции аллели, поскольку исчезновение первых зачастую связано не с селекцией, а с случайной гибелью индивидуумов. Случайная смерть особей может происходить по самым различным причинам (хищники, болезни, абиотические факторы), но в больших популяциях такие ситуации имеют менее значительное влияние, поскольку в целом более приспособленные особи имеют больше шансов выжить и оставить потомство.
В маленьких популяциях фактор случайности приобретает основное значение. В данном случае наилучшие шансы на сохранение имеют изначально более многочисленные аллели, независимо от их адаптивной ценности.
Таким образом, действия случайных факторов могут значительно обеднить и изменять генофонд малой изолированной популяции по сравнению с её исходным состоянием, что в конечном итоге может привести к возникновению жизнеспособной популяции со специфическим генофондом. Дрейф генов, тем не менее, непредсказуем и может увести небольшую популяцию к вымиранию либо, наоборот, улучшить её адаптацию к окружающей среде.
В итоге, генетическое разнообразие в популяциях складывается благодаря взаимодействию мутаций, их комбинаций, влияния волн жизни, генетическому потоку и дрейфу генов.
Дрейф генов и изоляция
Дрейф генов обозначает случайные изменения в концентрации аллелей в популяции. Этот процесс происходит на фоне популяционных волн и может выражаться в случайной утрате или увеличении частоты аллелей в малых популяциях, росте гомозиготности и снижении жизнеспособности популяций.
Дрейф генов носит непредсказуемый характер: небольшая популяция может исчезнуть из-за него, или, напротив, адаптироваться и стать более жизнеспособной относительно родительской популяции.
Изоляция популяции возникает в результате появления барьеров, препятствующих свободному скрещиванию. Изолированные группы особей и популяции могут эволюционировать автономно, что в конечном итоге может привести к образованию новых видов.
Существует два типа изоляции: географическая и биологическая.
Географическая изоляция связана с изменениями в природных условиях, такими как образование гор, разломов земной коры, водных преград и лесных полос. Она играет критическую роль в расселении организмов, дробя популяции на меньшие группы и нарушая обмен генами между ними. Особенно существенное влияние географическая изоляция оказывает на виды с низкой подвижностью, такие как растения и некоторые животные, включая улиток, аистов и ласточек.
Отдельным вариантом географической изоляции является ситуация, при которой вид охватывает обширный ареал, а отдельные особи в популяциях не могут скрещиваться из-за большой удаленности между ними (например, соболь).
Биологическая (репродуктивная) изоляция формируется из-за различий между особями, препятствующих спариванию внутри одной территории. Существует несколько видов биологической изоляции.
Экологическая изоляция проявляется в том, что потенциальные партнеры не могут встретиться и скреститься из-за различий в местах обитания или в разные сроки наступления половой зрелости.
Морфологическая изоляция связана с низкой вероятностью успешного спаривания из-за различий в анатомии и функционировании половых органов. Примеры могут включать значительные различия в размерах, несовпадения в структуре репродуктивных органов.
Поведенческая изоляция основывается на сложных поведенческих механизмах, способствующих спариванию животных. Эти механизмы могут давать сбои при изменениях в выделяемых запахах, брачных песнях или ритуалах ухаживания.
Генетическая изоляция проявляется при изменении генотипов, изменении количества или формы хромосом у близких видов, что снижает вероятность образования жизнеспособного потомства. В случае возникновения гибридов их воспроизводство может быть нарушено, что приводит к бесплодию.
Когда отдельные популяции вида долго живут в условиях географической разобщенности, у них возникает вероятность появления значительных различий, генетической несовместимости и, в конечном итоге, формированию новых видов.
Биологическая изоляция имеет свою специфику, проистекающую из того, что она может происходить внутри одной территории среди групп особей, обладающих различиями в поведении, морфологии и других признаках, затрудняющих процесс спаривания.
Популяция и её значение в процессах эволюции. Эволюционные факторы
Изоляция, выступая в качестве эволюционного фактора, не формирует новые генотипы или отличающиеся формы внутри одного вида. Её первостепенная функция заключается в фиксации и углублении ранних этапов генетической вариативности. Следует отметить, что воздействие изоляции, как и многих других факторов, не является целенаправленным.
Мы выяснили, что мутации, миграции, генетический дрейф и популяционные колебания, а также изоляция — это случайные факторы эволюционного процесса. В природе они функционируют в комплексе, и влияние каждого из них на отдельные популяции и виды может меняться в зависимости от обстоятельств. Эти факторы служат причиной генетической неоднородности в популяциях.
Единственное направленное влияние на эволюцию осуществляется естественным отбором, который ориентирован на выживание наиболее адаптированных особей и на образование новых видов.
Исходя из представленного, мы можем выделить причины изменений в генофонде (совокупности генотипов внутри популяции или вида).
- Направленные — влияние естественного отбора, который способствует увеличению частоты «полезных генов».
- Ненаправленные — мутации, изоляция, дрейф генов, миграция, волны популяций.
Изменение генофонда — серьезная угроза для живых организмов
Многие знакомы с концепцией «эффекта бабочки». Этот термин символизирует взаимосвязанность всех биологических видов и подчеркивает, что любое изменение в генофонде оказывает влияние на всю экосистему. Например, травоядные животные помогают контролировать распространение растительности, поддерживая видовое разнообразие флоры, а хищники регулируют численность своих жертв, очищая популяции от ослабленных и больных особей.
Кандидат биологических наук Мария Орлова подчеркивает, что так называемые «вредители» играют значимую роль в сохранении экологического баланса. Паразиты, например, могут регулировать размножение ракообразных или защищать свою территорию от других видов, использующих аналогичные ресурсы. Специалисты по дикой природе долго не могли понять причины высокой смертности и снижения репродуктивных способностей среди животных, перемещенных в новые места. Оказалось, что иммунная система местных популяций адаптируется к паразитам, в то время как для вновь прибывших видов они становятся патогенными.
Систематическая борьба с вредителями обычно не приводит к их полному искоренению. Однако гены, оставшиеся у выживших особей, уже изменены из-за применения химических средств против паразитов. Исследование, проведенное учеными из Сиднейского и Квинслендского университетов, а также китайской Академии сельскохозяйственных наук, показало, что общая популяция насекомых сокращается с ужасной скоростью — на 2,5% в год. При продолжении таких темпов, через 100 лет насекомые могут исчезнуть, что повлечет за собой гибель многих растений, рептилий, амфибий и птиц. Оставшиеся птицы начнут нападать друг на друга, подобные случаи уже были зафиксированы в Австралии.
Некоторые популяции могут не вызывать беспокойства даже при измененном генофонде. Тем не менее, исследования показывают, что виды, хорошо адаптирующиеся к новым условиям, становятся наиболее опасными носителями заболеваний и вытесняют других представителей фауны.
Как и почему жизненные формы исчезают на планете
Предпосылки и движущие силы эволюционных процессов с точки зрения синтетической теории
Исходя из имеющихся данных, в стабильных условиях частота аллелей в генофонде популяции остается неизменной из поколения в поколение. В условиях генетического равновесия популяция не претерпевает эволюционных изменений.
Таким образом, для того чтобы эволюционные процессы происходили, необходимы факторы, которые обеспечивают эволюционный материал, т.е. факторы, приводящие к генетической вариабельности в популяции. К таким факторам относятся мутации, комбинативная изменчивость, поток генов, циклические колебания численности популяций (популяционные волны) и дрейф генов. Несмотря на различия, все эти факторы действуют случайным образом и не имеют направленности, в результате чего возникает разнообразие генотипов.
Основным источником новых аллелей в популяциях являются генетические мутации. Их частота возникновения довольно низка: от 1 * 10-6 до 1 * 10-5 (одна мутация на 10 тысяч — 1 миллион особей [гамет] в поколении). Тем не менее, учитывая количество генов (у высших организмов их может быть десятки тысяч), общая частота мутаций у живых существ оказывается достаточно высокой.
У некоторых видов от 10 до 25% особей (гамет) на одно поколение могут иметь мутации. Чаще всего новые мутации негативно сказываются на жизнеспособности особей по сравнению с родительскими формами.
Тем не менее, переход в гетерозиготное состояние может не только сохранить жизнеспособность особей, несущих мутации, но даже повысить её (в результате инбридинга и последующего гетерозиса при скрещивании инбредных линий). Некоторые мутации могут быть нейтральными, а небольшая доля даже с самого начала способствует повышению жизнеспособности в определённых условиях.
Несмотря на их малую долю, такие мутации могут оказывать значительное влияние на эволюционный процесс в больших временных масштабах. Важно отметить, что мутации сами по себе не обеспечивают эволюционного развития популяции или вида. Они представляют собой лишь ресурс для эволюции. Без участия прочих эволюционных факторов мутационный процесс не может эффективно изменять генофонд популяции.
Комбинативная изменчивость Вносит свой вклад в нарушение генетического равновесия. Возникшие мутации могут соседствовать и сочетаться с другими мутациями, порождая новые генотипы и сочетания аллелей.
Поток генов, или обмен генетической информации между различными популяциями одного вида, следует считать важным источником генетического разнообразия. Он возникает вследствие миграции индивидов между популяциями. Гены мигрирующих особей включаются в генофонд популяции, в результате чего потомство получает генотипы, отличающиеся от родительских. Это ведет к перекомбинации генов на межпопуляционном уровне.
Размеры популяций, как в пространственном, так и в числовом выражении, подвержены постоянным изменениям. Эти колебания обусловлены разнообразными причинами и могут быть связаны как с биотическими, так и абиотическими факторами (предоставлением пищи, численностью хищников, конкуренции, распространением инфекционных заболеваний, климатическими условиями и прочими аспектами). Например, увеличение численности зайцев (пищи) влечет за собой рост популяции волков и рысей, а высокие урожаи шишек ели в мягкое лето положительно сказываются на численности белок. Колебания численности популяций в природе имеют периодический характер: после роста численности идет предсказуемое снижение и наоборот. Такие колебания С. С. Четвериков (1905) назвал «волнами жизни» или «популяционными волнами».
Волны жизни влияют на генетическую структуру популяций. С увеличением численности популяции растет вероятность появления новых мутаций и их комбинаций. К примеру, если в случае одной мутации на 100 тысяч особей, то при увеличении размера популяции в десять раз число мутаций вырастет в десять раз.
По окончании сокращения численности оставшиеся особи будут значительно отличаться генетически от ранее многочисленной популяции: некоторые мутации могут исчезнуть вместе с гибелью их носителей, тогда как другие могут случайно увеличиться в числе. В процессе последующего роста популяции генофонд будет варьироваться, так как увеличится доля особей с мутациями. Таким образом, популяционные волны не вызывают наследственной изменчивости, но способствуют изменению частоты мутаций и их рекомбинаций, а следовательно, и частот аллелей и генотипов в популяции. Таким образом, популяционные волны представляют собой фактор, способствующий эволюции.
На генетическую структуру популяции Влияют дрейф генов. Этот процесс характерен для малочисленных популяций, где не все аллели, присущие данному виду, могут быть представлены. Случайные события, такие как преждевременная смерть особи, обладающей уникальным аллелем, могут привести к его исчезновению из популяции. Однако исчезновение аллеля возможно и в результате изменения его частоты. Этот случайный сдвиг концентрации аллелей в популяции и есть результат дрейфа генов.
Дрейф генов непредсказуем. Он может привести маленькую популяцию к гибели, но в то же время может усиливать её адаптацию к среде или углублять дивергенцию от исходной популяции.
Таким образом, генетическое разнообразие в популяциях формируется под воздействием мутаций, их комбинаций, волн жизни, потока генов и дрейфа генов.
Источник: Н. А. Лемеза, Л. В. Камлюк, Н. Д. Лисов «Пособие по биологии для поступающих в ВУЗы»
Популяция и её значение в эволюции
Таким образом, популяция представляет собой совокупность особей одного вида, которые длительное время об inhabit определённую территорию (ареал), свободно скрещиваются между собой и остаются изолированными от других групп.
Популяция рассматривается как базовая элементарная единица эволюции. Почему именно она, а не вид, род или индивидуум? Ответ заключается в том, что популяция является наименьшей группой особей, способной к эволюционному развитию.
Одиночный организм не может считаться самостоятельной единицей в эволюции, поскольку эволюционные изменения происходят исключительно в рамках популяций. Аналогично, вид не является элементарной единицей – он обычно включает несколько различных групп, каждая из которых может претерпевать уникальные изменения, отличные от изменений в других группах.
Микроэволюция охватывает эволюционные процессы, которые развиваются на уровне популяций, ведя к накоплению уникальных генетических черт и потенциально приводя к образованию нового вида.
Каковы ключевые элементы микроэволюционных изменений? Ты уже, наверное, догадываешься! Это генофонд – набор генотипов всех особей в популяции.
Генофонд претерпевает изменения под влиянием различных факторов, которые называются факторами эволюции. К ним относятся:
- наследственная изменчивость;
- борьба за выживание;
Механизм естественного отбора и циклы жизни
Естественный отбор представляет собой ключевой процесс эволюции, в ходе которого выживают и размножаются только наиболее адаптированные к окружающей среде организмы. Этот феномен был впервые изложен Чарльзом Дарвином и продолжает оставаться центральной концепцией в естественных науках.
Ключевые аспекты механизма естественного отбора
- Разнообразие: В пределах одного вида наблюдается значительное количество вариаций особей.
- Наследственность: Характерные признаки, способствующие успешному выживанию, передаются от родителей к потомству.
- Избыточное воспроизводство: Многие организмы производят потомства в количествах, превышающих возможности их выживания.
- Соперничество: Ограничесенные ресурсы вызывают конкуренцию за существование.
Циклы жизни
Циклы жизни — это идея, иллюстрирующая периодические изменения в экосистемах и процессах эволюции. Эти циклы демонстрируют, как действия живых существ влияют на свое окружение и как экосистемы реагируют на эти изменения.
Фазы циклов жизни
- Формирование экосистемы.
- Разнообразие видов и их адаптационные преобразования.
- Достижение состояния равновесия.
- Изменения в условиях окружающей среды и новые испытания.
- Адаптация или исчезновение.
Механизм естественного отбора и циклы жизни играют значительную роль в понимании взаимодействия организмов с окружающей средой и друг с другом. Исследование этих процессов позволяет глубже осознать механизмы эволюции и богатство жизни на нашей планете.
Дрейф генов и изоляционная практика
Дрейф генов и изоляция представляют собой два основных механизма эволюции, оказывающих влияние на генетическую структуру популяций. Изучение этих процессов помогает глубже понять, как организмы адаптируются к условиям своего существования и как формируется биологическое разнообразие.
Дрейф генов
Дрейф генов подразумевает случайные изменения в частоте аллелей в популяции, вызванные случайными событиями, что особенно ощутимо в небольших группах. Этот феномен может привести как к увеличению, так и к снижению генетического разнообразия, а в некоторых случаях даже к исчезновению определенных аллелей.
- Влияние на небольшие группы.
- Экологические факторы и изменения в среде обитания.
Примером служит ситуация после природной катастрофы, в результате которой некоторые аллели могут исчезать из-за случайного отбора, независимо от их адаптивных преимуществ.
Изоляция
Изоляция может быть как временной, так и постоянной, и чаще всего возникает из-за географических барьеров, таких как горы или реки, а также под воздействием экологических факторов. Она приводит к образованию новых видов через процессы, известные как симпатрическая и аллопатрическая спецификации.
- Географическая изоляция.
- Экологическая изоляция.
- Темпоральная изоляция.
В результате изоляции популяции начинают развивать уникальные генетические характеристики, которые со временем могут привести к возникновению новых видов.
Взаимодействие дрейфа генов и изоляции имеет решающее значение в процессах эволюции. Эти механизмы помогают понять, как генетическое разнообразие изменяется со временем и как новые виды возникают в ответ на изменения в окружающей среде.
Миграция
Миграция представляет собой значимый процесс, затрагивающий различные области человеческой жизни, экономики и окружающей среды. В данной статье мы рассмотрим ключевые причины миграции, а также её влияние на общества и государства.
Причины миграции
- Экономические факторы: стремление найти лучшие условия работы и более высокие доходы.
- Социальные аспекты: необходимость воссоединения с родными, получение образования и доступ к медицинским услугам.
- Политические причины: конфликты, войны и репрессии.
- Экологические изменения: климатические колебания и природные стихийные бедствия, заставляющие людей покидать свои родные места.
Влияние миграции
Миграция оказывает заметное воздействие на множество сфер жизни. Рассмотрим как положительные, так и негативные эффекты.
Положительные эффекты
- Экономическое развитие: мигранты могут заполнять недостаток рабочей силы и способствовать увеличению валового внутреннего продукта.
- Культурное обогащение: миграция вносит разнообразие в идеи, традиции и культурные практики.
- Рост демографического разнообразия: способствует формированию более инклюзивных обществ.
Негативные эффекты
- Социальные напряжения: миграция может приводить к конфликтам между различными этническими и культурными группами.
- Сложности интеграции: мигранты часто сталкиваются с барьерами при адаптации к новым условиям жизни.
- Нагрузка на инфраструктуру: рост населения может создать дополнительные проблемы для социальных служб и инфраструктуры.
Миграция — это явление, обладающее множеством аспектов, затрагивающих как общество, так и экономику. Понимание причин и последствий миграции является необходимым для разработки эффективной политики и программ, способствующих гармоничному сосуществованию мигрантов и местного населения.