Сохранение в процессе эволюции особей с полезными
Естественный отбор — это процесс отбора генотипов особей, наиболее приспособленных к данным условиям среды, и устранения генотипов особей, менее приспособленных к данным условиям.
Более приспособленные к данным условиям среды особи оставляют больше потомков, чем менее приспособленные.
Естественный отбор является движущей силой эволюции.
Приспособленность к конкретным условиям существования формируется только благодаря действию естественного отбора.
Естественный отбор является следствием борьбы за существование.
Более приспособленные к данным условиям среды особи чаще выживают и оставляют больше потомков, чем менее приспособленные.
Естественный отбор имеет два аспекта:
отбор на выживание: различное выживание особей с разными генотипами и фенотипами;
репродуктивный отбор (половой отбор): возможное участие данной особи в размножении.
Эти два аспекта отбора могут не совпадать, например стерильный гибрид может обладать повышенной жизнеспособностью.
Естественный отбор — направляющая сила эволюционного процесса.
Естественный отбор обеспечивает приспособление живых организмов к постоянно меняющимся условиям внешней среды. Все живые организмы из поколения в поколение проходят суровую проверку по всем мельчайшим деталям их строения, функционирования всех их систем в разнообразных условиях. Эта проверка и есть борьба за существование. Только те, кто выдержал эту проверку, оказываются отобранными и дают начало следующему поколению.
Факторы, влияющие на эффективность естественного отбора
интенсивность отбора (доля особей, доживших до половой зрелости и участвующих в размножении). Чем меньше эта доля, тем больше интенсивность отбора. Если, например, из 10 000 особей в каждом поколении выживают и размножаются только 100 самых крупных, то средний размер особей в этой популяции растет гораздо быстрее, чем в случае более мягкого отбора, когда, например, половина всех особей в популяции участвует в размножении. Интенсивность отбора варьирует в широких пределах в зависимости от вида и экологической ситуации. Однако она никогда не бывает нулевой;
изменчивость (количество разновидностей аллелей в популяции (аллели — материал для отбора)). Если все особи в популяции совершенно одинаковы, то даже в условиях жесткой борьбы за существование все они имеют равные шансы уцелеть или погибнуть. Жизнь и размножение каждой такой особи зависит от случая. Из поколения в поколение генетический состав этой популяции будет оставаться неизменным.
Важнейшим свойством естественного отбора является его способность накапливать и совмещать полезные аллели. Отбор действует в каждом поколении, и в каждом поколении он начинается не с «чистого листа», а с того состояния популяции, в которое она была приведена в результате предыдущего цикла отбора.
Если в какой-то популяции из года в год высокие растения получают преимущество в выживании и размножении, то поколение за поколением в этой популяции растет количество высоких особей и увеличивается средний размер особей.
Результаты действия естественного отбора аккумулируются, накапливаются из поколения в поколение. Все новые и новые аллели возникают в популяции за счет мутационного процесса. Каждая мутация случайна, но ее носители регулярно отбираются и размножаются в популяции, если она хоть чуть-чуть повышает приспособленность ее носителей.
Например, если критерием приспособленности в данной популяции является высота растения, то отбор подхватывает все аллели, которые тем или иным способом работают на этот признак — увеличивают скорость роста, эффективность использования солнечного света, воды и других ресурсов.
Способностью отбора накапливать и совмещать полезные аллели и удалять вредные обусловлена и постепенность эволюции, и возникновение изумительно сложных органов, форм и функций. Самые сложные приспособления в строении, функциях и поведении живых организмов сформировались постепенно путем систематического отбора случайно возникающих мутаций. Объектами отбора всегда являются отдельные особи (точнее, их гены, сохраняющиеся в ряду поколений), а не популяции и не виды. Ни одно приспособление, сколь угодно полезное для вида, не сможет быть подхвачено естественным отбором и распространиться в популяции, если оно вредно для конкретных особей и для воспроизведения их генов. При этом альтруистическое поведение чаще всего проявляется в отношении родственных организмов, что объясняется наличием у родственников общих генов (например, половина ваших генов — общая с каждым из родителей).
Формы естественного отбора
стабилизирующий отбор — форма естественного отбора, при котором действие направлено против особей, имеющих крайние отклонения от средней нормы, в пользу особей со средней выраженностью признака.
Происходит при постоянных условиях окружающей среды.
Понятие стабилизирующего отбора ввел в науку и проанализировал И. И. Шмальгаузен.
Примеры:
сохранение особей со средней плодовитостью. Чем больше птенцов или детенышей в гнезде, тем труднее их выкормить, тем каждый из них меньше и слабее. Малое количество птенцов ведет к уменьшению количества потомков с родительскими признаками. В результате наиболее приспособленными оказываются особи со средней плодовитостью;
выживание детенышей со средним весом. У млекопитающих новорожденные с очень низким и очень высоким весом чаще погибают при рождении или в первые недели жизни, чем новорожденные со средним весом;
сохранение реликтовых видов: латимерии, галапагосских черепах, гаттерии и др.
движущий отбор — форма естественного отбора, благоприятствующая только одному направлению изменений признака и не поддерживающая все остальные.
В результате в популяции от поколения к поколению происходит сдвиг средней величины признака в определенном направлении.
Движущий отбор осуществляется при изменении окружающей среды или при приспособлении к новым условиям при расширении ареала. Он сохраняет наследственные изменения в определенном направлении, перемещая соответственно и норму реакции.
Примеры:
«Индустриальный меланизм английских бабочек»: резкое повышение доли меланистических (имеющих темную окраску) особей в тех популяциях бабочек, которые обитают в промышленных районах. Из-за промышленного воздействия стволы деревьев значительно потемнели, а также погибли светлые лишайники, из-за чего светлые бабочки стали лучше видны для птиц. В XX в. в ряде районов доля темноокрашенных бабочек достигла 95 %, в то время как впервые темная бабочка была отловлена в 1848 г.
В природе процесс идет медленно: у позвоночных — около полумиллиона лет.
Искусственный отбор является, по сути, ускоренным движущим отбором. Чтобы вывести новую породу кур, требуется 3 — 6 лет, а чтобы получить расу (форму) насекомых, устойчивых к ядохимикатам, достаточно обработать поле и среди массы погибших насекомых найти единицы выживших. От них и возьмет свое начало новая форма.
Провеивая семена культурных злаков, человек отделял семена сорняка погремка большого, у которых было крыло. В результате изменчивости на полях остались сорняки с бескрылыми семенами, т. к. их отвеять было невозможно, они оставались в семенном материале и размножались в посев.
дизруптивный (разрывающий) отбор — форма естественного отбора, благоприятствующая двум или нескольким направлениям изменчивости, но не благоприятствующая промежуточному состоянию признака.
При действии дизруптивного отбора внутри популяции возникает полиморфизм — несколько отчетливо различающихся фенотипических форм. При снижении возможности скрещивания между такими популяциями в результате изоляции друг от друга происходит их дальнейшая дивергенция (расхождение признаков), вплоть до обособления в качестве новых видов.
Иногда дизруптивный отбор рассматривают как частный случай движущего отбора, поскольку обе эти формы отбора приводят к изменению фенотипического облика популяций в противоположность стабилизирующему отбору.
Примеры.
Мальки окуней питаются мальками других видов рыб. При отсутствии корма, необходимого для подрастающей молоди, в популяции окуней могут сохраниться только «карлики» (особи с резко замедленным ростом, которые длительное время могут питаться планктонными ракообразными) и «гиганты» (особи, способные уже к концу первого года жизни питаться мальками окуней своего же поколения). При такой ситуации в водоеме в течение ряда лет в результате дизруптивного отбора возможно формирование двух рас окуней — «гигантов» и «карликов».
Примером дизруптивного отбора является образование двух рас у погремка большого на сенокосных лугах. В нормальных условиях сроки цветения и созревания семян у этого растения покрывают все лето. Но на сенокосных лугах семена дают преимущественно те растения, которые успевают отцвести и созреть либо до периода покоса, либо цветут в конце лета, после покоса. В результате образуются две расы погремка — ранне- и позднецветущая.
Источник
Следует выделить четыре основных фактора эволюции: мутационный процесс, изоляция, популяционные волны (и дрейф генов),
а также единственный направленный фактор эволюции — естественный отбор.
Мутационный процесс
Мутации (лат. mutatio — изменение) — стойкое изменение генома (наследственного материала), которое может быть унаследовано
потомками организма. Процесс возникновения мутаций — мутагенез.
Мутации подразделяются на:
- Генные
- Хромосомные
- Геномные
Большинство мутаций возникает спонтанно и вредит организму. Часть мутаций являются рецессивными, поэтому не проявляются
и передаются многим поколениям, накапливаясь в генофонде популяции.
Мутации напоминают колоду карт: неизвестно, что выпадет — чаще всего это карты невысокого ранга, козыри — большая удача. Так
и мутации, большинство из них вредные, приводят к развитию опухолей. Полезные встречаются гораздо реже. Как игра в карты,
все подчиняется случайности.
Популяционные волны
Все виды подвергаются воздействию периодически возникающих популяционных волн — уменьшению или увеличению численности особей.
Популяционные волны могут возникать по ряду причин:
- Сезонные изменения, периодические изменения какого-либо значимого фактора среды
- Непериодические изменения, например, в результате природных катастроф, изменение численности популяций хищник-жертва
- Заселение новых территорий, ярким примером которого является бурный рост численности кроликов, завезенных в Австралию
Колебание численности популяций по типу «хищник — жертва» является классическим примером популяционных волн. Представим себе
популяцию зайцев (жертв), которая бурно увеличилась в численности. Зайцами питаются лисица, волк (хищники). С увеличением
их кормовой базы (зайцев) наблюдается и рост численности хищников, которые поедают зайцев, вследствие чего численность зайцев
снижается. С уменьшением кормовой базы, снижается и число хищников. Так в природе устанавливается баланс между хищниками и
жертвами.
Особенно весомым фактором эволюции популяционные волны выступают в небольших популяциях. Их участие в эволюционном процессе
основано на явлении дрейфа генов.
Форма гена — аллель, с которым вы подробнее познакомитесь в ходе изучения генетики, встречается в популяции с определенной
частотой. Дрейф генов — изменение частоты встречаемости аллельных вариантов генов.
Дрейф генов обусловлен случайными причинами: у особей образуются гаметы, несущие различные формы аллельных генов. Не все
из гамет принимают участие в процессе оплодотворения: здесь вновь руководит случайность. Вследствие этого одни аллельные
формы генов могут встречаться в популяции часто, другие — редко.
Если представить, что часть особей, составляющих одну популяцию, погибли по тем или иным причинам, то редкие гены в оставшихся
особях могут увеличить свою частоту, то есть в результате размножения оставшихся особей редкие гены начнут встречаться более часто
— это и есть дрейф генов.
В закрытых популяциях не только животных, но и людей — в религиозных общинах, происходит возрастание гомозиготности популяции,
что приводит к снижению ее жизнеспособности и проявлению редких аллелей.
Такое повышение встречаемости аллелей возникает в результате
близкородственных браков: проявляются редкие гены, которые часто приводят к заболеваниям.
Изоляция
Изоляцией называют невозможность или затруднение свободного скрещивания между особями одного вида. Вследствие этого, генофонды
двух популяций становятся независимыми друг от друга. Внутри каждой популяции происходит генотипическая дифференцировка из-за
их разобщенности.
Популяции приобретают все больше различий, и в результате действия естественного отбора из этих популяций могут образоваться
различные новые виды. Выделяется два вида изоляции:
- Географическая (пространственная)
- Биологическая (экологическая, временная)
- Экологическая — особи обитают на одной территории, но в различных местах обитания (к примеру, разделены друг от
друга непроходимой чащей) - Временная — изоляция вследствие разновременности половой активности, периода цветения
- Этологическая — изоляция вследствие различного брачного поведения
- Механическая — отличия в строении половых органов, невозможность спаривания
Географическая (греч. geo — земля) изоляция может возникать вследствие географических барьеров — пустыни, горы, водоемы.
Естественный отбор
Изученные нами факторы эволюции: мутации, популяционные волны и дрейф генов, изоляция — все они носят случайный, ненаправленный
характер. Они приводят к появлению различных признаков у отдельных особей, которые могут быть как полезны, нейтральны, так и вредны для
особи.
Таким образом, перечисленные факторы создают основу, «базу» для действия единственного направленного фактора эволюции — естественного
отбора. В ходе естественного отбора особи с полезными признаками, которые помогают им приспособиться к условиям внешней среды и
способствуют выживанию, остаются и размножаются, а особи без этих признаков выживают реже и не продолжают род.
Закон естественного отбора безапелляционно провозглашает: будь приспособлен — или умри. Выживает в природе не самый сильный,
а самый приспособленный. Иногда выжить животным помогает и сила, но гораздо больше других примеров. Многие животные сливаются
с окружающей средой: приобретают покровительственную окраску (мимикрию), которая делает их незаметными.
Иногда безобидные животные, в результате приспособления к внешней среде, приобретают окраску тела, напоминающую окраску опасных
хищных животных. Примером может послужить внешнее сходство мухи из семейства журчалок с осой.
Многие хорошо защищенные, ядовитые виды в ходе естественного отбора получили яркую, так называемую предупреждающую окраску.
Эта окраска предупреждает хищников об опасности. Если хищник съест такое ядовитое животное, то рискует получить тяжелую
интоксикацию и погибнуть.
Теперь вы понимаете, что признаки животных — различные формы их тела и окраска — являются приспособлениями к условиям внешней среды,
это — полезные признаки, которые в ходе естественного отбора позволили животным выжить и размножиться. Таким образом, естественный
отбор это отбор особей, с наиболее приспособленным к среде фенотипом.
Необходимо осознавать относительность приспособленности к окружающей среде. Она помогает выживать лишь при определенных условиях, и,
если условия меняются, то окраска может оказаться вовсе не полезной, но даже и вредной. К примеру, при таянии снега заяц-беляк становится
еще более заметен на голой земле.
Действие естественного отбора обусловлено несколькими факторами:
- Генетическое разнообразие особей, на основе которого возникают различные признаки
- Способность к неограниченному размножению (избыточность потомства)
- Борьба за существование
Если первые два фактора очевидны, то третий нуждается в более детальном рассмотрении. Чарльз Дарвин выделял несколько
форм борьбы за существование:
- Внутривидовая борьба
- Межвидовая борьба
- Борьба с неблагоприятными условиями окружающей среды
Самая ожесточенная борьба. Происходит между особями, принадлежащими к одному виду. Благодаря внутривидовой
борьбе происходит половой отбор: к размножению редко допускаются неприспособленные особи, род продолжают
лучшие из лучших.
Возникает между особями, которые принадлежат к разным видам. Более приспособленный к условиям среды вид побеждает и размножается, менее приспособленный — проигрывает и вымирает. Примером могут послужить формы взаимодействий: хозяин-паразит,
хищник-жертва, симбиоз.
В изменяющихся условиях внешней среды выживают наиболее приспособленные особи. Примером такой борьбы являются
сезонные миграции птиц, зимняя спячка у животных.
Формы естественного отбора
Различают несколько форм отбора:
- Стабилизирующий
- C узкой нормой реакции — цвет глаз, число пальцев у человека, окраска цветов растения
- C широкой нормой реакции — рост и вес человека, размеры листьев растения
- Движущий
- Дизруптивный (лат. disruptus — разорванный)
Открыт И.И. Шмальгаузеном. Стабилизирующий отбор приводит к сужению нормы реакции, устраняя отклонения от нее. В результате
преимущество получают особи, обладающие средней степенью признака, который характерен для вида или популяции. Этот отбор
действует при стабильных (неизменных) условиях среды.
Примером действия стабилизирующего отбора может послужить буря: во время бури чаще всего выживают птицы со средней длиной крыла, тогда как особи
с слишком короткими, или слишком длинными крыльями погибают.
Новый термин, который вы увидели — норма реакции — подразумевает способность генотипа, в зависимости от условий
среды, формировать различные фенотипы.
Чем шире норма реакции, тем более интенсивное влияние оказывает среда на признак. Признаки подразделяются на:
Движущий естественный отбор приводит к смещению нормы реакции, в результате чего изменяется среднее значение признака. Этот вид
отбора действует при изменяющихся условиях среды.
Известным примером является индустриальный меланизм — возникновение меланистических форм животных (греч. melanos — чёрный),
отличающихся темным окрасом. Это явление началось в Англии со второй половины XIX века вследствие бурного развития промышленности.
Из-за копоти, оседающей на поверхности стволов деревьев, бабочки со светлой окраской — берёзовые пяденицы — стали заметны
на стволах деревьев и легко поедались птицами. В результате остались только приспособленные — бабочки с темным окрасом,
которые были незаметны на стволах деревьев, вследствие чего они выживали и размножались.
Направлен на сохранение в популяции крайних значений признаков, не благоприятствует среднему промежуточному значению
признака. В результате в популяции сохраняется более чем одно значение признака.
Типичным примером является появление в луговых сообществах раноцветущих и поздноцветущих растений. В результате летних покосов, особи
со средним значением признака, у которых цветение приходит на середину лета, постепенно исчезают из популяции растений. Выживают
и размножаются только те растения, у которых цветение происходит до или после покосов.
© Беллевич Юрий Сергеевич 2018-2020
Данная статья написана Беллевичем Юрием Сергеевичем и является его интеллектуальной собственностью. Копирование, распространение
(в том числе путем копирования на другие сайты и ресурсы в Интернете) или любое иное использование информации и объектов
без предварительного согласия правообладателя преследуется по закону. Для получения материалов статьи и разрешения их использования,
обратитесь, пожалуйста, к Беллевичу Юрию.
Источник