Какую роль играют в эволюции дрейф генов и популяционные волны кратко
Обновлено: 05.07.2024
Эволюция представляет собой процесс глобального масштаба, в ходе которого происходят видоизменения живой природы.
Важно отметить, что речь идет о всех изменениях в биосфере, которые произошли за время, пока наша планета существует. Эволюционные изменения связаны со множеством факторов.
К факторам эволюции относят:
- изменчивость;
- наследственность;
- естественный отбор;
- изоляцию;
- дрейф генов;
- борьбу за существование;
- адаптации;
- мутации;
- популяционные волны.
Поскольку все факторы разные, то они также по-разному оказывают влияние на эволюционный процесс. Тем не менее отрицать вообще существование эволюционного процесса бессмысленно.
Роль эволюционных факторов в видообразовании
Пройдемся по каждому из факторов.
Первый фактор — наследственность. Под ней подразумевают способность организма из поколения в поколение передавать комплекс свойств организма. Как правило, эти свойства касаются обмена веществ и прочих оригинальных особенностей каждого отдельного организма.
Наследственность реализуется путем самовоспроизведения отдельных единиц генов, которые накапливаются в ядрах клеток. Гены несут ответственность за постоянство генетического набора и видового многообразия.
Изменчивость — противоположность наследственности. Она находит проявление в способности организма накапливать комплекс признаков и свойств, которые не зависят от родительских особей.
Изменчивость может быть:
- наследственной или являющейся результатом мутаций;
- ненаследственной, которая возникает за счет факторов внешней среды.
Борьба за существование — то, что задает специфику взаимоотношений между живыми организмами в ходе воздействия на них разнообразных факторов окружающей среды. Проигрывающие в борьбе за существование организмы гибнут. Выжившие организмы — это максимально приспособленные к существованию организмы.
Есть несколько вариантов борьбы за существование:
- борьба с неблагоприятными условиями. Она оказывает довольно существенное влияние в период новорожденности организмов. В этот период у организмов нет приспособленности к резко меняющимся условиям окружающей среды;
- межвидовая борьба или борьба за территорию, жилье, воду, свет и другое;
- внутривидовая борьба или борьба за природные ресурсы, а также возможность размножаться и выбирать подходящего полового партнера.
Дарвин считал, что именно внутривидовая борьба является наиболее жесткой формой борьбы за существование, поскольку она происходит между животными, которые занимают одну экологическую нишу и используют одинаковый ресурс.
Все перечисленные выше формы борьбы за существование одинаково представлены в системе эволюции. Для оценки их влияния на определенный вид нужно брать во внимание специфику его жизнедеятельности и возможные генетические изменения в ряду поколений.
Естественный отбор представляет собой процесс выживания особей, наиболее приспособленных к постоянно меняющимся условиям среды.
В результате естественного отбора (и это его отличительная характеристика) возникают новые виды живых организмов. Это своеобразный вектор процесса эволюции. Открытие естественного отбора принадлежит упомянутом выше Чарльзу Дарвину.
Приспособленность состоит из особенностей анатомического строения тел, способов поведения, заботы о потомстве и др. В качестве примера приспособленности можно назвать наличие защитной окраски у животных (мимикрия, покровительственная, предупреждающая).
Мимикрия — это схожесть с несъедобными предметами или ядовитыми животными, у которых есть предостерегающая окраска.
Бабочка-стеклянница напоминает осу, а муха-пчеловидка — пчелу. Также есть муха-шмелевидка, которая похожа на шмеля, и бабочка-палочкник, напоминающая веточку.
Изоляция как эволюционный фактор предполагает наличие разнообразных препятствий, мешающих организмам свободно перемещаться и скрещиваться. Появление изоляции связано со множеством причин:
- морфологическими;
- территориальными;
- генетическими;
- экологическими.
В результате появляются очевидные различия между организмами и их развитием.
На мутации влияет два типа факторов: естественные и искусственные. Если изменения затрагивают генетическую природу организмов, то такие изменения можно назвать мутационными или наследственными.
Также мутации делятся на доминантные и рецессивные. Проявление доминантных происходит в первом поколении — далее эти мутации развиваются с учетом их значимости. Вредные мутации становятся причиной гибели организмов, а также могут заметно снизить способность оставить жизнеспособное потомство. В последнем случае естественный отбор устранит носителей таких мутаций в генофонде.
Если мутации являются нейтральными или полезными в определенных природных условиях, то они сохраняются в следующих поколениях.
Дрейф генов появляется в случае снижения численности популяции. Причиной таких снижений могут быть, к примеру, наводнения или пожары. Выживающие в различных природных катаклизмах организмы переходят в разряд определяющего звена в ходе формирования новой популяции.
Что касается популяционных волн, то они являются своеобразными колебаниями численности конкретных видов живых организмов. Такой фактор влияет на то, что малочисленные виды превращаются в многочисленные, а многочисленные становятся редкими видами.
Бывают сезонные и периодические популяционные волны. Все они закрепляются на генетическом уровне. Несезонные волны жизни находят проявление, когда на популяцию напрямую воздействую факторы окружающей среды (биотические и абиотические).
Самыми значимыми эволюционными факторами являются борьба за существование, наследственная изменчивость и естественный отбор.
Процесс эволюции подвержен множеству динамических изменений, поэтому к перечисленным факторам добавляется еще некоторое количество моментов.
При этом, важно понимать, что невозможно исключить ни один фактор из влияния на конкретную особь. Это значит, что все факторы работаю в комплексе.
К ним относят мутации, комбинативную изменчивость, дрейф генов и волны жизни (популяционные волны), а также изоляцию и естественный отбор.
Мутации — случайные изменения генетического материала, проявляющиеся в возникновении новых признаков или свойств организма.
В результате мутаций возникают новые гены. Ген может перейти из доминантного состояния в рецессивное ( A → a ) или наоборот. Ген может измениться ( A → C ).
Мутационный процесс происходит случайно и не может быть направляющим фактором изменения вида. Новые гены подвергаются действию естественного отбора.
Этот вид изменчивости обеспечивает разнообразие признаков особей в каждой популяции и тоже служит материалом для естественного отбора.
Волны жизни , или популяционные волны — это значительные изменения количества особей в популяции; бывают периодические и непериодические.
- наблюдается периодическое (сезонное) изменение абиотических факторов (освещённости, температуры, влажности и т. д.);
- происходят случайные изменения мест обитания (природные катаклизмы);
- популяции могут расширять занимаемую территорию, что приводит к возрастанию их численности.
Волны жизни служат важным фактором эволюции в небольших популяциях, в которых может наблюдаться дрейф генов.
В малочисленной популяции из-за стихийных бедствий (пожара, наводнения, урагана и т. д.) может резко уменьшиться количество особей. При этом могут сохраниться в живых особи, имеющие редкие гены. В дальнейшем эти гены будут закрепляться за счёт увеличения частоты близкородственных скрещиваний и генофонд популяции изменится.
Изолированные популяции не могут обмениваться генами, каждая из них развивается в особых условиях. С течением времени различия генофондов накапливаются и углубляются — происходит постепенное превращение популяций в разные виды.
Пространственная ( географическая ) изоляция возникает, когда разные популяции одного вида разделяют какие-нибудь трудно преодолимые барьеры (водоёмы, ущелья, участки леса, горы, болота, дороги) или большие расстояния.
Причины биологической изоляции — биологические отличия, возникающие между организмами одной популяции. Она бывает экологическая, этологическая, морфофизиологическая и генетическая.
Причиной экологической изоляции может быть изменение мест размножения или сдвиг сроков цветения, гнездования, нереста. Этологическая изоляция возникает, если различается брачное поведение особей. Морфофизиологическая изоляция связана с невозможностью спаривания особей при значительных отличиях размеров или строения их органов размножения. Генетическая изоляция связана с изменениями числа и строения хромосом, в результате которых становится невозможным свободное скрещивание особей.
Все рассмотренные элементарные факторы эволюции действуют ненаправленно, но они приводят к изменению соотношения генов и создают материал для естественного отбора.
Генетика как наука может быть интересна с нескольких точек зрения. Она позволяет ответить на ряд интригующих вопросов и, как говорится, раскрыть интригу. Но, прежде чем углубляться в некоторые вопросы, давайте вспомним курс биологии школьной программы. Разберемся с некоторыми понятиями, чтобы двигаться дальше.
Эволюция – процесс, происходящий в период, превышающий срок жизни одного поколения, и заключающейся в изменении наследуемых черт организма.
Элементарные факторы эволюции – все факторы, под действием которых происходит изменение генетической структуры популяции.
Популяция – группа организмов одного вида, долгое время обитающая на одной территории (ареале) и частично или полностью изолированная от организмов других таких же групп.
Ген – единица наследственного материала, в которой закодированы определенные признаки.
Генотип – совокупность генов организма и их отношений между собой.
Генофонд – это совокупность всех генных вариаций определенной популяции.
Эти три понятия проще понять, если провести аналогию. Ген – это отдельно взятый кирпичик. Генотип – это уже стена, сложенная из этих кирпичей. Генофонд – это дом, с его стенами, крышей, окнами, дверями и т.д.
Элементарных эволюционных факторов известно несколько:
- мутации – скачкообразные и устойчивые изменения отдельных признаков, которые потом передаются по наследству. Это случайный процесс, в результате которого образуется материал для дальнейшего естественного отбора;
- комбинативная изменчивость – образование новых комбинаций уже имеющихся генов;
- волны жизни или популяционные волны – периодические и эпизодические колебания численности популяции, которые могут быть вызваны:
- сезонными изменениями (температура, влажность, освещенность и т.д.)
- природными катаклизмами (наводнения, извержения вулкана и т.д.);
- освоение новых мест обитания;
Особенности и причины дрейфа генов
Чтобы разобраться в этом вопросе, необходимо познакомиться с еще одним понятием – аллель.
Аллели — формы состояния одного и того же гена, занимающие одинаковое положение в гомологичных (парных) хромосомах и отвечающие на внешние различия одного и того же признака. Большая часть генов в каждом организме представлено двумя аллелями, один из которых унаследован от отца, а другой – от матери.
Классический пример аллелей из курса школьного учебника по биологии – желтый и зеленый цвет семян гороха из опытов Менделя.
В качестве примера аллелей можно привести другие проявления действия генов:
Пара признака цвета лепестков у Ночной красавицы. Красный – преобладающий, белый – подавляемый. Но здесь возникает интересное сочетание. Когда оба гена встречаются вместе, то цвет получается розовый. Это проявление гетерозиготного (содержащий разные аллели) состояния генов.
Чтобы понять это, воспользуемся схемой.
Для удобства гены обозначим так: А – красный цвет, а – белый. Гены всегда идут парами.
Если встречается сочетание АА – цветок красный, если аа – цветок белый. Это гомозиготный (содержащий одинаковые аллели) вид сочетания генов.
Сочетание Аа (генерозиготное) дает розовый цветок.
В процессе дрейфа генов происходит случайное и, чаще всего, ненаправленное изменение часты аллелей в популяции. Этот процесс очень хорошо заметен в небольших популяциях. Происходит это потому, что частота мутантного аллеля меняется очень быстро. В итоге, через несколько поколений, эта мутация либо полностью исчезает, либо становится преобладающей.
Причины дрейфа генов
Рассмотрим более подробно основные причины дрейфа генов.
- Волны жизни или популяционные волны. Исходя из названия, можно сказать, что в данном случае происходит волнообразное изменение численности того или иного вида.
Эти изменения могут зависеть от различных факторов. Одним из таких факторов является 11-летний период активности Солнца. Изменение активности Солнца оказывает свое воздействие на все живое. Конечно, на кого-то сильнее, на кого-то меньше. Соответственно, меняется и частота генов (малочисленные – на пике волны могут проявиться внешне, и на спаде – исчезнуть из генофонда). Волны меняют интенсивность природного отбора и его направление.
Группы людей, которые предпочли изоляцию по разным причинам (кастовым, религиозным или географическим) также подвержены дрейфу генов.
Например, инки — замкнутая каста правителей в Южной Америке имели группу крови, не встречавшуюся ни у древних, ни у современных американцев.
![]()
Гренландские норманны — были прекрасно физически развитыми людьми. За 200 лет изоляции от Европы они превратились в чахлых ревматиков и подагриков с искривленными позвоночниками. Женщины потеряли способность к деторождению. В итоге – они вымерли.
Примеры дрейфа генов
Кроме естественных причин, волны жизни вызывает и деятельность человека – взрывной рост численности кроликов в Австралии, увеличение популяции домовой мухи в городах и другие.
В современном мире антропогенное влияние на окружающую среду проявляется все сильнее. Природа реагирует адекватным образом. И здесь изменяется не только численность популяций разных видов, но и происходят многочисленные мутации. С последствиями таких мутаций человечество сталкивается все чаще и не всегда знает, что с этим делать.
Последствия этого эффекта не очень благоприятны для популяции в целом. На Земле последствием этого эффекта является неравномерное распределение наследственных заболеваний человечества.
Например, необычная сильная засуха, кратковременное увеличение численности хищников. Это может привести к резкому сокращению популяции. А когда эта кратковременная причина исчезнет, развивать и увеличивать популяцию будут случайно выжившие особи. Набор генов у них будет характерным для них, а не для исходной популяции.
Примеры дрейфа генов из жизни животных
Очень низкой генетической изменчивостью характеризуются практически все виды, находящиеся сейчас на грани вымирания или ранее прошедшие через период очень низкой численности.
Еще один пример – зубр. В 1930-х годах все дикие виды были истреблены и остались только те, что содержались в питомниках и заповедниках. Попытка восстановить популяцию зубров была успешной, но, как и в случае и гепардами, новые популяции имеют очень низкое генетическое разнообразие.
Чтобы восстановить популяцию зубров, использовали бизонов. Виды прекрасно скрещивались друг и с другом и давали плодовитое потомство. Это очень важно, потому что часто гибридные растения и животные оказываются бесплодными. Дальнейшее скрещивание гибридных животных с зубрами, привело к снижению количества генов бизонов в популяции зубров до нескольких процентов.
Многие популяции животных, обитающих сейчас на земле, проходили этот сложный период.
В конце 19 века в результате охотничьего промысла почти полностью были истреблены популяции северных морских слонов. Восстановившиеся популяции на сегодня имеют очень маленькое количество генетических вариантов.
Роль дрейфа генов в эволюции
Дрейф генов выступает как фактор эволюции видов, вместе такими факторами как естественный отбор, мутационный процесс, комбинативная изменчивость и изоляции.
Благодаря дрейфу генов частоты аллелей случайным образом меняются в локальных (местных) популяциях. Изменения эти происходят до тех пор, пока они не достигают равновесия. Происходит утрата одного аллеля и фиксация другого.
В разных популяциях гены дрейфуют независимо, т.е. результат дрейфа оказывается разным. В одних популяциях останется и закрепится один набор генов, в других – другой. Поэтому, в целом, дрейф генов ведет, с одной стороны, к снижению генетического разнообразия внутри популяции (гомозиготности). С другой стороны – увеличивает различия между популяциями, ведет к их дивергенции.
Дивергенция – это расхождение свойств и признаков у первоначально близких групп организмов в ходе эволюции.
Дивергенция уже может служить основой для видообразования.
Кроме положительных моментов, дрейф генов может нести с собой и не всегда приятные последствия.
Одним из таких последствий может быть сохранение вредных аллелей, даже вопреки естественному отбору. Разные последствия может иметь размножение и распространения в популяции редких аллелей. Полное исчезновение тех или иных аллелей меняет генетическую картину популяции.
Процесс эволюции идет независимо от нас. Человек, изучая генетику и получая в свой арсенал инструменты, с помощью которых он может воздействовать на геном, хочет улучшить свою жизнь и жизнь планеты. В чем-то он добился и добивается успехов.
Но вмешательство в эту область таит в себе много непознанного и, возможно, опасного.
В природных условиях постоянно происходят периодические колебания численности популяций, их называют популяционными волнами, или волнами жизни. Численность популяций претерпевает значительные изменения, связанные с сезонными изменениями, годовыми колебаниями абиотических факторов среды, с биотическими факторами, с природными явлениями, катастрофами, др. Масштабы колебаний численности популяций являются различными и могут быть значительными. Например, нередки случаи резкого сокращения численности популяции, связанные с пожарами, наводнениями, длительными засухами, извержениями вулканов. Известны случаи массового размножения популяций отдельных видов, например, саранчи, грибов, болезнетворных бактерий (эпидемии). Есть примеры резкой вспышки численности видов, представители которых оказались в новых для них условиях, где нет врагов, и имеется хорошая кормовая база (колорадский жук в Европе, кролики в Австралии). Процессы эти носят случайный характер, приводя к гибели одни генотипы и вызывая развитие других, вследствие чего происходят существенные перестройки генофонда популяции. Редкий перед колебанием численности генотип (аллель) может сделаться обычным и будет подхвачен естественным отбором. Влияние популяционных волн может быть особенно заметно в популяциях очень малой величины, обычно при численности размножающихся особей не более 500. В этих условиях популяционные волны могут подставлять под действие естественного отбора редкие мутации или устранять обычные варианты. Явления перестройки генофонда и изменения частот встречаемости существующих аллелей (гена), связанные с резким и случайным изменением численности популяций, утраты генов, получили название дрейфа генов. Популяционные волны и связанные с ними явления дрейфа генов случайно изменяют концентрацию разных генотипов и мутаций, приводят к отклонениям от генетического равновесия в популяциях. Эти изменения могут быть подхвачены отбором и способны повлиять на дальнейшие процессы эволюционных преобразований.
Одним из факторов, играющих роль в эволюции, является миграция. Под миграцией понимается передвижение организмов из одного местообитания в другое. В эволюционном плане миграция означает, во-первых, переселение за пределы ареала материнской популяции, во-вторых, такое переселение, за которым следует либо обновление генофонда другой популяции в результате скрещивания мигрантов с ее особями, либо образование новой самостоятельной популяции. Эволюционное значение миграции состоит в изменении генетического состава тех популяций, в которые вливаются мигранты. Это изменение осуществляется такими процессами, как поток генов и интрогрессия генов. Поток генов – это обмен генами между популяциями одного вида в результате свободного скрещивания их особей. Часть особей-мигрантов одной популяции проникает в другую, и их гены включаются в генофонд этой популяции. Поток генов рассматривается в качестве важного источника генетической изменчивости популяций. В данном случае происходит перекомбинация генов на межпопуляционном уровне. Интрогрессия генов - это обмен генами между популяциями разных видов. При интрогрессии гены одного вида включаются в генофонд другого вида. Данный процесс протекает благодаря успешной межвидовой гибридизации. Интрогрессия широко распространена у растений (А.Б. Георгиевский, 1985).
![]()
В природных условиях постоянно происходят периодические колебания численности популяций, их называют популяционными волнами, или волнами жизни. Численность популяций претерпевает значительные изменения, связанные с сезонными изменениями, годовыми колебаниями абиотических факторов среды, с биотическими факторами, с природными явлениями, катастрофами, др. Масштабы колебаний численности популяций являются различными и могут быть значительными. Например, нередки случаи резкого сокращения численности популяции, связанные с пожарами, наводнениями, длительными засухами, извержениями вулканов. Известны случаи массового размножения популяций отдельных видов, например, саранчи, грибов, болезнетворных бактерий (эпидемии). Есть примеры резкой вспышки численности видов, представители которых оказались в новых для них условиях, где нет врагов, и имеется хорошая кормовая база (колорадский жук в Европе, кролики в Австралии). Процессы эти носят случайный характер, приводя к гибели одни генотипы и вызывая развитие других, вследствие чего происходят существенные перестройки генофонда популяции. Редкий перед колебанием численности генотип (аллель) может сделаться обычным и будет подхвачен естественным отбором. Влияние популяционных волн может быть особенно заметно в популяциях очень малой величины, обычно при численности размножающихся особей не более 500. В этих условиях популяционные волны могут подставлять под действие естественного отбора редкие мутации или устранять обычные варианты. Явления перестройки генофонда и изменения частот встречаемости существующих аллелей (гена), связанные с резким и случайным изменением численности популяций, утраты генов, получили название дрейфа генов. Популяционные волны и связанные с ними явления дрейфа генов случайно изменяют концентрацию разных генотипов и мутаций, приводят к отклонениям от генетического равновесия в популяциях. Эти изменения могут быть подхвачены отбором и способны повлиять на дальнейшие процессы эволюционных преобразований.
Одним из факторов, играющих роль в эволюции, является миграция. Под миграцией понимается передвижение организмов из одного местообитания в другое. В эволюционном плане миграция означает, во-первых, переселение за пределы ареала материнской популяции, во-вторых, такое переселение, за которым следует либо обновление генофонда другой популяции в результате скрещивания мигрантов с ее особями, либо образование новой самостоятельной популяции. Эволюционное значение миграции состоит в изменении генетического состава тех популяций, в которые вливаются мигранты. Это изменение осуществляется такими процессами, как поток генов и интрогрессия генов. Поток генов – это обмен генами между популяциями одного вида в результате свободного скрещивания их особей. Часть особей-мигрантов одной популяции проникает в другую, и их гены включаются в генофонд этой популяции. Поток генов рассматривается в качестве важного источника генетической изменчивости популяций. В данном случае происходит перекомбинация генов на межпопуляционном уровне. Интрогрессия генов - это обмен генами между популяциями разных видов. При интрогрессии гены одного вида включаются в генофонд другого вида. Данный процесс протекает благодаря успешной межвидовой гибридизации. Интрогрессия широко распространена у растений (А.Б. Георгиевский, 1985).
Читайте также:
