Естественный отбор - единственный направленный фактор эволюции Несомненно, важнейшим эволюционным фактором является естественный отбор. При определении естественного отбора Ч. Дарвин использовал понятие «выживание наиболее приспособленного». При этом имелось,

Естественный отбор и феногеография Изучение естественного отбора - одна из важнейших задач в изучении микроэволюции. Без глубокого понимания действия этого единственного направленного эволюционного фактора ни о каком переходе к управляемой эволюции не может быть и

Естественный отбор в природе и в лаборатории Действие отбора изучают не только в лабораторных экспериментах, но и в ходе многолетних наблюдений в природе. Первый подход позволяет контролировать условия среды, выделяя из бесчисленного множества реальных жизненных

Естественный отбор Я не усматриваю предела деятельности этой силы, медленно и прекрасно приспособляющей каждую форму к самым сложным жизненным отношениям. Ч. Дарвин Осы, бабочки и дарвинизмВ предыдущих главах мы неоднократно говорили о естественном отборе. Это и

Естественный отбор Естественный отбор – важнейший фактор эволюции. Дарвинизм (а именно на базе дарвинизма построена СТЭ), как уже отмечалось выше, называют теорией естественного отбора.Кратким и удачным определением отбора может служить сформулированное И. Лернером.

Естественный отбор –движущий фактор эволюции. Механизм действия отбора. Формы отбора в популяциях(И.И.Шмальгаузен).

Естественный отбор - процесс, посредством которого в популяции увеличивается число особей, обладающих максимальной приспособленностью (наиболее благоприятными признаками), в то время как количество особей с неблагоприятными признаками уменьшается. В свете современной синтетической теории эволюции естественный отбор рассматривается как главная причина развития адаптаций, видообразования и происхождения надвидовых таксонов. Естественный отбор - единственная известная причина адаптаций, но не единственная причина эволюции. К числу неадаптивных причин относятся генетический дрейф, поток генов и мутации.

Термин «Естественный отбор» популяризовал Чарльз Дарвин, сравнивая данный процесс с искусственным отбором, современной формой которого является селекция. Идея сравнения искусственного и естественного отбора состоит в том, что в природе так же происходит отбор наиболее «удачных», «лучших» организмов, но в роли «оценщика» полезности свойств в данном случае выступает не человек, а среда обитания. К тому же, материалом как для естественного, так и для искусственного отбора являются небольшие наследственные изменения, которые накапливаются из поколения в поколение.

Механизм естественного отбора

В процессе естественного отбора закрепляются мутации, увеличивающие приспособленность организмов. Естественный отбор часто называют «самоочевидным» механизмом, поскольку он следует из таких простых фактов, как:

Организмы производят потомков больше, чем может выжить;

В популяции этих организмов существует наследственная изменчивость;

Организмы, имеющие разные генетические черты, имеют различную выживаемость и способность размножаться.

Такие условия создают конкуренцию между организмами в выживании и размножении и являются минимально необходимыми условиями для эволюции посредством естественного отбора. Таким образом, организмы с наследственными чертами, которые дают им конкурентное преимущество, имеют большую вероятность передать их своим потомкам, чем организмы с наследственными чертами, не имеющими подобного преимущества.

Центральное понятие концепции естественного отбора - приспособленность организмов. Приспособленность определяется как способность организма к выживанию и размножению, которая определяет размер его генетического вклада в следующее поколение. Однако главным в определении приспособленности является не общее число потомков, а число потомков с данным генотипом (относительная приспособленность) . Например, если потомки успешного и быстро размножающегося организма слабые и плохо размножаются, то генетический вклад и, соответственно, приспособленность этого организма будут низкими.

Если какая-либо аллель увеличивает приспособленность организма больше, чем другие аллели этого гена, то с каждым поколением доля этой аллели в популяции будет расти. То есть, отбор происходит в пользу этой аллели. И наоборот, для менее выгодных или вредных аллелей - их доля в популяциях будет снижаться, то есть отбор будет действовать против этих аллелей . Важно отметить, что влияние определённых аллелей на приспособленность организма не является постоянным - при изменении условий окружающей среды вредные или нейтральные аллели могут стать полезными, а полезные вредными.

Естественный отбор для черт, которые могут изменяться в некотором диапазоне значений (например, размер организма), можно разделить на три типа :

Направленный отбор - изменения среднего значения признака в течение долгого времени, например увеличение размеров тела;

Дизруптивный отбор - отбор на крайние значения признака и против средних значений, например, большие и маленькие размеры тела;

Стабилизирующий отбор - отбор против крайних значений признака, что приводит к уменьшению дисперсии признака.

Частным случаем естественного отбора является половой отбор , субстратом которого является любой признак, который увеличивает успешность спаривания за счёт увеличения привлекательности особи для потенциальных партнёров. Черты, которые эволюционировали за счёт полового отбора, особенно хорошо заметны у самцов некоторых видов животных. Такие признаки, как крупные рога, яркая окраска, с одной стороны могут привлекать хищников и понижать выживаемость самцов, а с другой это уравновешивается репродуктивным успехом самцов с подобными ярко выраженными признаками.

Отбор может действовать на различных уровнях организации, таких как гены, клетки, отдельные организмы, группы организмов и виды. Причём отбор может одновременно действовать на разных уровнях. Отбор на уровнях выше индивидуального, например, групповой отбор, может приводить к кооперации.

Формы естественного отбора

Существуют разные классификации форм отбора. Широко используется классификация, основанная на характере влияния форм отбора на изменчивость признака в популяции.

Движущий отбор - форма естественного отбора, которая действует при направленном изменении условий внешней среды. Описали Дарвин и Уоллес. В этом случае особи с признаками, которые отклоняются в определённую сторону от среднего значения, получают преимущества. При этом иные вариации признака (его отклонения в противоположную сторону от среднего значения) подвергаются отрицательному отбору. В результате в популяции из поколения к поколению происходит сдвиг средней величины признака в определённом направлении. При этом давление движущего отбора должно отвечать приспособительным возможностям популяции и скорости мутационных изменений (в ином случае давление среды может привести к вымиранию).

Классическим примером движущего отбора является эволюция окраски у березовой пяденицы. Окраска крыльев этой бабочки имитирует окраску покрытой лишайниками коры деревьев, на которых она проводит светлое время суток. Очевидно, такая покровительственная окраска сформировалась за многие поколения предшествующей эволюции. Однако с началом индустриальной революции в Англии это приспособление стало терять свое значение. Загрязнение атмосферы привело к массовой гибели лишайников и потемнению стволов деревьев. Светлые бабочки на темном фоне стали легко заметны для птиц. Начиная с середины XIX века, в популяциях березовой пяденицы стали появляться мутантные темные (меланистические) формы бабочек. Частота их быстро возрастала. К концу XIX века некоторые городские популяции березовой пяденицы почти целиком состояли из темных форм, в то время как в сельских популяциях по-прежнему преобладали светлые формы. Это явление было названоиндустриальным меланизмом. Ученые обнаружили, что в загрязненных районах птицы чаще поедают светлые формы, а в чистых – темные. Введение ограничений на загрязнение атмосферы в 1950-х годах привело к тому, что естественный отбор вновь изменил направление, и частота темных форм в городских популяциях начала снижаться. В наше время они почти так же редки, как и до начала индустриальной революции.

Движущий отбор осуществляется при изменении окружающей среды или приспособлении к новым условиям при расширении ареала. Он сохраняет наследственные изменения в определённом направлении, перемещая соответственно и норму реакции. Например, при освоении почвы как среды обитания у различных неродственных групп животных конечности превратились в роющие.

Стабилизирующий отбор - форма естественного отбора, при которой его действие направлено против особей, имеющих крайние отклонения от средней нормы, в пользу особей со средней выраженностью признака. Понятие стабилизирующего отбора ввел в науку и проанализировал И. И. Шмальгаузен.

Описано множество примеров действия стабилизующего отбора в природе. Например, на первый взгляд кажется, что наибольший вклад в генофонд следующего поколения должны вносить особи с максимальной плодовитостью. Однако наблюдения над природными популяциями птиц и млекопитающих показывают, что это не так. Чем больше птенцов или детёнышей в гнезде, тем труднее их выкормить, тем каждый из них меньше и слабее. В результате наиболее приспособленными оказываются особи со средней плодовитостью.

Отбор в пользу средних значений был обнаружен по множеству признаков. У млекопитающих новорождённые с очень низким и очень высоким весом чаще погибают при рождении или в первые недели жизни, чем новорождённые со средним весом. Учёт размера крыльев у воробьёв, погибших после бури в 50-х годах под Ленинградом, показал, что большинство из них имели слишком маленькие или слишком большие крылья. И в этом случае наиболее приспособленными оказались средние особи.

Наиболее широко известным примером такого полиморфизма является серповидно-клеточная анемия. Это тяжелое заболевание крови возникает у людей гомозиготных по мутантному аллелю гемоглобина (Hb S ) и приводит к их гибели в раннем возрасте. В большинстве человеческих популяций частота этого аллеля очень низка и приблизительно равна частоте его возникновения за счет мутаций. Однако он довольно часто встречается в тех районах мира, где распространена малярия. Оказалось, что гетерозиготы по Hb S имеют более высокую устойчивость к малярии, чем гомозиготы по нормальному аллелю. Благодаря этому в популяциях, населяющих малярийные районы, создается и стабильно поддерживается гетерозиготность по этому летальному в гомозиготе аллелю.

Стабилизирующий отбор является механизмом накопления изменчивости в природных популяциях. Первым на эту особенность стабилизирующего отбора обратил внимание выдающийся ученый И.И.Шмальгаузен. Он показал, что даже в стабильных условиях существования не прекращается ни естественный отбор, ни эволюция. Даже оставаясь фенотипически неизменной, популяция не перестает эволюционировать. Её генетический состав постоянно меняется. Стабилизирующий отбор создает такие генетические системы, которые обеспечивают формирование сходных оптимальных фенотипов на базе самых разнообразных генотипов. Такие генетические механизмы как доминирование, эпистаз, комплементарное действие генов, неполная пенетрантность и другие средства скрывания генетической изменчивости обязаны своим существованием стабилизирующему отбору.

Таким образом, стабилизирующий отбор, отметая отклонения от нормы, активно формирует генетические механизмы, которые обеспечивают стабильное развитие организмов и формирование оптимальных фенотипов на базе разнообразных генотипов. Он обеспечивает устойчивое функционирование организмов в широком спектре привычных для вида колебаний внешних условий

Дизруптивный (разрывающий) отбор - форма естественного отбора, при которой условия благоприятствуют двум или нескольким крайним вариантам (направлениям) изменчивости, но не благоприятствуют промежуточному, среднему состоянию признака. В результате может появиться несколько новых форм из одной исходной. Дарвин описывал действие дизруптивного отбора, считая, что он лежит в основе дивергенции, хотя и не мог привести доказательств его существования в природе. Дизруптивный отбор способствует возникновению и поддержанию полиморфизма популяций, а в некоторых случаях может служить причиной видообразования.

Одна из возможных в природе ситуаций, в которой вступает в действие дизруптивный отбор, - когда полиморфная популяция занимает неоднородное местообитание. При этом разные формы приспосабливаются к различным экологическим нишам или субнишам.

Действием дизруптивного отбора объясняют образование сезонных рас у некоторых сорных растений. Было показано, что сроки цветения и созревания семян у одного из видов таких растений - погремка лугового- растянуты почти на все лето, причем большая часть растений цветет и плодоносит в середине лета. Однако на сенокосных лугах получают преимущества те растения, которые успевают отцвести и дать семена до покоса, и те, которые дают семена в конце лета, после покоса. В результате образуются две расы погремка – ранне- и позднецветущая.

Дизруптивный отбор осуществлялся искусственно в экспериментах с дрозофилами. Отбор проводился по числу щетинок, оставлялись только особи с малым и большим количеством щетинок. В результате примерно с 30-го поколения две линии разошлись очень сильно, несмотря на то, что мухи продолжали скрещиваться между собой, осуществляя обмен генами. В ряде других экспериментов (с растениями) интенсивное скрещивание препятствовало эффективному действию дизруптивного отбора.

Половой отбор - это естественный отбор на успех в размножении. Выживание организмов является важным, но не единственным компонентом естественного отбора. Другим важнейшим компонентом является привлекательность для особей противоположного пола. Дарвин назвал это явление половым отбором. «Эта форма отбора определяется не борьбой за существование в отношениях органических существ между собою или с внешними условиями, но соперничеством между особями одного пола, обычно самцами, за обладание особями другого пола». Признаки, которые снижают жизнеспособность их носителей, могут возникать и распространяться, если преимущества, которые они дают в успехе размножения, значительно выше, чем их недостатки для выживания.

Распространены две гипотезы о механизмах полового отбора.

Согласно гипотезе «хороших генов» самка «рассуждает» следующим образом: «Если этот самец, несмотря на его яркое оперение и длинный хвост, каким-то образом умудрился не погибнуть в лапах хищника и дожить до половой зрелости, то, следовательно, он обладает хорошими генами, которые позволили ему это сделать. Значит, его стоит выбрать в качестве отца для своих детей: он передаст им свои хорошие гены». Выбирая ярких самцов, самки выбирают хорошие гены для своих потомков.

Согласно гипотезе «привлекательных сыновей» логика выбора самок несколько иная. Если яркие самцы, по каким бы то ни было причинам, являются привлекательными для самок, то стоит выбирать яркого отца для своих будущих сыновей, потому что его сыновья унаследуют гены яркой окраски и будут привлекательными для самок в следующем поколении. Таким образом, возникает положительная обратная связь, которая приводит к тому, что из поколения в поколение яркость оперения самцов все более и более усиливается. Процесс идет по нарастающей до тех пор, пока не достигнет предела жизнеспособности.

В выборе самцов самки не более и не менее логичны, чем во всем остальном их поведении. Когда животное чувствует жажду, оно не рассуждает, что ему следует попить воды, для того чтобы восстановить водно-солевой баланс в организме - оно идет на водопой, потому что чувствует жажду. Точно так же и самки, выбирая ярких самцов, следуют своим инстинктами - им нравятся яркие хвосты. Все те, кому инстинкт подсказывал иное поведение, все они не оставили потомства. Таким образом, мы обсуждали не логику самок, а логику борьбы за существование и естественного отбора - слепого и автоматического процесса, который, действуя постоянно из поколения в поколение, сформировал все то удивительное разнообразие форм, окрасок и инстинктов, которое мы наблюдаем в мире живой природы.

Положительный и отрицательный отбор

Существует две формы естественного отбора: Положительный и Отсекающий (отрицательный) отбор.

Положительный отбор увеличивает в популяции число особей, обладающих полезными признаками, повышающими жизнеспособность вида в целом.

Отсекающий отбор выбраковывает из популяции подавляющее большинство особей, несущих признаки, резко снижающие жизнеспособность при данных условиях среды. С помощью отсекающего отбора из популяции удаляются сильно вредные аллели. Также отсекающему отбору могут подвергаться особи с хромосомными перестройками и набором хромосом, резко нарушающими нормальную работу генетического аппарата.

Роль естественного отбора в эволюции

Чарльз Дарвин полагал естественный отбор основной движущей силой эволюции, в современной синтетической теории эволюции он также является основным регулятором развития и адаптации популяций, механизмом возникновения видов и надвидовых таксонов, хотя накопление в конце XIX - начале XX века сведений по генетике, в частности обнаружение дискретного характера наследования фенотипических признаков, привело к тому, что некоторые исследователи стали отрицать важность естественного отбора, и в качестве альтернативы предлагали концепции, базирующиеся на оценке фактора мутации генотипа как чрезвычайно важного. Авторы таких теорий постулировали не постепенный, а очень быстрый (в течение нескольких поколений) скачкообразный характер эволюции (мутационизм Гуго де Фриза, сальтационизм Рихарда Гольдшмитда и другие, менее известные концепции). Открытие известных корреляций среди признаков родственных видов (закон гомологических рядов) Н. И. Вавилова подтолкнуло некоторых исследователей к формулировке очередных «антидарвиновских» гипотез об эволюции, таких как номогенез, батмогенез, автогенез, онтрогенез и прочие. В 1920-1940-е годы в эволюционной биологии, у тех кто отвергнул идею Дарвина об эволюции путём естественного отбора, (иногда теории, в которых уделялось большое значение естественному отбору называли «селекционистскими») возродился интерес к этой теории благодаря пересмотру классического дарвинизма в свете относительно молодой науки генетики. Разработанная в результате этого синтетическая теория эволюции, часто некорректно называемая неодарвинизмом, помимо прочего, опирается на количественный анализ частоты аллелей в популяциях, изменяющейся под влиянием естественного отбора. Ведутся споры, где люди с радикальным подходом, в качестве аргумента против синтетической теории эволюции а также роли естественного отбора утверждают, что «открытия последних десятилетий в различных областях научного знания - от молекулярной биологии с её теорией нейтральных мутаций Мотоо Кимуры и палеонтологии с её теорией прерывистого равновесия Стивена Джея Гоулда и Найлза Элдриджа (в которой вид понимается как относительно статическая фаза эволюционного процесса) до математики с её теорией бифуркаций и фазовых переходов - свидетельствуют о недостаточности классической синтетической теории эволюции для адекватного описания всех аспектов биологической эволюции» . Дискуссия о роли различных факторов в эволюции началась более 30 лет назад и продолжается по сегодня, и иногда высказывается, что «эволюционная биология(подразумевая под этим теорию эволюции, разумеется) подошла к необходимости своего очередного, третьего синтеза».

Представляет собой целостное учение об историческом развитии органического мира.

Сущность эволюционного учения заключается в следующих основных положениях:

1. Все виды живых существ, населяющих Землю, никогда не были кем-то созданы.

2. Возникнув естественным путем, органические формы медленно и постепенно преобразовывались и совершенствовались в соответствии с окружающими условиями.

3. В основе преобразования видов в природе лежат такие свойства организмов, как наследственность и изменчивость, а также постоянно происходящий в природе естественный отбор. Естественный отбор осуществляется через сложное взаимодействие организмов друг с другом и с факторами неживой природы; эти взаимоотношения Дарвин назвал борьбой за существование.

4. Результатом эволюции является приспособленность организмов к условиям их обитания и многообразие видов в природе.

Естественный отбор . Однако основная заслуга Дарвина в создании теории эволюции заключается в том, что он разработал учение о естественном отборе как ведущем и направляющем факторе эволюции. Естественный отбор, по Дарвину, — это совокупность происходящих в природе изменений, обеспечивающих выживание наиболее приспособленных особей и преимущественное оставление ими потомства, а также избирательное уничтожение организмов, оказавшихся неприспособленными к существующим или изменившимся условиям окружающей среды.

В процессе естественного отбора организмы адаптируются, т.е. у них развиваются необходимые приспособления к условиям существования. В результате конкуренции разных видов, имеющих сходные жизненные потребности, хуже приспособленные виды вымирают. Совершенствование механизма приспособления организмов приводит к тому, что постепенно усложняется уровень их организации и таким образом осуществляется эволюционный процесс. При этом Дарвин обращал внимание на такие характерные особенности естественного отбора, как постепенность и медленность процесса изменений и способность суммировать эти изменения в крупные, решающие причины, приводящие к формированию новых видов.

Исходя из того, что естественный отбор действует среди разнообразных и неравноценных особей, он рассматривается как совокупное взаимодействие наследственной изменчивости, преимущественного выживания и размножения индивидов и групп особей, лучше приспособленных, чем другие к данным условиям существования. Поэтому учение о естественном отборе как движущем и направляющем факторе исторического развития органического мира является главным в теории эволюции Дарвина.

Формы естественного отбора:

Движущий отбор — форма естественного отбора, которая действует при направленном изменении условий внешней среды. Описали Дарвин и Уоллес. В этом случае особи с признаками, которые отклоняются в определённую сторону от среднего значения, получают преимущества. При этом иные вариации признака (его отклонения в противоположную сторону от среднего значения) подвергаются отрицательному отбору.

В результате в популяции из поколения к поколению происходит сдвиг средней величины признака в определённом направлении. При этом давление движущего отбора должно отвечать приспособительным возможностям популяции и скорости мутационных изменений (в ином случае давление среды может привести к вымиранию).

Примером действия движущего отбора является «индустриальный меланизм» у насекомых. «Индустриальный меланизм» представляет собой резкое повышение доли меланистических (имеющих тёмную окраску) особей в тех популяциях насекомых (например, 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, а тёмные — хуже.

В XX веке в ряде районов доля тёмноокрашенных бабочек в некоторых хорошо изученных популяциях березовой пяденицы в Англии достигла 95 %, в то время как впервые тёмная бабочка (morfa carbonaria) была отловлена в 1848 году.

Движущий отбор осуществляется при изменении окружающей среды или приспособлении к новым условиям при расширении ареала. Он сохраняет наследственные изменения в определённом направлении, перемещая соответственно и норму реакции. Например, при освоении почвы как среды обитания у различных неродственных групп животных конечности превратились в роющие.

Стабилизирующий отбор — форма естественного отбора, при которой его действие направлено против особей, имеющих крайние отклонения от средней нормы, в пользу особей со средней выраженностью признака. Понятие стабилизирующего отбора ввел в науку и проанализировал И. И. Шмальгаузен .

Описано множество примеров действия стабилизующего отбора в природе. Например, на первый взгляд кажется, что наибольший вклад в генофонд следующего поколения должны вносить особи с максимальной плодовитостью. Однако наблюдения над природными популяциями птиц и млекопитающих показывают, что это не так. Чем больше птенцов или детёнышей в гнезде, тем труднее их выкормить, тем каждый из них меньше и слабее. В результате наиболее приспособленными оказываются особи со средней плодовитостью.

Отбор в пользу средних значений был обнаружен по множеству признаков. У млекопитающих новорождённые с очень низким и очень высоким весом чаще погибают при рождении или в первые недели жизни, чем новорождённые со средним весом. Учёт размера крыльев у воробьёв, погибших после бури в 50-х годах под Ленинградом, показал, что большинство из них имели слишком маленькие или слишком большие крылья. И в этом случае наиболее приспособленными оказались средние особи.

Дизруптивный (разрывающий) отбор — форма естественного отбора, при которой условия благоприятствуют двум или нескольким крайним вариантам (направлениям) изменчивости, но не благоприятствуют промежуточному, среднему состоянию признака. В результате может появиться несколько новых форм из одной исходной. Дарвин описывал действие дизруптивного отбора, считая, что он лежит в основе дивергенции, хотя и не мог привести доказательств его существования в природе. Дизруптивный отбор способствует возникновению и поддержанию полиморфизма популяций, а в некоторых случаях может служить причиной видообразования.

Одна из возможных в природе ситуаций, в которой вступает в действие дизруптивный отбор, — когда полиморфная популяция занимает неоднородное местообитание. При этом разные формы приспосабливаются к различным экологическим нишам или субнишам.

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 всё 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.

Дизруптивный отбор осуществлялся искусственно в экспериментах с дрозофилами. Отбор проводился по числу щетинок, оставлялись только особи с малым и большим количеством щетинок. В результате примерно с 30-го поколения две линии разошлись очень сильно, несмотря на то, что мухи продолжали скрещиваться между собой, осуществляя обмен генами. В ряде других экспериментов (с растениями) интенсивное скрещивание препятствовало эффективному действию дизруптивного отбора.

Половой отбор — это естественный отбор на успех в размножении. Выживание организмов является важным, но не единственным компонентом естественного отбора. Другим важным компонентом является привлекательность для особей противоположного пола. Дарвин назвал это явление половым отбором. «Эта форма отбора определяется не борьбой за существование в отношениях органических существ между собой или с внешними условиями, но соперничеством между особями одного пола, обычно самцами, за обладание особями другого пола».

Признаки, которые снижают жизнеспособность их носителей, могут возникать и распространяться, если преимущества, которые они дают в успехе размножения, значительно выше, чем их недостатки для выживания. При выборе самцов самки не задумываются о причинах своего поведения. Когда животное чувствует жажду, оно не рассуждает, что ему следует попить воды, для того чтобы восстановить водно-солевой баланс в организме — оно идет на водопой, потому что чувствует жажду.

Точно так же и самки, выбирая ярких самцов, следуют своим инстинктами — им нравятся яркие хвосты. Те, кому инстинкт подсказывал иное поведение, не оставили потомства. Логика борьбы за существование и естественного отбора — логика слепого и автоматического процесса, который, действуя постоянно из поколения в поколение, сформировал то удивительное разнообразие форм, окрасок и инстинктов, которое мы наблюдаем в мире живой природы.

При анализе причин повышения организации организмов или их приспособленности к условиям обитания Дарвин обратил внимание на то, что отбор не обязательно требует выбора лучших, он может сводиться лишь к уничтожению худших. Так именно и происходит при бессознательном отборе. А ведь уничтожение (элиминация) худших, менее приспособленных к существованию организмов в природе, можно наблюдать на каждом шагу. Следовательно, естественный отбор может осуществляться «слепыми» силами природы.

Дарвин подчеркивал, что выражение «естественный отбор» ни в коем случае не следует понимать в том смысле, что кто-нибудь ведет этот отбор, так как этот термин говорит о действии стихийных сил природы, в результате которых выживают приспособленные к данным условиям организмы и гибнут неприспособленные. Накопление полезных изменений приводит сначала к небольшим, а затем и к крупным изменениям. Так появляются новые разновидности, виды, роды и другие систематические единицы более высокого ранга. В этом заключается ведущая, творческая роль естественного отбора в эволюции.

Элементарные эволюционные факторы. Мутационный процесс и генетическая комбинаторика. Популяционные волны, изоляция, дрейф генов, естественный отбор. Взаимодействие элементарных эволюционных факторов.

Элементарные эволюционные факторы - это стохастические (вероятностные) процессы, протекающие в популяциях, которые служат источниками первичной внутрипопуляционной изменчивости.

3. Периодические с высокой амплитудой. Встречаются у самых разнообразных организмов. Часто носят периодический характер, например, в системе «хищник-жертва». Могут быть связаны с экзогенными ритмами. Именно этот тип популяционных волн играет наибольшую роль в эволюции.

Историческая справка. Выражение «волны жизни» («Wave of life»), вероятно, употребил впервые исследователь южноамериканских пампасов Хэдсон (W.H. Hudson, 1872-1873). Хэдсон отметил, что в благоприятных условиях (свет, частые ливни) сохранилась обыкновенно выгорающая растительность; обилие цветов породило обилие шмелей, затем мышей, а затем и птиц, кормившихся мышами (в т.ч., кукушек, аистов, болотных сов).

С.С. Четвериков обратил внимание на волны жизни, отметив появление в 1903 г. в Московской губернии некоторых видов бабочек, не обнаруживаемых там на протяжении 30…50 лет. Перед этим, в 1897 г. и несколько позже, отмечалось массовое появление непарного шелкопряда, оголившего громадные площади лесов и нанесшего существенный вред плодовым садам. В 1901 г. отмечалось появление в значительном количестве бабочки-адмирала. Результаты своих наблюдений он изложил в кратком очерке «Волны жизни» (1905).

Если в период максимальной численности популяции (например, миллион особей) появится мутация с частотой 10-6, то вероятность ее фенотипического проявления составит 10-12. Если в период спада численности до 1000 особей носитель этой мутации совершенно случайно выживет, то частота мутантного аллеля возрастет до 10-3. Эта же частота сохранится и в период последующего подъема численности, тогда вероятность фенотипического проявления мутации составит 10-6.

Изоляция. Обеспечивает проявление эффекта Болдуина в пространстве.

В большой популяции (например, с численностью миллион диплоидных особей) частота мутации порядка 10-6 означает, что примерно одна из миллиона особей является носителями нового мутантного аллеля. Соответственно, вероятность фенотипического проявления этого аллеля в диплоидной рецессивной гомозиготе составляет 10-12 (одна триллионная).

Если эту популяцию разбить на 1000 малых изолированных популяций по 1000 особей, то в одной из изолированных популяций наверняка окажется один мутантный аллель, и его частота составит 0,001. Вероятность его фенотипического проявления в ближайших последующих поколениях составит (10 - 3)2 = 10 - 6 (одна миллионная). В сверхмалых популяциях (десятки особей) вероятность проявления мутантного аллеля в фенотипе возрастает до (10 - 2)2 = 10 - 4 (одна десятитысячная).

Таким образом, лишь за счет изоляции малых и сверхмалых популяций шансы на фенотипическое проявление мутации в ближайших поколениях возрастут в тысячи раз. В то же время, трудно предположить, чтобы в разных малых популяциях совершенно случайно проявился в фенотипе один и тот же мутантный аллель. Скорее всего, каждая малая популяция будет характеризоваться высокой частотой одного или немногих мутантных аллелей: или a, или b, или c и т.д.

Естественный отбор — процесс, изначально определённый Чарльзом Дарвином как приводящий к выживанию и преимущественному размножению более приспособленных к данным условиям среды особей, обладающих полезными наследственными признаками. В соответствии с теорией Дарвина и современной синтетической теорией эволюции, основным материалом для естественного отбора служат случайные наследственные изменения — рекомбинация генотипов, мутации и их комбинации.

Со времени опубликования Чарльзом Дарвиным теории естественного отбора протекло уже сто с лишним лет. Наука за это время шагнула вперед и ясно, что многие из первоначальных формулировок теории естественного отбора должны были подвергнуться серьезным изменениям. В сравнении и временами Дарвина, наши взгляды как на наследственность и изменчивость, так и на вид, подвергались далеко идущим изменениям. Следя за историческим развитием естественного отбора, можно придти к интересным выводам.

Дарвин, умирая, не был в состоянии опровергнуть главных возражений, выдвинутых против его теории, не против принципов эволюции, конечно, а против теории естественного отбора, объясняющей механизм эволюционных изменений. С одной стороны, как мы уже указывали, ошибочные взгляды на наследственность, принимающие влияние наследственности родителей в потомках, заставили его вернуться к взглядам Ламарка о могущественном влиянии среды на организм и наследовании приобретенных признаков. С другой стороны, выступление лорда Кельвина привело к временному триумфу идей де Фриза, провозглашающего внезапное преобразование одних видов в другие.

Однако принятие взглядов Ламарка отодвигало принцип действия естественного отбора на дальний план или же совсем его исключало. Если эволюция была возможна благодаря направляющим изменениям, возникающим под влиянием определенных условий среды, так как только таким образом могли сохраниться эволюционные преобразования, несмотря на нивелирующее действие слияния наследственности, то в этом случае сама селекция не оказывала значительного влияния на направление эволюционных изменений. Кроме того, если бы возникновение отрицательных черт происходило быстрее, чем элиминирующее действие отбора, то вредные признаки могли бы распространиться в популяции, то есть роль селекции была бы второстепенной.

Как известно, эти трудности перестали существовать от того момента, когда Мендель обнаружил корпускулярный характер наследственной субстанции и опроверг взгляд о слиянии наследственности, а также когда исследование радиоактивных элементов дало нам возможность точно определить длительность отдельных геологических эпох. Эта длительность оказалась достаточной даже для медленного и постепенного действия естественного отбора.

Гипотеза де Фриза, принимающая внезапные и значительные изменения, приводящие сразу к возникновению новых элементарных видов, оказалась несостоятельной, так как трудно предположить, чтобы значительные изменения не явились в столь совершенной системе, каковой является организм, минусом, элиминирующим его в борьбе за существование с другими особями того же вида. Один из биологов правильно заметил, что в тех случаях, когда Дарвин делал свои выводы на основании собственных наблюдений и умозаключений, он редко ошибался, а тогда, когда шел за голосом общего мнения, как, например, принимая принцип слияния наследственности, часто заблуждался, и его теория естественного отбора встречалась с трудностями.

Вторичное открытие принципов корпускулярной генетики и работ Менделя в 1900 г. одновременно тремя исследователями, не явилось сразу переломным пунктом в эволюционных исследованиях, несмотря на то, что, как пишет У. Томпсон, генетика занимается исследованием наследственности и изменчивости в очередных поколениях, а эволюция - по существу в течение длительных промежутков времени.

Наиболее влиятельным защитником дарвинизма, или теории отбора в период после смерти Дарвина был А. Вейсман. Гипотеза Вейсмана, а скорее комплекс его гипотез, содержал некоторые элементы, которые впоследствии были использованы развивающейся наукой о наследственности. Мы здесь имеем в виду в первую очередь принцип гипотезы о зародышевой плазме, рассмотренный выше. С этой гипотезой неразрывно связано отрицание Вейсманом возможности наследования приобретенных признаков, как и использование теории отбора для детерминант, то есть основных элементов зародышевой плазмы.

В то время, когда генетики - неоменделисты начали завоевания новой отрасли биологии переносить в область эволюционных исследований, ими были приняты многие из постулатов Вейсмана, и дарвинизм постепенно преобразовался в так называемый неодарвинизм.

Генетика все в большей мере начала пользоваться результатами своих исследований для объяснения явлений эволюционного процесса. Морган - создатель хромосомной теории наследственности, который в начальном периоде своей научной деятельности сторонился эволюционных рассуждений, как и большинство представителей младшего поколения биологов, работавшего под эгидой механики развития, был одним из первых, кто пытался при помощи данных генетики поддержать теорию отбора Дарвина.

Вскоре помощь в этих стараниях приходит и с другой стороны. Математическая разработка принципов современной генетики под углом теории естественного отбора приносит не только новые, но и необыкновенно ценные данные. Однако эти данные следовало проверить на фактическом материале. "Только тогда можно получить необходимые сведения. Математические рассуждения имеют большое значение, показывая, что может, а что не может произойти в разных условиях, то есть какие данные должны быть собраны в природе. Однако за неимением данных, касающихся диких популяций, одни лишь математические рассуждения не могут показать, что в действительности происходит в природе" (Sheppard).

Мы воспользовались термином популяция. Введение этого термина нуждается в некоторых объяснениях. В теории естественного отбора, сформулированной Дарвиным и Уоллесом, эти авторы в основном оперировали понятием особи. Действие отбора можно, однако, полностью понять лишь тогда, когда вместо отдельных особей мы имеем в виду их группы, то есть популяцию. Популяция является той элементарной единицей, которая подвергается эволюционным изменениям. Поэтому современный эволюционизм, пользуясь генетическими методами, исследует изменения генетического состава целых популяций, то есть таких групп особей, относящихся к одному виду, которые, заселяя один район, могут скрещиваться между собой.

Комплект генов каждой особи называем ее генотипом. Общий запас генов определенной популяции, передаваемый ею потомственным особям составляет общий, как мы говорим, генофонд этой популяции. В чем же будут заключаться эволюционные изменения? Они заключаются в количественных и качественных изменениях, происходящих в этом общем фонде генов. Чтобы они могли произойти под влиянием естественного отбора, каждая популяция должна обладать определенным запасом наследственной изменчивости.

Поэтому нашей первой задачей является рассмотрение наследственной изменчивости, а скорее припоминание тех основных фактов из науки о наследственности, которые необходимы для понимания основ теории естественного отбора. Лишь тогда можно будет заняться рассмотрением процесса естественного отбора.

Как видим, теория естественного отбора в настоящее время покоится на значительно более широких основаниях, чем тогда, когда ее впервые сформулировали Дарвин и Уоллес. Наука выяснила много новых фактов, многие трудности оказались лишь призрачными. Хотя в настоящее время теория естественного отбора принята огромным большинством исследователей как единственный способ объяснения механизма эволюции, она во многих пунктах отличается от взглядов ее создателей.

Прежде всего, в настоящее время она основана на принципах корпускулярной генетики, неизвестных ни Дарвину, ни Уоллесу. Поэтому, в отличие от первичной теории Дарвина и Уоллеса, ее следует назвать современной теорией естественного отбора. Некоторые называют ее систематической теорией, стремясь подчеркнуть, что многие науки, как генетика, экология, палеонтология и другие оказали влияние на ее окончательную формулировку. Термин неодарвинизм был отброшен, так как с ним часто связывали дополнения дарвинской теории отбора, которые ввел Вейсман, и из которых не все оказались счастливыми и правильными.

ИЗМЕНЧИВОСТЬ

Материалом для эволюционных процессов является наследственная изменчивость. Ввиду того, что правильное пользование данным руководством требует знания основных сведений из генетики, мы ограничимся только припоминанием некоторых фактов и расширением тех, которые не были в достаточной степени разобраны в курсе науки о наследственности.

Огромное большинство организмов размножается половым путем. Этот способ размножения характеризуется мейотическим делением и процессом, оплодотворения. В результате мейоза образуются половые клетки, то есть гаметы, различного генетического состава. Таким образом, потомство даже одной пары родителей, благодаря мейозу и оплодотворению, может быть генетически разнородным. Другими словами, рекомбинация генов, сопутствующая половому размножению, создает неисчерпаемый источник наследственной изменчивости.

Даже у тех организмов, которые не размножаются половым путем, может иметь место генетическая рекомбинация, как мы это отмечаем в случаях трансформации и трансдукции. Ясно, что рекомбинация генов возможна только в том случае, когда мы имеем дело с особями, гетерозиготными в большем или меньшем количестве пар аллелей. Генетический опыт показывает, что в действительности именно так дело обстоит, что гетерозиготность является обычным явлением. Источником ее являются мутации, то есть внезапные и необратимые изменения генов или хромосом, являющихся носителями генов. Мутация не относится к частым явлениям.

Разные гены подвергаются мутациям с неодинаковой частотой. Например, одним из генов, который у человека подвергается мутации чаще всего, является ген, влияющий на свертываемость крови. Мутация этого гена в ген, обусловливающий гемофилию, то есть нарушающий нормальный процесс свертывания крови, имеет место 1 раз на 50000, то есть среди 50000 новорожденных обычно имеется один с гемофилией. Другие гены подвергаются мутации гораздо реже.

Принято считать, что у человека одна гамета на 100000 содержит один ген, подвергнувшийся мутации определенного характера. Если каждая популяция состоит из гетерозиготных особей, то первичным источником этой генетической разновидности являются мутация генов или хромосом. Таким образом, благодаря процессу мутации генов в каждой популяции существует разнообразие генов. При половом размножении в результате мейоза и оплодотворения из этого материала могут возникать самые разнообразные генетические комбинации, то есть гены могут подвергаться различной рекомбинации. Если бы все аллели каждого гена и их различные рекомбинации имели бы абсолютно одинаковое значение для особи данной популяции, то есть приводили к одинаковой степени приспособленности, частота отдельных аллелей в этой популяции была бы неизменной. Такой вывод, сделанный на основании математического анализа, называется законом Харди-Вайнберга.

Однако он исходит из чисто теоретических предпосылок, так как во первых, не всё аллели данного гена равноценны для особи и не все их комбинации имеют одинаковую степень приспособленности. А во-вторых, условия жизни не являются постоянными, а постоянно изменяются. Другими словами, аллели, ценные в одних условиях, могут оказаться менее ценными или даже вредными в других.

Менделеевской популяцией принято называть совокупность всех особей, относящихся к одному виду, которые заселяют одну область и скрещиваются между собой. Все гены, содержащиеся у всех особей популяции, называем, как мы уже указывали, генофондом данной популяции. В генофонде разные аллели встречаются с разной частотой. Гены, полезные для особи в условиях, которые имеют место на территории, заселенной данной популяцией, будут встречаться чаще, чем те аллели, которые могут быть полезными лишь тогда, когда особь встретится с особыми, редкими условиями жизни, или которые будут полезны в специальной совокупности других генов.

Не следует забывать того, что отдельные пары аллели не формируют признаков, независимо от действия других пар. Гены "сотрудничают" друг с другом, и один и тот же ген воздействует на много различных признаков и свойств организма. Наконец, одни гены влияют в большой степени на действие других. Отсюда нормальное функционирование организма, его правильное развитие, строение и поведение зависит от всей совокупности генов, которой обладает особь. Таким образом, можно сказать, что интеграция организма зависит от интеграции его генотипа.

Каждый организм, однако, относится, или является, частью иерархически. более высокой биологической единицы - популяции. Известно также, что естественный отбор приводит к эволюции популяций посредством особей. Поэтому не только генотип особи является определенной интегральной единицей, но и общий фонд генов каждой популяции должен быть интегрированным и соответственно гармонизированным.

Если это действительно так, если генофонд каждой популяции является результатом долгих лет развития и эффектом долгих лет воздействия естественного отбора, то в этом случае каждое внезапное изменение в фонде генов данной популяции должно чаще всего приводить к отрицательным последствиям. Мутации, хотя и происходят редко, имеют неоднократно место во время существования популяции, особенно если данная популяция состоит из большого числа особей.

Условия жизни не подвергаются частым изменениям, и поэтому в истории популяции много разных мутаций появлялось неоднократно и были подданы оценке естественного отбора. Все полезные мутации оказались принятыми и вошли в общий фонд генов популяции, все вредные мутации раньше или позже отброшены.

Поэтому если мы отмечаем, что чаще всего ново возникшие мутации вредят в той или другой степени организму, то это нас не должно удивлять, так как полезные мутации появлялись раньше и были зафиксированы в генетическом составе популяции. Поэтому в настоящее время полезные мутации встречаются исключительно редко, так как условия жизни не изменяются. Наблюдаемые в настоящее время мутации являются вредными мутациями, которые случались уже не раз в истории данной популяции и не раз были отброшены в результате процесса естественного отбора. Однако это не значит, чтобы полезные мутации вообще не возникали, даже при неизменных условиях жизни.

Из того, что было сказано выше, следовало бы, что каждая популяция в течение своей истории приспособилась под влиянием отбора к существующим условиям. Генетически это приспособление обусловлено соответственно подобранным естественным отбором генофондом. В этих условиях ограничение изменчивости имеет положительное значение для популяции, приспособленной к определенным условиям, почти неизменным. Каким образом может наступить ограничение наследственной изменчивости? Мутации, являющиеся главным источником наследственной изменчивости, случаются редко. Известно, что специальные гены могут ограничивать частоту мутации, то есть что генетические факторы могут регулировать появление мутаций. Однако у организмов, размножающихся половым путем, наиболее важным источником наследственной изменчивости являются рекомбинации генов. Оказалось, что и в этом случае наследственные факторы могут ограничивать возможные рекомбинации генов.

Известно, что гены, находящиеся вместе в какой-либо хромосоме, являются сцепленными, то есть наследуются вместе. Правда, существует обмен генов (crossing-over), однако несмотря на это сцепление генов ограничивает значительным образом возможность их рекомбинации; кроме того гены, расположенные рядом, только очень редко подвергаются обмену. Таким образом, благодаря редкой мутации и сцеплению генов возможности наследственной изменчивости резко ограничены, что для данной популяции является положительным фактом.

С другой стороны, слишком большое снижение наследственной изменчивости таит в себе серьезную опасность. Предположим, что условия на какой-то территории, заселенной хорошо приспособленной популяцией, значительно изменятся в определенном направлении. Например, климат становится все более сухим или наступает, постоянное и значительное снижение средней температуры. Если бы отсутствовала возможность быстрой реакции в виде усиления изменчивости, популяция была бы обречена на гибель, не смогла бы приспособиться к новым условиям. Мутации являются такой редкостью, что трудно было бы ожидать, чтобы они могли появиться в соответствующий момент и соответственно быстро распространиться среди особей популяции. Самым лучшим выходом из этого положения было бы наличие у популяции готового на всякий случай запаса наследственной изменчивости, не проявлявшейся в заметной степени в предыдущих условиях.

Эволюционисты и генетики доказали наличие такой возможности. В этом случае речь идет о комплексах генов, называемых полимерными генами.

Чтобы подробно остановиться на этом вопросе, следует коротко указать, какие гены носят название полимерных, или полигенов. Иногда ген, подвергнувшийся мутации, сразу дает хорошо заметный качественный эффект. Однократное изменение гена может привести к изменению окраски цветов, резкому уменьшению крыльев у дрозофилы и так далее. Ввиду того, что такая значительная мутация гена приводит к значительным изменениям фенотипа, она обычно является отрицательной для особи, у которой она проявилась.

Ясно, что могут быть исключения из этого общего правила. Такие исключения известны, и одним из них может быть пример, приведенный польским генетиком Гаевским. Водосбор обыкновенный (Aquilegia) имеет шпорцы, точно пригнанные к ротовым органам шмеля. Водосбор азиатский имеет мелкие белые цветы без шпорцев и опыляется мухами и другими насекомыми. Гаевский обнаружил, что разница между этими двумя формами водосбора зависит от одной пары аллели. В этом случае мутация одного гена повлекла за собой не только изменение окраски и строения цветка, но одновременно сделала возможным опыление цветов другими насекомыми, влияя на длину шпорца.

Однако это редкий случай. Чаще всего мы встречаемся с действием полигенов, относящихся к большому числу аллелей. Действуя количественно на один признак, приспосабливая постепенно особей к условиям жизни, они играют большую роль в эволюционных процессах.

Допустим, что в данном случае мы имеем дело только с тремя парами генов, которые встречаются в двух аллельных формах. Одна гомозигота будет иметь генотип ААВВСС, а другая - aabbcc. Все эти три пары аллелей влияют количественно, например, на величину семян. Однако на величину семян влияют не только наследственные факторы, но и факторы среды. Этих последних, для упрощения, не будем принимать во внимание.

Семена гомозиготных растений ААВВСС весят в среднем 54 мг, а семена растений с генотипом aabbcc весят - 30 мг. После скрещивания таких двух разных гомозигот получаем в поколении F1 гетерозиготное растение с формулой АаВbСс, семена которого в среднем весят 42 мг. Скрещивая между собой две гетерозиготы поколения F1, получим в поколении F2 растения с разными генотипами и с разным весом семян. Однако будет меньше категорий семян по весу, чем это вытекало бы из генетического расчета. Вероятно разные генотипы, которых при таком скрещивании будет 27, будут производить семена одного и того же веса. Можно легко понять, почему результат будет именно таким.

Допустим, что каждый ген, обозначенный заглавной буквой, независимо от того, является ли он геном А, В или С, увеличивает вес семян на 4 мг. У растения с формулой АаВВсс имеется три гена А, В и В, каждый из которых увеличивает вес семян на 4 мг, то есть вместе на 12 мг. Если гомозигота aabbcc давала семена весом 30 мг, то растение с генотипом АаВВсс даст семена весом 30+12 = 42 мг. Но также растения с другими генотипами, например, ааВВСс, АаВbСс, ааbВСС также давать будут семена того же веса, так как они содержат три гена, увеличивающих вес семян. Таким образом, благодаря полигении, особи с разными генотипами будут фенотипически идентичными. Несмотря на фенотипическую идентичность, мы имеем дело с генетическим различием. Пойдем, однако, дальше.

Если бы эти указанные выше три пары аллелей размещались в разных парах хромосом, имела бы место их свободная рекомбинация в процессе полового размножения. Но допустим, что они тесно связаны между собой. Ввиду того, что эти гены лежат очень близко друг к другу, связь между ними сильна и только в виде исключения может произойти замена их. Пользуясь примером, цитированным Шеппардом (Sheppard), обозначаем аллели, написанные заглавной буквой, знаком +, а прописной буквой, знаком -. Пусть в данной популяции имеется три вида хромосом: АВс или ++-, аВС или -++ и АbС +-+, то гаметы, имеющие по одной из этих трех хромосом, при оплодотворении могут привести к образованию следующих зигот: ++-/++- (ААВВсс), ++-/-++ (AaBBCc), ++-/+-+ (AABbCc), -++/-++ (aaBBCC) и другие.

Хотя популяция в нашем примере - пишет Шеппард - обладает актуальной наследственной изменчивостью, на которую может оказывать действие естественный отбор, она кроме того имеет значительный запас потенциальной изменчивости, которая может освободиться благодаря обмену генов и в соответствующее время стать актуальной изменчивостью. Благодаря обмену генов возникают хромосомы с таким расположением генов, какого перед этим не было: например, +++ или ---.

Шеппард пишет дальше: "Если в нашей популяции наилучший вес равен 46 мг, то новые хромосомы, (возникшие благодаря обмену генов) будут отброшены из популяции в процессе отбора, так как в большинстве комбинаций они дают семена выше или ниже этого оптимума. Без прочной связи между хромосомами, отбор не мог бы так успешно тормозить изменчивость, так как этот вид изменчивости мог бы часто возникать в результате рекомбинации. Благодаря тому, что существует также сцепление между полигенами, отбор может успешно ограничивать изменчивость, так как актуальная изменчивость проявляется только постепенно (путем обмена генов), и бесполезные комбинации отбрасываются с такой же скоростью, с какой они возникают. Более того, частота рекомбинации подчиняется также генетическому контролю, и путем отбора может быть соответственно подобрана". Таким образом, сцепленные системы полигенов ограничивают актуальную изменчивость популяции, которая, несмотря на это, обладает большим запасом потенциальной изменчивости. Эта изменчивость может быть использована тогда, когда условия окружающей среды изменятся безвозвратно.

Эти теоретические рассуждения нашли экспериментальное подтверждение. Обнаружено, что в популяции дрозофил, имеющих в среднем около 40 щетинок на теле, путем селекции можно получить популяции особей, у которых число щетинок в среднем будет равняться 55. В этом случае экспериментатор использовал комбинативную изменчивость, зависящую от генов, не сцепленных между собой, и скрещивая особи с возрастающим количеством щетинок, быстро привел к наследственному увеличению их количества.

Использовал полностью эту изменчивость, селекция уже не давала больше результатов до того времени, пока спорадически не наступал обмен между сочетанными генами. Если раньше число щетинок увеличивалось постепенно, то теперь оно увеличилось спорадически, и то только в тех линиях, в которых наступил обмен генов.

Современные биологи во все большей степени подчеркивают значение именно таких полигенов для процессов эволюции. С другой стороны генетики указывают на широкое распространение полигенов, связанных с теми признаками, которые мы бы могли, хотя не очень точно, назвать нормальными признаками.

Похожая информация.

3. ТЕОРИЯ ЕСТЕСТВЕННОГО ОТБОРА

ФОРМЫ ЕСТЕСТВЕННОГО ОТБОРА

Отбор происходит непрерывно на протяжении бесконечного ряда следующих друг за другом поколений и сохраняет главным образом те формы, которые в большей мере соответствуют данным условиям. Естественный отбор и элиминация части особей вида неразрывно связаны между собой и являются необходимым условием эволюции видов в природе.

Схема действия естественного отбора в системе вида по Дарвину сводится к следующему:

1) Изменчивость свойственна любой группе животных и растений, и организмы отличаются друг от друга во многих отношениях;

2) Число организмов каждого вида, рождающихся на свет, превышает число тех, которые могут найти пропитание и выжить. Тем не менее, поскольку численность каждого вида в естественных условиях постоянна, следует предполагать, что большая часть потомства гибнет. Если бы все потомки какого-либо вида выживали и размножались, то весьма скоро они вытеснили бы все другие виды на земном шаре;

3) Поскольку рождается больше особей, чем может выжить, происходит борьба за существование, конкуренция за пищу и место обитания. Это может быть активная борьба не на жизнь, а на смерть, или менее явная, но не менее действенная конкуренция, как, например, для растений в период засухи или холода;

4) Среди множества изменений, наблюдающихся у живых существ, одни облегчают выживание в борьбе за существование, другие же приводят к тому, что их обладатели гибнут. Концепция «выживания наиболее приспособленных» представляет собой ядро теории естественного отбора;

5) Выживающие особи дают начало следующему поколению, и таким образом «удачные» изменения передаются последующим поколениям. В результате каждое следующее поколение оказывается более приспособленным к среде обитания; по мере изменения среды возникают дальнейшие приспособления. Если естественный отбор действует на протяжении многих лет, то последние отпрыски могут оказаться настолько несхожими со своими предками, что их целесообразно будет выделить в самостоятельный вид .

Может также случиться, что некоторые члены данной группы особей приобретут одни изменения и окажутся приспособленными к окружающей среде одним способом, тогда как другие ее члены, обладающие другим комплексом изменений, окажутся приспособленными иначе; таким путем от одного предкового вида при условии изоляции подобных групп может возникнуть два и более видов.

Движущий отбор. Естественный отбор всегда ведет к увеличению средней приспособленности популяций. Изменение внешних условий может приводить к изменению приспособленности отдельных генотипов. В ответ на эти изменения, естественный отбор, используя огромный запас генетического разнообразия по множеству разных признаков, ведет к значительным сдвигам в генетической структуре популяции. Если внешняя среда меняется постоянно в определенном направлении, то естественный отбор меняет генетическую структуру популяции таким образом, чтобы ее приспособленность в этих меняющихся условиях оставалась максимальной. При этом меняются частоты отдельных аллелей в популяции. Меняется и средние значения приспособительных признаков в популяциях. В ряду поколений прослеживается их постепенное смещение в определенном направлении. Такую форму отбора называют движущим отбором.

Классическим примером движущего отбора является эволюция окраски у березовой пяденицы. Окраска крыльев этой бабочки имитирует окраску покрытой лишайниками коры деревьев, на которых она проводит светлое время суток. Очевидно, такая покровительственная окраска сформировалась за многие поколения предшествующей эволюции. Однако с началом индустриальной революции в Англии это приспособление стало терять свое значение. Загрязнение атмосферы привело к массовой гибели лишайников и потемнению стволов деревьев. Светлые бабочки на темном фоне стали легко заметны для птиц. Начиная с середины XIX века, в популяциях березовой пяденицы стали появляться мутантные темные (меланистические) формы бабочек. Частота их быстро возрастала. К концу XIX века некоторые городские популяции березовой пяденицы почти целиком состояли из темных форм, в то время как в сельских популяциях по-прежнему преобладали светлые формы. Это явление было названо индустриальным меланизмом. Ученые обнаружили, что в загрязненных районах птицы чаще поедают светлые формы, а в чистых – темные. Введение ограничений на загрязнение атмосферы в 1950-х годах привело к тому, что естественный отбор вновь изменил направление, и частота темных форм в городских популяциях начала снижаться. В наше время они почти так же редки, как и до начала индустриальной революции.

Движущий отбор приводит генетический состав популяций в соответствие изменениям во внешней среде так, чтобы средняя приспособленность популяций была максимальной. На острове Тринидад рыбки гуппи обитают в разных водоемах. Множество тех, что живут в низовьях речек и в прудах гибнет в зубах хищных рыб. В верховьях жизнь для гуппи гораздо спокойней – там мало хищников. Эти различия во внешних условиях привели к тому, что «верховые» и «низовые» гуппи эволюционировали в разных направлениях. «Низовые», находящиеся под постоянной угрозой истребления, начинают размножаться в более раннем возрасте и производят множество очень мелких мальков. Шанс на выживание каждого из них очень невелик, но их очень много и некоторые из них успевают размножиться. «Верховые» достигают половой зрелости позднее, их плодовитость ниже, но потомки крупнее. Когда исследователи переносили «низовых» гуппи в незаселенные водоемы в верховьях речек, они наблюдали постепенное изменение типа развития рыбок. Через 11 лет после перемещения они стали значительно крупнее, вступали в размножение позже и производили меньшее количество, но более крупных потомков.

Скорость изменения частот аллелей в популяции и средних значений признаков при действии отбора зависит не только от интенсивности отбора, но и от генетической структуры признаков, по которым идет обор. Отбор против рецессивных мутаций оказывается значительно менее эффективным, чем против доминантных. В гетерозиготе рецессивный аллель не проявляется в фенотипе и поэтому ускользает от отбора. Используя уравнение Харди-Вейнберга можно оценить скорость изменения частоты рецессивного аллеля в популяции в зависимости от интенсивности отбора и начального соотношения частот. Чем ниже частота аллеля, тем медленнее происходит его элиминация. Для того чтобы снизить частоту рецессивной летали от 0,1 до 0,05 нужно всего 10 поколений; 100 поколений - чтобы уменьшить ее от 0,01 до 0,005 и 1000 поколений - от 0,001 до 0,0005 .

Движущая форма естественного отбора играет решающую роль в приспособлении живых организмов к меняющимся во времени внешним условиям. Она же обеспечивает широкое распространение жизни, ее проникновение во все возможные экологические ниши. Ошибочно думать, однако, что в стабильных условиях существования естественный отбор прекращается. В таких условиях он продолжает действовать в форме стабилизирующего отбора.

Стабилизирующий отбор. Стабилизирующий отбор сохраняет то состояние популяции, которое обеспечивает ее максимальную приспособленность в постоянных условиях существования. В каждом поколении удаляются особи, отклоняющиеся от среднего оптимального значения по приспособительным признакам.

Описано множество примеров действия стабилизующего отбора в природе. Например, на первый взгляд кажется, что наибольший вклад в генофонд следующего поколения должны вносить особи с максимальной плодовитостью. Однако наблюдения над природными популяциями птиц и млекопитающих показывают, что это не так. Чем больше птенцов или детенышей в гнезде, тем труднее их выкормить, тем каждый из них меньше и слабее. В результате наиболее приспособленными оказываются особи со средней плодовитостью.

Отбор в пользу средних значений был обнаружен по множеству признаков. У млекопитающих новорожденные с очень низким и очень высоким весом чаше погибают при рождении или в первые недели жизни, чем новорожденные со средним весом. Учет размера крыльев у птиц, погибших после бури, показал, что большинство из них имели слишком маленькие или слишком большие крылья. И в этом случае наиболее приспособленными оказались средние особи.

В чем причина постоянного появления малоприспособленных форм в постоянных условиях существования? Почему естественный отбор не способен раз и навсегда очистить популяцию от нежелательных уклоняющихся форм? Причина не только и не столько в постоянном возникновении все новых и новых мутаций. Причина в том, что часто наиболее приспособленными оказываются гетерозиготные генотипы. При скрещивании они постоянно дают расщепление и в их потомстве появляются гомозиготные потомки со сниженной приспособленностью. Это явление получило название сбалансированный полиморфизм.

Половой отбор. У самцов многих видов обнаруживаются явно выраженные вторичные половые признаки, которые на первый взгляд кажутся неадаптивными: хвост павлина, яркие перья райских птиц и попугаев, алые гребни петухов, феерические цвета тропических рыбок, песни птиц и лягушек, и т.п. Многие из этих особенностей осложняют жизнь их носителей, делают их легко заметными для хищников. Казалось бы, эти признаки не дают никаких преимуществ их носителям в борьбе за существование, и тем не менее они очень широко распространены в природе. Какую роль в их возникновении и распространении сыграл естественный отбор?

Известно, что выживание организмов является важным, но не единственным компонентом естественного отбора. Другим важнейшим компонентом является привлекательность для особей противоположного пола. Ч.Дарвин назвал это явление половым отбором. Впервые он упомянул эту форму отбора в «Происхождении видов», а затем подробно проанализировал ее в книге «Происхождение человека и половой отбор». Он считал, что «эта форма отбора определяется не борьбой за существование в отношениях органических существ между собою или с внешними условиями, но соперничеством между особями одного пола, обычно самцами, за обладание особями другого пола».

Половой отбор - это естественный отбор на успех в размножении. Признаки, которые снижают жизнеспособность их носителей, могут возникать и распространяться, если преимущества, которые они дают в успехе размножения значительно выше, чем их недостатки для выживания. Самец, который живет недолго, но нравится самкам и поэтому производит много потомков, имеет гораздо более высокую совокупную приспособленность, чем тот, что живет долго, но оставляет мало потомков. У многих видов животных подавляющее большинство самцов вовсе не участвует в размножении. В каждом поколении между самцами возникает жесточайшая конкуренция за самок. Эта конкуренция может быть прямой, и проявляться в виде борьбы за территории или турнирных боев. Она может происходить и в косвенной форме и быть обусловленной выбором самок. В тех случаях, когда самки выбирают самцов, конкуренция самцов проявляется в демонстрации их яркого внешнего вида или сложного поведения ухаживания. Самки выбирают тех самцов, которые им больше всего нравятся. Как правило, это наиболее яркие самцы. Но почему самкам нравятся яркие самцы?

Приспособленность самки зависит о того, насколько объективно она способна оценить потенциальную приспособленность будущего отца своих детей. Она должна выбрать такого самца, сыновья которого будут обладать высокой приспособленностью и привлекательностью для самок.

Было предложено две основные гипотезы о механизмах полового отбора.

Согласно гипотезе «привлекательных сыновей» логика выбора самок несколько иная. Если яркие самцы, по каким бы то ни было причинам, являются привлекательными для самок, то стоит выбирать яркого отца для своих будущих сыновей, потому что его сыновья унаследуют гены яркой окраски и будут привлекательными для самок в следующем поколении. Таким образом, возникает положительная обратная связь, которая приводит к тому, что из поколения в поколение яркость оперения самцов все более и более усиливается. Процесс идет по нарастающей до тех пор, пока не достигнет предела жизнеспособности. Представим себе ситуацию, когда самки выбирают самцов с более длинным хвостом. Длиннохвостые производят больше потомков, чем самцы с короткими и средними хвостами. Из поколения в поколение длина хвоста увеличивается, потому что самки выбирают самцов не с определенным размером хвоста, но с большим, чем в среднем размером. В конце концов, хвост достигает такой длины, когда его вред для жизнеспособности самца уравновешивается его привлекательностью в глазах самок.

Объясняя эти гипотезы, мы старались понять логику действия самок птиц. Может создаться впечатление, что мы слишком много от них ожидаем, что такие сложные расчеты приспособленности им вряд ли доступны. На самом деле, в выборе самцов самки не более и не менее логичны, чем во всем остальном их поведении. Когда животное чувствует жажду, оно не рассуждает, что ему следует попить воды, для того чтобы восстановить водно-солевой баланс в организме – оно идет на водопой, потому что чувствует жажду. Когда рабочая пчела жалит хищника, напавшего на улей, она не вычисляет, насколько этим своим самопожертвованием она повышает совокупную приспособленность своих сестер – она следует инстинкту. Точно так же и самки, выбирая ярких самцов, следуют своим инстинктами – им нравятся яркие хвосты. Все те, кому инстинкт подсказывал иное поведение, все они не оставили потомства. Таким образом, мы обсуждали не логику самок, а логику борьбы за существование и естественного отбора – слепого и автоматического процесса, который, действуя постоянно из поколения в поколение, сформировал все то удивительное разнообразие форм, окрасок и инстинктов, которое мы наблюдаем в мире живой природы.