Факторы эволюции
Мутационный процесс
Большинство мутаций возникает спонтанно и вредит организму. Часть мутаций являются рецессивными, поэтому не проявляются и передаются многим поколениям, накапливаясь в генофонде популяции.
Популяционные волны
Особенно весомым фактором эволюции популяционные волны выступают в небольших популяциях. Их участие в эволюционном процессе основано на явлении дрейфа генов.
Такое повышение встречаемости аллелей возникает в результате близкородственных браков: проявляются редкие гены, которые часто приводят к заболеваниям.
Изоляция
Изоляцией называют невозможность или затруднение свободного скрещивания между особями одного вида. Вследствие этого, генофонды двух популяций становятся независимыми друг от друга. Внутри каждой популяции происходит генотипическая дифференцировка из-за их разобщенности.
Естественный отбор
Иногда безобидные животные, в результате приспособления к внешней среде, приобретают окраску тела, напоминающую окраску опасных хищных животных. Примером может послужить внешнее сходство мухи из семейства журчалок с осой.
Многие хорошо защищенные, ядовитые виды в ходе естественного отбора получили яркую, так называемую предупреждающую окраску. Эта окраска предупреждает хищников об опасности. Если хищник съест такое ядовитое животное, то рискует получить тяжелую интоксикацию и погибнуть.
Необходимо осознавать относительность приспособленности к окружающей среде. Она помогает выживать лишь при определенных условиях, и, если условия меняются, то окраска может оказаться вовсе не полезной, но даже и вредной. К примеру, при таянии снега заяц-беляк становится еще более заметен на голой земле.
Самая ожесточенная борьба. Происходит между особями, принадлежащими к одному виду. Благодаря внутривидовой борьбе происходит половой отбор: к размножению редко допускаются неприспособленные особи, род продолжают лучшие из лучших.
В изменяющихся условиях внешней среды выживают наиболее приспособленные особи. Примером такой борьбы являются сезонные миграции птиц, зимняя спячка у животных.
Формы естественного отбора
Открыт И.И. Шмальгаузеном. Стабилизирующий отбор приводит к сужению нормы реакции, устраняя отклонения от нее. В результате преимущество получают особи, обладающие средней степенью признака, который характерен для вида или популяции. Этот отбор действует при стабильных (неизменных) условиях среды.
Примером действия стабилизирующего отбора может послужить буря: во время бури чаще всего выживают птицы со средней длиной крыла, тогда как особи с слишком короткими, или слишком длинными крыльями погибают.
Движущий естественный отбор приводит к смещению нормы реакции, в результате чего изменяется среднее значение признака. Этот вид отбора действует при изменяющихся условиях среды.
Направлен на сохранение в популяции крайних значений признаков, не благоприятствует среднему промежуточному значению признака. В результате в популяции сохраняется более чем одно значение признака.
Типичным примером является появление в луговых сообществах раноцветущих и поздноцветущих растений. В результате летних покосов, особи со средним значением признака, у которых цветение приходит на середину лета, постепенно исчезают из популяции растений. Выживают и размножаются только те растения, у которых цветение происходит до или после покосов.
© Беллевич Юрий Сергеевич 2018-2021
Данная статья написана Беллевичем Юрием Сергеевичем и является его интеллектуальной собственностью. Копирование, распространение (в том числе путем копирования на другие сайты и ресурсы в Интернете) или любое иное использование информации и объектов без предварительного согласия правообладателя преследуется по закону. Для получения материалов статьи и разрешения их использования, обратитесь, пожалуйста, к Беллевичу Юрию.
Основные факторы эволюции: мутационная изменчивость, популяционные волны, изоляция, естественный отбор
Вопрос 1. Назовите основные факторы эволюции.
Согласно синтетической теории эволюции, элементарное эволюционное явление, с которого начинается видообразование, заключается в изменении генетического состава (генетической конституции, или генофонда) популяции. События и процессы, способствующие преодолению генетической инертности популяций и приводящие к изменению их генофондов, называют элементарными эвлолюцонными факторами. Основными факторами (силами) эволюции являются:
1) Факторы, вызывающие изменения в генофонде популяции. К ним относятся наследственная изменчивость, поставляющая в популяцию новый генетический материал, и популяционные волны, изоляция, формирующие различия между генофондами различных популяций.
2) Фактор, позволяющий популяции развиваться самостоятельно относительно других популяций либо разделяющий исходную популяцию на две или более новых. Таким фактором является изоляция.
3) Фактор, направляющий эволюционный процесс и обеспечивающий закрепление в популяции определенных адаптации и изменений организмов. Таким фактором служит естественный отбор.
Вопрос 2. Какой фактор обеспечивает возникновение нового генетического материала в популяции?
Фактором, обеспечивающим возникновение принципиально нового генетического материала, является мутационная изменчивость.
В благоприятных условиях существования небольшие различия между особями одного вида не очень заметны и не играют существенной роли. Однако в неблагоприятных условиях даже небольшие наследственные изменения могут оказаться решающими и определить, какие особи популяции погибнут, а какие — выживут. Наследственная изменчивость дает материал для эволюционного процесса.
Мутации происходят с определенной частотой у всех организмов, населяющих нашу планету. Место мутации (ген и хромосома) случайно, поэтому мутации способны затронуть любые признаки и свойства особи, в том числе влияющие на жизнеспособность, размножение, поведение. В ряду поколений сохраняется подавляющее большинство мутаций, начиная с тех, которые возникли у самых давних предков. В результате набор мутаций в двух популяциях одного вида оказывается очень сходным. С другой стороны, будут присутствовать и разные мутации. Их количество — показатель того, насколько давно две популяции оказались изолированными друг от друга.
Таким образом, мутационный процесс — источник резерва наследственной изменчивости популяций. Поддерживая высокую степень генетического разнообразия популяций, он создает основу для действия естественного отбора.
Вопрос 3. Будет ли действовать отбор на носителей рецессивных мутаций?
Как правило, носители рецессивных мутаций (гетерозиготные организмы) заметно не отличаются по свойствам от гомозиготных доминантных организмов. Более того, в гетерозиготном состоянии многие мутации повышают жизнеспособность особей. Поэтому отбор на таких особей обычно не действует. По истечении определенного времени в популяции может накопиться достаточно большое число рецессивных аллелей, т.е. увеличится доля гетерозиготных организмов. Это приведет к повышению вероятности их встречи и, как следствие, к рождению (в 25% случаях) рецессивных гомозигот. Следует также иметь в виду, что в природе мутации встречаются и комбинациях друг с другом. Некоторые комбинации вследствие взаимодействия генов могут быть положительными для особи, повышая ее жизнеспособность. Вот на них и может начать действовать естественный отбор.
Вопрос 4. Приведите пример, иллюстрирующий изменение значимости мутации при изменении условий среды.
Мутации, вредные в одних условиях, могут повышать жизнеспособность особи в других условиях среды. Мутации, вредные в одних условиях, могут повышать жизнеспособность. особи в других условиях среды. Например, мутантные особи бескрылых насекомых или с плохо развитыми крыльями имеют преимущество на океанических островах и горных перевалах, где дуют сильные ветры. По сходным причинам произошло образование таких ныне истребленных человеком видов, как дронт и бескрылая гагарка.
В качестве примера можно привести мутацию у насекомых, обеспечивающую устойчивость к какому-либо пестициду. В течение долгого времени эта мутация будет нейтральной, а ее встречаемость в популяции низкой. Но после того, как данный пестицид начнут использовать для борьбы с насекомыми, мутация станет полезной, поскольку обеспечит выживание особей в изменившихся условиях. Благодаря действию отбора доля данной мутации в генофонде популяции резко возрастет — тем быстрее, чем жестче идет отбор, т. е. чем больший процент особей гибнет в каждом поколении от действия пестицида. Понятно, что подобные события проявятся гораздо ярче, если мутация устойчивости к пестициду носит доминантный характер.
Вопрос 5. Способен ли мутационный процесс оказывать направляющее влияние на процесс эволюции и почему?
Мутационный процесс — явление случайное, неспецифическое. Мутации возникают ненаправленно, не имеют приспособительного значения, т. е. обуславливают неопределенную наследственную изменчивость (по Ч. Дарвину). С равной вероятностью мутации могут привести к изменениям в любых системах органов. Таким образом, мутационный процесс сам по себе не способен оказывать направляющее действие на ход эволюции.
Вопрос 6. Что такое дрейф генов?
Дрейф генов — это процесс случайного ненаправленного изменения частот аллелей в популяции. Он наблюдается при прохождении популяции через состояние малой численности (так называемый эффект «бутылочного горлышка», который возникает в результате эпидемий, стихийных бедствий). В результате случайного дрейфа генов генетически однородные популяции, обитающие в сходных условиях, могут постепенно утратить свое первоначальное сходство. Дрейф генов — один из факторов, способствующих изменению популяций.
Вопрос 7. Какой фактор приводит к прекращению обмена генетической информацией между популяциями? Каково его эволюционное значение?
Прекращению обмена генетической информацией способствует изоляция — ограничение или прекращение скрещиваний особей, принадлежащих к разным популяциям. Изоляция бывает пространственная и экологическая.
Географическая изоляция заключается в пространственном разобщении популяций благодаря особенностям ландшафта в пределах ареала вида — наличию водных преград для «сухопутных» организмов, участков суши для видов-гидробионтов, чередованию возвышенных участков и равнин. Ей способствует малоподвижный или неподвижный (у растений) образ жизни.
Экологическая изоляция возникает, если особи разделены экологическими препятствиями в пределах одного ландшафта, например, вероятность встречи обитателей мелких и глубоких частей водоема в период размножения очень мала. Длительная экологическая изоляция способствует дивергенции популяций вплоть до образования новых видов. Так, предполагают, что человеческая и свиная аскариды, морфологически сходные, произошли от общего предка. Их расхождению, согласно одной из гипотез, способствовал запрет на употребление человеком в пищу свиного мяса, который по религиозным соображениям распространялся длительное время на значительные массы людей. Экологическая изоляция существует благодаря нюансам ритуала ухаживания, окраски, запахов, «пения» самок и самцов из разных популяций. Так, подвиды щеглов — седоголовый и черноголовый имеют выраженные отметины на голове. Серые вороны из крымской и североукраинской популяций, внешне неразличимые, отличаются карканьем.
При физиологической изоляции препятствием к скрещиванию служат различия в структуре органов размножения или просто разница в размерах тела. У растений к этой форме изоляции ведет приспособление цветка к определенному виду опылителей.
Изоляция в процессе видообразования взаимодействует с другими элементарными эволюционными факторами. Она усиливает генотипические различия, создаваемые мутационным процессом и генетической комбинаторикой. Возникающие благодаря изоляции внутривидовые группировки отличаются по генетическому составу и испытывают неодинаковое давление отбора. Эволюционное значение изоляции заключается в том, что она закрепляет, усиливает генетические различия между популяциями и создает предпосылки для дальнейшего преобразования этих популяций в отдельные виды.
Задания части 2 ЕГЭ по теме «Факторы (движущие силы) эволюции»
1. Какое значение в эволюции галапагосских вьюрков имело появление у них клювов разной формы?
Клювы разной формы позволили вьюркам потреблять разную пищу, занять разные экологические ниши, образовалось множество видов вьюрков.
2. Одно растение одуванчика занимает площадь 10 квадратных сантиметров и дает в год более 100 семян. Через 10 лет потомство одной особи могло бы занять всю поверхность земного шара. Объясните, почему этого не происходит. Приведите не менее трех аргументов.
1) Многие семена одуванчика попадают в неблагоприятные условия (отсутствие почвы, воды и т.п.) и не прорастают.
2) В благоприятных условиях одуванчики конкурируют с другими растениями за свет и воду, из-за этого не вырастают.
3) Семена и растения одуванчика поедаются растительноядными животными, грибами и бактериями.
3. Объясните, что такое популяционные волны и дрейф генов. В каких популяциях дрейф генов наиболее действенен?
1) Популяционные волны – периодические колебания численности популяции.
2) Случайное (независимое от полезности) изменение доли гена в популяции.
3) Дрейф генов наиболее действенен в маленьких популяциях.
4. Найдите три ошибки при приведенном тексте. Укажите номера предложений, в которых они сделаны, исправьте их. (1) Материалом для эволюции служит наследственная изменчивость. (2) Минимальной единицей эволюции является организм. (3) Направляющий фактор эволюции – борьба за существование. (4) В результате эволюционного процесса формируется биоразнообразие планеты. (5) Географическое видообразование связано с изменениями экологической ниши вида. (6) Географическое видообразование происходит путем расселения особей на новые территории или разделения исходного ареала на фрагменты. (7) Процесс превращения генетически изолированных популяций в новые виды называют видообразованием.
2 – минимальной единицей эволюции является популяция;
3 – направляющий фактор эволюции – естественный отбор;
5 – географическое видообразование связано с изменениями ареала обитания вида; экологическое видообразование связано с изменением экологической ниши вида.
5. Объясните, как сформировались в процессе эволюции рудиментарные органы зрения у почвенных животных слепышей.
1) За счет мутаций глаза у слепышей уменьшились (недоразвились).
2) Слепыши с недоразвитыми глазами получили преимущество в борьбе за существование (поскольку не стали тратить ресурсы на ненужные под землей органы).
3) В процессе естественного отбора они дали больше потомства, количество слепышей с уменьшенными (недоразвитыми) глазами возросло.
6. Объясните с точки зрения микроэволюции этапы появления расчленяющей окраски у полосатой рыбы-бабочки.
1) появление в исходной популяции различных мутаций, которые обусловили расчленяющую окраску тела;
2) увеличение числа особей с расчленяющей окраской тела за счет большей выживаемости таких особей в процессе борьбы за существование (меньшей заметности для хищников);
3) закрепление естественным отбором полезной мутации, формирование адаптации и образование новой популяции
7. Объясните на основе эволюционной теории возникновение покровительственной окраски у животных.
1) в результате мутаций появляются особи с новым проявлением признака, который в изменившихся условиях среды имеет адаптивный характер;
2) особи с новым признаком обладают преимуществом в борьбе за существование;
3) в процессе естественного отбора в течение многих поколений особи с полезными признаками выживали и оставляли потомство, это привело к закреплению нового адаптивного признака
8. Чем характеризуется географический способ видообразования? Укажите не менее трех элементов.
1) расширением ареала вида, популяции попадают в разные условия;
2) возникновением физических преград рельефа;
3) изоляцией популяций вида в связи с разрывом ареала, что приводит к изменению их генофонда в результате приспособления к разным условиям
9. Лечение антибиотиками болезней человека, вызванных болезнетворными микроорганизмами, со временем становится малоэффективным. Необходимо вести поиски новых лекарственных препаратов. Объясните почему.
1) в результате мутаций возникают особи с измененными свойствами;
2) устойчивость к антибиотикам является полезным признаком для микроорганизмов и поддерживается естественным отбором;
3) микроорганизмы обладают высокой скоростью размножения, и возникшие полезные мутации быстро распространяются; вскоре возникает новая популяция, невосприимчивая к антибиотику
10. Как (с позиций Ч. Дарвина) возникла зеленая покровительственная окраска тела у коричневых гусениц, перешедших на питание зелеными листьями? Ответ поясните.
1) коричневые гусеницы перешли на питание зелеными листьями; в популяции постоянно возникали мутации, среди множества мутантов по окраске появлялись особи с зеленой окраской;
2) в борьбе за существование зеленые гусеницы обладали преимуществом, они в меньшей степени склевывались птицами;
3) под действием естественного отбора выживали те гусеницы, которые обладали полезными признаками – зеленой окраской, они давали потомство, их число постепенно росло;
4) в последующих поколениях этот процесс продолжался, и окраска тела гусениц всё более соответствовала основному фону окружающей среды
11. Что является результатом борьбы за существование?
Результатом борьбы за существование является естественный отбор (выживание и размножение наиболее приспособленных организмов).
12. Какова роль движущих сил эволюции, неизвестных во времена Дарвина, в формировании приспособленности организмов?
Популяционные волны и дрейф генов случайно меняют концентрацию генов в популяции.
13. Почему географическая изоляция популяций может привести к образованию новых видов? Объясните, какие факторы эволюции этому способствуют.
1) в изолированных популяциях накапливаются новые мутации и изменяется генофонд;
2) в результате естественного отбора сохраняются особи с новыми признаками;
3) прекращается скрещивание между особями популяций, что приводит к репродуктивной изоляции и образованию нового вида.
14. В промышленных районах Англии на протяжении ХIХ–ХХ веков увеличилось число бабочек берёзовой пяденицы с тёмной окраской крыльев по сравнению со светлой окраской. Объясните это явление с позиции эволюционного учения и определите форму отбора.
1) в потомстве популяции бабочек рождаются и светлые, и тёмные особи;
2) в загрязнённых копотью промышленных районах с потемневших стволов птицы склёвывают светлые особи, поэтому через ряд поколений преобладающей формой в популяциях стали бабочки с тёмной окраской;
3) изменение окраски в популяциях бабочек – проявление движущей формы отбора
15. Численность особей в популяциях мышевидных грызунов в природе периодически резко увеличивается, а потом сокращается. Какие биотические факторы влияют на сокращение их численности? Укажите не менее четырех факторов.
1) увеличение численности хищников;
2) увеличение численности паразитов;
3) сокращение кормовой базы;
4) усиление внутривидовой конкуренции;
5) усиление межвидовой конкуренции
16. При каких условиях генетически разнообразная популяция организмов может со временем образовать два вида? Укажите возможные причины разделения популяции с образованием двух видов. Ответ поясните.
1) Для того, чтобы образовались два вида, должна возникнуть изоляция:
2) географическая изоляция возникает в результате появления физической преграды между частями популяции;
3) экологическая изоляция возникает при смене экологической ниши частью популяции;
4) изоляция может привести к образованию двух видов в случае невозможности скрещивания и обмена генами между новыми популяциями (репродуктивная изоляция).
17. Объясните, как переселение человеком собак в Австралию привело к образованию нового вида (Дикая собака динго). Для объяснения используйте знания о факторах эволюции.
1) популяция собак, переселённых в Австралию, оказалась пространственно
изолированной от популяций собак (волков) других континентов;
2) в изолированной популяции собак появились новые мутации (признаки,
аллели), которые оказались полезными в новых условиях жизни;
3) длительный естественный отбор сохранил полезные признаки (мутации)
и привёл к изменению генофонда;
4) репродуктивная изоляция привела к формированию нового вида.
18. Определите по рисунку вид изоляции севанской форели, приведший к образованию различных популяций. Ответ обоснуйте. Почему учёные относят эти популяции к одному виду? Почему севанская форель требует пристального внимания со стороны природоохранных организаций?
1) экологическая изоляция;
2) в исходном виде сформировались популяции с разными местами нереста;
3) в исходном виде сформировались популяции с разными сроками нереста;
4) между популяциями нет репродуктивной изоляции, поэтому это один вид;
5) этот вид-эндемик обитает только в озере Севан
19. Многие расовые признаки человека не имеют адаптивного значения. Назовите эволюционные факторы, под влиянием которых сформировались такие признаки, и объясните механизм их действия.
1) дрейф генов приводит к изменению частот аллелей в малочисленных изолированных популяциях;
2) миграция за пределы ареала исходной популяции приводит к тому, что случайные признаки немногочисленных основателей новых семей становятся признаками всей новой малой расы;
3) в малочисленных изолированных популяциях возрастает процент близкородственных браков, приводящий к закреплению признаков членов-основателей расы, не носящих адаптивный характер
20. Как с позиции современного эволюционного учения объясняется появление собачьих блох, устойчивых к противоблошиному шампуню?
1) в популяции блох присутствуют особи с различной степенью устойчивости к ядовитым веществам (разными мутациями);
2) при обработке шампунем (в ходе борьбы за существование) неустойчивые к яду шампуня блохи погибают, а устойчивые выживают;
3) выжившие блохи передают гены устойчивости к яду (мутацию) своим потомкам (получим преимущество в размножении);
4) в результате естественного отбора формируется новая популяция, устойчивая к яду шампуня
21. Ареалы трех видов современных двоякодышащих рыб, обитающих в пресных водоёмах, находятся в Австралии, Южной Америке и Африке. Какая форма изоляции лежит в основе данного видообразования? Знание какой теории в области геологии позволило учёным описать наиболее вероятный механизм формирования трех современных видов двоякодышащих рыб? Опишите, как с учетом этой теории происходило видообразование.
1. географическая (пространственная) изоляция;
2. теория дрейфа континентов (материков);
3. установлено, что Австралия, Южной Америка и Африка представляли собой единый континент, на котором обитали предки современных двоякодышащих рыб;
4. в результате расхождения материков в каждой изолированной популяции накопились различные мутации (изменился генофонд);
5. в каждой изолированной популяции на рыб оказывали воздействие разные условия (отбор работал в разных направлениях);
6. репродуктивная изоляция (действие отбора) привела к возникновению разных видов рыб.