Сергей Титов - Естествознание. Базовый уровень. 11 класс

Существенный вклад в теорию эволюции внесли и экологические исследования. Если во времена Дарвина в качестве единицы эволюции рассматривали отдельную особь, то сейчас такой единицей считают популяцию. Продолжительность жизни каждого организма слишком мала в масштабах эволюции, и к тому же изменить свою наследственность в течение жизни организм не может. Популяция же существует в течение очень продолжительного времени и в течение этого времени сохраняет и проявляет самые разные мутации.

Теория, объединяющая в своей основе учение Дарвина о естественном отборе с достижениями XX в. в области генетики и экологии, получила название синтетической теории эволюции (СТЭ) и позволила объяснить многие эволюционные процессы, особенно процессы микроэволюции.

1. В чём состоит цель работы селекционера?

2. Что лежит в основе борьбы за существование? Назовите виды борьбы за существование. Приведите примеры разных видов борьбы за существование в природе.

3. Какие изменения внесли в дарвинизм достижения генетики и экологии?

1. Сравните искусственный и естественный отбор. В чём их сходство и различия? Выберите критерии, составьте и заполните таблицу «Сравнительная характеристика искусственного и естественного отбора».

2. Организуйте и проведите дискуссию на тему «Может ли эволюция идти на уровне одной особи?».

§ 47 Микроэволюция и видообразование

Времена меняются, и мы меняемся вместе с ними.

Микроэволюцией называют изменения, происходящие в популяциях и приводящие к образованию нового подвида или вида. Материалом для микроэволюции, согласно СТЭ, служит наследственная изменчивость. Изменения в геноме имеют случайный и ненаправленный характер. Они могут быть результатом комбинативной или мутационной изменчивости. Следствием этих изменений может стать появление новых свойств и признаков. Если новые признаки окажутся полезными, то их обладатели получат преимущество в борьбе за существование, следовательно, их потомство будет становиться всё более и более многочисленным. В конце концов признак может распространиться на всю популяцию. Например, если в какой-то области климат станет более холодным, то этот факт никак не повлияет на гены, определяющие длину и густоту шерсти обитающих там животных. Но если у кого– нибудь из них случайно произойдёт мутация, вызывающая увеличение теплоизоляции организма, то потомки счастливого обладателя этой мутации будут побеждать в борьбе за существование своих менее удачливых собратьев. А вот признаки, являющиеся результатом модификационной изменчивости, которые изначально имеют приспособительный характер, не наследуются[17]и в эволюционном процессе участия не принимают.

Строго говоря, для изменения структуры и общего фенотипа популяции можно обойтись и без новых мутаций. Отбор часто даёт преимущества тем признакам, которые уже существовали, но при прежних условиях были бесполезными.

Рис. 143. Формы естественного отбора

Мы рассмотрим три формы отбора, которые выделял русский биолог-эволюционист Иван Иванович Шмальгаузен (1884–1963). Первый из них действует тогда, когда условия, в которых обитает популяция, не изменяются. Такой отбор называют стабилизирующим (рис. 143, А). Предположим, что речь идёт всё о той же густоте шерсти. При определённом климате наиболее предпочтительной будет определённая густота, поэтому именно она будет свойственна большинству животных.

Это изображено на графике, где по оси абсцисс отложена густота шерсти, а по оси ординат – доля членов популяции, которые именно такой густотой обладают. Видно, что для большинства животных характерна средняя частота, хотя имеются отклонения от этого значения как в меньшую, так и в большую сторону. Почему животные с такими отклонениями составляют меньшинство? Потому, что им либо слишком холодно, либо слишком жарко, и они оказываются неудачниками в борьбе за существование. Они не могут выживать и оставлять потомство в достаточном количестве. Поэтому такой отбор и называют стабилизирующим – он сужает область, в пределах которой может изменяться некий признак, и удерживает среднее значение признака на постоянном уровне.

Теперь предположим, что климат изменился в сторону похолодания. Теперь те животные, у которых густота шерсти превышает среднюю, получат преимущество и начнут усиленно размножаться; те, у которых шерсть была короткой и редкой, не выдержат низкой температуры и погибнут. Те же, которые обладали в прошлом оптимальной, т. е. средней густотой, останутся, но в гораздо меньшем, чем прежде, количестве. Как видно на рисунке, график распределения сдвинется, характер популяции изменится. Такой вид отбора называется движущим или прогрессивным (рис. 143, Б).

Третью форму отбора называют расщепляющей или дизруптивной (рис. 143, В). Представим себе, что на графике теперь показана не густота шерсти животных, а их размер. В существующих условиях оптимальным является какой-то средний размер, и большинство представителей популяции имеют именно его. Теперь предположим, что в места, где обитает эта популяция, мигрировал новый хищник, который предпочитает питаться именно этим видом животных. Но с крупными особями ему будет трудно справиться, а мелкие найдут себе подходящее убежище. Тогда страдать, а следовательно, снижать свою численность, придётся животным среднего размера. В результате через некоторое время исходная популяция распадётся на две части – «великаны» и «карлики». Так как из-за большого различия в размерах им будет сложно спариваться друг с другом и производить общее потомство, то, по сути, мы вместо единой популяции получим две, так как мы знаем, что одним из основных критериев популяции является свободное скрещивание её представителей. Между двумя частями популяции возникнет то, что называют репродуктивной изоляцией. В результате каждая популяция будет обладать собственным, отличным от другой популяции, генофондом.

К изменению генофонда популяции часто приводит процесс, который называется дрейфом генов и представляет собой случайное изменение частот аллелей в популяции. Представим себе, что на берегу широкой реки живёт популяция мышей, имеющая достаточно редкий аллель, которым обладают 5 % её представителей. Допустим, что в какой-то момент к берегу реки прибивает бревно на которое с исследовательской целью забираются десять мышей (рис. 144). После этого бревно вместе с находящимися на нём мышами сносится течением и в конце концов прибивается к острову, на котором никакие мыши до этого не обитали. Наши мыши выходят на остров, поселяются там, начинают размножаться и создают новую популяцию. Предположим, что у трёх из десяти забравшихся на бревно мышей в генотипе был этот редкий аллель. Тогда в результате размножения частота этого гена в островной популяции будет уже не 5, а 30 %, что может существенно повлиять на внешний вид и образ жизни этой популяции. Если же среди мигрантов случайно не окажется ни одного носителя редкого гена, то в островной популяции он будет вообще отсутствовать. Так или иначе через некоторое время береговая и островная популяции будут значительно отличаться друг от друга.

Ещё одной причиной, которая может вызвать дрейф генов, являются так называемые популяционные волны. Мы знаем, что численность популяции – величина непостоянная.

Рис. 144. Дрейф генов в результате переселения мышей на остров

Мы уже рассматривали колебания, которые возникают благодаря взаимодействию хищника и жертвы. Кроме того, существуют сезонные колебания, когда зимой из-за бескормицы и переохлаждения значительная часть популяции погибает, а весной вновь начинается интенсивное размножение. В период резкого снижения численности популяции соотношение аллелей и число мутантных генов в её генофонде случайно может измениться. Например, доля обладателей редких мутаций случайно может оказаться выше или ниже, чем она была во время предыдущего пика численности. Тогда после восстановления численности популяции её генофонд окажется уже иным по сравнению с тем, каким он был до её спада.

Итак, мы видим, что генофонд популяции может изменяться в силу тех или иных причин. Иногда популяция, как в случае расщепляющего отбора или миграции мышей на остров, может разделиться на две различные популяции, которые окажутся изолированными друг от друга. Если такая изоляция будет продолжаться недолго (например, если брёвна будут часто переправляться с берега на остров и обратно или если к острову вскоре проложат мост), то животные смогут вновь производить совместное потомство и вновь сольются в единую популяцию. Однако если изоляция окажется долгой, то вновь образовавшиеся популяции начнут всё более и более отдаляться друг от друга. Причиной этого могут быть различные условия жизни на разных территориях, т. е. различный характер отбора, или случайные мутации, по-разному возникающие в разделённых группах.