Естественный отбор: биологическое значение, источники, классификация

СОДЕРЖАНИЕ

Павлинье оперение — классический пример предполагаемого бегства рыбаков .

В предисловии Фишер рассматривает некоторые общие моменты, в том числе то, что должно быть понимание естественного отбора, отличное от понимания эволюции , и что недавние достижения в области генетики (см. Историю генетики ) теперь позволяют это. В первой главе Фишер рассматривает природу наследования, отвергая смешанное наследование , поскольку оно устраняет генетическую изменчивость в пользу наследования по частицам. Во второй главе вводится фундаментальная теорема Фишера о естественном отборе. Третий рассматривает эволюцию доминирования, на которую, по мнению Фишера, сильно повлияли модификаторы. В других главах обсуждаются родительские инвестиции , геометрическая модель Фишера, касающаяся того, как спонтанные мутации влияют на биологическую приспособленность , принцип Фишера, который объясняет, почему соотношение полов между мужчинами и женщинами почти всегда составляет 1: 1, репродуктивная ценность, исследуя демографию рождения девочек. Используя свои знания статистики , Фишериан-беглец, в котором исследуется, как половой отбор может привести к положительной обратной связи , создавая такие особенности, как оперение павлина . Он также писал об эволюции доминирования, в которой исследуется генетическое доминирование .

Евгеника

Последние пять глав (8–12) включают беспокойство Фишера по поводу дисгеников и предложения по евгенике . Фишер объяснил падение цивилизаций снижением плодовитости их высших классов и использовал данные британской переписи 1911 года, чтобы показать обратную зависимость между фертильностью и социальным классом, отчасти из-за более низких финансовых затрат и, следовательно, повышения социального статуса населения. семьи с меньшим количеством детей. Он предложил отменить надбавки многодетным семьям, соразмерные заработку отца. Он работал в нескольких официальных комитетах по продвижению евгеники. В 1934 году он ушел из Общества евгеники из-за спора об увеличении влияния ученых в рамках движения.

Эволюционный процесс

Эволюционная теория утверждает, что каждый биологический вид целенаправленно развивается и изменяется для того, чтобы наилучшим образом приспособиться к окружающей среде. В процессе эволюции многие виды насекомых и рыб приобрели защитную окраску, еж стал неуязвимым благодаря иглам, человек стал обладателем сложнейшей нервной системы. Можно сказать, что эволюция — это процесс оптимизации всех живых организмов. Рассмотрим, какими же средствами природа решает эту задачу оптимизации.

Основной механизм эволюции — это естественный отбор. Его суть состоит в том, что более приспособленные особи имеют больше возможностей для выживания и размножения и, следовательно, приносят больше потомства, чем плохо приспособленные особи. При этом благодаря передаче генетической информации (генетическому наследованию) потомки наследуют от родителей основные их качества.

Чтобы сделать понятными принципы работы генетических алгоритмов, поясним также, как устроены механизмы генетического наследования в природе. В каждой клетке любого животного содержится вся генетическая информация этой особи. Эта информация записана в виде набора очень длинных молекул ДНК (Дезоксирибонуклеиновая Кислота). Каждая молекула ДНК — это цепочка, состоящая из молекул нуклеотидов четырех типов, обозначаемых А, T, C и G. Собственно, информацию несет порядок следования нуклеотидов в ДНК. Таким образом, генетический код индивидуума — это просто очень длинная строка символов, где используются всего 4 буквы. В животной клетке каждая молекула ДНК окружена оболочкой — такое образование называется хромосомой.

Каждое врожденное качество особи (цвет глаз, наследственные болезни, тип волос и т.д.) кодируется определенной частью хромосомы, которая называется геном этого свойства. Например, ген цвета глаз содержит информацию, кодирующую определенный цвет глаз. Различные значения гена называются его аллелями.

При размножении животных происходит слияние двух родительских половых клеток и их ДНК взаимодействуют, образуя ДНК потомка. Основной способ взаимодействия — кроссовер (cross-over, скрещивание). При кроссовере ДНК предков делятся на две части, а затем обмениваются своими половинками.

При наследовании возможны мутации из-за радиоактивности или других влияний, в результате которых могут измениться некоторые гены в половых клетках одного из родителей. Измененные гены передаются потомку и придают ему новые свойства. Если эти новые свойства полезны, они, скорее всего, сохранятся в данном виде — при этом произойдет скачкообразное повышение приспособленности вида.

В начале XX века, на заре генетики, многие исследователи отрицали роль естественного отбора как созидающего фактора. Основной эволюционной силой считался мутационный процесс как единственная причина возникновения новых признаков и свойств организма. Поскольку мутация — явление исключительно редкое (установлено, что в среднем мутирует один ген из миллиона), естественному отбору отводили роль простого «контролера», вступающему в действие только после появления нового генетического отклонения.

Однако дальнейшие исследования показали, что в природных популяциях любого вида существует огромный запас генетической изменчивости по самым разнообразным признакам. Таким образом, у естественного отбора всегда есть огромный материал для работы. В лабораторных экспериментах удалось установить, что с помощью отбора можно изменять практически любые свойства организма, даже такие, как доминантность или рецессивность тех или иных признаков.

Действительно, единственным источником «эволюционного материала» (наследственной изменчивости) является мутационный процесс. Но это не отрицает творческую роль естественного отбора: его можно сравнить со скульптором, который создает прекрасные предметы искусства лишь отсекая от глыбы мрамора «ненужные» куски.

Формы естественного отбора

В природе естественный отбор, без сомнения, выступает как единый фактор, действующий в пределах популяций. Однако в зависимости от изменений условий среды и взаимодействия популяций и видов не только его направление, но и формы могут меняться. Механизм действия естественного отбора при этом остается неизменным — выживание и более эффективное размножение индивидуумов, наиболее приспособленных к конкретным условиям существования. Выделяют несколько форм отбора: — движущий —стабилизирующий — разрывающий.

Движущая форма отбора.Способствует сдвигу среднего значения признаков и появлению новых форм.

Популяции, находящиеся достаточно долго в стабильных, мало меняющихся условиях, достигают высокой степени приспособленности и могут длительное время пребывать в равновесном состоянии, не испытывая значительных изменений генотипического состава. Однако изменение внешних условий может быстро привести к значительным сдвигам в генотипической структуре популяций.

Яркий пример, доказывающий существование движущей формы естественного отбора, — так называемый индустриальный меланизм. Причина возрастания частоты встречаемости черных бабочек в промышленных районах состоит в том, что на потемневших стволах деревьев белые бабочки стали легкой добычей птиц, а черные бабочки, наоборот, стали менее заметными.

Движущая форма естественного отбора приводит к закреплению новой нормы реакции организма, которая соответствует изменившимся условиям окружающей среды. Отбор всегда идет по фенотипам, но вместе с фенотипом отбираются и генотипы, их обусловливающие.

Стабилизирующая форма отбора. Стабилизирующая форма отбора направлена на сохранение установившегося в популяции среднего значения признака. Поскольку в любой популяции всегда существует мутационная изменчивость, то постоянно возникают особи с существенно отклоняющимися от среднего значения, типичного для популяции или вида, признаками они погибают.

Во время бури преимущественно гибнут птицы с длинными и короткими крыльями, тогда как птицы со средним размером крыльев чаще выживают; наибольшая гибель детенышей млекопитающих наблюдается в семьях, размер которых больше и меньше среднего значения, поскольку это отражается на условиях кормления и на способности защищаться от врагов.

Разрывающий отбор. Отбор, благоприятствующий более чем одному фенотипическому оптимуму и действующий против промежуточных форм, называется дизруптивным, или разрывающим.

Его можно объяснить на примере появления распогремка— раннецветущего и поздноцветущего. Их возникновение — результат покосов, осуществляемых в середине лета, которые уничтожают растения с промежуточными сроками цветения. Вследствие этого единая популяция разделяется на две не перекрывающиеся субпопуляции. Гибриды, возникающие между разными формами, не обладают достаточным сходством с несъедобными видами и активно потребляются птицами.

Творческая роль естественного отбора:В различных обстоятельствах естественный отбор может идти с различной интенсивностью.

Дарвин отмечает обстоятельства, благоприятствующие естественному отбору:

— достаточно высокая частота проявления неопределенных наследственных изменений;

многочисленность особей вида, повышающая вероятность проявления полезных изменений;

— не родственное скрещивание, увеличивающее размах изменчивости в потомстве.

Дарвин отмечает, что перекрестное опыление встречается изредка даже среди растений-самоопылителей;

изоляция группы особей, препятствующая их скрещиванию с остальной массой организмов данной популяции;

— широкое распространение вида, так как при этом на разных границах ареала особи встречаются с различными условиями и естественный отбор будет идти в разных направлениях и увеличивать внутривидовое разнообразие.

Естественный отбор лежит в основе эволюции. Его можно считать процессом, в результате которого в популяциях живых организмов увеличивается количество особей, лучше приспособленных к условиям окружающей среды.

В то время как количество особей менее приспособленных по тем или иным признакам уменьшается.

Поскольку условия среды обитания популяций неодинаковы (где-то условия стабильны, где-то изменчивы), то существует несколько разных форм естественного отбора.

Обычно выделяют три основные формы — это стабилизирующий, движущий и дизруптивный отборы.

Также существует половой естественный отбор.

Механизм естественного отбора

Мысль о том, что виды могут изменяться под действием отбора,
неоднократно высказывали разные ученые начиная с античных времён, в том
числе некоторые английские авторы начала XIX века. Однако широкое
признание концепция ЕО получила после того, как в 1858 г английские
учёные Чарльз Дарвин и Альфред Уоллес
изложили в своих статьях, опубликованных в одном и том же номере
журнала Journal of the Proceedings of the Linnean Society of London.
Zoology, идею о том, что в живой природе действует механизм, подобный искусственному отбору,
и в особенности после выхода в свет в 1859 г книги Дарвина
«Происхождение видов». Смысл их идеи состоит в том, что для появления
удачных созданий природе вовсе не обязательно понимать и анализировать
ситуацию, а можно действовать наугад. Достаточно создавать широкий
спектр разнообразных особей — и, в конечном счёте, выживут наиболее
приспособленные.

  1. Сначала появляется особь с новыми, совершенно случайными, свойствами
  2. Потом она оказывается или не оказывается способной оставить потомство, в зависимости от этих свойств
  3. Наконец, если исход предыдущего этапа оказывается положительным, то
    она оставляет потомство и её потомки наследуют новоприобретённые
    свойства

В настоящее время, отчасти наивные взгляды самого Дарвина оказались
частично переработаны. Так, Дарвин представлял, что изменения должны
происходить очень плавно, а спектр изменчивости является непрерывным.
Сегодня, однако, механизмы естественного отбора объясняются при помощи генетики, которая вносит некоторое своеобразие в эту картину. Мутации в генах,
которые работают на первом этапе описанного выше процесса, являются
дискретными изменениями генотипа. Ясно, однако, что основной смысл идеи
Дарвина остался без изменений.

3.Дестабилизирующий отбор

Дестабилизирующий отбор — это разрушение корреляционных связей в организме при интенсивном отборе в каждом определенном направлении. В пример можно привести случай, когда отбор, направленный на уменьшение агрессивности, приводит к дестабилизации цикла размножения.

Стабилизирующий отбор сужает норму реакции. Однако в природе нередки случаи, когда экологическая ниша вида со временем может оказаться более широкой. В этом случае селективное преимущество получают особи и популяции с более широкой нормой реакции, сохраняющие вместе с тем то же среднее значение признака. Эта форма естественного отбора была впервые описана американским эволюционистом Джорджем Г. Симпсоном под названием центробежного отбора. В итоге идет процесс, обратный стабилизирующему отбору: преимущество получают мутации с более широкой нормой реакции.     

Так, популяции озёрных лягушек, живущие в прудах с разнородной освещенностью, с чередованием участков, заросших ряской, тростником, рогозом, с «окнами» открытой воды, характеризуются широким диапазоном изменчивости окраски (итог дестабилизирующей формы естественного отбора). Наоборот, в водоемах с однородной освещенностью и окраской (пруды, сплошь заросшие ряской, или открытые пруды) диапазон изменчивости окраски лягушек узок (итог действия стабилизирующей формы естественного  отбора).

Таким образом, дестабилизирующая форма отбора ведет к расширению нормы реакции.

Типы и примеры

Существует несколько классификаций выбора. Первый классифицирует события отбора по их влиянию на среднее значение и дисперсию в распределении частот изучаемого персонажа. Это: стабилизирующий, направленный и разрушительный отбор

У нас также есть другая классификация, которая зависит от изменения фитнес по частоте различных генотипов популяции. Это выбор, зависящий от положительной и отрицательной частоты.

Наконец, есть жесткий и мягкий выбор. Эта классификация зависит от существования конкуренции среди отдельных лиц и от величины избирательного давления. Далее мы опишем три наиболее важных типа отбора:

Стабилизирующий отбор

Существует стабилизирующий отбор, когда люди, которые имеют «средний» или более частый характер (те, кто находится в самой высокой точке в распределении частот), имеют самые высокие фитнес.

Напротив, особи, которые находятся в хвостах колокола, очень далеко от среднего, устраняются с шагом поколений.

В этой модели выбора среднее значение остается постоянным на протяжении поколений, тогда как дисперсия уменьшается.

Классическим примером стабилизирующего отбора является вес ребенка при рождении. Хотя медицинские достижения ослабили это избирательное давление с помощью таких процедур, как кесарево сечение, размер обычно является решающим фактором.

Маленькие дети быстро теряют тепло, в то время как у детей, которые имеют значительно больший вес, возникают проблемы при родах..

Если исследователь стремится изучить тип отбора, который происходит в данной популяции и только количественно определяет среднее значение характеристики, он может сделать ошибочные выводы, полагая, что эволюция не происходит в популяции

Поэтому важно измерить дисперсию персонажа

Направленный выбор

Модель направленного отбора предполагает, что на протяжении поколений выживают люди, которые находятся в любом из хвостов частотного распределения, либо в левом, либо в правом секторе..

В моделях направленного отбора среднее значение перемещается с переходом поколений, тогда как дисперсия остается постоянной.

Феномен искусственного отбора, осуществляемого людьми на своих домашних животных и растениях, является типичным направленным отбором. Обычно требуется, чтобы животные (например, домашний скот) были крупнее, производили больше молока, были сильнее и т. Д. Точно так же, как это происходит в растениях.

С течением поколений среднее значение выбранного характера населения меняется в зависимости от давления. Если вы ищете более крупных коров, среднее значение увеличится.

В естественной биологической системе мы можем взять пример меха определенного маленького млекопитающего. Если температура постоянно понижается в своей среде обитания, то будут выбраны те варианты, которые имеют случайную мутацию, более толстый слой.

Подрывной выбор

Подрывной отбор действует в пользу людей, которые находятся далеко от среднего уровня. По мере того, как проходят поколения, хвосты увеличивают свою частоту, в то время как особи, которые были ранее близки к среднему, начинают уменьшаться.

В этой модели среднее значение может поддерживаться постоянным, в то время как дисперсия увеличивается — кривая становится все шире и шире, пока не заканчивается делением на две части..

Предполагается, что этот тип отбора может привести к событиям видообразования, при условии, что происходит адекватная изоляция между двумя морфологиями, расположенными на концах хвоста..

Например, некоторые виды птиц могут иметь заметные изменения в своем пике. Предположим, что есть оптимальные семена для очень маленьких пиков и оптимальные семена для очень больших пиков, но промежуточные пики не получают правильную пищу.

Таким образом, эти две крайности будут увеличиваться по частоте, и, если возникают адекватные условия, которые способствуют событиям видообразования, может случиться так, что со временем особи с различными изменениями пика станут двумя новыми видами..

Основная мысль теории Чарльза Дарвина

В центре теории находится взаимодействие свойств наследственности и переменчивости. Они выражены в способности дублировать подобные материнским типы обмена веществ и развития в целом, совместно влияют на многообразие форм жизни.Ученый вывел две основные формы переменчивости:

  • Неопределенная изменчивость. Наследственная форма изменчивости, в которой проявлялись отличия в рамках одного вида, проживающего в сходных условиях окружающей среды.
  • Определенная изменчивость. Выражается одинаковой реакцией на окружающую обстановку всех особей одного вида с сохранением своих характеристик. Данные изменения не передаются по наследству.

Дарвин считал, что движущей силой эволюции выступает именно неопределенная изменчивость. Он выделял такие ее виды:

  • Вредная. Приводит к нежизнеспособности организмов.
  • Нейтральная. Изменения, которые не отражаются качественно на видах.
  • Перспективная. Именно эта мутация дала толчок к формулировке теории эволюции.

Рис. 2. Теория происхождения видов Чарльза ДарвинаДаже незначительные изменения в одном поколении усиливают действия последующих мутаций.В целом, теория эволюции по Дарвину включает в себя тезис, что у всех живых организмов на Земле один общий предок и сложные виды эволюционируют от простых. Со временем в генетическом коде организма накапливаются полезные или перспективные мутации и возникает новый вид живого существа.

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[источник не указан 3330 дней], 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»[источник не указан 3330 дней]. 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»[источник не указан 3330 дней].

Современный мир

Идея естественного отбора до сих пор вызывает множество споров в научной среде. Противники не считают теорию эволюции правдивой, так как неясно, каким образом зародилась жизнь на Земле. Креационисты тоже не поддерживают учение Чарльза Дарвина. Появление синтетической теории эволюции тоже вызывает немало споров.

Происхождение разных видов также подвергается критике. Ученые могут только строить теории о развитии тех или иных организмов. Селекция создана человеком и является противовесом природной эволюции.

В ЕГЭ по биологии и в контрольных работах можно встретить вопросы, которые затрагивают тему «Естественный отбор». Задания состоят из разных требований: где-то нужно составить таблицу-сравнение, указать формы и перечислить их отличия, написать сравнительную характеристику

Важно уметь приводить краткие примеры, называть последствия отбора и как они проявляются. Иногда нужно порассуждать на тему «почему существует отбор естественный», «борьба за выживание как двигатель эволюции» и т

п.

В тестах по биологии можно найти разные вопросы об отборе. Примерные задания:

  • каков главный эффект естественного отбора;
  • что служит исходным материалом для нее;
  • какая форма позволяет преобразовать виды;
  • что является источником генетического разнообразия;
  • что лежит в основе теории Дарвина;
  • отбирающий фактор и т. д.

Знание учения Дарвина позволяет иначе взглянуть на механизмы эволюции. Природа отбирает лучших представителей для дальнейшего развития. Ученые спорят о том, влияет ли этот механизм на человечество. Благодаря тому, что многие виды смогли изменяться, они выжили в ходе эволюции. Не всегда главное — размер и сила. Динозавры поражают гигантским ростом, но в итоге победили те животные, что были небольшими и умными. Прогнозировать, как будет развиваться эволюция, сложно.