5.2: Механізми еволюції

Принцип рівноваги Харді-Вайнберга говорить про те, що частоти алелів у популяції залишатимуться постійними за відсутності чотирьох факторів, які можуть їх змінити. Ці фактори - природний відбір, мутація, генетичний дрейф та міграція (потік генів). Насправді, ми знаємо, що вони, ймовірно, завжди впливають на населення.

Природний відбір

Ми розглянули природний відбір в попередньому розділі. Нагадаємо, що алелі виражаються в фенотипі. Залежно від умов навколишнього середовища фенотип надає перевагу або недолік особі з фенотипом щодо інших фенотипів у популяції. Якщо це перевага, то ця людина, швидше за все, матиме більше потомства, ніж особини з іншими фенотипами, і це означатиме, що алель за фенотипом матиме більшу представленість у наступному поколінні. Якщо умови залишаться колишніми, користь принесуть і ті потомства, які несуть один і той же алель. Згодом алель буде збільшуватися в частоті в популяції.

Мутація

Мутація є джерелом нових алелів у популяції. Мутація - це зміна послідовності ДНК гена. Мутація може змінити один алель на інший, але чистий ефект - це зміна частоти. Зміна частоти, що виникає в результаті мутації, невелика, тому її вплив на еволюцію невеликий, якщо він не взаємодіє з одним з інших факторів, таких як виділення. Мутація може спричинити алель, який вибирається проти, обраний для або вибірково нейтральний. Шкідливі мутації видаляються з популяції шляхом відбору і, як правило, виявляються лише на дуже низьких частотах, рівних швидкості мутації. Корисні мутації поширюватимуться по популяції шляхом відбору, хоча початкове поширення повільне. Чи є мутація корисною чи шкідливою, визначається тим, чи допомагає вона організму дожити до статевої зрілості та розмножуватися. Слід зазначити, що мутація є кінцевим джерелом генетичних варіацій у всіх популяціях - нових алелів, і, отже, через мутацію виникають нові генетичні варіації.

Генетичний дрейф

Іншим способом зміни частот алелів населення є генетичний дрейф (рисунок нижче), який є просто ефектом випадковості. Генетичний дрейф найважливіший у невеликих популяціях. Дрейф був би повністю відсутній у популяції з нескінченними особинами, але, звичайно, жодна популяція не така велика. Генетичний дрейф відбувається тому, що алелі в поколінні потомства є випадковою вибіркою алелів у батьківському поколінні. Алелі можуть або не можуть потрапити в наступне покоління через випадкові події, включаючи смертність людини, події, що впливають на пошук партнера, і навіть події, що впливають на те, які гамети закінчуються заплідненням. Якщо одна особина в популяції з десяти особин загине до того, як вона залишить потомство наступному поколінню, всі її гени - десята частина генофонду популяції - будуть раптово втрачені. У популяції з 100 чоловік становить лише 1 відсоток загального генофонду; отже, він має набагато менший вплив на генетичну структуру популяції і навряд чи видалить всі копії навіть відносно рідкісного алеля.

Уявіть собі популяцію з десяти особин, половина з алелем А і половина з аллелем а (особини гаплоїдні). У стабільній популяції наступне покоління також матиме десять особин. Виберіть це покоління випадковим чином, перевертаючи монету десять разів, і нехай голови будуть A, а хвости - a. Навряд чи наступне покоління буде мати рівно половину кожного аллеля. Там може бути шість з одного і чотири інших, або якийсь інший набір частот. Таким чином, змінилися частоти алелів і відбулася еволюція. Монета більше не буде працювати, щоб вибрати наступне покоління (тому що шанси більше не половина для кожного аллеля). Частота в кожному поколінні буде дрейфувати вгору і вниз на те, що відомо як випадкова прогулянка, поки в одній точці не будуть обрані всі A або всі a, і цей алель фіксується з цієї точки. Це може зайняти дуже багато часу для великого населення. Це спрощення не дуже біологічне, але можна показати, що реальні популяції поводяться саме так. Вплив дрейфу на частоти тим більше, чим менша популяція. Його вплив також більше на алель з частотою, далекою від однієї половини. Дрейф впливатиме на кожен алель, навіть ті, які природним чином вибираються.

Малюнок\(\PageIndex{1}\): Генетичний дрейф у популяції може призвести до випадкового усунення алеля з популяції. У кожному поколінні випадковий набір особин відтворюється для отримання наступного покоління. Частота алелей в наступному поколінні дорівнює частоті алелей серед особин, що розмножуються. Як ви думаєте, генетичний дрейф відбудеться швидше на острові чи на материку?

Генетичний дрейф також може бути збільшений природними або спричиненими людиною подіями, такими як катастрофа, яка випадковим чином вбиває велику частину населення, що відоме як ефект вузького місця, що призводить до того, що велика частина генома раптово знищується (Малюнок нижче). Одним махом генетична структура вижили стає генетичною структурою всієї популяції, яка може сильно відрізнятися від популяції до катастрофи. Катастрофа повинна бути такою, яка вбиває з причин, не пов'язаних з рисами організму, такими як ураган або потік лави. Масове вбивство, спричинене незвично холодною температурою вночі, ймовірно, вплине на людей по-різному залежно від алелів, якими вони володіють, які надають холодостійкість.

Малюнок\(\PageIndex{2}\): Випадкова подія або катастрофа можуть зменшити генетичну мінливість у популяції.

Інший сценарій, в якому популяції можуть відчувати сильний вплив генетичного дрейфу, полягає в тому, що якась частина населення залишає, щоб почати нову популяцію в новому місці, або якщо популяція ділиться якимось фізичним бар'єром. У цій ситуації ці особини навряд чи будуть репрезентативними для всього населення, що призводить до ефекту засновника. Ефект засновника виникає, коли генетична структура відповідає структурі батьків-засновників та матерів нового населення. Вважається, що ефект засновника був ключовим фактором генетичної історії африканерської популяції голландських поселенців у Південній Африці, про що свідчать мутації, які поширені у африканців, але рідкісні у більшості інших популяцій. Це, ймовірно, пов'язано з більшою, ніж зазвичай, часткою колоністів-засновників, які були невеликою вибіркою вихідного населення, перенесли ці мутації. В результаті населення висловлює надзвичайно високі випадки захворювання на хворобу Хантінгтона (HD) та анемію Фанконі (ФА), генетичне захворювання, яке, як відомо, спричиняє кістковий мозок та вроджені аномалії, і навіть рак. ¹

КОНЦЕПЦІЯ В ДІЇ

Відвідайте цей сайт, щоб дізнатись більше про генетичний дрейф та запустити моделювання змін алелів, спричинених дрейфом.

Потік генів

Іншою важливою еволюційною силою є потік генів, або потік алелів у популяції та з неї, що виникає внаслідок міграції індивідів або гамет. Хоча деякі популяції досить стабільні, інші відчувають більший потік. Наприклад, багато рослин посилають своє насіння далеко і широко, вітром або в кишках тварин; ці насіння можуть ввести алелі, поширені в популяції джерела, до нової популяції, в якій вони рідкісні. Потік генів може відбуватися, коли людина подорожує з одного географічного положення в інше і приєднується до іншої популяції виду. У наведеному тут прикладі коричневий алель вводиться в зелену популяцію.

Докази еволюції

Докази еволюції є переконливими і великими. Дарвін присвятив велику частину своєї книги «Про походження видів», визначаючи закономірності в природі, які відповідали еволюції, і з тих пір Дарвіна наше розуміння стало чіткішим і ширшим. Докази еволюції знаходяться на всіх рівнях організації в живих істотах і в вимерлих видах, про які ми знаємо через скам'янілості. Скам'янілості свідчать про еволюційні зміни через нині вимерлі форми, які призвели до сучасних видів. Наприклад, існує багатий викопний запис, який показує еволюційні переходи від предків коней до сучасних коней (рисунок нижче), які документують проміжні форми та поступову адаптацію до мінливих екосистем. Анатомія видів та ембріологічний розвиток цієї анатомії виявляють загальні структури в розбіжних лініях, які з часом змінювалися еволюцією. Географічне поширення живих видів відображає походження видів у конкретних географічних місцях та історію континентальних рухів. Структури молекул, як і анатомічні структури, відображають взаємозв'язки живих видів і відповідають зразкам подібності, очікуваним від спуску з модифікацією.

Малюнок\(\PageIndex{3}\): На цій ілюстрації зображені художники цих видів, отриманих від скам'янілостей еволюційної історії коня та її предків. Зображених видів - лише чотири з дуже різноманітної лінії, яка містить багато гілок, тупиків та адаптивних випромінювань. Однією з тенденцій, зображених тут, є еволюційне відстеження висушуючого клімату та збільшення прерії порівняно з лісовим середовищем існування, відображеним у формах, які більш пристосовані до випасу та втечі хижака через біг. Кінь Пржевальського - один з небагатьох живих видів коня.

Дописувачі та атрибуція

• Template:ContribCCEssofEnvSc