Урок Получить доступ за 75 баллов Эволюция. Факторы и результаты

В основе эволюции лежат явления наследственности и изменчивости.

Наследственность – это передача признаков от родителей к потомкам.

Благодаря наследственности передаются гены, кодирующие признаки организма и отвечающие за все процессы жизнедеятельности.

Также в результате наследственности потомкам передаются навыки обучения, образования, традиций, а также черты характера.

Однако наследуются только безусловные рефлексы, выработанные животными и отраженные в генах в результате миллионов лет эволюции.

Например, рефлекс голода, следования за стадом, рефлекс сосания и хватательный рефлекс новорожденного.

Условные рефлексы не наследуются, а заново приобретаются каждым поколением, но от наследственности зависит скорость приобретения условных рефлексов, иными словами, быстрота обучения живого организма.

Наследственность создает относительное постоянство признаков организма, на которое может влиять изменчивость, влекущая возникновение различий между организмами.

Изменчивостьприсуща всем живым организмам как способность приобретать новые признаки, отличные от родительских.

Каждый организм за счет индивидуальной изменчивости имеет свой неповторимый набор ДНК, не встречающийся нигде больше на Земле.

Наследственная изменчивость обусловлена возникновением мутаций и новых комбинаций генов, ненаследственная- воздействием факторов внешней среды.

Ненаследственная изменчивость- это изменение фенотипа (признаков организма) при воздействии внешней среды, не затрагивающее генотип (набор генов организма).

Степень изменения фенотипа определяется генотипом.

Различия у генетически одинаковых особей, возникающие вследствие воздействия факторов внешней среды, называются модификациями.

Возрастные онтогенетические модификации выражаются в виде постоянной смены признаков в процессе онтогенеза организма.

К примеру, если однояйцевых близнецов в детстве разделить и предложить одному заниматься гимнастикой, а другому тяжелой атлетикой, то к 25 годам мы получим двух людей разного роста.

Поднятие тяжестей замедляет рост, в отличие от гимнастики.

Однако гимнаст не вырастет ростом 2 метра, а тяжелоатлет не остановится в росте 1 метр.

Рост человека, как и остальные признаки, наследуется от родителей и может колебаться в незначительных пределах.

В данном случае разница в росте составит не более 10- 15 см.

Такой признак, как рост человека,, обладает небольшой нормой реакции.

Норма реакции- способность генотипа формировать разные фенотипы в процессе онтогенеза в зависимости от условий среды.

Сезонные модификации организмов происходят как смена признаков в результате изменения погодных условий.

Например, изменение окраски шерсти у зайца или песца.

Данный тип модификации можно наблюдать и у домашних животных.

Например, при высоких температурах у крольчат развивается белая окраска шерсти, а при низких - черная.

У сиамских котят в зависимости от температуры их содержания окрас может изменяться от темного к светлому: при высоких температурах светлее.

Экологические модификации представляют собой изменения фенотипа в ответ на изменение условий среды.

Они возникают на ранних этапах развития и сохраняются в течение всей жизни.

Например, при недостаточном получении пищи в период роста животное останется слабым и низкорослым на всю жизнь.

Экологические модификации затрагивают количественные (рост животных, высоту деревьев, количество листьев и корней) и качественные (окраска животного, жирность молока) признаки.

Комбинативная изменчивость возникает при рекомбинации генов вследствие слияния гамет и является наследственной.

Основные причины:

• расхождение хромосом во время мейоза
• случайное сочетание хромосом во время оплодотворения
• рекомбинация генов вследствие кроссинговера

Особенно ярко проявляется при размножении в результате полового процесса.

Благодаря комбинативной изменчивости потомки имеют внешность, отличную от обоих родителей.

Мутация- случайно возникшие, стойкие изменения генотипа, затрагивающие целые хромосомы, их части или отдельные гены.

Мутационная изменчивость возникает в результате мутаций.

Чаще всего изменения в генах приводят к летальному исходу, короткой продолжительности жизни организма и ряду генетических заболеваний.

Однако редкие мутации могут нести положительные изменения во внешности организма, повлечь за собой приспособленность к среде обитания и возникновение новых видов.

Чаще всего мутационные изменения - это мелкие, едва заметные уклонения от нормы.

Мутации возникают в основном в результате действия нескольких факторов:

• спонтанные ошибки при репликации
• действия различных мутагенов, вызывающих ошибки репликации ДНК

Мутации, вызванные действием мутагенов (облучение, химические вещества, температура), называют индуцированными.

Могут происходить и спонтанные мутации, вызванные биофизическими и биохимическими внутриорганизменными воздействими.

По характеру изменения генотипа мутации делят на геномные, хромосомные и генные.

Геномные мутации происходят при изменении числа хромосом в клетках организма.

К ним относятся:

• полиплоидия- увеличение числа хромосом, когда вместо обычных для диплоидных организмов 2 наборов хромосом их может быть 3, 4 и т. д,; чаще всего встречается у растений
• гаплоидия- вместо 2 наборов хромосом имеется лишь один
• анеуплоидия- одна или несколько пар гомологичных хромосом отсутствуют (нуллисомия) или представлены не парой, а лишь одной хромосомой (моносомия), либо, напротив, тремя или более гомологичными партнерами (трисомия, тетрасомия), например, при болезни Дауна у человека имеется лишняя хромосома

К хромосомным мутациям, или хромосомным перестройкам, относятся:

• инверсии- участок хромосомы перевернут на 180°
• транслокации- обмен участками двух или более негомологичных хромосом
• делеции- выпадение значительного участка хромосомы, или нехватки (малые делеции) при выпадении небольшого участка хромосомы
• дупликации- удвоение участка хромосомы
• фрагментации- разрыв хромосомы на 2 части или более

Генные мутации представляют собой стойкие изменения химического строения отдельных генов.

Известны также мутации генов, локализованных не только в хромосомах, но и в некоторых самовоспроизводящихся органеллах цитоплазмы (например, в митохондриях и пластидах).

Например, отсутствие гена, кодирующего пигмент меланин, вызывает патологию под названием альбинизм (от лат. albus- «белый»). При этом отсутствует пигмент меланин. В результате кожа, ногти, волосы не имеют цвета и становятся белыми, а бесцветная радужная оболочка делает глаза красными.

Колебания числа особей в популяции характерны для всех живых организмов.

Изменение численности может происходить при воздействии абиотических и биотических факторов среды.

Действие популяционных волн или волн жизни предполагает случайное уничтожение особей, благодаря чему редкий перед колебанием численности признак организма может сделаться обычным и стать более встречающимся в результате естественного отбора.

В дальнейшем численность популяции восстановится за счет оставшихся особей с новыми признаками, что приведет к изменениям генофонде данной популяции.

Популяционные волны являются поставщиком эволюционного материала, они могут происходить как:

• периодические колебания численности маложивущих организмов характерны для большинства насекомых, однолетних растений, большинства грибов и микроорганизмов; обычно это сезонные влияния абиотических факторов

• непериодические колебания численности зависят от биотических факторов: уменьшение хищников, увеличение корма; обычно такие колебания затрагивают не­сколько видов животных и растений в одном сообществе, что приводит к коренным изменениям в структуре сообщества

• резкие непериодические колебания численности, могут быть связаны с природными катастрофами (засуха или пожар)

В небольших популяциях влияние популяционных волн наиболее значимо.

Действие естественного отбора увеличивает частоту встречаемости редких мутаций или устраняет уже устоявшиеся признаки.

На следующем рисунке видны популяционные волны хищников и их жертвы. Мы видим, что рост численности зайцев немного опережает рост численности хищников, пищевой цепочкой которой они являются.

Понятно, что такое смещение появляется из- за времени, благодаря которому популяция хищников должна отреагировать на увеличение пищи.

Дрейф генов происходит в виде изменений в частоте встречаемости признаков популяции, в виду случайных факторов среды.

Может завершиться образованием нового вида.

Чем меньше число скрещивающихся особей в популяции, тем больше изменений будет претерпевать генофонд популяции.

Случайный рост частоты мутации обычно происходит при размножении в изолированных популяциях.

Например, несколько семей создают новую популяцию на новой территории.

В ней поддерживается высокая степень брачной изоляции, что способствует закреплению одних признаков и устранению других.

Впоследствии произойдет неравномерное распределение наследственных заболеваний в популяциях в биосфере.

Дрейф генов приводит к:

• изменению генетической структуры популяций: усилению однородности генофонда
• уменьшению генетической изменчивости популяций
• процессу расхождения признаков у родственных популяций

Самый яркий результат эволюции- это адаптация организма к условиям среды.

В процессе адаптации у организма появляются новые признаки, повышающие приспособленность к среде обитания.

Появление адаптаций вызвало образование новых видов, затем новых родов, семейств, классов, типов и царств, когда бывшие родственные организмы все дальше отдалялись друг от друга при появлении новых признаков.

Макроэволюция это процесс образования новых родов, семейств, классов, типов и царств животных.

Она происходит на протяжении миллионов лет.

Макроэволюция рассматривается как результат множества микроэволюций.

Микроэволюция происходит на уровне отдельных популяций в течении короткого времени.

Ее можно наблюдать в течении человеческой жизни.

В результате нее образуются новый виды.

Микроэволюция происходит под воздействием таких факторов, как изоляция, дрейф генов, популяционные волны, комбинативная и мутационная изменчивость.

Адаптация является следствием естественного отбора.

Адаптация может привести как к появлению новой черты, так и к потере предковой черты.

Например, у человека на верхних конечностях появился большой палец для более удобного хватания, однако руки стали более слабыми конечностями и потеряли в длине.

Адаптация происходит посредством постепенного изменения структур.

У структур со схожим строением у родственных организмов могут быть разные функции как результат того, что предковые структуры адаптируются для выполнения разных функций.

Например, кости в крыльях летучих мышей гомологичны костям плавников дельфина, поскольку происходят от одних и тех же костей общего предка всех млекопитающих.

В ходе эволюции некоторые структуры могут терять свою основную функцию, становясь рудиментами.

У таких структур могут оставаться вторичные функции, либо они полностью утрачивают функциональность.

Примером рудиментов у человека являются зубы мудрости, копчик, аппендикс, а также физиологические реакции, такие как гусиная кожа и врождённые рефлексы.

Один из случаев взаимовыгодного сотрудничества организмов как результат эволюции называют кооперация.

Например, однажды вступив в симбиоз с цианобактериями (водорослями), гифы гриба приспособились к совместному проживанию в виде лишайников.

Гифы гриба получают от водоросли органические вещества в виде отмерших клеток, а сами предоставляют сине- зеленым водорослям минеральные соли и воду.

Эволюция таких организмов идет совместно, они уже не могут существовать друг без друга.

Однако существует и кооперация между особями одного вида.

Общественные насекомые пчелы, термиты и муравьи разделили обязанности в пределах одной популяции: бесплодные насекомые кормят и охраняют небольшое количество способных к размножению особей.

Данное сотрудничество позволяет выживать большинству особей, способствует продолжению вида и дает преимущества перед более сильными одиночными насекомыми, например, осами.

Процесс образования новых видов- результат эволюции.

Видообразование можно наблюдать как в природе, так и в искусственно создавать виды в лаборатории.

Вид- это совокупность особей, которые могут скрещиваться в естественных условиях и давать плодовитое потомство.

Межвидовое скрещивание невозможно и прерывается природой в виде бесплодного потомства.

Пример неплодовитого потомства: мул - гибрид осла и лошади.

Каждый вид обладает определенными признаками, по которым можно выявить принадлежность организма к тому или иному виду.

Такие признаки называются критериями вида:

• морфологический критерий определяет внутреннее и внешнее строение
• физиолого- биохимический критерий показывает процессы работы органов и клеток
• этологический (поведенческий) критерий обуславливает поведение, особенно в момент размножения
• экологический критерий представляет совокупность факторов внешней среды, необходимых для жизни вида (температура, влажность, пища, конкуренты)
• географический критерий подразумевает ареал обитания или область распространения данного вида
• генетико- репродуктивный критерий говорит о единстве в строении и количестве хромосом, что позволяет организмам давать плодовитое потомство

У двух особей одного вида должны совпадать все, за исключением одного-двух, критерии вида.

Но у малярийного комара или у крыс существуют виды двойники.

Они морфологически друг от друга не отличаются, но имеют разное количество хромосом и поэтому не дают потомства.

Процесс видообразования происходит из- за различных факторов среды.

Существует четыре способа видообразования:

Аллопатрическое видообразование (от греч. allos - «другой», patris- «родина»)

Наиболее распространено среди животных.

Происходит в популяциях, оказавшихся в географической изоляции, например из-за разделения мест обитания или за счет миграций.

Естественный отбор в этих условиях очень быстро приводит к изменениям в строении и поведении организмов.

Отбор и дрейф генов действуют независимо в популяции, изолированной от остальной части вида. Постепенно это разделение может привести к появлению экологической изоляции (изменения в генах, поведении, времени размножения).

Перипатрическое видообразование (от греч. peri - «вокруг, около», patris- «родина»)

Происходит в случае изоляции небольшой популяции в новой окружающей среде.

В новой популяции происходит быстрое образование видов при близкородственном скрещивании и сохранение одинаковых признаков, что приводит к быстрым генетическим изменениям.

Парапатрическое видообразование (от греч. pаrа - «возле, вне», patris- «родина»)

Является следствием процессов, уменьшающих поток генов между популяциями, географической изоляции нет.

Данное видообразование происходит при резких изменениях условий окружающей среды.

Например, растения могут подвергаться данному видообразованию при загрязнении почв тяжелыми металлами, при этом происходят мутации в генах и образование устойчивых к загрязнению новых видов.

Изменяется время цветения растений и опыление становится невозможным, в конечном счете появляется репродуктивная изоляция.

Симпатрическое видообразование (от греч. sym - «вместе», patris- «родина»)

Происходит без изоляции и достаточно редко.

Это видообразование может произойти при гибридизации двух близких видов.

Обычно не встречается у животных, так как хромосомы разных родительских видов не могут конъюгировать во время мейоза, что приводит к бесплодности их гибридов.

Как например у мула, гибрида осла и кобылы.

Однако у растений подобная проблема решается полиплоидизацией, которая позволяет из хромосом одного родительского вида формировать пары связывающихся гомологичных хромосом при мейозе.

Вымирание- исчезновение всех представителей вида или рода.

Вымирания и видообразование происходят постоянно в течение всей истории Земли.

Множество видов, обитавших на Земле, вымерли, и, по мнению ученых, вымирание- судьба любого вида.

Вымирание происходит постоянно, но глобальные катастрофы влекут за собой массовое вымирание видов.

Современные темпы вымирания в 1000 раз выше, чем когда- либо.

К середине 21 века может исчезнуть до 30% видов благодаря деятельности человека и глобального изменения климата.

Причиной постоянного вымирания может быть конкуренция за ограниченные ресурсы или межвидовой отбор, в результате чего более приспособленный вид выживет, а менее приспособленный может исчезнуть с лица Земли.

Массовые вымирания неспецифическим образом уменьшают биоразнообразие, что может привести к всплескам быстрой эволюции и видообразования у выживших.