Процессы, относящиеся к микроэволюции

Микроэволюция в биологии — это

Например, между одним поколением и следующим частота гена коричневой окраски в популяции жуков увеличивается. Такое изменение может произойти из-за того, что естественный отбор благоприятствует этому гену из-за того, что в популяции появились новые переселенцы, несущие этот ген, из-за мутации или из-за случайного генетического дрейфа из поколения в поколение.

Его также можно определить в контексте закона Харди-Вайнберга.

Микроэволюция может привести к видообразованию, служащему сырьем для процесса макроэволюции, которая происходит за счет накопления изменений, полученных в процессе микроэволюции. Таким образом, можно сделать вывод, что и микроэволюция, и макроэволюция протекают по сходному сценарию (те же механизмы), разница лишь во временном масштабе. В эволюции изменения происходят в более короткие сроки по сравнению с макроэволюцией.

Существует несколько основных способов, с помощью которых происходят микроэволюционные изменения. Мутация, миграция, генетический дрейф и естественный отбор — все это процессы, которые могут непосредственно влиять на частоту генов в популяции. Любая комбинация механизмов микроэволюции может быть ответственна за эту закономерность, и задача ученого — выяснить, какой из этих механизмов вызвал изменения:

Дрейф генов

Возникает, когда относительная частота встречаемости варианта гена (аллеля) в популяции изменяется в результате случайной выборки. То есть аллели потомства являются случайной выборкой аллелей родителей. И случайность играет определенную роль в выживании и размножении особи. Частота аллелей в популяции — это доля или процент копий генов, имеющих определенную форму, по отношению к общему числу аллелей генов, имеющих эту форму.

Это эволюционный процесс, который изменяет частоту аллелей с течением времени. Он может привести к полному стиранию генных вариаций, что снижает генетическое разнообразие. В отличие от естественного отбора, который увеличивает или уменьшает частоту генных вариантов в зависимости от их репродуктивного успеха, изменения генетического дрейфа не связаны с экологическими или адаптивными силами и могут быть положительными, нейтральными или пагубными для репродуктивного успеха.

Дрейф может происходить при двух различных обстоятельствах, известных как эффект бутылочного горлышка и эффект основателя.

1. Эффект бутылочного горлышка: когда популяция резко сокращается. Это может произойти в результате стихийного бедствия, например, лесного пожара. По воле случая частоты аллелей выживших особей могут отличаться от частот аллелей исходной популяции. Эти аллели будут передаваться потомству, создавая случайный сдвиг в генофонде.
2. Эффект основателя: когда несколько особей создают новую популяцию с нуля. По случайности частоты аллелей основателей могут отличаться от частот аллелей предыдущей популяции, и они будут переданы их потомству, создавая еще один случайный сдвиг в генофонде.

Мутации

Мутации — это дефекты в последовательности ДНК генома клетки, вызванные радиацией, вирусами, транспозонами, мутагенными агентами, а также ошибками мейоза или репликации ДНК.

Чаще всего ошибки возникают в процессе репликации ДНК, а именно во время полимеризации второй нити. Кроме того, эти ошибки могут быть созданы самим организмом с помощью клеточных механизмов, таких как гипермутация. Мутации могут изменять фенотип организма, особенно если они происходят в белково-кодирующей последовательности гена. Благодаря способности ДНК-полимеразы к коррекции частота ошибок обычно очень низка - одна ошибка на каждые 10-100 миллионов оснований. Без корректуры частота ошибок в тысячи раз выше; многие вирусы используют ДНК- и РНК-полимеразы, не способные к корректуре, что приводит к увеличению числа мутаций.

Мутация может приводить к различным изменениям последовательностей ДНК; эти изменения могут быть незначительными, изменять продукт гена или запрещать его функционирование. Согласно исследованиям, проведенным на мушке дрозофилы фруктовой, если мутация изменяет белок, генерируемый геном, то она, скорее всего, окажется пагубной, причем примерно 70% таких мутаций являются таковыми, а остальные — нейтральными или слабополезными.

Из-за пагубных последствий, которые мутации могут иметь для клеток, у животных развились методы устранения мутаций, такие как репарация ДНК. Таким образом, оптимальная частота мутаций для вида — это компромисс между расходами, связанными с высокой частотой мутаций, такими как вредные мутации, и метаболическими расходами, связанными с поддержанием механизмов, уменьшающих мутации, таких как ферменты репарации ДНК. Вирусы, использующие РНК в качестве генетического материала, имеют высокий уровень мутаций, что может работать в их пользу, поскольку такие вирусы постоянно и быстро эволюционируют, избегая, например, защитных реакций иммунной системы человека.

Поток (перенос) генов

Обмен генами между популяциями, которые часто относятся к одному и тому же виду, называется потоком генов. Внутри вида этот процесс происходит в результате миграции организмов и их последующего размножения или в результате обмена пыльцой. Примерами передачи генов между видами являются образование гибридных организмов и горизонтальный перенос генов.

Миграция в сообщество или из него может изменить частоту аллелей и внести изменения. Иммиграция может внести новый генетический материал в сложившийся генофонд популяции. С другой стороны, эмиграция может привести к потере генетического материала. Поскольку препятствия для размножения между дивергентными популяциями необходимы для эволюции популяций в новые виды, поток генов может препятствовать этому процессу, распространяя генетические различия между популяциями. Горные хребты, океаны и пустыни, а также рукотворные сооружения, такие как Великая китайская стена, — все это препятствует потоку генов.

В биологии существует направление, известное как популяционная генетика, которая дает математическое объяснение микроэволюции, в то время как экологическая генетика занимается наблюдением за этим процессом в дикой природе.

Направляющий фактор

Одним из механизмов микроэволюции является естественный отбор — главный направляющий фактор.

Отбор — это процесс, в ходе которого наследственные характеристики, повышающие вероятность выживания и размножения организма, становятся более распространенными в популяции на протяжении нескольких поколений.

Иногда необходимо проводить различие между ним и отбором, который является результатом действий человека, называемым искусственным отбором. Это различие весьма неоднозначно. Тем не менее, естественный отбор является основным способом отбора.

В популяции он гарантирует, что некоторые особи будут процветать в текущей среде больше, чем другие. Факторы, влияющие на репродуктивный успех, также имеют большое значение, и этот момент Чарльз Дарвин развил в своих теориях полового отбора.

Естественный отбор действует на фенотип организма, или видимые признаки, но генетическая (наследственная) основа любого фенотипа, дающего репродуктивное преимущество, будет все более распространенной в популяции. Этот процесс может привести к тому, что животные со временем становятся более специализированными для определенных экологических ниш, и в конечном итоге может привести к видообразованию (появлению новых видов).

Что образуется

Примеры

Примерами микроэволюции в процессе естественного отбора являются устойчивость к гербицидам, пестицидам, антибиотикам и так далее. Еще несколько заметных эволюционных примеров микроэволюции — это штаммы бактерий, обладающие свойством устойчивости к антибиотикам.

Некоторые другие примеры приведены ниже:

1. Устойчивость белокрылки к пестицидам.
2. Устойчивость комаров к ДДТ.
3. Штаммы ВИЧ, развивающие устойчивость к противовирусным препаратам.
4. Штаммы гонорейных бактерий, развивающие устойчивость к пенициллину.

Размер воробья

Домовые воробьи: завезены в Северную Америку в 1852 году. В дальнейшем воробьи развивали различные характеристики в разных местах. Популяции в северных регионах: более крупнотелые по сравнению с популяциями воробьев на юге. Причина: Различия в популяциях частично являются результатом естественного отбора: птицы с более крупным телом переносят более низкие температуры, чем птицы с меньшим телом. Более холодная погода на севере, вероятно, отбирает птиц с более крупным телом. Результат: воробьи, живущие в холодных районах, теперь, как правило, крупнее воробьев, живущих в теплых районах.

Устойчивость к антибиотикам у бактерий

Устойчивость к антибиотикам означает, что бактерии становятся устойчивыми к антибиотикам. Огромная структура популяции и крошечное время жизни поколения приводят к быстрому естественному отбору. В последовательных поколениях бактерий возникают новые мутации и генетические комбинации. Если какая-либо из них обеспечивает устойчивость к лекарству, воздействию которого подвергались бактерии, отбор благоприятствует этим вариантам генов. Накопление в течение многих поколений приводит к адаптации бактерий к защитным силам хозяина и устойчивости к специфическим антибактериальным препаратам.

Перечная моль

Изучение перечной моли в Англии во время промышленной революции в 1800-х годах — известный пример естественного отбора. До промышленной революции популяция перечной моли была в основном светлого цвета с черными (похожими на перец) крапинками на крыльях. Этот перечный цвет был удивительно похож на кору и лишайники, которые росли на деревьях в этом районе. Это помогало мотылькам скрываться от посторонних глаз, когда они отдыхали на дереве, и птицам, питающимся мотыльками, было сложнее обнаружить и съесть их.

Источник: ru.alegsaonline.com

Время от времени в популяции появлялся еще один фенотип. Эти мотыльки были гетерозиготами с гиперактивным доминантным аллелем пигмента, что приводило к сплошной черной окраске. Как и следовало ожидать, черных мотыльков было гораздо проще обнаружить птицам, что ставило этот генотип в невыгодное положение. Однако, когда промышленная революция набрала обороты, ситуация изменилась.

Крупные промышленные предприятия стали выбрасывать в воздух огромные объемы угольного дыма, покрывая черной сажей все вокруг, включая лишайники и деревья. Внезапно светлоокрашенных мотыльков стало легче определять птицам, а черные мотыльки получили преимущество. Частота аллеля темного пигмента значительно возросла, и к 1895 году фенотип черной моли составлял 98% всех зарегистрированных мотыльков.

Загрязнение воздуха в Англии начало снижаться в 1960-х годах благодаря новым экологическим ограничениям. Когда уровень сажи снизился, а деревья вернулись к своему старому, более светлому оттенку, это было идеальное время, чтобы посмотреть, как отреагирует популяция перченой моли. Во многих последующих исследованиях было обнаружено постепенное увеличение частоты встречаемости светлого фенотипа. К 2003 году темный фенотип снизился до менее чем 10% в большинстве регионов Англии, а максимальная частота встречаемости составила 50%.

Борьба с глобальным потеплением

Глобальное потепление привело к повышению температуры и увеличению продолжительности лета. Организмы прекращают рост и размножение на зиму. Вероятно, они были бы более приспособленными, если бы могли тратить больше времени на воспроизводство и сбор ресурсов для размножения, но низкие температуры не позволяют этого сделать. Однако глобальное потепление позволит им делать именно это: тратить больше времени на рост и размножение, но использование этой возможности, скорее всего, потребует эволюционных изменений.

Источник: entomologytoday.org

Вид комаров Wyeomyia smithii эволюционировал в ответ на глобальное потепление. Комары используют длину дня (а не температуру) в качестве сигнала, определяющего, какое сейчас время года и когда им пора перезимовать. В более теплом климате с более короткими зимами можно ожидать, что комары, которые ждут немного дольше, чтобы уйти в спячку, будут иметь более высокую приспособленность и подвергнутся отбору. Исследователи, которые собирали данные об этих комарах на протяжении почти 30 лет, наблюдали именно такие изменения. Популяции комаров эволюционировали таким образом, что для перехода в спящий режим требуется немного более короткий день.

Особенности

1. Изменения, наблюдаемые в вариациях при микроэволюции, не требуют статистически значимого увеличения генетических данных (функционала).
2. Возникает в небольших масштабах в рамках отдельной популяции.
3. Изменения в генофонде, приводящие к внутривидовым генетическим изменениям.
4. Изменения происходят в течение короткого периода времени.