Уровни и основные механизмы действия естественного отбора

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.

Уровни действия естественного отбора

В чем состоит действие естественного отбора?

Для начала вспомним, что представляет собой естественный отбор.

Определение 1

Естественный отбор является фактором, который направляет эволюционный процесс.

Естественный отбор действует на уровне популяций — чаще всего. В связи с чем эту группу живых организмов и принято считать элементарной единицей эволюции.

Причины естественного отбора

Понятие естественного отбора было введено Чарльзом Дарвином. В ходе исследования его практического действия, ученый пришел к выводу, что:

• причина возникновения естественного отбора — влияние неблагоприятных условий окружающей среды;
• в качестве неблагоприятных условий среды выступают недостаток питательных ресурсов либо ограничение возможностей для размножения.

Конкуренция между видами тоже становится причиной естественного отбора. Для межвидовой конкуренции характерна не такая острота — это связано с тем, что особи разных видов не отличаются высокой степенью сходства. Внутривидовая конкуренция более острая, так как ресурсная база в этом случае практически идентична.

Глобальный уровень и сравнение естественного и искусственного отборов

Стоит отметить проявления действия естественного отбора и на глобальном уровне, что придает ему важное эволюционное значение. Действие этого фактора определяет направленность эволюции: задается траектория адаптаций определенных живых организмов

Действие естественного отбора на конкретном уровне понятно при сравнении механизма действия этого отбора и искусственного отбора.

Такое сравнение подсвечивает некоторые сходства в обеих формах отбора:

• они основываются на индивидуальных особенностях организма и наследственной изменчивости;
• сохранение в ряду поколений признаков, которые способствуют выживанию организма;
• в ходе естественного отбора происходит выбраковывание и гибель особей с накопленными неблагоприятными признаками — они просто не выдерживают конкуренции.

Определение

Естественный отбор – главная движущая сила эволюции, приводящий к формированию приспособленности организмов к среде и появлению новых видов. Под естественным отбором понимают процесс избирательного выживания и размножения наиболее приспособленных организмов. Термин ввёл натуралист Чарльз Дарвин.Причинами естественного отбора являются борьба за существование и наследственная изменчивость, поставляющая материал для отбора. Дарвин выделял три формы борьбы за существование:

• борьба с неблагоприятными условиями;
• межвидовая борьба;
• внутривидовая борьба.

Рис. 1. Различные виды воробьёв, возникшие в результате действия естественного отбора.

Искусственный отбор – выборка и закрепление в геноме особей определённых признаков, полезных для человека. Искусственный отбор лежит в основе селекции. Отбирая «рабочих» особей, человек скрещивает их для усиления полезных признаков. Изначально, без знаний генетики и селекции, выведение новых пород, сортов, штаммов человеком носило спонтанный характер. Постепенно человек с помощью селекции и генной инженерии научился чётко достигать поставленных целей.

Примером искусственного отбора является вся сельскохозяйственная деятельность, примером естественного отбора – возникновение новых видов в природе, например, устойчивых к пестицидам насекомых, поедающих нейлон бактерий. Человек благодаря селекции вывел линии молочных и мясных коров, собак, кукурузу, винные бактерии, высокопроизводительный хлопчатник.

Рис. 2. Сравнение дикой и окультуренной кукурузы.

Селекция при участии человека

Такой метод осуществляется человеком и может быть как сознательным, так и бессознательным. Методический вариант подразумевает выведение новых пород, сортов или формы жизни согласно целям селекционера. А во втором это может привести к простому устранению одних особей в пользу других.

Именно благодаря искусственному отбору были выведены сотни сортов растений, пород рогатого скота и других животных. Чарльзу Дарвину благодаря своим исследованиям удалось доказать, что многообразие всего живого произошло благодаря небольшому количеству общих диких предков, которые были преобразованы человеком согласно определенным ранее целям.

За счет ряда работ по биологии и теории эволюции Дарвин открыл определенную и неопределенную изменчивость. Модификационный вариант предусматривает изменение особей в одном направлении, например, потеря веса или увеличение шерстяного покрова.

Преимущества и недостатки искусственного отбора

выгода

Мы понимали химические и биологические механизмы, влияющие на функционирование наших клеток, нашего мозга, наше собственное поведение и даже естественную судьбу других видов, играя с их репродуктивной адекватностью в наших собственных интересах..

Уровень интеллекта, которого человек достиг как вида, позволил ему изменить вид его естественной среды обитания для его пользы..

Производство продуктов питания

Например, производство продуктов питания в изобилии или открытие лекарств от многих болезней, что позволило снизить смертность и значительно повысить качество их жизни с каждым открытием.

Улучшает выживание и благополучие

В прошлом продолжительность жизни людей была намного ниже, так как они более склонны к болезням. Это ограничение на выживание и адаптацию человека было преодолено благодаря его интеллекту, его способности мыслить и открывать новые способы повышения его самочувствия и уменьшения дискомфорта.

На самом деле, ни форма мозга, ни нейротрансмиттеры, ни интеллект не развивались в результате собственной воли человека. Вышесказанное служит иллюстрацией того, что эволюция не имеет определенной цели, она просто происходит.

Например, птицы эволюционировали у птиц в результате эволюции, а не потому, что птицы хотели бы иметь возможность перемещаться в другие места, летая.

недостатки

Характеристики, которые представляют некоторую пользу для выживания и размножения вида, выбираются естественным путем. Таким образом, перья ярких цветов некоторых птиц увеличивают вероятность спаривания, а удлиненная шея, как у жирафов, облегчает потребление более высоких листьев, а более крупные вымени содержат больше молока для молодняка..

Однако, когда черты, которые раньше были полезными, преувеличиваются, баланс, который существовал естественным образом, теряется. Таким образом, чрезмерно эффектные птицы с большей вероятностью будут замечены и захвачены их хищниками, слишком длинная шея становится ограничивающим фактором для жирафа, который должен пить воду, и у коровы может развиться мастит.

Это влияет на оригинальные функции

Принимая во внимание негативные эффекты, которые могут возникнуть при преувеличении определенных характеристик, будут выявлены определенные недостатки, выявленные в результате искусственного отбора, поскольку они каким-то образом повлияют на исходные признаки, выбранные природой в эволюционное время.. Одна из величайших задач, стоящих перед человечеством, заключается в использовании его интеллекта и способности рассуждать для принятия решений с максимально возможной этикой, поскольку в течение тысячелетий осуществлялся большой контроль над другими видами, живущими на этой планете, и с тех пор Определенные точки зрения, эти модификации можно считать излишним со стороны людей

Одна из величайших задач, стоящих перед человечеством, заключается в использовании его интеллекта и способности рассуждать для принятия решений с максимально возможной этикой, поскольку в течение тысячелетий осуществлялся большой контроль над другими видами, живущими на этой планете, и с тех пор Определенные точки зрения, эти модификации можно считать излишним со стороны людей.

Уменьшить генетическую изменчивость

Селективное размножение имеет тенденцию устранять генетическую изменчивость населения. Это означает, что имеется меньше признаков, которые конкурируют с желаемой характеристикой, но это также может концентрировать мутации, которые могут быть проблематичными для человека, такие как дисплазия тазобедренного сустава у собак..

Создание опасных организмов

Искусственный отбор может создавать организмы, опасные для населения. Например, пчелы-убийцы, также известные как африканские медоносные пчелы, разводились для производства большего количества меда, но они убили пару человек из-за неожиданной особенности большей агрессивности, которую имеют эти насекомые..

По этим причинам важны не только научные знания, но и ответственность за проведение искусственного отбора с учетом последствий таких действий..

В конце концов, эволюция — это естественный процесс, который оказывает свою функцию на все виды, включая человека, и если он не сможет сохранить окружающую среду, он логически погибнет..

Типы экосистем

По типам экосистемы делятся на несколько видов, а именно:

1. Микроэкосистема это закрытая миниатюрная экосистема, которая нуждается только в одной солнечной энергии. Под такой системой подразумеваются озерные водоемы, лужи, аквариум, ствол упавшего дерева со всеми организмами живущими на нем и пр.
2. Мезоэкосистема система среднего размера с более обширным набором живых организмов. Это реки, луга, озера, леса и пр.
3. Макроэкосистема представляет собой большую экологическую систему, такую как континенты, океаны, биома и пр.
4. Мегаэкосистема объединяет в себе все существующие экосистемы в одно целое, то есть это глобальная биосфера.

Сравнительная характеристика искусственного и естественного отбора

Оба вида отбора имеют ряд сходных признаков. Их основой является наследственная изменчивость — свойство организмов передавать определенные признаки и особенности развития потомкам. В обоих случаях ценными оказываются свойства, которые повышают жизнеспособность особей. При естественном отборе виды, которые не имеют благоприятных изменений, погибают в результате борьбы за существование. А при искусственном они бракуются или уничтожаются.

Основной характеристикой искусственного отбора является непосредственное участие человека и высокие темпы получения результата. Необходимые изменения могут быть достигнуты за период от 10 до 20 лет. В природе эти процессы происходят сотни и даже миллионы лет.

Сравнение

Несмотря на особенности протекания процессов, между двумя видами отбора существуют определённые сходства:

• исходным материалом являются индивидуальные особенности организма, возникшие в результате наследственной изменчивости;
• благоприятные, необходимые (человеку или самому организму) признаки закрепляются, передаются по наследству;
• особи с неблагоприятными признаками уничтожаются, отбраковываются либо человеком, либо в процессе эволюции.

Описание различий представлено в таблице сравнения искусственного и естественного отбора.

Признаки отбора	Сравнительная характеристика
Естественный отбор	Искусственный отбор
Объект	Популяция	Отдельная особь или группа
Место	Естественные экосистемы	Фермы, селекционные станции, питомники
Продолжительность	Непрерывно, на протяжении нескольких тысячелетий	Несколько лет, в среднем – 10 лет для получения новой породы или нового сорта
Фактор	Условия и влияние среды	Действия человека
Критерий	Приспособленность к условиям среды	Соответствие потребностям человека
Формы	– Движущий отбор – направлен в сторону лучшей приспособленности популяции к изменившимся условиям среды; – стабилизирующий отбор – сохранение полезных признаков в относительно постоянных условиях; – дизруптивный отбор – закрепление в популяции противоположных вариантов одного признака	– Бессознательный отбор – закрепление в популяции лучших признаков случайно, без определённой цели; – методический отбор – целенаправленные действия человека по сохранению в популяции определённого признака
Результат	Появление новых видов	Получение новых пород, сортов, штаммов

Рис. 3. Формы естественного отбора.

Биология 10 класс

«Процесс эволюции животных» — В конце голоцена влажный и теплый климат сменился более сухим. Климатический оптимум. Первые животные. Кайнозойская эра. Роль человека. Поздние млекопитающие третичного периода. Развитие в мезозойскую эру. Ранние млекопитающие третичного периода. Животные. Зарождение и развитие животного мира на планете Земля. Царства. Млекопитающие четверичного периода. Животные последнего тысячелетия. История появления жизни на Земле.

«Периоды жизненного цикла клетки» — Анафаза. Телофаза. Интерфаза. Общая схема митоза. Биологический смысл митоза. Фазы митоза. Клеточный цикл. Строение хромосом на стадии метафазы. Практическое закрепление. Задачи урока. Жизненный цикл клетки. Актуализация знаний («вызов»). Метафаза. Эпиграф.

«Характеристика митоза» — Телофаза. Многоядерность. Клетка. Отклонения от митоза. Биологическое значение митоза. Деление растительной клетки. Деление клетки. Клеточный цикл. Амитоз. Размножение организмов. Интервал между клеточными делениями. Интерфаза. Свойства живого. Фазы митоза. Потенциал клетки в делении.

«Биологические ферменты» — Строение ферментов. Механизм действия ферментов. Проблемы медицинской энзимологии. Понятие о ферментах. Основные свойства ферментов. История. Активный центр ферментов. Химическая природа ферментов. Краткая история развития учения. Мультимолекулярные ферментные системы. Ферменты. Применение ферментов.

«Основы селекции животных» — Использование эффекта гетерозиса. Ряд особенностей. Неродственное скрещивание. Селекция опирается и на достижения других наук. Сравнение естественного и искусственного отбора. Процесс гибридизации. Естественный отбор — процесс выживания особей. Классические методы селекции. Высокая урожайность сортов растений. Человек, используя принцип отбора, постепенно увеличивал разнообразие пород. Порода свиней — украинская белая степная.

«Витамины в организме человека» — Основные источники витамина В2. Свертывание крови. Витамин К. Особенности витамина D. Цинга. Растения, богатые витамином Е. Гиповитаминоз. Источники витамина К. Основные источники витамина А. Витамин В5. Низкомолекулярные органические соединения. Источники витамина D. Источники витамина Е. Основные источники витамина В6. Характеристика витаминов. Витамины. Плохая усвояемость пищи. Снижение аппетита.

«Биология 10 класс»

Массовый отбор

Существует две формы искусственного отбора. Одним из них является массовый. В этом случае полезные свойства исходного материала определяются только на основе фенотипических признаков. Таким образом, человек визуально определяет, какие виды использовать для дальнейшего размножения и культивации.

Такой искусственный отбор — пример использования простых методов в селекции. Применяется он достаточно часто, однако имеет ряд недостатков. Несмотря на внешнюю схожесть, особи могут быть разнородны генетически: гетерозиготными или гомозиготными по доминантной аллели. В этом случае эффективность отбора значительно снижается. Ожидаемый результат появится только в случае скрещивания гетерозигот. Но в следующих поколениях проявление полезных признаков будет уменьшаться, поскольку будет увеличиваться число гомозиготных организмов.

Мутагенез

Метод, сопровождающийся изменением структуры генов организма в ходе мутагенного воздействия. Различают спонтанный и индуцированный, оба действуют, повреждая ДНК. Факторы, вносящие дефекты в генетический аппарат, носят определение мутагенов и ведут к мутациям (генным перестройкам).

Механизмы индукции: апуринизация, дезаминирование, образование тиминовых димеров.

Мутантов выбирают на основе мониторинга и фенотипических параметров. В первом случае селекционеры выполняют количественное исследование нового параметра среди организмов, оказавшихся влиянием мутагенного воздействия. При втором учитывают фенотип, развившийся вследствие воздействия мутагена: ауксотрофность, резистентность и др.

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.