Размножение особей с полезными изменениями возникновение различных мутаций
1. Какое значение в эволюции галапагосских вьюрков имело появление у них клювов разной формы?
Ответ
Клювы разной формы позволили вьюркам потреблять разную пищу, занять разные экологические ниши, образовалось множество видов вьюрков.
2. Одно растение одуванчика занимает площадь 10 квадратных сантиметров и дает в год более 100 семян. Через 10 лет потомство одной особи могло бы занять всю поверхность земного шара. Объясните, почему этого не происходит. Приведите не менее трех аргументов.
Ответ
1) Многие семена одуванчика попадают в неблагоприятные условия (отсутствие почвы, воды и т.п.) и не прорастают.
2) В благоприятных условиях одуванчики конкурируют с другими растениями за свет и воду, из-за этого не вырастают.
3) Семена и растения одуванчика поедаются растительноядными животными, грибами и бактериями.
3. Объясните, что такое популяционные волны и дрейф генов. В каких популяциях дрейф генов наиболее действенен?
Ответ
1) Популяционные волны – периодические колебания численности популяции.
2) Случайное (независимое от полезности) изменение доли гена в популяции.
3) Дрейф генов наиболее действенен в маленьких популяциях.
4. Найдите три ошибки при приведенном тексте. Укажите номера предложений, в которых они сделаны, исправьте их. (1) Материалом для эволюции служит наследственная изменчивость. (2) Минимальной единицей эволюции является организм. (3) Направляющий фактор эволюции – борьба за существование. (4) В результате эволюционного процесса формируется биоразнообразие планеты. (5) Географическое видообразование связано с изменениями экологической ниши вида. (6) Географическое видообразование происходит путем расселения особей на новые территории или разделения исходного ареала на фрагменты. (7) Процесс превращения генетически изолированных популяций в новые виды называют видообразованием.
Ответ
2 – минимальной единицей эволюции является популяция;
3 – направляющий фактор эволюции – естественный отбор;
5 – географическое видообразование связано с изменениями ареала обитания вида; экологическое видообразование связано с изменением экологической ниши вида.
5. Объясните, как сформировались в процессе эволюции рудиментарные органы зрения у почвенных животных слепышей.
Ответ
1) За счет мутаций глаза у слепышей уменьшились (недоразвились).
2) Слепыши с недоразвитыми глазами получили преимущество в борьбе за существование (поскольку не стали тратить ресурсы на ненужные под землей органы).
3) В процессе естественного отбора они дали больше потомства, количество слепышей с уменьшенными (недоразвитыми) глазами возросло.
6. Объясните с точки зрения микроэволюции этапы появления расчленяющей окраски у полосатой рыбы-бабочки.
Ответ
1) появление в исходной популяции различных мутаций, которые обусловили расчленяющую окраску тела;
2) увеличение числа особей с расчленяющей окраской тела за счет большей выживаемости таких особей в процессе борьбы за существование (меньшей заметности для хищников);
3) закрепление естественным отбором полезной мутации, формирование адаптации и образование новой популяции
7. Объясните на основе эволюционной теории возникновение покровительственной окраски у животных.
Ответ
1) в результате мутаций появляются особи с новым проявлением признака, который в изменившихся условиях среды имеет адаптивный характер;
2) особи с новым признаком обладают преимуществом в борьбе за существование;
3) в процессе естественного отбора в течение многих поколений особи с полезными признаками выживали и оставляли потомство, это привело к закреплению нового адаптивного признака
8. Чем характеризуется географический способ видообразования? Укажите не менее трех элементов.
Ответ
1) расширением ареала вида, популяции попадают в разные условия;
2) возникновением физических преград рельефа;
3) изоляцией популяций вида в связи с разрывом ареала, что приводит к изменению их генофонда в результате приспособления к разным условиям
9. Лечение антибиотиками болезней человека, вызванных болезнетворными микроорганизмами, со временем становится малоэффективным. Необходимо вести поиски новых лекарственных препаратов. Объясните почему.
Ответ
1) в результате мутаций возникают особи с измененными свойствами;
2) устойчивость к антибиотикам является полезным признаком для микроорганизмов и поддерживается естественным отбором;
3) микроорганизмы обладают высокой скоростью размножения, и возникшие полезные мутации быстро распространяются; вскоре возникает новая популяция, невосприимчивая к антибиотику
10. Как (с позиций Ч. Дарвина) возникла зеленая покровительственная окраска тела у коричневых гусениц, перешедших на питание зелеными листьями? Ответ поясните.
Ответ
1) коричневые гусеницы перешли на питание зелеными листьями; в популяции постоянно возникали мутации, среди множества мутантов по окраске появлялись особи с зеленой окраской;
2) в борьбе за существование зеленые гусеницы обладали преимуществом, они в меньшей степени склевывались птицами;
3) под действием естественного отбора выживали те гусеницы, которые обладали полезными признаками – зеленой окраской, они давали потомство, их число постепенно росло;
4) в последующих поколениях этот процесс продолжался, и окраска тела гусениц всё более соответствовала основному фону окружающей среды
11. Что является результатом борьбы за существование?
Ответ
Результатом борьбы за существование является естественный отбор (выживание и размножение наиболее приспособленных организмов).
12. Какова роль движущих сил эволюции, неизвестных во времена Дарвина, в формировании приспособленности организмов?
Ответ
Популяционные волны и дрейф генов случайно меняют концентрацию генов в популяции.
13. Почему географическая изоляция популяций может привести к образованию новых видов? Объясните, какие факторы эволюции этому способствуют.
Ответ
1) в изолированных популяциях накапливаются новые мутации и изменяется генофонд;
2) в результате естественного отбора сохраняются особи с новыми признаками;
3) прекращается скрещивание между особями популяций, что приводит к репродуктивной изоляции и образованию нового вида.
14. В промышленных районах Англии на протяжении ХIХ–ХХ веков увеличилось число бабочек берёзовой пяденицы с тёмной окраской крыльев по сравнению со светлой окраской. Объясните это явление с позиции эволюционного учения и определите форму отбора.
Ответ
1) в потомстве популяции бабочек рождаются и светлые, и тёмные особи;
2) в загрязнённых копотью промышленных районах с потемневших стволов птицы склёвывают светлые особи, поэтому через ряд поколений преобладающей формой в популяциях стали бабочки с тёмной окраской;
3) изменение окраски в популяциях бабочек – проявление движущей формы отбора
15. При каких условиях генетически разнообразная популяция организмов может со временем образовать два вида? Укажите возможные причины разделения популяции с образованием двух видов. Ответ поясните.
Ответ
1) Для того, чтобы образовались два вида, должна возникнуть изоляция:
2) географическая изоляция возникает в результате появления физической преграды между частями популяции;
3) экологическая изоляция возникает при смене экологической ниши частью популяции;
4) изоляция может привести к образованию двух видов в случае невозможности скрещивания и обмена генами между новыми популяциями (репродуктивная изоляция).
16. Объясните, как переселение человеком собак в Австралию привело к образованию нового вида (Дикая собака динго). Для объяснения используйте знания о факторах эволюции.
Ответ
1) популяция собак, переселённых в Австралию, оказалась пространственно
изолированной от популяций собак (волков) других континентов;
2) в изолированной популяции собак появились новые мутации (признаки,
аллели), которые оказались полезными в новых условиях жизни;
3) длительный естественный отбор сохранил полезные признаки (мутации)
и привёл к изменению генофонда;
4) репродуктивная изоляция привела к формированию нового вида.
17. Определите по рисунку вид изоляции севанской форели, приведший к образованию различных популяций. Ответ обоснуйте. Почему учёные относят эти популяции к одному виду? Почему севанская форель требует пристального внимания со стороны природоохранных организаций?
Ответ
1) экологическая изоляция;
2) в исходном виде сформировались популяции с разными местами нереста;
3) в исходном виде сформировались популяции с разными сроками нереста;
4) между популяциями нет репродуктивной изоляции, поэтому это один вид;
5) этот вид-эндемик обитает только в озере Севан
18. Многие расовые признаки человека не имеют адаптивного значения. Назовите эволюционные факторы, под влиянием которых сформировались такие признаки, и объясните механизм их действия.
Ответ
1) дрейф генов приводит к изменению частот аллелей в малочисленных изолированных популяциях;
2) миграция за пределы ареала исходной популяции приводит к тому, что случайные признаки немногочисленных основателей новых семей становятся признаками всей новой малой расы;
3) в малочисленных изолированных популяциях возрастает процент близкородственных браков, приводящий к закреплению признаков членов-основателей расы, не носящих адаптивный характер
19. Как с позиции современного эволюционного учения объясняется появление собачьих блох, устойчивых к противоблошиному шампуню?
Ответ
1) в популяции блох присутствуют особи с различной степенью устойчивости к ядовитым веществам (разными мутациями);
2) при обработке шампунем (в ходе борьбы за существование) неустойчивые к яду шампуня блохи погибают, а устойчивые выживают;
3) выжившие блохи передают гены устойчивости к яду (мутацию) своим потомкам (получим преимущество в размножении);
4) в результате естественного отбора формируется новая популяция, устойчивая к яду шампуня
Термин «мутация» предложил голландский учёный Г. де Фриз в (1901) году.
Мутации — скачкообразные устойчивые внезапные изменения генетического материала, передающиеся по наследству.
Свойства мутаций:
возникают внезапно;
наследуются;
не имеют направленного характера, их нельзя предсказать;
могут быть полезными или вредными для организма;
сходные мутации могут возникать неоднократно.
Причины мутаций
Мутации возникают постоянно у всех живых организмов под воздействием мутагенных факторов.
Мутагенные факторы — факторы внешней и внутренней среды, способные вызывать мутации.
К физическим факторам относят ионизирующее излучение, ультрафиолетовое излучение, повышенную температуру. Под их воздействием происходит повреждение молекул ДНК, что приводит к появлению мутаций.
Химические факторы — это вещества, под действием которых изменяется наследственный материал. Мутагенное действие обнаружено у формальдегида, колхицина, соединений свинца и ртути, некоторых ядохимикатов, компонентов табачного дыма и т. д.
Биологические факторы — живые организмы. Установлено, что мутагенным действием обладают вирусы, а также токсины плесневых грибов.
1. Различают спонтанные и индуцированные мутации.
Спонтанные мутации возникают под действием естественных мутагенных факторов среды без вмешательства человека. Они увеличивают разнообразие живых организмов и создают материал для естественного отбора.
Индуцированные мутации возникают при направленном воздействии на организм мутагенных факторов. Применение мутагенных воздействий позволяет увеличить количество мутаций в сотни раз. Так, использование селекционерами химических мутагенов позволило получить полиплоидные формы растений, которые отличаются устойчивостью к неблагоприятным условиям и большей продуктивностью.
2. Мутации могут возникать в соматических или половых клетках.
Соматические мутации возникают в любых клетках, кроме гамет. Они затрагивают часть организма (например, разная окраска лепестков в одном цветке, разный цвет глаз у человека и животных).
Такие мутации не наследуются при половом размножении, но передаются при вегетативном. Широко используются в селекции растений для выведения новых сортов.
Генеративные мутации возникают в первичных половых клетках или в гаметах, передаются по наследству при половом размножении (например, гемофилия, синдром Дауна у человека).
3. По влиянию на жизнеспособность особей выделяют следующие виды мутаций:
- летальные (приводят к гибели мутантов);
- полулетальные (снижают жизнеспособность организма, вызывают наследственные заболевания, сокращают продолжительность жизни);
- нейтральные (изменяют признак, но не оказывают влияния на жизнеспособность организма);
- полезные (повышают жизнеспособность организма).
4. Мутации бывают доминантными и рецессивными.
Доминантные мутации проявляются сразу и подвергаются действию естественного отбора (полезные сохраняются, вредные убираются).
Большинство мутаций рецессивно, и проявиться они могут только в гомозиготном состоянии. Вероятность такого события мала, поэтому рецессивные мутации долгое время накапливаются в популяции в скрытом виде.
Следует выделить четыре основных фактора эволюции: мутационный процесс, изоляция, популяционные волны (и дрейф генов),
а также единственный направленный фактор эволюции – естественный отбор.
Мутационный процесс
Мутации (лат. mutatio — изменение) – стойкое изменение генома (наследственного материала), которое может быть унаследовано
потомками организма. Процесс возникновения мутаций – мутагенез.
Мутации подразделяются на:
- Генные
- Хромосомные
- Геномные
Большинство мутаций возникает спонтанно и вредит организму. Часть мутаций являются рецессивными, поэтому не проявляются
и передаются многим поколениям, накапливаясь в генофонде популяции.
Мутации напоминают колоду карт: неизвестно, что выпадет – чаще всего это карты невысокого ранга, козыри – большая удача. Так
и мутации, большинство из них вредные, приводят к развитию опухолей. Полезные встречаются гораздо реже. Как игра в карты,
все подчиняется случайности.
Популяционные волны
Все виды подвергаются воздействию периодически возникающих популяционных волн – уменьшению или увеличению численности особей.
Популяционные волны могут возникать по ряду причин:
- Сезонные изменения, периодические изменения какого-либо значимого фактора среды
- Непериодические изменения, например, в результате природных катастроф, изменение численности популяций хищник-жертва
- Заселение новых территорий, ярким примером которого является бурный рост численности кроликов, завезенных в Австралию
Колебание численности популяций по типу “хищник – жертва” является классическим примером популяционных волн. Представим себе
популяцию зайцев (жертв), которая бурно увеличилась в численности. Зайцами питаются лисица, волк (хищники). С увеличением
их кормовой базы (зайцев) наблюдается и рост численности хищников, которые поедают зайцев, вследствие чего численность зайцев
снижается. С уменьшением кормовой базы, снижается и число хищников. Так в природе устанавливается баланс между хищниками и
жертвами.
Особенно весомым фактором эволюции популяционные волны выступают в небольших популяциях. Их участие в эволюционном процессе
основано на явлении дрейфа генов.
Форма гена – аллель, с которым вы подробнее познакомитесь в ходе изучения генетики, встречается в популяции с определенной
частотой. Дрейф генов – изменение частоты встречаемости аллельных вариантов генов.
Дрейф генов обусловлен случайными причинами: у особей образуются гаметы, несущие различные формы аллельных генов. Не все
из гамет принимают участие в процессе оплодотворения: здесь вновь руководит случайность. Вследствие этого одни аллельные
формы генов могут встречаться в популяции часто, другие – редко.
Если представить, что часть особей, составляющих одну популяцию, погибли по тем или иным причинам, то редкие гены в оставшихся
особях могут увеличить свою частоту, то есть в результате размножения оставшихся особей редкие гены начнут встречаться более часто
– это и есть дрейф генов.
В закрытых популяциях не только животных, но и людей – в религиозных общинах, происходит возрастание гомозиготности популяции,
что приводит к снижению ее жизнеспособности и проявлению редких аллелей.
Такое повышение встречаемости аллелей возникает в результате
близкородственных браков: проявляются редкие гены, которые часто приводят к заболеваниям.
Изоляция
Изоляцией называют невозможность или затруднение свободного скрещивания между особями одного вида. Вследствие этого, генофонды
двух популяций становятся независимыми друг от друга. Внутри каждой популяции происходит генотипическая дифференцировка из-за
их разобщенности.
Популяции приобретают все больше различий, и в результате действия естественного отбора из этих популяций могут образоваться
различные новые виды. Выделяется два вида изоляции:
- Географическая (пространственная)
- Биологическая (экологическая, временная)
- Экологическая – особи обитают на одной территории, но в различных местах обитания (к примеру, разделены друг от
друга непроходимой чащей) - Временная – изоляция вследствие разновременности половой активности, периода цветения
- Этологическая – изоляция вследствие различного брачного поведения
- Механическая – отличия в строении половых органов, невозможность спаривания
Географическая (греч. geo – земля) изоляция может возникать вследствие географических барьеров – пустыни, горы, водоемы.
Естественный отбор
Изученные нами факторы эволюции: мутации, популяционные волны и дрейф генов, изоляция – все они носят случайный, ненаправленный
характер. Они приводят к появлению различных признаков у отдельных особей, которые могут быть как полезны, нейтральны, так и вредны для
особи.
Таким образом, перечисленные факторы создают основу, “базу” для действия единственного направленного фактора эволюции – естественного
отбора. В ходе естественного отбора особи с полезными признаками, которые помогают им приспособиться к условиям внешней среды и
способствуют выживанию, остаются и размножаются, а особи без этих признаков выживают реже и не продолжают род.
Закон естественного отбора безапелляционно провозглашает: будь приспособлен – или умри. Выживает в природе не самый сильный,
а самый приспособленный. Иногда выжить животным помогает и сила, но гораздо больше других примеров. Многие животные сливаются
с окружающей средой: приобретают покровительственную окраску (мимикрию), которая делает их незаметными.
Иногда безобидные животные, в результате приспособления к внешней среде, приобретают окраску тела, напоминающую окраску опасных
хищных животных. Примером может послужить внешнее сходство мухи из семейства журчалок с осой.
Многие хорошо защищенные, ядовитые виды в ходе естественного отбора получили яркую, так называемую предупреждающую окраску.
Эта окраска предупреждает хищников об опасности. Если хищник съест такое ядовитое животное, то рискует получить тяжелую
интоксикацию и погибнуть.
Теперь вы понимаете, что признаки животных – различные формы их тела и окраска – являются приспособлениями к условиям внешней среды,
это – полезные признаки, которые в ходе естественного отбора позволили животным выжить и размножиться. Таким образом, естественный
отбор это отбор особей, с наиболее приспособленным к среде фенотипом.
Необходимо осознавать относительность приспособленности к окружающей среде. Она помогает выживать лишь при определенных условиях, и,
если условия меняются, то окраска может оказаться вовсе не полезной, но даже и вредной. К примеру, при таянии снега заяц-беляк становится
еще более заметен на голой земле.
Действие естественного отбора обусловлено несколькими факторами:
- Генетическое разнообразие особей, на основе которого возникают различные признаки
- Способность к неограниченному размножению (избыточность потомства)
- Борьба за существование
Если первые два фактора очевидны, то третий нуждается в более детальном рассмотрении. Чарльз Дарвин выделял несколько
форм борьбы за существование:
- Внутривидовая борьба
- Межвидовая борьба
- Борьба с неблагоприятными условиями окружающей среды
Самая ожесточенная борьба. Происходит между особями, принадлежащими к одному виду. Благодаря внутривидовой
борьбе происходит половой отбор: к размножению редко допускаются неприспособленные особи, род продолжают
лучшие из лучших.
Возникает между особями, которые принадлежат к разным видам. Более приспособленный к условиям среды вид побеждает и размножается, менее приспособленный – проигрывает и вымирает. Примером могут послужить формы взаимодействий: хозяин-паразит,
хищник-жертва, симбиоз.
В изменяющихся условиях внешней среды выживают наиболее приспособленные особи. Примером такой борьбы являются
сезонные миграции птиц, зимняя спячка у животных.
Формы естественного отбора
Различают несколько форм отбора:
- Стабилизирующий
- C узкой нормой реакции – цвет глаз, число пальцев у человека, окраска цветов растения
- C широкой нормой реакции – рост и вес человека, размеры листьев растения
- Движущий
- Дизруптивный (лат. disruptus – разорванный)
Открыт И.И. Шмальгаузеном. Стабилизирующий отбор приводит к сужению нормы реакции, устраняя отклонения от нее. В результате
преимущество получают особи, обладающие средней степенью признака, который характерен для вида или популяции. Этот отбор
действует при стабильных (неизменных) условиях среды.
Примером действия стабилизирующего отбора может послужить буря: во время бури чаще всего выживают птицы со средней длиной крыла, тогда как особи
с слишком короткими, или слишком длинными крыльями погибают.
Новый термин, который вы увидели – норма реакции – подразумевает способность генотипа, в зависимости от условий
среды, формировать различные фенотипы.
Чем шире норма реакции, тем более интенсивное влияние оказывает среда на признак. Признаки подразделяются на:
Движущий естественный отбор приводит к смещению нормы реакции, в результате чего изменяется среднее значение признака. Этот вид
отбора действует при изменяющихся условиях среды.
Известным примером является индустриальный меланизм – возникновение меланистических форм животных (греч. melanos — чёрный),
отличающихся темным окрасом. Это явление началось в Англии со второй половины XIX века вследствие бурного развития промышленности.
Из-за копоти, оседающей на поверхности стволов деревьев, бабочки со светлой окраской – берёзовые пяденицы – стали заметны
на стволах деревьев и легко поедались птицами. В результате остались только приспособленные – бабочки с темным окрасом,
которые были незаметны на стволах деревьев, вследствие чего они выживали и размножались.
Направлен на сохранение в популяции крайних значений признаков, не благоприятствует среднему промежуточному значению
признака. В результате в популяции сохраняется более чем одно значение признака.
Типичным примером является появление в луговых сообществах раноцветущих и поздноцветущих растений. В результате летних покосов, особи
со средним значением признака, у которых цветение приходит на середину лета, постепенно исчезают из популяции растений. Выживают
и размножаются только те растения, у которых цветение происходит до или после покосов.
© Беллевич Юрий Сергеевич 2018-2021
Данная статья написана Беллевичем Юрием Сергеевичем и является его интеллектуальной собственностью. Копирование, распространение
(в том числе путем копирования на другие сайты и ресурсы в Интернете) или любое иное использование информации и объектов
без предварительного согласия правообладателя преследуется по закону. Для получения материалов статьи и разрешения их использования,
обратитесь, пожалуйста, к Беллевичу Юрию.