Эволюционная теория Чарльза Дарвина и объяснение эволюционных процессов на основе генетики

     Итак, наследственная изменчивость и популяционные волны относятся к первой группе факторов, которые вызывают случайные изменения в генофонде популяции. Однако для того, чтобы в дальнейшем популяция могла развиваться независимо на основе своего собственного генофонда, необходима ее изоляция от других подобных популяций.

     Изоляция. Изоляция — это ограничение или полное отсутствие скрещиваний особей разных популяций. Пока между популяциями существует поток генов, они не могут накопить существенные генетические различия. Изоляция приводит к прекращению обмена наследственной информацией и превращает популяцию в самостоятельную генетическую систему.

Различают пространственную и экологическую  изоляцию.

     Пространственная  изоляция связана с существованием географических преград между популяциями, например горных хребтов, пустыней, водоемов и др.

     При экологической изоляции скрещивание между организмами различных популяций становится невозможным, если особи этих групп разделены экологическими препятствиями в пределах одного ландшафта. Например, обитатели одного болота имеют мало шансов встретиться в период размножения с обитателями другого болота и т. п.

     Эволюционное  значение разных форм изоляции заключается  в том, что они закрепляют и  усиливают генетические различия между  популяциями, а следовательно, создают предпосылки для дальнейшего преобразования этих популяций в отдельные виды.

     Итак, такие факторы эволюции, как наследственная изменчивость, популяционные волны  и изоляция изменяют генофонд популяций  и обеспечивают их независимое существование, создавая условия для действия главного эволюционного фактора — естественного отбора. 

     Естественный  отбор — главная  движущая сила эволюции

     Естественный  отбор — это преимущественное выживание и размножение наиболее приспособленных особей каждого вида и гибель менее приспособленных организмов. Принцип естественного отбора, который впервые выдвинул Ч. Дарвин, имеет основополагающее значение в теории эволюции. Именно естественный отбор является тем третьим необходимым фактором, который направляет эволюционный процесс и обеспечивает закрепление в популяции определенных изменений.

     Естественный  отбор основывается на генетическом разнообразии и избыточной численности особей в популяции. Генетическое разнообразие создает материал для отбора, а избыточное количество особей приводит к возникновению конкуренции и, как следствие, к борьбе за существование.

     Большинство видов размножаются очень интенсивно. Многие растения производят громадное количество семян, но лишь ничтожная часть их, прорастая, дает начало новым растениям. Рыбы откладывают сотни тысяч икринок, но половозрелости достигают лишь десятки особей. Несоответствие между потенциальными возможностями видов к размножению в геометрической прогрессии и ограниченностью ресурсов является главной причиной борьбы за существование. Гибель организмов может происходить по разным причинам. Иногда она может носить случайный характер, например в результате пересыхания водоема или пожара. Однако обычно с большей вероятностью выживают и оставляют потомство те особи, которые максимально приспособлены к данным условиям обитания и имеют определенные преимущества. Наименее приспособленные имеют меньше шансов оставить потомство и чаще погибают. Таким образом, естественный отбор — это результат борьбы за существование.

     Естественный  отбор играет в природе творческую роль, потому что из всего многообразия ненаправленных наследственных изменений  он отбирает и закрепляет только те, которые обеспечивают популяции  или виду в целом оптимальные  приспособления к данным условиям существования.

     В настоящее время благодаря развитию генетики представления об отборе значительно  расширились и пополнились новыми фактами. Различают несколько форм естественного отбора.

    Движущая  форма отбора. В популяции, которая в течение длительного времени находилась в стабильных условиях существования, выраженность определенных признаков варьирует относительно некой средней величины. Максимальное количество особей данной популяции оптимально приспособлено к конкретным условиям. Однако, если условия внешней среды начинают меняться, преимущество могут получить особи, чье проявление признака отклоняется от средней вели чины. Давление отбора будет приводить к сдвигу среднего значения признака или свойства в популяции и появлению новой оптимальной средней величины, соответствующей изменившимся условиям. Изменение большинства признаков под действием отбора может происходить достаточно быстро, потому что в любой популяции существует огромное генетическое разнообразие.

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
     Рассмотрим  один из классических примеров, доказывающих существование в природе движущей формы естественного отбора, — явление индустриального меланизма у бабочки березовой пяденицы. Окраска крыльев этой сумеречной бабочки очень похожа на окраску коры деревьев, покрытых лишайниками. На таких стволах березовые пяденицы проводят светлое время суток, хорошо маскируясь и прячась от своих естественных врагов — птиц. Активное развитие промышленности в Англии в ХVIII-ХIХ вв. привело к сильному загрязнению лесов. В результате в промышленных районах большинство лишайников погибло,  а стволы берез потемнели от копоти.  Светлые бабочки стали очень хорошо заметны на таких деревьях, и их начали активно склевывать птицы. В создавшихся условиях преимущество получили более темные особи. Развитие промышленности привело к тому, что редкие темные бабочки стали наиболее типичными, а светлые особи, наоборот, стали встречаться чрезвычайно редко. Естественный отбор смещал среднее значение признака (в данном случае — окраски) до тех пор, пока популяция не приспособилась к новым условиям существования. Из приведенного примера хорошо видно, что отбор идет по фенотипу, т. е. по внешнему проявлению признака. Однако в результате отбираются генотипы, обусловливающие развитие этих фенотипов, т. е. в природе отбор сохраняет не отдельные признаки или гены, а целые комбинации генов, присущие данному организму.

     Примеров, которые доказывают существование  движущей формы естественного отбора, существует множество. К ним относится, например, возникновение устойчивости насекомых к ядохимикатам. Отдельные особи, которые выживают после применения инсектицидов, получают преимущество в новых условиях, оставляют потомство и способствуют распространению признака устойчивости к этим препаратам в популяции.

     Под действием движущей формы естественного отбора может происходить не только усиление признака, но и ослабление его вплоть до полного исчезновения, например утрата глаз у крота или редукция крыльев у некоторых насекомых, живущих в ветреных районах на морских побережьях.

     Таким образом, при изменении условий внешней среды ведущую роль в эволюции играет движущая форма естественного отбора.

     Стабилизирующая форма отбора. В постоянных условиях среды действует стабилизирующий отбор, направленный на сохранение ранее сложившегося среднего значения признака или свойства. Если популяция оптимально приспособлена к определенным условиям среды, это не значит, что необходимость в отборе исчезает. В каждой популяции постоянно возникают новые мутации и комбинации генов, следовательно, возникают особи, с признаками, отклоняющимися от среднего значения. Действие этой формы отбора направлено на уничтожение особей, несущих признаки, значительно уклоняющиеся от средней нормы.

     Существует  много примеров действия стабилизирующей  формы естественного отбора. Во время сильных бурь в прибрежных районах Англии погибают в основном воробьи с длинными и короткими крыльями, а птицы, имеющие крылья средних размеров, выживают. В большом помете у млекопитающих обычно гибнут те детеныши, которые наиболее резко отклоняются по каким-то признакам от средних величин.

     Эта форма отбора не сдвигает среднюю  величину значения признака, однако размах фенотипической изменчивости снижается. В данном случае максимальное преимущество имеют особи со средней выраженностью признака, поэтому наблюдаемое в любой популяции большое сходство всех особей — результат действия стабилизирующей формы естественного отбора. Если условия среды на протяжении длительного времени остаются неизменными, так же неизменны будут и особи данной популяции. Благодаря действию стабилизирующего отбора до нашего времени практически без изменений сохранились виды, жившие миллионы лет назад: акулы, кистеперая рыба латимерия, реликтовый таракан, древовидные папоротники.

     По  сути, действие стабилизирующего отбора направлено на сохранение тех организмов, которые обладают оптимальным для данных неизменных условий существования гомеостазом. Это подразумевает отсутствие в генотипах таких особей неблагоприятных мутаций или сочетаний аллелей. 

     Адаптации организмов к условиям обитания как результат действия естественного отбора.

     В течение долгих веков в естествознании господствовало представление о существовании в природе изначальной целесообразности. Сторонники креационизма считали, что Бог создавал каждый вид в абсолютном соответствии с конкретными условиями обитания. С развитием эволюционных идей общество признало существование изменчивости, но механизмы ее возникновения еще оставались неясными. Ж. Б. Ламарк считал, что развитие приспособлений — это ответная реакция организмов на действие факторов окружающей среды. И лишь с появлением эволюционной теории Ч. Дарвина адаптации организмов стали рассматривать как результат действия естественного отбора в определенных условиях внешней среды.

     Все живые существа оптимально приспособлены к своим условиям обитания. Приспособленность повышает шансы организмов на выживание и оставление потомства, т. е. помогает таким особям выиграть борьбу за существование и передать свои гены следующим поколениям. Эволюционный процесс в любой популяции протекает в два этапа. Сначала возникает генетическое разнообразие, проявляющееся в фенотипических признаках. Затем в ходе естественного отбора сохраняются те признаки и свойства, которые обеспечивают особям конкретной популяции оптимальные приспособления к условиям обитания. Поскольку условия обитания организмов разнообразны, столь же разнообразны и адаптации к ним. Приспособления затрагивают внешние и внутренние признаки и свойства организмов, особенности размножения и поведения, т. е. существует множество различных форм приспособленности организмов к окружающей среде.

     Морфологические адаптации. Эти адаптации связаны с особенностями строения тела. Причем, как и все остальные типы адаптации, морфологические приспособления с точки зрения эволюционной значимости подразделяются на общие, которые затрагивают обычно крупные таксоны (отряды, классы, типы), и специальные, связанные с более узкими условиями существования (виды, группы видов), например, возникновение крыла у птиц - это крупнейшее изменение, которое дало возможность живым организмам завоевать воздушное пространство. Впоследствии на его основе возникали вторичные и третичные адаптации, например особенности строения крыла, связанные с типом полета. Сравните бреющий полет буревестника и маневренный полет колибри, позволяющий птице зависать в воздухе в одной точке и давать задний ход.

     У Дарвина любимым примером приспособления служил дятел. В «Происхождении видов путем естественного отбора» Дарвин писал: «Можно ли привести более разительный пример приспособления, чем дятел, лазящий по стволам деревьев и вылавливающий насекомых в трещинах коры?»

     Классическим  примером приспособлений служит строение ноги у разных видов птиц. Ярким примером адаптации к разным типам питания является разнообразная форма птичьих клювов.

    Плоская форма тела придонных рыб и  торпедообразное тело акул, густой шерстный покров у северных млекопитающих, гибкое тело у норных животных - это  примеры морфологических адаптаций  у животных. Подобные формы адаптации существуют и в растительном царстве. В высокогорных районах и в тундре большинство растений имеют стелющиеся и подушковидные формы, которые устойчивы к сильным ветрам, зимой легко укрываются снегом и не повреждаются в сильные морозы.

     Покровительственная окраска. Такая окраска служит прекрасным способом защиты от врагов для многих видов животных. Благодаря ей животные становятся менее заметны.

     Самки птиц, гнездящиеся на земле, практически  сливаются с общим фоном местности. Так же незаметны яйца и птенцы у этих видов птиц, а, например, яйца аистов не имеют покровительственной окраски, потому что, как правило, недоступны для врагов.

     Покровительственную окраску имеют многие виды насекомых, например, окраска крыльев ночных бабочек полностью сливается с той поверхностью, на которой они проводят дневные часы. Неразличимы в траве зеленые кузнечики, в пустыне — песочно-желтые ящерицы, на снегу — полярные песцы. Следует отметить, что в районах Крайнего Севера среди животных очень распространена белая окраска, делающая их незаметными на снежной поверхности (полярные медведи, совы, белая куропатка и многие другие).