При каких условиях и какие мутации на ваш взгляд могут стать элементарным эволюционным материалом
Подробное решение параграф § 7 по биологии для учащихся 11 класса, авторов А.В. Теремов, Р.А. Петросова Углубленный уровень 2017
Вопрос. Рассмотрите рисунок 17. В чем причина изменчивости узора надкрыльев у божьих коровок. Наследуются ли эти признаки в поколениях?
Ответ. Каждый вид занимает определенную территорию, которая называется ареалом. Иногда ареал вида ограничивается небольшим островком, а иногда охватывает целые континенты. Условия жизни особей из разных частей ареала широко распространенных видов сильно различаются. Генотипы, которые полезны, например, на севере ареала, могут оказаться вредными на юге. То, что хорошо в долине, плохо в горах, и наоборот. В каждой популяции отбираются те генотипы, которые обеспечивают наилучшую адаптацию их носителей к местным условиям. Частота генотипов, которые обеспечивают выживание в долинах, увеличивается в долинных популяциях и уменьшается в горных. Формируются генетические различия между популяциями. Однако между популяциями одного вида постоянно происходит обмен особями и, следовательно, генетическими программами. Миграции животных, перенос пыльцы растений, спор грибов и микроорганизмов ведет к постоянному перемешиванию генетического состава популяций, к уменьшению различий между популяциями и к увеличению разнообразия внутри популяций.
Не остаются постоянными и сами генотипы. Отдельные их элементы– гены – также меняются со временем. Разные мутации в разных генах возникают у разных особей, меняя при этом генотипы потомков этих особей. Все организмы с половым размножением передают потомкам свои генотипы не полностью, а частично – каждый потомок получает половину генов от матери и половину от отца и оказывается носителем уникальной комбинацией аллелей, полученных от родителей. Каждая особь имеет уникальный генотип, который лишь частично передается (или не передается вовсе) ее потомкам.
Таким образом, мы можем предположить, что многообразие окрасок – результат приспособительной перестройки внутри вида.
Вопрос 1. Дайте определение микроэволюции. К чему она приводит?
Ответ. Микроэволюция – это процессы приспособительной перестройки внутри вида, которые могут привести к образованию нового вида. Однако являясь необходимой предпосылкой видообразования, микроэволюционные процессы не всегда им завершаются. Чаще возникают приспособления, обеспечивающие длительное существование вида.
Микроэволюция – это распространение в популяции малых изменений в частотах аллелей на протяжении нескольких поколений; эволюционные изменения на внутривидовом уровне. Такие изменения происходят из-за следующих процессов: мутации, естественный отбор, искусственный отбор, перенос генов и дрейф генов.
Вопрос 2. Почему мутации и комбинации считают элементарным эволюционным материалом?
Ответ. Основным источником возникновения новых признаков или изменений у организмов являются мутации. Изучение реакций матричного синтеза ДНК и РНК показало, что при любом копировании неизбежны ошибки, следовательно, возможно возникновение неточных копий. Это означает, что последовательность нуклеотидов в ДНК может существенно отличаться от исходной, так как образуется она в результате многократных циклов редупликации.
Ещё один источник возникновения новых признаков у организмов – сочетание генов в результате полового размножения, т. е. их комбинация.
Следовательно, элементарным эволюционным материалом являются мутации и комбинации, т. е. два вида наследственной изменчивости.
Вопрос 3. Почему именно популяцию, а не вид или отдельную особь признают элементарной эволюционной единицей? Ответ обоснуйте.
Ответ. В природе особи одного вида распределены неравномерно и образуют более или менее обособленные группировки, которые называют популяциями (рис. 18).
Популяция (от лат. populus – население, народ) – это относительно обособленная группа особей одного вида, которые населяют определённую территорию внутри его ареала и свободно скрещиваются между собой.
Особь не может эволюционировать. Она может изменяться, приспосабливаясь к условиям внешней среды. Но эти изменения не эволюционные, так как они не передаются по наследству. Вид, как правило, неоднороден и состоит из ряда популяций. Популяция относительно самостоятельна и может длительное время существовать вне связи с другими популяциями вида. В популяции протекают все эволюционные процессы: у особей возникают мутации, между особями происходит скрещивание, возникают наследственные изменения. Они распространяются в популяции и насыщают ее, она становится неоднородной. В популяции действуют борьба за существование и естественный отбор. В результате генофонд популяции со временем изменяется и она становится родоначальником нового вида. Именно поэтому элементарная единица эволюции – популяция, а не вид. В популяции действуют все факторы эволюции..
Вопрос 4. Каковы признаки идеальной популяции? Существуют ли в природе идеальные популяции? В чём сущность закона генетического равновесия?
Ответ. Идеальная популяция имеет следующие признаки: неограниченно большая численность; свободное скрещивание – панмиксия; отсутствие мутационного процесса, естественного отбора и миграции особей.
Основой для выяснения генетической структуры популяций является закон Харди-Вайнберга, 1908 (Дж.Г.Харди – английский математик, В.Вайнберг – немецкий врач). Это закон поддержания генетического равновесия в популяции: в идеальной популяции частоты генов и генотипов находятся в равновесии и сохраняются неизменными в ряду поколений.
Основные положения з-на Харди-Вайнберга:
1. Частота аллелей в популяции – величина постоянная, p+q=1, где р – частота аллеля А; q – частота аллеля а.
2. Частота генотипов также величина постоянная и может быть выражена формулой: (p+q)2 = p2+2pq+q2=1, где p2 – частота генотипа АА; 2pq – частота генотипа Аа; q2 – частота генотипа аа.
Однако этот закон носит вероятностный характер и реализуется только в неограниченно больших, идеальных популяциях. В реальных популяциях эти условия не выполняются. Во-первых, в природе нет неограниченно больших популяций и отсутствует панмиксия. Во-вторых, идёт постоянная миграция особей из других популяций. И наконец, происходят мутации, которые в основном рецессивны и скрыты в гетерозиготах. При внешней фенотипической однородности популяции существует её генотипическая неоднородность.
Следовательно, в природе идеальных популяций не существует.
Вопрос 5. Что понимают под элементарным эволюционным явлением?
Ответ. Комбинации мутантных генов внутри популяции приводят к возникновению особей с рядом отличительных признаков, в результате чего генофонд популяции постоянно обновляется. Длительное и направленное изменение генофонда популяции представляет собой элементарное эволюционное явление. Это ещё не эволюция, но её необходимая генетическая предпосылка.
Вопрос 6. Известно, что самки бабочек-медведиц нормальной и меланистической (тёмно-окрашенной) формы в популяции охотнее скрещиваются с самцами иной, чем они сами, окраски. Объясните почему.
Ответ. Это пример селективного скрещивания. При селективном скрещивании, особи определенного генотипа участвуют в спаривании с большей вероятностью, чем другие. Они вносят большой вклад в генофонд следующего поколения. Селективное скрещивание – это синоним открытого Дарвином полового отбора. Самки предпочитают самцов иной окраски. Эти самцы и оставляют большое потомство. Но вытеснение темно-окрашенных особей не происходит, т.к. темно-окрашенные особи обеих полов созревают раньше, чем с иной окраской и тем самым раньше приступают к скрещиванию.
Источник
При каких условиях и какие мутации на ваш взгляд могут стать элементарным эволюционным материалом
Подробное решение параграф 8 по биологии для учащихся 11 класса, авторов Сивоглазов В.И., Агафонова И.Б., Захарова Е.Т. 2016
1. Какие существуют причины изменения численности особей в популяции?
Биотические и абиотические факторы.
2. В чём заключается роль мутаций в процессе эволюции?
Способность к мутированию – одно из основных свойств гена. Каждый отдельный ген обладает устойчивостью к действию мутагенных факторов; это явление известно как «стойкость» гена. Однако вследствие того, что генов в организме тысячи, общее число мутаций оказывается значительно. Современной науке известно, что гены мутируют с определенной частотой. Подсчитано, что в среднем одна гамета из 100 тыс. – 1 млн несет вновь возникшую мутацию в определенном локусе. Известно, что у дрозофилы 5 % гамет несут мутации. Говорят, что популяции «насыщены» мутациями. Поскольку одновременно мутируют многие гены, то 10—15% гамет несут те или иные мутантные аллели. Поэтому природные популяции насыщены самыми разнообразными мутациями. Мутационная изменчивость является одним из главных факторов эволюционного процесса. В результате мутаций могут возникать полезные признаки, которые под действием естественного отбора дадут начало новым подвидам и видам.
Стр. 46. Вопросы для повторения и задания.
1. Назовите основные факторы эволюции.
Согласно синтетической теории эволюции, элементарное эволюционное явление, с которого начинается видообразование, заключается в изменении генетического состава (генетической конституции, или генофонда) популяции. События и процессы, способствующие преодолению генетической инертности популяций и приводящие к изменению их генофондов, называют элементарными эвлолюцонными факторами. Основными факторами (силами) эволюции являются:
1. Факторы, вызывающие изменения в генофонде популяции. К ним относятся наследственная изменчивость, поставляющая в популяцию новый генетический материал, и популяционные волны, изоляция, формирующие различия между генофондами различных популяций
2. Фактор, позволяющий популяции развиваться самостоятельно относительно других популяций либо разделяющий исходную популяцию на две или более новых. Таким фактором является изоляция.
3. Фактор, направляющий эволюционный процесс и обеспечивающий закрепление в популяции определенных адаптации и изменений организмов. Таким фактором служит естественный отбор.
2. Какой фактор обеспечивает возникновение нового генетического материала в популяции?
Фактором, обеспечивающим возникновение принципиально нового генетического материала, является мутационная изменчивость.
В благоприятных условиях существования небольшие различия между особями одного вида не очень заметны и не играют существенной роли. Однако в неблагоприятных условиях даже небольшие наследственные изменения могут оказаться решающими и определить, какие особи популяции погибнут, а какие – выживут. Наследственная изменчивость дает материал для эволюционного процесса.
Мутации происходят с определенной частотой у всех организмов, населяющих нашу планету. Место мутации (ген и хромосома) случайно, поэтому мутации способны затронуть любые признаки и свойства особи, в том числе влияющие на жизнеспособность, размножение, поведение. В ряду поколений сохраняется подавляющее большинство мутаций, начиная с тех, которые возникли у самых давних предков. В результате набор мутаций в двух популяциях одного вида оказывается очень сходным. С другой стороны, будут присутствовать и разные мутации. Их количество – показатель того, насколько давно две популяции оказались изолированными друг от друга.
Таким образом, мутационный процесс – источник резерва наследственной изменчивости популяций. Поддерживая высокую степень генетического разнообразия популяций, он создает основу для действия естественного отбора.
3. Будет ли действовать отбор на носителей рецессивных мутаций?
Как правило, носители рецессивных мутаций (гетерозиготные организмы) заметно не отличаются по свойствам от гомозиготных доминантных организмов. Более того, в гетерозиготном состоянии многие мутации повышают жизнеспособность особей. Поэтому отбор на таких особей обычно не действует. По истечении определенного времени в популяции может накопиться достаточно большое число рецессивных аллелей, т.е. увеличится доля гетерозиготных организмов. Это приведет к повышению вероятности их встречи и, как следствие, к рождению (в 25% случаях) рецессивных гомозигот. Следует также иметь в виду, что в природе мутации встречаются и комбинациях друг с другом. Некоторые комбинации вследствие взаимодействия генов могут быть положительными для особи, повышая ее жизнеспособность. Вот на них и может начать действовать естественный отбор.
4. Приведите пример, иллюстрирующий изменение значимости мутации при изменении условий среды.
Мутации, вредные в одних условиях, могут повышать жизнеспособность особи в других условиях среды. Мутации, вредные в одних условиях, могут повышать жизнеспособность. особи в других условиях среды. Например, мутантные особи бескрылых насекомых или с плохо развитыми крыльями имеют преимущество на океанических островах и горных перевалах, где дуют сильные ветры. По сходным причинам произошло образование таких ныне истребленных человеком видов, как дронт и бескрылая гагарка.
В качестве примера можно привести мутацию у насекомых, обеспечивающую устойчивость к какому-либо пестициду. В течение долгого времени эта мутация будет нейтральной, а ее встречаемость в популяции низкой. Но после того, как данный пестицид начнут использовать для борьбы с насекомыми, мутация станет полезной, поскольку обеспечит выживание особей в изменившихся условиях. Благодаря действию отбора доля данной мутации в генофонде популяции резко возрастет – тем быстрее, чем жестче идет отбор, т. е. чем больший процент особей гибнет в каждом поколении от действия пестицида. Понятно, что подобные события проявятся гораздо ярче, если мутация устойчивости к пестициду носит доминантный характер.
5. Способен ли мутационный процесс оказывать направляющее влияние на процесс эволюции и почему? Аргументируйте свой ответ.
Мутационный процесс – явление случайное, неспецифическое. Мутации возникают ненаправленно, не имеют приспособительного значения, т. е. обуславливают неопределенную наследственную изменчивость (по Ч. Дарвину). С равной вероятностью мутации могут привести к изменениям в любых системах органов. Таким образом, мутационный процесс сам по себе не способен оказывать направляющее действие на ход эволюции.
6. Что такое дрейф генов?
Дрейф генов – это процесс случайного ненаправленного изменения частот аллелей в популяции. Он наблюдается при прохождении популяции через состояние малой численности (так называемый эффект «бутылочного горлышка», который возникает в результате эпидемий, стихийных бедствий). В результате случайного дрейфа генов генетически однородные популяции, обитающие в сходных условиях, могут постепенно утратить свое первоначальное сходство. Дрейф генов – один из факторов, способствующих изменению популяций.
7. Какой фактор приводит к прекращению обмена генетической информацией между популяциями? Каково его эволюционное значение?
Прекращению обмена генетической информацией способствует изоляция – ограничение или прекращение скрещиваний особей, принадлежащих к разным популяциям. Изоляция бывает пространственная и экологическая.
Географическая изоляция заключается в пространственном разобщении популяций благодаря особенностям ландшафта в пределах ареала вида – наличию водных преград для «сухопутных» организмов, участков суши для видов-гидробионтов, чередованию возвышенных участков и равнин. Ей способствует малоподвижный или неподвижный (у растений) образ жизни.
Экологическая изоляция возникает, если особи разделены экологическими препятствиями в пределах одного ландшафта, например, вероятность встречи обитателей мелких и глубоких частей водоема в период размножения очень мала. Длительная экологическая изоляция способствует дивергенции популяций вплоть до образования новых видов. Так, предполагают, что человеческая и свиная аскариды, морфологически сходные, произошли от общего предка. Их расхождению, согласно одной из гипотез, способствовал запрет на употребление человеком в пищу свиного мяса, который по религиозным соображениям распространялся длительное время на значительные массы людей. Экологическая изоляция существует благодаря нюансам ритуала ухаживания, окраски, запахов, «пения» самок и самцов из разных популяций. Так, подвиды щеглов – седоголовый и черноголовый имеют выраженные отметины на голове. Серые вороны из крымской и североукраинской популяций, внешне неразличимые, отличаются карканьем. При физиологической изоляции препятствием к скрещиванию служат различия в структуре органов размножения или просто разница в размерах тела. У растений к этой форме изоляции ведет приспособление цветка к определенному виду опылителей.
Изоляция в процессе видообразования взаимодействует с другими элементарными эволюционными факторами. Она усиливает генотипические различия, создаваемые мутационным процессом и генетической комбинаторикой. Возникающие благодаря изоляции внутривидовые группировки отличаются по генетическому составу и испытывают неодинаковое давление отбора. Эволюционное значение изоляции заключается в том, что она закрепляет, усиливает генетические различия между популяциями и создает предпосылки для дальнейшего преобразования этих популяций в отдельные виды.
Подумайте и выполните.
1. Объясните, почему дрейф генов играет особо важную роль в эволюции малочисленных групп организмов.
Дрейф генов – случайное ненаправленое изменение частоты генов популяции.
Он наблюдается в малочисленных популяциях, где вероятность случайности велика. эти случайности определяют дальнейшую судьбу генофонда малой популяции.
Также дрейф генов может привести как к исчезновению популяции (особенно малой) так и способствовать большей приспособленности к среде обитания.
2. Как вы понимаете выражение: «Мутации переходят в гомозиготное состояние»? В каком случае это происходит? Объясните это явление людям, незнакомым с биологией.
Мутация и селестия наследственные изменения генетического материала называют мутации по характеру проявления не могут быть доминантными и рецессивными это очень важно для существования вида его популяции мутации оказывает как правило вредными. Поскольку вносят вооружения только сбалансированной системе биохимических превращений, перестраивает физический аппарат обладателей вредных поминальных мутаций, сразу же появляется гомо и гетерозиготном организм начал заказываются нежизнеспособный и погибают на самых ранних этапах онтогенеза результате мутации и наследственные болезни человека.
3. Могут ли доминантные мутации образовывать скрытый резерв наследственной изменчивости? Объясните свою точку зрения.
Формировать резерв наследственной изменчивости — это изменения признаков организма, которые определяются генотипом и сохраняются в ряду поколений. Иногда это крупные изменения, например коротконогость, отсутствие рогов у домашнего скота, отсутствие пигмента (альбинизм) или оперения. В результате таких изменений возникли также карликовый рост душистого горошка, красная береза, растения, дающие махровые цветки, но чаше это мелкие, едва заметные уклонения от нормы. Мутации, образующиеся в результате замены одного или нескольких нуклеотидов в пределах одного гена и приводящие к изменению строения белков, называются генными. Один ген может мутировать неоднократно. Так возникает серия аллельных генов.
4. Казалось бы, в природной популяции должен закрепляться аллель, дающий своему носителю наибольшее преимущество в борьбе за существование. Однако в реальных природных популяциях часто одновременно встречают разные аллели одного и того же гена. Объясните, чем это вызвано.
Скрещивание организмов носит случайный характер, влияние мутаций.
5. Как вы думаете, почему генофонд летней популяции насекомых часто отличается от генофонда популяции, существовавшей год назад?
Если небольшая часть популяции животных или растений поселяется на новом месте, генофонд вновь образованной популяции будет неизбежно меньше генофонда родительской популяции. В силу случайных причин частоты аллелей в новой популяции могут не совпадать с таковыми у исходной. Гены, до того редко встречающиеся, могут быстро распространяться (вследствие полового размножения) среди особей новой популяции. А ранее широко распространенные гены могут отсутствовать, если их не было в генотипах основателей нового поселения.
Источник
При каких условиях и какие мутации на ваш взгляд могут стать элементарным эволюционным материалом
Подробное решение параграф § 55 по биологии для учащихся 10 класса, авторов Каменский А.А., Криксунов Е.А., Пасечник В.В. 2014
1. Что такое естественный отбор?
Ответ. Естественный отбор — процесс, изначально определённый Чарльзом Дарвином как приводящий к выживанию и преимущественному размножению более приспособленных к данным условиям среды особей, обладающих полезными наследственными признаками. В соответствии с теорией Дарвина и современной синтетической теорией эволюции, основным материалом для естественного отбора служат случайные наследственные изменения — рекомбинация генотипов, мутации и их комбинации.
2. Что такое генотип?
Вопросы после § 55
1. Что такое генофонд популяции?
Ответ. Каждая популяция характеризуется определённым генофондом, т. е. совокупным количеством генетического материала, который слагается из генотипов отдельных особей.
Необходимыми предпосылками эволюционного процесса являются возникновение элементарных изменений аппарата наследственности – мутаций, их распространение и закрепление в генофондах популяций организмов. Направленные изменения генофондов популяций под воздействием различных факторов представляют собой элементарные эволюционные изменения.
Как уже отмечалось, природные популяции в разных частях ареала вида обычно более или менее различны. Внутри каждой популяции имеет место свободное скрещивание особей. В результате каждая популяция характеризуется собственным генофондом с присущими только данной популяции соотношениями различных аллелей.
2. Почему большая часть мутаций не проявляется внешне?
Ответ. Природные популяции насыщены самыми разнообразными мутациями. На это обратил внимание русский учёный Сергей Сергеевич Четвериков (1880–1959), который установил, что значительная часть изменчивости генофонда скрыта от глаз, так как подавляющее большинство возникающих мутаций рецессивны и не проявляются внешне. Рецессивные мутации как бы «впитываются видом в гетерозиготном состоянии», ведь большинство организмов гетерозиготно по многим генам. Подобную скрытую изменчивость можно выявить в экспериментах со скрещиванием близкородственных особей. При таком скрещивании некоторые рецессивные аллели, находившиеся в гетерозиготном и потому скрытом состоянии, перейдут в гомозиготное состояние и смогут проявиться. Значительная генетическая изменчивость природных популяций легко обнаруживается и в ходе искусственного отбора. При искусственном отборе из популяции выбирают тех особей, у которых какие-либо ценные в хозяйственном отношении признаки выражены наиболее сильно, и скрещивают этих особей между собой. Искусственный отбор оказывается эффективным почти во всех случаях, когда к нему прибегают. Следовательно, в популяциях имеется генетическая изменчивость буквально по каждому признаку данного организма.
3. В чём кроется способность популяции адаптироваться (приспосабливаться) к новым условиям?
Ответ. Поскольку всякая популяция обычно хорошо приспособлена к своей среде обитания, крупные изменения обычно снижают эту приспособленность, подобно тому как значительные случайные изменения в механизме часов (удаление какой-нибудь пружины или добавление колёсика) ведут к сбою в их работе. В популяциях имеются большие запасы таких аллелей, которые не приносят ей какой-либо пользы в данном месте или в данное время; они сохраняются в популяции в гетерозиготном состоянии, пока в результате изменения условий среды вдруг не окажутся полезными. Как только это случается, их частота под действием отбора начинает возрастать, и в конечном счёте они становятся основным генетическим материалом. Именно в этом кроется способность популяции адаптироваться, т. е. приспосабливаться к новым факторам – изменениям климата, появлению нового хищника или конкурента и даже к загрязнению среды человеком.
Примером подобной адаптации служит эволюция видов насекомых, устойчивых к инсектицидам. События во всех случаях развиваются одинаково: при введении в практику нового инсектицида (яда, действующего на насекомых) для успешной борьбы с насекомым-вредителем бывает достаточно небольшого его количества. С течением времени концентрацию инсектицида приходится повышать, пока, наконец, он не оказывается недейственным. Первое сообщение об устойчивости насекомого к инсектициду появилось в 1947 г. и относилось к устойчивости комнатной мухи к ДДТ. Впоследствии устойчивость к одному или нескольким инсектицидам была обнаружена не менее чем у 225 видов насекомых и других членистоногих. Гены, способные обеспечить устойчивость к инсектицидам, очевидно, имелись в каждой из популяций этих видов; их действие и обеспечило в конечном итоге снижение эффективности ядов, использованных для борьбы с вредителями
4. Каким способом можно выявить рецессивные аллели?
Источник
