Еволюционна научна теория

Генетична вариация и скорост на еволюция

Колкото повече генетични вариации съществуват в една популация, толкова по-голяма е възможността да се случи еволюцията. С увеличаването на броя на генните локуси, които са променливи и с увеличаването на броя на алелите във всеки локус нараства вероятността някои алели да се променят по честота за сметка на техните заместници. Британският генетик Р. А. Фишър математически демонстрира пряка зависимост между количеството на генетичната промяна в популацията и скоростта на еволюционната промяна чрез естествен подбор. Тази демонстрация е въплътена в основната му теорема за естествения подбор (1930): „Скоростта на повишаване на фитнеса на всеки организъм по всяко време е равна на неговата генетична дисперсия във фитнес по това време.

Тази теорема е потвърдена експериментално. Едно проучване използва различни щамове Drosophila serrata, вид оцетна муха от източна Австралия и Нова Гвинея. Еволюцията в оцетните мухи може да бъде изследвана чрез размножаването им в отделни „популационни клетки“ и установяването на промяната на популациите през много поколения. Създадени са експериментални популации, в които мухите живеят и се размножават в своите изолирани микрокосмоси. Популации с един щам са установени от мухи, събрани или в Нова Гвинея, или в Австралия; в допълнение, смесена популация е съставена от кръстосването на тези два щама мухи. Смесената популация има по-голяма първоначална генетична вариация, тъй като тя започва с две различни популации с един щам. За да се насърчат бързите еволюционни промени, популациите бяха манипулирани така, че мухите изпитваха силна конкуренция за храна и космос. Адаптирането към експерименталната среда се измерва чрез периодично преброяване на броя на индивидите в популациите.

Два резултата заслужават известие. Първо, смесената популация в края на експеримента е имала повече мухи, отколкото едносемейните популации. Второ и по-уместно, броят на мухите се увеличава с по-бързи темпове в смесената популация, отколкото в едносемейните популации. Еволюционното приспособяване към околната среда се случи и при двата типа население; и двете успяха да поддържат по-голям брой с напредването на поколенията. Но скоростта на еволюцията е по-бърза в смесената група, отколкото в групите с един щам. По-голямото първоначално количество генетична промяна направи възможно по-бързата скорост на еволюция.

Измерване на променливостта на гените

Тъй като потенциалът на населението да се развива се определя от неговата генетична вариация, еволюционистите са заинтересовани да открият степента на такава промяна в естествените популации. Лесно е очевидно, че растителните и животинските видове са разнородни по най-различни начини - например в цветовете на цветовете и навиците на растеж на растенията, например, във формата на черупката и оформянето на охлювите. Разликите се забелязват по-лесно сред хората - по черти на лицето, цвят на косата и кожата, височина и тегло - но такива морфологични разлики са налице във всички групи организми. Един проблем при морфологичното изменение е, че не се знае колко се дължи на генетичните фактори и колко може да е резултат от влиянието на околната среда.

Животновъдите и животновъдите подбират за своите експерименти индивиди или семена, които превъзхождат желаните качества - например в съдържанието на протеини в царевицата (царевицата) или в добивът на крави. Изборът се повтаря поколение след поколение. Ако популацията се промени в посоката, предпочитана от селекционера, става ясно, че оригиналният запас е притежавал генетично изменение по отношение на избраната черта.

Резултатите от изкуствения подбор са впечатляващи. Селекцията за високо съдържание на масло в царевицата увеличи съдържанието на масло от по-малко от 5 процента до повече от 19 процента за 76 поколения, докато селекцията за ниско съдържание на масло го намали до под 1 процент. Тридесет години селекция за увеличаване на производството на яйца в стадо бели пилета Leghorn увеличи средния годишен добив на кокошка от 125,6 на 249,6 яйца. Изкуственият подбор даде безкрайни разновидности на породи кучета, котки и коне. Растенията, отглеждани за храна и фибри, и животните, отглеждани за храна и транспортиране, са всички продукти на изкуствена селекция или на съвременни дни. От края на 20 век учените използват техниките на молекулярната биология, за да модифицират или въвеждат гени за желани черти в различни организми, включително домашни растения и животни; тази област е станала известна като генно инженерство или рекомбинантна ДНК технология. Подобрения, които в миналото бяха постигнати след десетки поколения чрез изкуствен подбор, сега могат да бъдат постигнати много по-ефективно и бързо (в рамките на едно поколение) чрез молекулярно-генетична технология.

Успехът на изкуствения подбор за почти всяка черта и всеки организъм, в който е изпробван, предполага, че генетичната вариация е широко разпространена в естествените популации. Но еволюционистите обичат да отидат една стъпка по-далеч и да получат количествени оценки. Едва от 60-те години на миналия век, с напредъка на молекулярната биология, генетиците разработват методи за измерване на степента на генетична промяна в популациите или сред видовете организми. Тези методи се състоят по същество от вземане на извадка от гени и установяване колко са променливи и колко променлива е всяка. Един прост начин за измерване на променливостта на генния локус е да се установи каква част от индивидите в популацията са хетерозиготи в този локус. При хетерозиготен индивид двата гена за черта, единият получен от майката, а другият от бащата, са различни. Следователно делът на хетерозиготите в популацията е същият като вероятността два гена, взети на случаен принцип от генофонда, да са различни.

Техниките за определяне на хетерозиготността са използвани за изследване на много видове растения и животни. Обикновено насекомите и другите безгръбначни са по-разнообразни генетично от бозайниците и другите гръбначни животни, а растенията, развъждани чрез ауткросинг (кръстосване със сравнително несвързани щамове), показват повече вариации от тези, отгледани при самоопрашване. Но количеството на генетичната промяна във всеки случай е поразително. Вземете за пример хората, чието ниво на вариация е приблизително същото като това на други бозайници. Човешката стойност на хетерозиготността на нивото на протеините е посочена като Н = 0,067, което означава, че индивидът е хетерозиготен при 6,7 процента от гените си, защото двата гена във всеки локус кодират малко различни протеини. Човешкият геном съдържа приблизително 20 000–25 000 гена. Това означава, че човек е хетерозиготен при не по-малко от 30 000 × 0,067 = 2,010 генни локуси. Индивидуален хетерозигот в един локус (Аа) може да произведе два различни вида полови клетки или гамети, по една с всеки алел (А и а); индивидуален хетерозигот в два локуса (AaBb) може да произведе четири вида гамети (AB, Ab, aB и ab); индивидуален хетерозигот в n локуси потенциално може да произведе 2 ⁿ различни гамети. Следователно, типичният човешки индивид има потенциал да произведе ^2,010, или приблизително 10 ⁶⁰⁵ (1 със следващи 605 нули), различни видове гамети. Това число е много по-голямо от прогнозния брой атоми във Вселената, около 10 ⁸⁰.

Тогава е ясно, че всяка полова клетка, произведена от човешко същество, е генетично различна от всяка друга полови клетки и следователно, че няма две лица, които някога са съществували или някога ще съществуват, е вероятно да бъдат генетично идентични - с изключение на идентични близнаци, които се развиват от една оплодена яйцеклетка. Същото заключение важи за всички организми, които се размножават сексуално; всеки индивид представлява уникална генетична конфигурация, която вероятно никога повече няма да се повтори. Този огромен резервоар от генетични изменения в естествените популации предоставя практически неограничени възможности за еволюционна промяна в отговор на ограниченията на околната среда и нуждите на организмите.

Произходът на генетичната вариация: мутации

Животът се заражда преди около 3,5 милиарда години под формата на първични организми, които бяха сравнително прости и много малки. Всички живи същества са се развили от тези ниски начала. Понастоящем има повече от два милиона известни вида, които са широко разнообразни по размер, форма и начин на живот, както и в ДНК последователностите, които съдържат генетичната им информация. Какво е породило широко разпространената генетична промяна в естествените популации и генетичните различия между видовете? Трябва да има някакви еволюционни средства, чрез които съществуващите ДНК последователности се променят и нови последователности се включват в генофондовете на видове.

Информацията, кодирана в нуклеотидната последователност на ДНК, по правило се възпроизвежда вярно по време на репликация, така че всяка репликация води до две ДНК молекули, които са идентични една на друга и на родителската молекула. Но наследствеността не е напълно консервативен процес; в противен случай еволюцията не би могла да се осъществи. Понякога в молекулата на ДНК се появяват „грешки“ или мутации по време на репликация, така че дъщерните клетки се различават от родителските клетки в последователността или в количеството на ДНК. Мутация първо се появява в една клетка на организма, но се предава на всички клетки, произлезли от първата. Мутациите могат да бъдат класифицирани в две категории - генни или точкови, мутации, които засягат само няколко нуклеотида в даден ген, и хромозомни мутации, които или променят броя на хромозомите, или променят броя или разположението на гените в хромозома.