Элементарные эволюционные факторы. Мутационный процесс и генетическая комбинаторика. Популяционные волны, изоляция, дрейф генов, естественный отбор. Взаимодействие элементарных эволюционных факторов.

Элементарные эволюционные факторы – те события и процессы, способствующие преодолению генетической инертности популяции и проводящие к изменению их генофондов. Важнейшие из них являются: мутационный процесс, популяционные волны, изоляция, естественный отбор.

Мутационный процесс

Мута́ция — стойкое (то есть такое, которое может быть унаследовано потомками данной клетки или организма) изменение генотипа, происходящее под влиянием внешней или внутренней среды. Термин предложен Гуго де Фризом.

Мутации делятся на спонтанные и индуцированные. Спонтанные мутации возникают самопроизвольно на протяжении всей жизни организма в нормальных для него условиях окружающей среды. Индуцированными мутациями называют наследуемые изменения генома, возникающие в результате тех или иных мутагенных воздействий в искусственных (экспериментальных) условиях или при неблагоприятных воздействиях окружающей среды.Основные процессы, приводящие к возникновению мутаций — репликация ДНК, нарушения репарации ДНК и генетическая рекомбинация.

Мутагены:

· химические мутагены — вещества, вызывающие мутации,

· физические мутагены — ионизирующие излучения, в том числе естественного радиационного фона, ультрафиолетовое излучение, высокая температура и др.,

· биологические мутагены — например, ретровирусы, ретротранспозоны.

Классификации мутаций

- геномные;

- хромосомные;

- генные.

Геномные: — полиплоидизация (образование организмов или клеток, геном которых представлен более чем двумя (3n, 4n, 6n и т. д.) наборами хромосом) и анеуплоидия (гетероплоидия) — изменение числа хромосом, не кратное гаплоидному набору (см. Инге-Вечтомов, 1989). В зависимости от происхождения хромосомных наборов среди полиплоидов различают аллополиплоидов, у которых имеются наборы хромосом, полученные при гибридизации от разных видов, и аутополиплоидов, у которых происходит увеличение числа наборов хромосом соб

При хромосомных мутациях происходят крупные перестройки структуры отдельных хромосом. В этом случае наблюдаются потеря (делеция) или удвоение части (дупликация) генетического материала одной или нескольких хромосом, изменение ориентации сегментов хромосом в отдельных хромосомах (инверсия), а также перенос части генетического материала с одной хромосомы на другую (транслокация) (крайний случай — объединение целых хромосом, т. н. Робертсоновская транслокация, которая является переходным вариантом от хромосомной мутации к геномной).

На генном уровне изменения первичной структуры ДНК генов под действием мутаций менее значительны, чем при хромосомных мутациях, однако генные мутации встречаются более часто. В результате генных мутаций происходят замены, делеции и вставки одного или нескольких нуклеотидов, транслокации, дупликации и инверсии различных частей гена. В том случае, когда под действием мутации изменяется лишь один нуклеотид, говорят о точечных мутациях. Поскольку в состав ДНК входят азотистые основания только двух типов — пурины и пиримидины, все точковые мутации с заменой оснований разделяют на два класса: транзиции (замена пурина на пурин или пиримидина на пиримидин) и трансверсии (замена пурина на пиримидин или наоборот).

При существенном изменении условий существования те мутации, которые раньше были вредными, могут оказаться полезными. Таким образом, мутации являются материалом для естественного отбора.

Популяционные волны

Популяционными волнами или волнами жизни (С. С. Четвериков) называют периодические колебания численности организмов в природных популяциях. Это явление распространяется на все виды животных и растений, а также на микроорганизмы. Причины колебаний часто имеют экологическую природу.

Изменение генофондов популяций происходит как на подъеме, так и на спаде популяционной волны. При росте численности организмов наблюдается слияние ранее разобщенных популяции и объединение их генофондов. Так как популяции по своему генетическому составу уникальны, в результате такого слияния возникают новые генофонды с измененными по сравнению с исходными частотами аллелей. Рост количества организмов обычно сопровождается расширением занимаемой территории.

На гребне популяционной волны некоторые группы особей выселяются за пределы ареала вида и оказываются в необычных условиях существования. В таком случае они испытывают действие новых факторов естественного отбора. Повышение концентрации особей в связи с ростом их численности усиливает внутривидовую борьбу за существование.При спаде численности наблюдается распад крупных популяции. Возникающие малочисленные популяции характеризуются измененными генофондами.

Популяционные волны — это эффективный фактор преодоления генетической инертности природных популяций. Вместе с тем их действие на генофонды не является направленным. В силу этого они, так же как и мутационный процесс, подготавливают эволюционный материал к действию других элементарных эволюционных факторов.

Изоляция

Если особи одной популяции полностью или частично не скрещиваются с особями других популяций, то такая популяция испытывает процесс изоляции. Если разобщение продолжается в ряду поколений, а факторы отбора в разных популяциях действуют в разных направлениях, то происходит дифференциация популяций. В последующем такие популяции могут дать начало новым разновидностям, а при более сильном расхождении — и новым видам.

Факторы изоляции. Изоляция популяций внутри вида может обеспечиваться географическими (горообразовательные процессы, возникновение рек и водоемов), экологическими и биологическими факторами. Любые разобщения популяции, вызванные геологическими изменениями, могут приводить к географической изоляции. Экологические факторы — территориально-климатические, микроклиматические, сезонно-климатические и др. — также могут создавать препятствие для свободного скрещивания организмов одного вида.

Так, например, у рыб, ведущих морской образ жизни, но возвращающихся для размножения в реки, в каждой реке складывается особая популяция. Представители этих популяций могут различаться по величине, окраске во время нереста, времени наступления половой зрелости, количеству и размеру икринок, срокам размножения и т. п.

К биологическим факторам изоляции, нарушающим свободу скрещивания, относятся генетические и физиологические. Собственно генетическим фактором изоляции является чаще всего нарушение нормального течения мейоза, препятствующее воспроизведению плодовитого потомства. Причинами таких нарушений могут быть: полиплоидия (гл. 13), хромосомные перестройки (гл. 13), ядерно-цитоплазматическая несовместимость (гл. 13). Каждое из перечисленных явлений может приводить к ограничению свободного скрещивания особей и к бесплодию гибридов, а следовательно, к ограничению свободного комбинирования генов, т. е. к генетической изоляции этих форм, которые внутри себя могут давать плодовитое потомство.

Изоляция популяций может обеспечиваться также и физиологическими факторами. Известно, что морские рыбы, идущие на нерест в реки, как правило, возвращаются в те реки, в которых они появились на свет и провели свою «молодость» до ската в море. Физиологический механизм, обеспечивающий возврат рыбы в родную реку, служит фактором изоляции для популяций рыб данной реки. Такое обособление ограничивает свободу скрещивания между особями одного и того же вида.