Глава 6

Роль эволюционной теории в формировании современной естественнонаучной картины мира

Эволюционная теория представляет собой теоретическую базу биологии, объясняющую ключевые характеристики, специфику, взаимосвязи и направления развития органического мира. С помощью эволюционной теории ученые исследуют причину единства и разнообразия органического мира, выясняют исторические закономерности, возникающие между разными формами жизни, предсказывают их развитие в будущем.

В эволюционной теории обобщена информация из многих биологических дисциплин. Благодаря ей современная наука понимает механизмы и векторы изменчивости живой материи.

Эволюционная теория обладает огромным значением для развития таких сфер, как сельское хозяйство, селекция, охрана окружающей среды. С помощью теории эволюции исследователи определяют оптимальную стратегию взаимоотношения человека и окружающей живой природы, рассматривают вопросы разработки принципов управляемой эволюции.

Таким образом, эволюционная теория представляет собой фундамент, методологическую основу для развития биологической науки в целом. Эволюция жизни на нашей планете является неоспоримым фактом. Основное содержание современной теории эволюции определяют причины, триггеры и закономерности эволюции жизни.

Человек воздействует на эволюционный процесс разными методами. Используя искусственный отбор, как и гибридизацию, ученым удалось сформировать разнообразные формы культурных растений и животных, получить виды с высокой продуктивностью. Такой способ необходим для разработки штаммов микроорганизмов, представляющих практическую ценность.

Человек выбирает для размножения лучших особей, которые обладают полезными хозяйственными качествами. Он вносит изменения в определенную частоту встречаемости аллелей в размножаемой популяции, за счет чего ее структура меняется. Породы и сорта, которые создал человек, могут не иметь способности размножаться.

Темпы эволюции меняются в результате человеческой деятельности. Данный факт объясняется тем, что механизмы искусственного отбора оказываются эффективнее естественного. К примеру, породы домашних животных обладают более явными отличиями друг от друга, по сравнению с видами и даже родами диких животных.

Главной движущей силой эволюции является естественный отбор, оказывающий воздействие на многие поколения. В его силе человек смог убедиться на практике, когда начал влиять на условия окружающей среды. Например, были выведены насекомые и крысы, устойчивые к ядам, бактерии, защищенные от воздействия эффективных антибиотиков.

Последствия мутаций

Мутация приводит к формированию или созданию нового характера или признака. Этот новый признак может быть полезным или пагубным. С точки зрения эволюции, мутации жизненно важны, поскольку они привносят новые признаки в популяцию, изменяют частоту аллелей и включают изменения в последовательности ДНК. ДНК в генах несет генетический код, который определяет пары оснований.

Это, в свою очередь, определяет последовательность аминокислот в полипептиде или белке во время трансляции транскрипта мРНК. Белки являются одними из основных биомолекул, выполняющих разнообразные функции. Некоторые из них служат структурными компонентами, другие действуют как ферменты. Когда их структура изменяется, они не могут функционировать должным образом, и это может привести к серьезным последствиям, таким как генетические нарушения и синдромы.

Организм, ген или хромосома, отличающиеся от дикого типа в результате мутации (мутаций), называются мутантами. Носитель мутации, организм может передавать новый признак через поколение.

Виды генеративных мутаций

По степени изменения наследственного аппарата мутации подразделяются на несколько разновидностей.

Определение 2

Генные мутации – это такие мутационные процессы, которые приводят к изменению структуры ДНК в участке, который соответствует определенному гену.

Такие мутации еще называют точечными. Может произойти замена одного азотистого основания на другое, что повлечет к замене аминокислот при синтезе белка.

Определение 3

Хромосомные мутации (хромосомные перестройки) это такие процессы, в результате которых происходят изменения в строении хромосом.

Их еще называют перестройками или аберрациями. Ученые выделяют аберрации различных типов: нехватка (хромосома теряет концевой участок), деление (потеря участка в средней части хромосомы), дупликация (повторение участка несколько раз), инверсия (участок хромосомы «переставляется» на $180°$), транслокация (обмен участками между негомологическими хромосомами) и фрагментация (распад хромосом на части) хромосом.

Определение 4

Геномные мутации приводят к изменению набора хромосом.

Они происходят, когда в процессе деления клеток хромосомы не разойдутся к полюсам, а останутся в том же ядре.
Явление кратного увеличения набора хромосом называется полиплоидией.

Что такое эволюция — понятие

Определение

Эволюция является биологическим процессом, соотносящимся с временными изменениями, в ходе которых набор генов видоизменяется на уровне ДНК, в результате чего образуется множество потомков.

Понятия эволюции и естественного отбора часто пересекаются.

Определение

Процессом эволюционирования называют историческое формирование мутаций.

Осторожно! Если преподаватель обнаружит плагиат в работе, не избежать крупных проблем (вплоть до отчисления). Если нет возможности написать самому, закажите тут

Естественный отбор — наиболее важный из механизмов, за счет которого возникают мутации. В современном мире область эволюционной биологии получила активное развитие, было изучено большое количество данных по теме эволюции.

Ученым удалось исследовать исторические эволюционные изменения, которые были выведены непосредственно при анализе окаменелостей, изучения филогении и процесса эволюционных изменений, в том числе, эффекта естественного отбора. Известно, что сильный отбор ускоряет эволюцию сильнее, чем было предположено Дарвином.

Результатом современных исследований является определение возможности для проведения эволюционных опытов в реальном времени. Последние события во многих научных областях, таких как молекулярная биология и биология развития, существенно увеличили спектр имеющихся знаний и послужили доказательством того, что эволюция занимает центральное место в понимании биологического разнообразия.

Кратко, эволюция представляет собой процесс последовательного естественного развития. Для него характерны следующие черты:

• природа и социальные системы изменяются необратимо и постепенно;
• живые организмы адаптированы к окружающей среде и внешним факторам, что выражается в борьбе за существование;
• активная оболочка планеты в виде биосферы преобразуется;
• старые генетические популяции отмирают, возникают новые, а также наблюдаются мутации в животном и растительном мире.

Примечание

Важной особенностью эволюционного процесса является то, что он протекает естественно, планомерно, исключаются бурные всплески и скачки. Данные факты отличают его от революционных преобразований

Основателями теории биологической эволюции являются Мендель, Ламарк, Дарвин. Вместе с тем, современная философская наука все чаще оперирует понятием социальной эволюции, которая характеризует изменения в общественной жизни.

Мутация как биологическое явление

В ходе освоения и изучения природы человек не раз сталкивался с появлением среди обычных организмов проявлений необычных качеств, которые затем могли передаваться по наследству. Это явление получило название мутация.

Определение 1

Мутация – это явление устойчивого изменения генетического аппарата, которое возникает внезапно и приводит к изменению тех или иных наследственных черт организма.

Основоположником учения о мутациях считается голландский ученый Г. де Фриз, который наблюдал эти явления у садовых растений. Он же и предложил данный термин.
Мутации могут возникать в любой период жизни организма, затрагивая как соматические клетки , так и половые. Мутация, возникшая в половых клетках, обязательно наследуется.
Г. де Фриз высказал такие положения:

• мутации возникают внезапно;
• мутационные изменения устойчивы и могут передаваться по наследству;
• мутации не направлены, не носят приспособительный характер, то есть они могут быть полезными, вредными и нейтральными для организма;
• одни и те же мутации могут возникать неоднократно;
• мутации это универсальные свойством всех живых организмов.

Синтетическая теория эволюции

В современной науке существует несколько эволюционных теорий, которые обладают рядом отличий. Ключевой из них является объяснение механизмов эволюционных процессов. Наибольшее признание завоевала синтетическая теория эволюции. В ее основе лежит дарвиновское учение, развивающееся с помощью актуальных научных достижений.

Начало синтетической теории отмечено 40-ми годами XX столетия. Данная теория является синтезом разных предметных областей научных знаний, таких как дарвинизм, генетика, молекулярная биология. Большой вклад в развитие синтетической теории внесла наука палеонтология.

Данный подход способствовал созданию более полной картины развития жизни на Земле. Согласно синтетической теории эволюции, дарвиновское учение не опровергнуто, а, наоборот, дополнено. Многие тезисы, которые выдвинул ученый, получили подтверждение в настоящее время, так как в тот период, когда они были сформулированы, отсутствовали необходимые ресурсы для их доказательства, что было связано с недостаточным уровнем развития научной мысли.

Понятие «синтетическая» было сформулировано и активно употреблялось, благодаря одному из создателей синтетической теории эволюции Дж. Хаксли. В 1942 году ученый опубликовал труд под названием «Эволюция – современный синтез». Стоит отметить его большую роль в формировании Всемирного фонда дикой природы. Дж. Хаксли привнес огромный вклад в развитие науки, за что был удостоен медалью Дарвина и рыцарского звания.

Благодаря синтетической теории эволюции, значительно расширяются представления Дарвина об эволюционных процессах за счет раскрытия разнообразных сил эволюции, которые являлись триггерами. В учениях Дарвина упоминается лишь внутривидовая и межвидовая борьба за выживание при воздействии неблагоприятных факторов. В современной науке к факторам эволюции относят мутацию, изоляцию, популяционные всплески численности и другие.

Синтетическая теория основана на двух теориях:

• микроэволюция, изучающая изменения на генетическом уровне, за счет которых образуются новые популяции;
• макроэволюция, исследующая закономерности и направления эволюции живых организмов, в том числе, происхождение человека.

Макроэволюция и микроэволюция являются процессами, которые протекают под влиянием природных изменений. События, которые происходят на микроэволюционном уровне, являются доступными для наблюдений. Процессы макроэволюции занимают тысячелетия и могут быть только реконструированы.

В таком случае, отсутствуют какие-либо возможности для постановки эксперимента, свидетельствующего о том, что макроэволюция существует. С другой стороны, ученым удалось найти косвенные доказательства в процессе изучения и развития наук:

• палеонтологии;
• морфологии;
• археологии;
• генетики.

Основные положения синтетической теории эволюции в упрощенном виде:

• эволюция происходит за счет наследственных изменений, таких как генные мутации;
• главным фактором эволюции является естественный отбор как итог борьбы за существование;
• наименьшая единица эволюции представляет собой популяцию;
• целость вида сохраняется с помощью миграций особей между популяциями;
• новый вид образуется благодаря длительному эволюционному процессу;
• эволюция обладает направленным характером, т. е. не имеет определенности ее конечной цели.

Понятие мутации в биологии

Этимология: происхождение термина «мутация» восходит к латинскому mutationem, mūtō, что означает «я двигаюсь» или «я изменяюсь».

В биологии мутация относится к любому изменению в последовательности нуклеотидов в результате неспособности системы вернуть изменение.

Измененная последовательность является постоянной и наследуемой. В биологических системах, способных к размножению, следует сначала определить, являются ли они наследственными. В частности, некоторые мутации влияют только на особь, которая их несет, в то время как другие влияют на все дальнейшее потомство организма-носителя. Чтобы мутации повлияли на потомков организма, они должны:

• произойти в клетках, которые производят следующее поколение;
• повлиять на наследственный материал.

В конечном итоге взаимодействие между наследственными мутациями и давлением окружающей среды порождает разнообразие видов.

Хотя существуют различные типы молекулярных изменений, слово «мутация» обычно относится к изменениям, затрагивающим нуклеиновые кислоты. В клеточных организмах эти нуклеиновые кислоты являются строительными блоками ДНК, а в вирусах они являются строительными блоками либо ДНК, либо РНК. ДНК и РНК — это вещества, которые несут в себе долговременную память об информации, необходимой для воспроизводства организма.

Если мутации происходят в клетках, не относящихся к зародышевой линии, то эти изменения можно классифицировать как соматические мутации. Слово «соматический» происходит от греческого слова soma, что означает «тело», а соматические мутации влияют только на настоящее тело организма.

С точки зрения эволюции, соматические мутации не представляют интереса, если только они не происходят систематически и не изменяют некоторые фундаментальные свойства индивидуума — например, способность к выживанию.

Таким образом, мутация — это постоянное, наследуемое изменение последовательности нуклеотидов или процесс, в результате которого происходит такое изменение в гене или хромосоме. Существует два основных типа мутаций: мелкомасштабные и крупномасштабные.

1. Мелкомасштабные мутации — это генетические мутации, часто в виде замен, делеций и вставок одного или нескольких нуклеотидов.
2. Мутации, происходящие в определенных регионах хромосом, являются крупномасштабными мутациями. Такая форма мутации может быть смертельной или приводить к серьезным заболеваниям или синдромам.

Случайны ли мутации? Насколько известно, последствия мутации никак не влияют на вероятность того, что эта мутация произойдет или не произойдет. Другими словами, мутации происходят случайным образом с точки зрения того, будут ли их последствия полезными.

Таким образом, полезные изменения ДНК не происходят чаще только потому, что организм может извлечь из них пользу. Более того, даже если организм приобрел полезную мутацию в течение своей жизни, соответствующая информация не вернется в ДНК в зародышевой линии организма. Это фундаментальная идея, которую неправильно понял Жан-Батист Ламарк и правильно понял Чарльз Дарвин.

Однако идея о том, что мутации случайны, может быть признана неверной, если принять во внимание тот факт, что не все типы мутаций происходят с одинаковой вероятностью. Частота мутаций обычно очень низка, и биологические системы прилагают все усилия, чтобы поддерживать ее на как можно более низком уровне, в основном потому, что многие мутационные эффекты вредны

Частота мутаций обычно очень низка, и биологические системы прилагают все усилия, чтобы поддерживать ее на как можно более низком уровне, в основном потому, что многие мутационные эффекты вредны.

Тем не менее уровень мутаций никогда не достигает нуля, даже несмотря на защитные механизмы низкого уровня (такие, как репарация ДНК или корректура во время репликации ДНК) и механизмы высокого уровня (такие, как отложение меланина в клетках кожи для уменьшения радиационного повреждения).

После определенного момента избегание мутаций просто становится слишком дорогостоящим для клеток. Таким образом, мутация всегда будет присутствовать как мощная сила в эволюции.

Примеры

Примерами мутаций у животных являются детеныши, рожденные с дополнительными частями тела, например: двухголовая змея, четырехногая утка, котенок-циклоп. Часто такие мутации приводят к смерти животного вскоре или через несколько дней после его рождения.

У людей генетические заболевания часто обусловлены мутацией, связанной с изменением гена или хромосомной аберрацией. Серповидно-клеточная болезнь, например, возникает, когда 20-й нуклеотид гена бета-цепи гемоглобина на хромосоме 11 изменяется с кодона GAG на GTG, так что при переводе 6-я аминокислота становится валином вместо глутаминовой кислоты.

Другие распространенные примеры мутаций у людей — синдром Ангельмана, болезнь Канавана, дальтонизм, синдром Кри-дю-Шата, муковисцидоз, синдром Дауна, мышечная дистрофия Дюшенна, гемохроматоз, гемофилия, синдром Клайнфельтера, фенилкетонурия, синдром Прадера-Вилли, болезнь Тей-Сакса и синдром Тернера.

У растений могут проявляться мутации, несущие химеру, спорты или разрывы. Они происходят естественным образом и могут вызывать изменения во внешнем виде листвы, цветов, плодов или стеблей любого растения.

Скорость мутаций может варьировать как внутри генома, так и между геномами. Требуется еще много работы, прежде чем исследователи смогут получить более точные оценки частот различных мутаций.

Развитие высокопроизводительных методов секвенирования генома дает надежду на то, что мы сможем получить более детальное и точное понимание частоты мутаций. Поскольку мутация является одной из фундаментальных сил эволюции, такая работа будет иметь первостепенное значение.

Схема наследования болезни: