Генетика и эволюция

Уникальной особенностью молекул ДНК является их способность к самокопированию - редупликации. Комплементарность азотистых оснований обеспечивает полное сходство дочерних молекул с материнской. В этом заключаются молекулярные основы наследственности. Организмы, имеющие одинаковый набор молекул ДНК или генов, генетически идентичны и фенотипически одинаковы. Таковы однояйцевые близнецы, или растения одного сорта, полученные от одной особи путем вегетативного размножения. Такие организмы могут различаться особенностями, которые возникают под влиянием условий среды на ход индивидуального развития, но эти изменения по наследству не передаются, хотя они генетически обусловлены.

Однако существуют причины, вызывающие наследственные или генетические различия между особями одного вида: мутации - изменение структуры генов, хромосом и кариотипов и комбинирование генов как результат полового процесса.

Частота мутаций отдельных генов лежит в пределах . Однако в связи с тем, что число генов в генофонде любой популяции очень велико, количество всех возникающих в каждом поколении мутаций также очень велико.

Случайные, ненаправленные изменения генетических программ, накапливаясь из поколения в поколение, должны были бы разрушить и сами программы, и те фенотипы, которые этими программами кодируются. Однако хорошо известно, что структуры организмов сохраняются в ряду поколений. Более того, в ходе эволюции происходило усложнение структур, что на первый взгляд противоречит второму началу термодинамики.

Естественный отбор пропускает в следующее поколение программы либо не слишком сильно измененные, либо с полезными изменениями, в том числе и более сложные, если они повышают шансы на выживание и размножение. В результате возникают и совершенствуются адаптации и осуществляется прогрессивная эволюция.

Направленность мутаций не зависит от внешних воздействий, но некоторые внешние силы увеличивают частоту мутаций. Мутационный процесс не носит направленного характера в том смысле, что возникают самые разнообразные изменения, среди которых лишь некоторые изменения оказываются полезными в данных условиях. Именно в этом смысле используется понятие “случайный характер мутаций”.

Направленность эволюции определяется естественным отбором. Чарлз Дарвин не считал, будто природа на самом деле отбирает что-либо, словно человек, решающий, как ему поступить в том или ином случае. Выражение “естественный отбор - это выживание наиболее приспособленных” означает, что направление отбора определяется характером отношений между организмами и средой (или в понимании Дарвина - характером борьбы за существование).

Суть процесса естественного отбора заключается в том, что разные организмы, с разными генотипами, имеют разные коэффициенты воспроизведения. Реальные результаты отбора выражаются в цифре, характеризующей чистую вероятность выживания и воспроизведения, т.е. шансы какого-то организма произвести на свет потомство, которое доживет до возраста родителей к моменту его появления на свет.

Единицей эволюции (элементарной эволюционирующей системой) является популяция. Частота различных генотипов в популяции зависит от частоты генов в ее генофонде, и эта зависимость выражается формулой Харди-Вайнберга:

где p - частота доминантного гена A, q - частота рецессивного гена - частота доминантных гомозигот, 2pq - частота гетерозигот и- частота рецессивных гомозигот.

Частота генов в данной популяции остается постоянной от поколения к поколению, пока не подвергается изменению под действием какой-нибудь причины (движущей силы).

Одной из таких сил является мутационное давление, которое увеличивает частоту мутантных генов, поскольку мутации генов представляет собой повторяющийся процесс.

Вторым фактором, способным радикально изменить соотношение генов в популяции, является случай. В малых популяциях колебания численности особей приводит к случайному изменению частоты генов, что определяется случайным характером сохранения особей, обладающими некоторыми нейтральными различиями. Такие случайные изменения частоты генов называются генетическим дрейфом.

Главной причиной изменения частоты генов в популяции является естественный отбор, который имеет и величину, и направление. Величина определяется коэффициентом воспроизведения, а направление - характером замещения одного аллельного гена другим.