Популяционные волны как эволюционный фактор. Причины популяционных волн

При действии элементарных факторов в генофонде изменяется частота определенных генов, что приводит к изменению в генотипе и в фенотипе популяции, а при длительном воздействии естественного отбора проходит ее дифференциация.

Что такое микроэволюция

Микроэволюция - изменения популяции под влиянием эволюционных факторов, что может приводить к изменению генофонда или даже к появлению нового вида.

Факторами эволюции можно назвать любые процессы или явления. Среди них следует назвать мутации, изоляцию, дрейф генов, популяционные волны, которые изменяют генетический состав.

Размеры любой популяции постоянно меняются. Причинами этого являются различные воздействия биотического и абиотического характера. Такие колебания численности популяции имеют периодический характер. Так, после увеличения числа особей в популяции идет его уменьшение. В 1905 году С. С. Четвериков назвал эту закономерность популяционными волнами. Если привести примеры популяционных волн, то это могут быть колебания численности жертв-хищников, размножение саранчи или кроликов в Австралии. Примером также могут служить вспышки численности леммингов в Арктике или чумные эпидемии, которые в прошлом регистрировались в Европе.

Характеристика «волн жизни»

Данные волны характерны для всех живых организмов. Они могут быть периодическими и непериодическими. Периодические чаще всего наблюдаются в короткоживущих организмах - у насекомых, однолетних растений, а также у большинства микроорганизмов и грибов. Наиболее простым примером могут быть сезонные изменения численности.

Непериодические популяционные волны зависят от сочетания нескольких сложных факторов. Как правило, они касаются не одного, а нескольких видов живых организмов в биогеоценозе, поэтому могут привести к коренным перестройкам.

Среди изменений численности особей в популяции следует выделить внезапное появление определенных видов организмов в новых районах, где отсутствуют их естественные враги. Также следует упомянуть резкие нециклические изменения численности, которые связывают с естественными «катастрофами» и могут проявляться разрушением биогеоценоза или целого ландшафта. Так, несколько засушливых летних периодов могут изменить значительную территорию - обусловить появление луговой растительности на болотах и большого количества сухих лугов.

Если указывать причины популяционных волн, то стоит вспомнить не только взаимосвязь живых организмов между собой и с факторами окружающей среды, но и влияние человека.

Эволюционное значение «волн жизни»

В случаях, когда численность любой популяции резко снижается, могут оставаться всего несколько особей. При этом у них частота генов (аллелей) отлична от той, которая была в исходной популяции. Если после резкого спада численности в популяции идет ее резкий подъем, то начало новой вспышки роста численности особей в популяции дает небольшая группа организмов, которая осталась. Именно поэтому можно утверждать, что популяционные волны влияют на генофонд, поскольку генотип данной группы определяет генетическую структуру всей популяции.

При этом совершенно случайно резко изменяется набор мутаций в популяции и их концентрация. Так, определенная часть мутаций исчезает вообще, а некоторые внезапно растут. Если обобщить, то можно сказать, что популяционные волны как эволюционный фактор чрезвычайно важны, поскольку при условии интенсивного отбора являются основным поставщиком эволюционного материала, когда редкие мутации подставляются под действие отбора.

Кроме этого, волны жизни способны временно вывести ряд мутаций или генотипов в другую абиотическую или биотическую среду. Несмотря на это, даже сочетание популяционных волн и мутаций не обеспечивает протекание эволюционного процесса. Нужно действие фактора, который влияет в одном направлении (это, например, изоляция).

Влияние изоляции на численность популяции

Данный фактор чрезвычайно важен в эволюционном плане, поскольку провоцирует появление новых признаков в условиях одного вида и не дает происходить скрещиванию разных видов между собой. Стоит отметить, что чаще всего наблюдается географическая изоляция. Ее суть заключается в том, что единственный ареал разрывается, при этом пересечение особей из разных его частей становится невозможным или затрудненным.

Стоит отметить, что в изолированной популяции случайно развиваются мутации, а в результате естественного отбора ее генотип становится все более разнообразным. Кроме этого, существует экологическая изоляция и различные биологические механизмы, которые препятствуют особям разного вида свободно скрещиваться. Примером могут быть разные предпочтения относительно места или времени скрещивания, а также, например, отличное поведение или различное строение половых органов у животных, что становится дополнительным препятствием к скрещиванию.

Если обобщить, то можно сказать, что различные виды изоляции способствуют образованию новых видов, но в то же время помогают сохранять генетическую видовую структуру.

Дрейф генов

Случайное изменение количества генов в любой популяции малого размера может иметь заметные последствия, поскольку оно может привести к изменению частоты аллелей. Случайные изменения частоты аллелей называют дрейфом генов. Этот процесс имеет ненаправленный характер. Впервые он был обнаружен генетиками Н. П. Дубининым и Д. Д. Ромашовым.

Подтверждение относительно случайности дрейфа генов получил С. Райт. Он в условиях лаборатории скрестил самок и самцов дрозофилы, которые были гетерозиготными по определенному гену. После этого было получено потомство с концентрацией нормального и мутантного гена, которая составила 50%. Через несколько поколений некоторые особи стали гомозиготными за мутантным геном, некоторые вообще его потеряли, а еще одна часть особей имела как мутантный, так и нормальный ген.

Следует отметить, что даже при пониженной жизнеспособности особей-мутантов и при условии влияния естественного отбора мутантный аллель смог полностью вытеснить нормальный, вызывая специфические популяционные волны.

Этиология популяционных волн

Из всех причин, которые способны повлиять на количественные характеристики популяции, ведущее место занимают климатические условия, биотические факторы при этом отводятся на второй план. При низком видовом многообразии количество особей в популяции зависит от погоды, химического состава окружающей среды, а также от степени его загрязнения.

Стоит отметить, что причины популяционных волн, которые предопределяют изменение численности популяции, зависят от ее плотности или влияют независимо от этого параметра.

Абиотические и антропогенные факторы, как правило, не зависят от плотности популяции. Биотическое влияние в большей мере зависит от нее. Следует отметить территориальное поведение, которое в ходе эволюции является наиболее эффективным механизмом, который сдерживает рост количества особей в популяции. Так, активность особей ограничивается соответствующим пространством. При увеличении численности развивается внутривидовая конкуренция за ресурсы или прямой антагонизм (нападение на конкурентов).

Популяционные волны также зависят от поведенческих реакций, которые при высокой численности популяции характеризуются появлением инстинкта массовой миграции. Также может развиваться стресс-реакция, при которой у особей развиваются такие физиологические особенности, которые снижают рождаемость и способствуют увеличению смертности. Так, нарушается процесс овогенеза и сперматогенеза, учащаются случаи выкидышей, уменьшается количество особей в одном поколении и увеличивается период полового созревания. Кроме этого, уменьшается инстинкт заботы о потомстве, изменяется поведение - растет агрессивность, может наблюдаться каннибализм и неадекватная реакция на лиц противоположного пола, что в конечном итоге снижает численность популяции.

Особенности изменения численности популяций

Многие экологические процессы, связанные с распространением популяции по ареалу или с локальной вспышкой численности, напоминают своеобразные волны, которые, как было указано выше, получили название «волн жизни». Типичным примером можно назвать внезапное увеличение количества насекомых-вредителей на ограниченной территории леса. При благоприятных условиях насекомые способны захватывать все новые и новые территории, что является типичной картиной увеличения их плотности или распространения так называемой популяционной волны. Зная характеристики подвижности и определенные популяционные признаки, можно с легкостью рассчитать скорость распространения этой волны и возможные методы борьбы.

Аналогично можно охарактеризовать эпидемические волны, поэтому данную теорию с успехом применяют для определения характера распространения различных заболеваний и скорости данного процесса.

Кроме этого, следует упомянуть о популяционно-генетических волнах, с помощью которых описывают характер распространения определенного гена по ареалу, который занимает та или иная популяция.

Видео: Мутационный процесс и методы его изучения — Алексей Кондрашов

Механизм действия популяционных волн

Популяционные волны можно охарактеризовать с помощью модельного примера. Так, в закрытом ящике находится 500 черных и такое же количество белых шаров, что соответствует частоте аллелей Р-0,50. Если удалить наугад 10 шаров и предположить, что 4 из них имеют черную окраску, а 6 - белую, то, соответственно, частота аллелей будет составлять 0,40 и 0,60.

Если увеличить количество шаров в 100 раз, добавив 400 черных и 600 белых, а потом опять же наугад забрать любые 10, то велика вероятность того, что их соотношение по цвету будет значительно отличаться от первоначального, например 2 черных и 8 белых. При этом частота аллелей составит соответственно Р-0,20 и Р-0,80. Если же взять третью выборку, то есть вероятность того, что будут извлечены 9 белых шаров из 10 избранных, или даже все они будут иметь белую окраску.

По этому примеру можно судить о случайных колебаниях частоты аллелей в естественных популяциях, которые могут снижать или повышать концентрацию определенного гена.