Как работает дарвиновская эволюция?

Я случайно много написал!

Сначала я обсуждаю термин дарвиновская эволюция . Затем я описываю основные эволюционные процессы, настаивая на двух элементах, представляющих интерес в вашем вопросе, а именно на мутациях и естественном отборе . В конце концов, я прямо обращаюсь к вашим двум утверждениям и вношу в тему еще несколько осложнений.

Вы сказали дарвиновская эволюция?

Эволюция — это больше, чем дарвиновская эволюция

Выражение «дарвиновская эволюция» легко поддается недоразумениям. Дарвин был, вероятно, самым важным ученым и одним из первых (если не первым), кто разработал теорию эволюции, но сегодня эволюционная биология — это гораздо больше, чем теория эволюции Дарвина.

Примеры очень простых вещей, которых Дарвин не знал

• Мы открыли структуру ДНК в 1950-х-1960-х годах только с Мишером, Чаргаффом и наиболее известными Уотсоном и Криком ( история открытия ). Дарвин понятия не имел о существовании ДНК и даже не выдвинул гипотезы о существовании такой молекулы (которую первым придумал Эрвин Шредингер).

• Дарвин также не знал, что наследование происходит через передачу «частиц/атомов», а не через наследование какой-то «жидкости/континуума». Другими словами, Дарвин не знал Закона Сегрегации Грегора Менделя (даже если они жили в одну эпоху).

• Дарвин понятия не имел об эво-дево, то есть о сходстве процессов развития у родственных (даже отдаленно родственных) организмов.

• В глобальном плане, хотя Дарвину удалось немного коснуться многих предметов современной эволюционной биологии (что очень впечатляет), ему удалось лишь упомянуть их и не сделать никакого прогноза. Это большая часть, потому что в то время ни у кого не было понятия о генетике.

Эволюция — это больше, чем естественный отбор и мутации

Эволюция — это не только естественный отбор. Даже Ч. Дарвин знал, что эволюция — это нечто большее, чем естественный отбор. Например, очень важно учитывать случайные события. Один из них — мутация , другой — генетический дрейф (я не пытаюсь перечислить все процессы, влияющие на эволюцию, но только для того, чтобы дать вам представление о том, чем естественный отбор отличается от эволюции, с целью объяснить, почему необходимый признак не обязательно появится). И мутации, и генетический дрейф объясняют, почему вид не обязательно идеально приспособлен к окружающей среде. Эволюционная биология — это обширная область знаний, и нам предстоит многое узнать об эволюционных процессах.

Естественный отбор и мутации, объясняемые рецептом Левонтина

Рецепт Левонтина — хороший способ понять, что такое естественный отбор и когда он происходит. Рецепт Левонтина гласит, что естественный отбор происходит всякий раз, когда:

1. Особи в популяции различаются по данному признаку
2. Этот признак имеет некоторую (аддитивную) наследуемость. Вот один из нескольких постов, объясняющих концепцию наследственности. Это может быть немного продвинутым для вас постом, но, говоря коротко, это означает, что потомство больше похоже на своих родителей, чем на других неродственных особей в популяции.
3. Приспособленность меняется (не обязательно линейно) по мере изменения признака.

Простой пример:

1. В популяции есть синие ручки и красные ручки.
2. Размножение бесполое, и синие ручки создают другие синие ручки, а красные ручки создают другие красные ручки.
3. синие ручки дают больше потомства, чем красные ручки.

В такой ситуации происходит естественный отбор, в результате чего частота синих загонов в популяции увеличивается, а частота красных загонов уменьшается.

Естественный отбор

Естественный отбор — это процесс, при котором отбираются варианты генов, называемые аллелями, и, следовательно, их частота увеличивается. Этот отбор является результатом дифференциального репродуктивного успеха.

Мутации

В широком смысле мутация — это любое изменение в последовательности ДНК. Некоторые изменения произойдут с большей вероятностью, чем другие, но в любом случае вероятность этих изменений не зависит от последствий, которые они будут иметь для фенотипа (коротко говоря, фенотип — это то, как выглядит индивидуум) и репродуктивной функции. успех. Таким образом, мутации происходят случайным образом, и конкретная мутация, которая была бы необходима в популяции, может не произойти. Поэтому говорить, что если черта необходима (в смысле «если черта будет полезной»), то произойдет мутация, чтобы сделать эту черту существующей, неправильно. Обратите внимание, что большинство мутаций вредны (снижают репродуктивный успех), в то время как немногие из них полезны (повышают репродуктивный успех), а те, которые полезны, с большей вероятностью будут расти в популяции.

Генетический дрейф

Если бы изменение частоты мутаций зависело исключительно от естественного отбора, то я бы не сказал раньше, что полезная мутация с большей вероятностью увеличится в частоте, а сказал бы, что полезная мутация будет увеличиваться в частоте детерминистически. Интуитивное объяснение того, что такое генетический дрейф, можно найти в этом посте . Это также позволит вам понять, почему небольшая популяция претерпевает более случайные изменения частоты своих генов, чем большая популяция.

Учитывая ваши противоположные утверждения

Надеюсь, из приведенного выше обсуждения ясно следующее, но я хотел бы обратиться непосредственно к вашим высказываниям.

Мой друг сказал, что естественный отбор — это механизм внутри организма, который мутирует ДНК, чтобы его потомство выжило в окружающей среде; что естественный отбор благотворно мутирует ДНК и что случайные мутации бесполезны (например, голубые глаза). Но я не согласен и думаю, что она ближе к ламарковской теории.

Вы правы, что ваш друг не прав!

Это действительно звучит более или менее по-ламарковски. В любом случае, это очень неправильно, как вы сказали. Мутации не вызываются детерминистически под давлением естественного отбора, чтобы делать определенные вещи.

Являются ли мутации полностью случайными?

См. Являются ли мутации случайными? .

Я не хочу вдаваться в слишком много сложностей. Предложение «мутации случайны» неясно. Означает ли это, что частота мутаций случайна? Означает ли это, что эффект новой мутации является случайным? А также понятие случайности имеет смысл, только если мы рассматриваем набор априорных знаний. Так что немного сложно дать полный ответ на этот вопрос, и самое простое и достаточно близкое приближение для новичка в эволюционной биологии — просто сказать, что мутации случайны (что бы это ни значило). Немного лучшее приближение к реальности состоит в том, что частота мутаций является адаптивной чертой и может варьироваться в зависимости от среды, в которой находится особь (адаптивно или нет). Однако эффект новых мутаций на самом деле не является детерминированным.

Частота мутаций зависит от типа рассматриваемой последовательности. Например, микросателлитная последовательность представляет собой последовательность или повторяющуюся ДНК. Например AATAATAATAATAATAATAATи т.д.. (обратите внимание, что генетический код записывается 4 буквами, A, T, C и G). Такие последовательности сильно мутабельны. Таким образом, мутация с большей вероятностью произойдет в этой области, чем в середине кодирующей области. И более вероятно, что мутация, происходящая в кодирующей области, повлияет на приспособленность, чем мутация, происходящая в микросателлите (возможно, что мутация, происходящая в микросателлите, повлияет на приспособленность).

В зависимости от уровня стресса некоторые организмы (насколько мне известно, в основном растения) могут изменять скорость своей мутации. Возьмем, к примеру, человека, плохо приспособленного к окружающей среде. Если он мало мутирует, то потомство, скорее всего, будет таким же неадаптированным, и в конечном итоге родословная исчезнет. Если человек сильно мутирует, то большинство потомков будут иметь очень низкую приспособленность, но в конечном итоге один из них получит полезную мутацию, которая сделает его очень сильным, и само по себе это потомство может спасти родословную. Это так называемая стратегия хеджирования ставок . Концепцию хеджирования ставок можно резюмировать выражением «Не кладите все яйца в одну корзину».

Вы заметите, что частота мутаций является развивающейся характеристикой организма. Это дает наблюдение, подобное тому, что сейчас называется правилом Дрейка ( исходная статья ). Правило Дрейка указывает на то, что частота мутаций по всему геному всегда порядка 1 (существует довольно много вариаций, но это хорошее приближение).

Я сказал ему, что ДНК самца и самки рекомбинирует и случайным образом мутирует, создавая новый «рецепт» для потомства (добавляя новые характеристики). Если потомство хорошо приспособлено к окружающей среде, то оно выживает и передает свои признаки своему потомству. Если он не приспособлен к окружающей среде, он умирает. Итак, естественный отбор – это когда природа «выбирает», кто выживает и много воспроизводится.

Звучит очень правильно!

Ты в значительной степени прибил это. Мутация добавляет генетические вариации, а естественный отбор выбирает из доступных генетических вариаций. Ваша формулировка немного необычна, хотя :). Например, человек, неправильно говорить о том, что у человека есть пригодность или нет. У каждого человека есть приспособленность, то есть некоторая ценность, которая включает в себя как его плодовитость, так и вероятность выживания. В простой модели приспособленность — это просто ожидаемое количество потомков.

Отметим также, что большинство мутаций, влияющих на приспособленность особей, не так сильно зависят от деталей окружающей среды. Многие мутации просто плохи, где бы вы ни находились. Подумайте о мутации, которая снизила бы эффективность производства энергии (АТФ в митохондриях). Такая мутация будет вредной независимо от того, например, жаркая или холодная погода.

Вводный курс эволюционной биологии

Возможно, вам захочется ознакомиться с вводным курсом по эволюционной биологии, например, « Понимание эволюции » .

Ваше описание эволюции кажется более точным, чем ваши друзья. ДНК не может мутировать с определенной целью, мутации случайны. Большинство мутаций не влияют на выживание организма, но некоторые из них будут вредными, а некоторые — полезными. Полезные мутации увеличат шансы организма на выживание и передачу своей ДНК, поэтому эти черты в конечном итоге распространятся среди населения.

Однако если мы хотим говорить о «целях» эволюции, то цель каждого фрагмента ДНК — копирование и передача. (Конечно, он не может думать о достижении этой цели, это всего лишь химия.) Мутации ДНК, которые делают организм более подходящим для конкретной среды, будут отобраны, а те, которые вредны, будут отобраны против. Эта конкуренция между различными копиями ДНК в конечном итоге оптимизирует виды для этой среды.

Итак, на молекулярном уровне мутация — совершенно случайный процесс, но если мы приблизимся к уровням экосистемы и популяции, то эволюция «спроектирует» вид так, чтобы он лучше выживал в окружающей среде. Но этот дизайн — результат случайных мутаций, проб и ошибок.

Уже были даны отличные ответы. Но есть одно явление, которое чаще всего явно не упоминается и которое можно и нужно рассматривать как часть процесса Эволюции – это симбиоз .

симбиоз

Вероятно, наиболее фундаментальным примером симбиоза является эндосимбиотическая теория . Эта теория в сильно упрощенном виде говорит, что эукариотические клетки являются результатом симбиотических отношений между прокариотами и ранними бактериями: обе эволюционировали отдельно, причем прокариоты, вероятно, были хищниками некоторых видов бактерий. Затем предполагается, что эти виды развились в направлении взаимовыгодных симбиотических отношений, которые по существу создали новую форму жизни, эукариот.

С более абстрактной точки зрения симбиоз можно рассматривать как дополнительный механизм эволюции: в то время как мутация и рекомбинация действуют на молекулярном уровне, симбиоз действует на уровне, аналогичном отбору. По сути, это рекомбинация на макроуровне не только генов, но целых или частичных организмов в новые формы жизни.

Несколько случайных примеров:

• эукариоты: митохондрии протеобактерий, хлоропласты цианобактерий.
• биолюминесценция у «светлячков» бактериями-вибрионами
• микробиом внутри «внутренностей» более сложных организмов
• микоризы (фиксация фосфора) на корнях некоторых растений

Мутация — это случайный процесс, который в основном происходит, когда клеточная ДНК реплицируется (= копируется ) перед делением клетки, потому что фермент, ответственный за эту репликацию, иногда допускает ошибки. Это редкий процесс, что касается эукариотических клеток (имеющих ядро, т.е. животных и растительных клеток), это происходит один раз в$10^9$нуклеотид.

Теперь предположим, что мы рассматриваем организм, имеющий половое размножение.

Для передачи потомкам организма мутация должна появиться в клетке зародышевой линии (например, в сперматозоиде или яйцеклетке). При передаче эта мутация может иметь несколько эффектов:

• Это может быть летально, организм не может выжить, потому что мутация делает жизненно важный белок неработоспособным.
• Это может поставить организм в невыгодное положение в окружающей среде (например, живя в снежной среде, пигментация кожи организма становится ярко-красной).
• Он может быть нейтральным, что-то модифицируется, но он продолжает работать (например, определенный белок имеет другую последовательность аминокислот, но продолжает работать).
• Это может дать организму эволюционное преимущество, белок работает лучше, таким образом, что организм благоприятствует выживанию в окружающей среде по сравнению с другими организмами (например, в снежной среде пигментация кожи организма становится совершенно белой, тогда как один из его собратьев серенький)

В четвертом случае у этого организма больше шансов размножиться (поскольку у него меньше шансов быть убитым или больше шансов получить доступ к ресурсу), а значит, и передать эту мутацию. Здесь применяется естественный отбор: «приспособленность» организма к среде его обитания выше, чем у других организмов его вида.

Теперь важно отметить, что эволюция (= изменение вида ) управляется естественным отбором (= процессом отбора ) и что эти изменения в природе случайны, занимают много времени и не легко заметно в масштабе человеческой жизни.

Краткий ответ: Насколько нам известно, это не так.

Мутации при зачатии

Мутации, которые вы описываете как происходящие во время зачатия, которые генерируют новую информацию, никогда не наблюдались. Вместо этого мы наблюдали мутации, уменьшающие существующую информацию. У человека в каждом поколении происходит примерно 100 таких мутаций.

Безусловно, если бы существовали мутации, добавляющие информацию, им нужно было бы производить гораздо больше информации, чтобы компенсировать потерю. Обязательно потомки будут иметь более крупный и сложный геном, чем их предки. Наблюдалось обратное, когда потомки имеют меньшие геномы, чем их предки.

Абиогенез

До того, как Дарвин написал «Происхождение видов путем естественного отбора, или Сохранение благоприятствуемых рас в борьбе за жизнь» , Пастер опровергал идею абиогенеза, поскольку существовала теория о том, что зародыши могут возникать спонтанно. Несмотря на это, Дарвин рассматривал абиогенез как часть теории эволюции, что последовательно оказывалось невозможным в тестах без каких-либо наблюдаемых данных об обратном.

Генетическая информация хрупка и быстро разрушается с течением времени, если в ней нет ферментов для ее постоянного поддержания. Насколько мы выяснили из исследований и наблюдений, постепенного процесса накопления информации, который может привести к жизни, способной к воспроизведению, не существует. Очень сложный процесс создания аминокислот для связывания и образования нуклеотидов (необходимых для формирования цепей ДНК) усложняется проблемой хиральности, когда искусственные тесты привели к левосторонним (L) и правосторонним (D) оптическим изомерам. были созданы в рацемической смеси. В биологических системах почти все соединения являются нерацемическими или гомохиральными, а биологические существа используют только левые аминокислоты при построении ДНК и РНК. Все последующие тесты сталкиваются с одной и той же проблемой.

Теория

Что касается самой теории, то вы и Remi.b описали ее точно. Поскольку в то время генетика была неизвестной областью, было ошибочным представление о том, что естественный отбор изменил существо за счет создания информации, а не преобразования, обмена и потери существующей информации.

Источники: Генетическая энтропия и тайна генома Джона Сэнфорда. Эксперимент Миллера-Юри .