Современное состояние эволюционной теории. Популяционная структура человечества

1.

ГБОУ ВПО СЗГМУ ИМ. И.И. МЕЧНИКОВА
кафедра медицинской биологии СЗГМУ
Современное состояние эволюционной теории.
Популяционная структура человечества.
Доц. Казанская Е.А., 2021

2.

Эволюция (от лат. evolution – развёртывание) –
исторический процесс развития живой природы
на основе наследственности, изменчивости и естественного отбора
Синтетическая теория эволюции
комплекс представлений о микро- и макроэволюции,
сложившийся в 30-х гг. 20 в.
Объединила классический дарвинизм и достижения генетики, экологии. Пытается дать ответы на
следующие вопросы:
• Факторы эволюции? Роль каждого?
• Единица эволюции?
• Результат эволюции?

3.

палеонтологические
генетические
(ископаемые и
переходные формы)
(Закон зародышевого
сходства,
Биогенетический закон)
(сходство способов
генетического
кодирования)
цитологические
(сходство строения
клеток и их функций у
представителей
родственных групп
организмов)
эмбриологические
Доказательства
эволюционного
процесса
биохимические
(сходство химического
состава клеток живых
организмов)
сравнительноанатомические
(живые переходные
формы, гомология,
аналогия, рудименты,
атавизмы )

4.

Микроэволюция
Микроэволюция – эволюционные изменения, происходящие
популяционном уровне и завершающиеся образованием новых видов.
на
Элементарной единицей эволюции является популяция.
Популяция - минимальная самовоспроизводящаяся группа особей одного
вида, населяющих определенную территорию (ареал) достаточно долго (в
течение многих поколений).
В популяции фактически осуществляется сравнительно высокий уровень
панмиксии, и она в определенной степени отделена от других популяций той
или иной формой изоляции.

5.

Основные характеристики популяции
Экологическая структура популяции
1.
Популяционный ареал ( зависит от естественных преград, радиуса индивидуальной
активности, наличия корма, партнера для спаривания и т.д.).
2.
Численность особей в популяции (зависит от плодовитости, продолжительности
жизненного цикла, времени достижения репродуктивного периода).
3.
Динамика популяции («популяционные волны»).
4.
Возрастной состав популяции (наличие в популяции особей различных возрастных
групп).
5.
Половой состав популяции (численное соотношение самцов и самок в разных
возрастных группах).
Генетические характеристики популяции
1. Генофонд популяции – совокупность всех генов особей в популяции.
2. Генетическая гетерогенность популяции характеризуется разнообразием генотипов
особей в популяции.

6.

Элементарные эволюционные
факторы
Микроэволюция
направляющие
эволюционный
процесс
не направляющие
эволюционный
процесс
естественный
отбор
устраняет особи с
неудачными
комбинациями
генов
мутации
поддерживают
генетическую
неоднородность
популяции
изоляция
исключает
свободное
скрещивание
волны жизни
поставляют
массовый
элементарный
эволюционный
материал

7.

Элементарные факторы эволюции:
Мутационный процесс (спонтанный мутагенез)- это процесс
возникновения в популяциях самых разнообразных
хромосомных и геномных.
мутаций: генных,
Возможные пути эволюционных преобразований
мутации кодирующих последовательностей структурных генов
изменение не кодирующих регуляторных последовательностей ДНК,
дупликации генов,
изменения, связанные с перемещением мобильных генетических
элементов,
перенос генетической информации от одного организма к другому
(возможно, другого вида),
хромосомные мутации.

8.

Элементарные факторы эволюции:
Мутационный процесс
Мутационный
процесс
(элементарный
фактор
эволюции)
Новые аллели
как результат
мутаций и
рекомбинаций
(элементарный
эволюционный
материал)
Обогащенный
генофонд
Изменение
генотипического
и
фенотипического
состава
популяции
(элементарное
эволюционное
явление)

9.

Элементарные факторы эволюции :
Изоляция - ограничение свободы скрещиваний (панмиксии) организмов.
изоляция
географическая
биологическая
генетическая
экологическая
этологическая
(поведенческая)
физическая
(механическая)

10.

Первичная
изоляция
Вторичная
изоляция
Биологическая
Географическая экологическая
этологическая
(поведенческая)
Разрыв единого
ареала из-за
возникновения
географических
преград и расстояния
Расхождение сроков
размножения
Особенности ритуала
ухаживания
Различия в
структуре органов
размножения
Несовместимость гамет
Предпочтение
различных мест
обитания
Особенности пения
Разница в размере
тела
Гибель зигот после
оплодотворения
физическая
Генетическая
Стерильность гибридов
Малая жизнеспособность
гибридов

11.

Элементарные факторы эволюции:
Популяционные волны (волны жизни) - колебания численности
организмов в природных популяциях.
Характеристика «волн жизни»:
характерны для всех живых организмов;
могут быть периодическими и непериодическими.

12.

Размеры любой популяции постоянно меняются. Так, после увеличения числа особей в
популяции идет его уменьшение. Причинами этого являются различные воздействия
биотического и абиотического характера. В 1905 году С.С.Четвериков назвал эту
закономерность популяционными волнами.
Примеры: колебания численности жертв-хищников, размножение саранчи, чумные
эпидемии, которые в прошлом регистрировались в Европе.
Периодические чаще всего наблюдаются в короткоживущих
организмах - у насекомых, однолетних растений, а также у
большинства микроорганизмов и грибов. (пример: сезонные
изменения численности)
Непериодические популяционные волны зависят от сочетания
нескольких сложных факторов (пример: внезапное появление
определенных видов организмов в новых районах, где
отсутствуют их естественные враги;
резкие изменения
численности,
которые
связывают
с
естественными
«катастрофами»).
Колебания численности
особей в популяциях
жертвы: заяц-беляк, (1)
и хищники (2 - рысь;
3 - лисица; 4 - волк)

13.

Элементарные факторы эволюции:
Естественный
отбор
–
постоянно
протекающий
процесс,
обеспечивающий избирательную выживаемость и размножение одних особей
(наиболее приспособленных) и гибель других.
Основные формы естественного отбора:
стабилизирующий
движущий (направленный)
дизруптивный (разрывающий)

14.

Стабилизирующий
отбор
Движущий отбор
Дизруптивный
отбор
направлен на
поддержание в
популяции среднего
ранее сложившегося
значения или свойства.
приводит к
последовательному
изменению фенотипа в
определенном
направлении, что
проявляется в сдвиге
средних значений
отбираемых признаков
в сторону их усиления
или ослабления.
сохраняет несколько
разных фенотипов с
равной
приспособленностью

15.

Видообразование – процесс возникновения новых видов путем
преобразования существующих.
Аллопатрический путь
В основе аллопатрического видообразования лежат формы пространственной
изоляции.
Этот путь сравнительно медленный, происходящий на протяжении сотен тысяч
поколений.

16.

Симпатрический путь
Новый вид образуется внутри ареала исходного вида.
С самого начала изоляция является генетической.
Примеры:
• возникновение новых видов при быстром изменении кариотипа (автополиплоидия)
• гибридизация с последующим удвоением числа хромосом (аллополиплоидия)

17.

Способы видообразования
Первый способ видообразования:
филетическое видообразование заключается в
постепенном превращении во времени одного вида в
другой.
Второй способ видообразования:
Дивергентное (истинное) – разделении первоначально
единого вида на два или более новых. Связано с
возникновением межпопуляционных изоляционных
барьеров и углублением различий между генофондами
популяций под действием естественного отбора.
Третий способ видообразования:
гибридизация.

18.

Вид. Критерии вида.
Вид - совокупность особей, сходных по основным морфологическим и
функциональным признакам, кариотипу, поведенческим реакциям, имеющих
общее происхождение, заселяющих определенную территорию (ареал), в
природных условиях скрещивающихся исключительно между собой и
производящих плодовитое потомство.
Видовая принадлежность особи определяется по соответствию ее перечисленным критериям. Наиболее
важные признаки вида — его генетическая (репродуктивная) изоляция, заключающаяся в не
скрещиваемости особей данного вида с представителями других видов, а также генетическая устойчивость
в
природных
условиях,
приводящая
к
независимости
эволюционной
судьбы.

19.

Критерии вида - совокупность признаков, отличающих данный вид
от другого.
• морфологический - сходство внешнего и внутреннего строения
• кариотипический - набор хромосом и их строение
• эколого-географический - собственный ареал распространения
• этологический - сходство поведения животных
• биохимический - видовая специфичность белков, нуклеиновых кислот
• физиологический- сходство процессов жизнедеятельности

20.

Результаты микроэволюции :
• Многообразие видов.
• Приспособленность организмов к определенной среде
обитания.

21.

Макроэволюция
Макроэволюция - процесс формирования таксонов надвидового ранга.
Направления
и пути
эволюции
групп
ароморфоз
арогенез
(морфофизиологический прогресс)
аллогенез
идиоадаптация
катагенез
(алломорфоз)
общая
дегенерация
(морфофизиологический регресс)

22.

Главные направления эволюции групп
Арогенез – развитие группы с расширением
адаптивной зоны и с выходом в другие природные
зоны под влиянием приобретения группой каких-то
крупных, ранее отсутствовавших приспособлений
(ароморфозов).
Ароморфоз
это крупные прогрессивные
изменения (адаптации), повышающие организацию и
жизнедеятельность группы организмов и приводящие
группу на путь арогенеза
-
Ароморфозы

23.

Главные направления эволюции групп
Аллогенез – развитие группы в пределах одной адаптивной зоны с
возникновением близких форм.
Осуществляется на основе идиоадаптаций.
Идиоадаптации
- это такие
морфофизиологические
изменения,
которые приспосабливают организм к
конкретным условиям обитания.
Идиоадаптации не приводят к повышению общего уровня организации
организмов.

24.

Главные направления эволюции групп
Катагенез – регрессивная эволюция, связанная с переходом организмов в
упрощенную
экологическую
среду
и
ведущая
к
снижению
их
морфофизиологической организации и редукции ряда органов и их систем
(дегенерации).
Развитие группы с сужением адаптивной зоны.
Дегенерация связана с переходом к пещерному, сидячему или паразитическому
образу жизни.
Примеры:
У пещерных обитателей часто наблюдается редукция органов зрения, снижение
активности, отсутствие пигментации;
У паразитов – редукция кишечника, ротового и анального отверстий, упрощение
строения нервной системы и т.д.
Утрата
пищеварительной
системы у ленточных червей.

25.

Формы эволюции групп:
Филетическая эволюция – это изменения, происходящие в одном
филогенетическом стволе, эволюционирующем во времени как единое целое.
Реконструированы филогенетические ряды слона, лошади и
других организмов, в которых можно наблюдать
постепенное
нарастание
количества
и
степени
выраженности признаков, характерных для современных
форм.
Дивергентная эволюция заключается в образовании на основе
одной предковой группы двух или нескольких производных. Она
приводит к дифференциации более крупных таксонов на более
мелкие, например классов на отряды, родов на виды.
Как филетическая, так и дивергентная эволюция протекают на общей генетической
базе, поэтому между организмами сохраняется более или менее выраженное
генотипическое и морфофункциональное сходство.

26.

Формы эволюции групп:
Сопоставление филогенеза в разных группах позволяет выделить и некоторые общие закономерности
соотносительной эволюции. Так, при попадании в одну и ту же среду обитания двух или более филогенетических
групп неродственных организмов у них обычно проявляется конвергенция признаков. При этом сходные
экологические задачи они решают сходным образом. Конвергентные адаптации возникают в этом случае на
разной генетической основе, затрагивают в первую очередь поверхностные признаки, не распространяясь на
общий план строения и наиболее существенные черты организации соответствующих групп.
Примером конвергентной эволюции являются форма тела и особенности локомоции в воде у акуловых рыб,
водных пресмыкающихся — ихтиозавров, костистых рыб, пингвинов, ластоногих и китообразных
млекопитающих, внутреннее строение которых полностью соответствует особенностям, характерным для
классов, к которым они относятся
Конвергентная эволюция – формирование фенотипического сходства у
неродственных видов, возникающее в сходных условиях существования
(обитания и жизнедеятельности).

27.

Другая форма соотносительной эволюции — параллелизм — реализуется в двух или нескольких группах,
связанных более или менее отдаленным родством, которое основано на дивергенции от общего предка. В связи с
общностью части генофондов, унаследованных от предков, у них возникают сходные адаптации в условиях
действия факторов отбора в одинаковом направлении.
параллелизм
Параллелизм – формирование сходств у первоначально дивергировавших
генетически родственных групп, происходящее в сходных условиях существования.
синхронный
Независимое развитие в сходном направлении одновременно
существующих родственных групп
асинхронный
Независимое приобретение сходных черт филогенетически
близкими группами, но живущими в разное время
Примером синхронного
параллелизма является эволюция одногорбого и двугорбого
верблюдов соответственно в Африке и Центральной Азии, имеющих сходные адаптации к
жизни в пустынях
Параллелизм можно наблюдать и в родственных группах организмов, разобщенных
временем (асинхронный параллелизм). Так, во второй половине кайнозойской эры в
семействе кошачьих такой признак, как саблезубость (гипертрофия клыков верхней
челюсти), возникал по крайней мере четырежды у представителей четырех разных родов.

28.

Формы эволюции групп
Симбиогенез – происхождение организмов путем
соединения двух или нескольких существ,
вступающих в симбиоз.
Например: лишайники

29.

Эволюционные процессы
А.Н. Северцов, И.И. Шмальгаузен
Биологический прогресс
Биологический регресс
• увеличение численности;
• уменьшение численности;
• расширение ареала;
• сужение ареала;
• внутривидовое разнообразие • уменьшение числа
внутривидовых таксонов

30.

Результаты эволюции:
• Адаптация организмов к среде.
• Повышение общего уровня организации жизни.
• Образование и вымирание видов.
• Преобразование биосферы в целом.

31.

Основные положения Синтетической Теории Эволюции (СТЭ)
элементарная единица эволюции - локальная популяция;
эволюционный материал - мутационная и рекомбинационная изменчивость;
естественный отбор - главная причина развития адаптаций, видообразования и
происхождения надвидовых таксонов;
вид есть система популяций, репродуктивно изолированных от популяций других
видов, и каждый вид экологически обособлен;
видообразование заключается в возникновении генетических изолирующих
механизмов;
макроэволюция – результат интеграции микроэволюционных процессов в
широкой исторической перспективе.

32.

Генетика популяций

33.

Популяционная генетика – наука, изучающая генетический состав, особенности
наследования и наследственную преемственность в популяциях организмов.
Объект изучения популяционной генетики человека – популяции человека.
Популяция человека – это группа людей, проживающих на определенной
территории, представители которой могут свободно вступать в брак.
Строгой панмиксии в популяциях людей не существует: предпочтения в выборе брачного партнёра и
социальные факторы препятствуют подлинно случайному заключению браков. Тем не менее существуют
гены (например, определяющие группы крови), которые обычно редко принимаются во внимание при
подборе брачных пар и распределяются среди жителей популяции так, как если бы подбор брачных пар
происходил более или менее случайно.

34.

Популяционная структура человечества
Демографические показатели:
• численность особей,
• уровень рождаемости,
• уровень смертности,
• возрастной состав
• половой состав,
• экономическое состояние,
• уклад жизни.

35.

Популяции человека делятся на:
• крупные популяции - численность более 4000 человек, расселены на
значительных территориях (не урбанизированные популяции). В таких
популяциях распределение частот аллелей и генотипов подчиняется закону
Харди-Вайнберга.
• демы – популяции численностью примерно 1500 – 4000 человек. 1-2%
лиц из других популяций; 80-90% внутригрупповых браков; 20% прирост
населения за 25 лет.
• изоляты – самые маленькие популяции – не более 1500 человек. <1% лиц
из других популяций; >90% внутригрупповых браков; 20% прирост
населения за 25 лет.

36.

Особенности человеческой популяции:
• Относится к численно возрастающей.
• Снижено давление естественного отбора.
• Разрушение брачных изолятов.
• Одинаковость среды обитания (устранение первичных
причин расовых различий).
• В структуре заболеваемости происходит замена.
инфекционных и паразитарных заболеваний сердечнососудистыми, онкологическими и наследственными

37.

Генетическая
структура
популяции
зависит
от
систем браков, факторов, изменяющих частоты генов, коэффициента инбридинга.
Основными генетическими характеристиками популяции являются :
• частота встречаемости генов (количественное соотношение аллелей).
По распространенности выделяются 3 группы генов:
1) имеют универсальное распространение;
2) имеют широкое распространение;
3) встречаются в определенных районах.
• частота встречаемости генотипов (количественное соотношение генотипов)
• частота встречаемости фенотипов (количественное соотношение фенотипов)
В основе соотношений этих показателей лежат механизмы комбинативной изменчивости: распределение
хромосом и генов во время мейоза и случайное слияние гамет при оплодотворении.

38.

Равновесие Харди-Вайнберга
Частоты доминантного и рецессивного аллелей в данной популяции будут
оставаться постоянными из поколения в поколение при наличии
определенных условий.
Условия:
• размеры популяции велики
• спаривание происходит случайным образом
• новых мутаций не возникает
• все генотипы одинаково плодовиты, т.е. отбора не происходит
• поколения не перекрываются
• отсутствует обмен генами с другими популяциями
Формулировка закона: в идеальной популяции соотношение частот генов и
генотипов (доминантных и рецессивных гомозигот, а также гетерозигот) –
величина постоянная, сохраняющаяся из поколения в поколение.

39.

Любые нарушения выше перечисленных условий способны вызвать эволюционное
изменение.
Такие изменения изучаются и измеряются с помощью уравнения Харди-Вайнберга.
Уравнение Харди-Вайнберга
для частот генотипов
для частот аллелей

40.

Факторы, нарушающие равновесие генов в
популяции:
мутации;
генетический груз;
естественный отбор;
дрейф генов;
миграция;
ограничение скрещивания;
кровнородственные браки.

41.

Решение задач популяционной генетики позволяет:
определить генетическую структуру популяции (зная генетическую структуру, можно
прогнозировать заболеваемость людей в этой популяции, а также рассчитать потребность в
лекарственных средствах).
установить характер
наследования изучаемого признака (если встречаемость особей с
разными генотипами соответствует закону Харди-Вайнберга, то это
свидетельствует
о моногенности изучаемого признака).
изучить закономерности мутационного процесса и оценить вклад мутационного процесса в
генетическую структуру популяций (это становится особенно актуальным, когда возрастает
разнообразие мутагенных факторов в окружающей среде).
оценить
роль наследственности и среды в возникновении болезней с наследственной
предрасположенностью (в генетически однородных популяциях, обитающих в разных
экологических условиях, встречаемость некоторых заболеваний может быть разной).
изучить влияние наследственных и средовых факторов в создании фенотипического
полиморфизма (разнообразия) человечества по многим признакам.
определить направление и оценить вклад миграционных процессов в генетическую
структуру современных популяций людей.
определить направление и оценить вклад естественного отбора в генетическую структуру
человеческих популяций.

42.

• Популяционная генетика
изучает генофонд
популяции и его изменение в пространстве и времени.
• Методы популяционной генетики помогают в решении
некоторых проблем селекции, медицины, экологии
и эволюции.

43.

Спасибо за внимание.
Не забудьте пройти тест!