Вопросы экологии, эволюционной теории, популяционной биологии и других наук часто затрагивают понятие изменчивости (как определенной, так и неопределенной). Это краеугольный камень для понимания происхождения видов, их способности приспосабливаться к изменяющимся условиям окружающей среды. Эти принципы лежат в основе современной селекции и молекулярной биологии. Попробуем разобраться, что означают эти понятия.
Виды изменчивости
Эти понятия также называются ненаследственной и наследственной изменчивостью. В чем отличие определенной и неопределенной изменчивости? Первая возникает в группе особей как ответ на внешние факторы. Регулируется она величиной нормы реакции. В качестве примера можно вспомнить спячку медведя, густоту шерсти собаки, длину стебля одуванчика. Если изменить условия окружающей среды, то эти признаки могут не проявиться. Так, если искусственно создать изобилие пищи и теплую температуру круглогодично, то медведь не проспит зиму. Собака, обитающая зимой внутри дома, будет иметь куда меньше подшерстка, чем цепной дворовой пес. При постоянной стрижке газона одуванчик вырастет с меньшей длиной стебля, что позволит ему сформировать цветонос и избежать срезки. Конечно, такие признаки не наследуются генетически.
Наследственная изменчивость возникает как спонтанные мутации внутри группы особей и наследуется через поколения. При этом не все мутации являются полезными. Большая их часть становится бесполезной или вредной. Только некоторые изменения будут поддержаны естественным отбором. Такое свойство является основой эволюции, так как позволяет организму приспособиться к изменению в окружающей среде, приобрести качества, способствующие выживанию. Остановимся на данном типе поподробнее.
История изучения неопределенной изменчивости
При упоминании факторов, влияющих на происхождение видов, нельзя не упомянуть автора одноименной книги и теории эволюции Чарльза Дарвина. Конечно, на сегодняшний момент данная теория доработана и получила название синтетической. Однако описание основных понятий и принцип остались неизменными.
По Дарвину неопределенная изменчивость – это "бесконечно разнообразные незначительные особенности, которыми отличаются особи того же вида и которые невозможно объяснить унаследованием их от одного из родителей или от более отдаленных предков". Он также говорил и о прямом и косвенном влиянии условий существования на формирование живого организма, о корреляции признаков. При этом понятия гена еще не существовало, и причины появления данных особенностей были этому ученому не ясны. Сейчас известно, что наследование имеет генетическую природу, и мутации возникают в ДНК постоянно.
Как работает этот механизм?
При репликации ДНК постоянно возникают ошибки. В норме они должны удаляться иммунной системой или системой клеточного апаптоза (программируемой смерти). В случае несрабатывания этих систем данная клетка может сохраниться и создать свои копии. Если организм одноклеточный или изменения затронули половые клетки, данный дефект будет унаследован и передан в другие поколения. Это создает многообразие популяции и гарантирует выживание вида и эволюцию в целом.
Типы мутаций
- Генные. Затрагивают строение ДНК на нуклеотидном уровне. Выражаются в выпадении, замене какого-либо нуклеотида (в качестве примера можно привести болезни человека, такие как фенилкетонурия, серповидно-клеточная анемия).
- Генеративные. Затрагивают гены половых клеток. Наследуются в поколениях.
- Соматические. Мутации неполовых клеток. У животных не наследуются, а у растений наследуются при размножении с помощью вегетативного способа (в культуре клеток in-vitro).
- Геномные. Связаны с изменением количества хромосом в ядре. Могут проявиться как увеличение на одну или несколько хромосом (у человека болезнь Дауна связана с дополнительной хромосомой) и как умножение их количества (показательны растения-полиплоиды: большинство современных сортов пшеницы – октоплоидны, т.е. имеют восемь наборов хромосом).
- Хромосомные.
Значение
- Вид не постоянно проживает в одинаковых условиях. В случае изменения условий обитания, иногда резкого, например вследствие природного катаклизма, переселения на другой континент и т.д., вся популяция может подвергнуться вымиранию. Но у части организмов могут быть мутации, до этого момента бесполезные, а сейчас необходимые для выживания. Значит, выживут только эти особи и дадут потомство уже с этими признаками. Примером может быть постоянная борьба "бактерии - антибиотики". Разрабатываемые антибактериальные средства достаточно эффективны определенное время, пока не размножится потомство микроорганизмов с генами устойчивости к данному виду медикамента. Это вынуждает фармацевтическую промышленность создавать новые средства и невольно стимулировать бактерии к дальнейшей эволюции.
- Значение в селекции. Именно такой тип изменчивости Чарльз Дарвин считал основой для искусственного отбора. Изначально появившиеся независимо от факторов окружающей среды мутации могут быть ценны для человека. Так, например, крупноплодные плоды томата не полезны для самого растения – ветви не выдержат их веса без подпорок и подвязок. Но отбор по этому признаку позволил получить более продуктивные сорта.
Определение: что такое неопределенная изменчивость в биологии
Подытожив вышесказанное, резюмируем, что же означает данное понятие в науке. Неопределенная изменчивость в биологии - это понятие, синонимичное мутациям. Она носит наследственный характер (в отличие от определенной), при этом незначительные изменения в геноме в первом поколении накапливаются и усиливаются в последующих. Данный тип изменчивости также связан с изменениями факторов окружающей среды, но не в виде адаптаций, а опосредованно. Таким образом она помогает приспособиться не определенному организму, а таксону в целом.
Примеры неопределенной изменчивости
Ранее в статье обсуждались частные примеры мутаций, помогающих адаптироваться к окружающей среде. Рассмотрим несколько обширных типов такой изменчивости в природе:
- Покровительственная окраска. Возникает у многих животных. В процессе естественного отбора особи, имеющие более незаметную окраску, в окружающем ландшафте менее подвержены нападению хищников и, значит, могут дать больше потомства. Такая особенность закрепляется в поколениях. При этом при изменении условий среды (например, при переселении популяции в другое местообитание) поддерживаемый отбором цвет может измениться.
- Сигнальная окраска. В результате изменений генома некоторые насекомые приобрели яркую окраску, предупреждающую хищников о ядовитых железах. Неядовитые насекомые могут также иметь такой цвет, это защищает их от поедания. Такое явление называется мимикрией.
- Форма тела. Опосредованное влияние окружающей среды поддерживает особей, форма тела которых наиболее к ней приспособлена. Так, торпедообразная форма, помогающая в плавании, характерна для водных организмов. Она сходна у дельфинов, тюленей, пингвинов, рыб, жуков-плавунцов. Естественно, такая форма у этих животных развивалась независимо. Просто в процессе эволюции выживали и давали потомство те особи, которые были лучше всего приспособлены к плаванию.
- Защитные механизмы. Например, иглы у ежа, дикобраза – видоизмененный волосяной покров. Особи, получившие в связи со спонтанной мутацией более плотную щетину, которая может доставить хищнику неудобство, получили преимущество в размножении. В следующих поколениях, по всей видимости, отбором поддерживалась колкость шерсти – данная особенность усилилась.
Подводя итог
Данный тип изменчивости не гарантирует выживание организма, но обеспечивает выживание вида в постоянно изменяющихся условиях среды. Неопределенная изменчивость необходима для человека в качестве инструмента селекционной работы. Она способствует естественному и искусственному происхождению новых таксонов. Вот почему неопределенная изменчивость представляет основу эволюции.
