Эволюционная биология — раздел биологии , изучающий эволюционные процессы ( естественный отбор , общее происхождение , видообразование ), которые создали разнообразие жизни на Земле . Это также определяется как изучение истории форм жизни на Земле. Эволюция утверждает, что все виды связаны между собой и постепенно изменяются на протяжении поколений. [1] В популяции генетические вариации влияют на фенотипы (физические характеристики) организма. Эти изменения фенотипов будут преимуществом для некоторых организмов, которое затем передастся их потомству. Некоторыми примерами эволюции видов на протяжении многих поколений являются бабочка и нелетающие птицы . В 1930-х годах дисциплина эволюционная биология возникла благодаря тому, что Джулиан Хаксли назвал современным синтезом понимания, из ранее не связанных друг с другом областей биологических исследований, таких как генетика и экология , систематика и палеонтология .
Диапазон текущих исследований расширился и теперь охватывает генетическую архитектуру адаптации , молекулярную эволюцию и различные силы, которые способствуют эволюции, такие как половой отбор , генетический дрейф и биогеография . Более того, новая область эволюционной биологии развития («эво-дево») исследует, как контролируется эмбриогенез , что дает более широкий синтез, который объединяет биологию развития с областями исследований, охваченными более ранним эволюционным синтезом.
Эволюция — центральное объединяющее понятие в биологии. Биологию можно разделить по-разному. Один из способов – это уровень биологической организации , от молекулярной до клеточной , от организма до популяции . Другой способ — это воспринимаемая таксономическая группа с такими областями, как зоология , ботаника и микробиология , отражающими то, что когда-то считалось основными подразделениями жизни. Третий путь — это использование таких подходов, как полевая биология, теоретическая биология , экспериментальная эволюция и палеонтология. Эти альтернативные способы разделения предмета были объединены с эволюционной биологией для создания таких подотраслей, как эволюционная экология и эволюционная биология развития .
Совсем недавно слияние биологической науки и прикладных наук породило новые области, которые являются продолжением эволюционной биологии, включая эволюционную робототехнику , инженерию, [2] алгоритмы , [3] экономику , [4] и архитектуру. [5] Основные механизмы эволюции применяются прямо или косвенно для создания новых конструкций или решения проблем, которые трудно решить другим способом. Исследования, проводимые в этих прикладных областях, способствуют прогрессу, особенно в области развития информатики и инженерных областей, таких как машиностроение . [6]
Адаптивная эволюция [7] относится к эволюционным изменениям, которые происходят вследствие изменений в окружающей среде, что делает организм пригодным для среды его обитания. Это изменение увеличивает шансы на выживание и воспроизводство организма (это можно назвать приспособленностью организма ). Например, дарвиновы зяблики [8] на Галапагосских островах развили клювы различной формы, чтобы выжить в течение длительного времени. Адаптивная эволюция также может быть конвергентной эволюцией, если два отдаленно родственных вида живут в сходных условиях и сталкиваются с одинаковыми нагрузками.
Конвергентная эволюция — это процесс, в котором родственные или отдаленно родственные организмы независимо развивают схожие характеристики. Этот тип эволюции создает аналогичные структуры, которые имеют схожие функции, структуру или форму у двух видов. Например, акулы и дельфины похожи друг на друга, но не связаны между собой. Точно так же птицы, летающие насекомые и летучие мыши обладают способностью летать, но они не связаны друг с другом. Эти схожие черты имеют тенденцию развиваться под воздействием одинакового давления окружающей среды.
Дивергентная эволюция – это процесс видообразования. Это может произойти несколькими способами:
Влияние двух тесно связанных видов известно как коэволюция . [10] Когда два или более вида развиваются вместе друг с другом, один вид адаптируется к изменениям других видов. Этот тип эволюции часто происходит у видов, находящихся в симбиотических отношениях . Например, коэволюция хищник-жертва, это наиболее распространенный тип коэволюции. При этом хищник должен эволюционировать, чтобы стать более эффективным охотником, поскольку на жертву оказывается избирательное давление, чтобы она избегала поимки. Жертве, в свою очередь, необходимо разработать более эффективные стратегии выживания. Гипотеза Красной Королевы является примером взаимодействия хищника и жертвы. Отношения между насекомыми-опылителями, такими как пчелы, и цветковыми растениями, травоядными животными и растениями, также являются распространенными примерами диффузной или групповой коэволюции. [11]
Механизмы эволюции сосредоточены главным образом на мутациях, генетическом дрейфе, потоке генов, неслучайном спаривании и естественном отборе.
Мутация : Мутация [12] — это изменение последовательности ДНК внутри гена или хромосомы организма. Большинство мутаций вредны или нейтральны; т.е. они не могут ни навредить, ни принести пользу, но иногда могут и принести пользу.
Генетический дрейф : Генетический дрейф [13] — это вариационный процесс, он происходит в результате ошибок выборки от одного поколения к другому, когда случайное событие, случайно происходящее в природе, меняет или влияет на частоту аллелей в популяции. Это оказывает гораздо более сильное воздействие на небольшие популяции, чем на большие.
Поток генов : Поток генов [14] — это передача генетического материала из генофонда одной популяции в другую. В популяции происходит миграция от одного вида к другому, что приводит к изменению частоты аллелей.
Естественный отбор . Выживаемость и скорость воспроизводства вида зависят от его способности адаптироваться к окружающей среде. Этот процесс называется естественным отбором . [15] Некоторые виды с определенными характеристиками в популяции имеют более высокую выживаемость и репродуктивную способность, чем другие ( приспособленность ), и они передают эти генетические особенности своим потомкам.
В эволюционной биологии развития ученые изучают, как различные процессы развития играют роль в том, как конкретный организм достигает своего текущего плана тела. Генетическая регуляция онтогенеза и филогенетического процесса — вот что делает возможным такое понимание биологии. Наблюдая за различными процессами в ходе развития и просматривая эволюционное дерево, можно определить, в какой момент возникла конкретная структура. Например, можно наблюдать, что три зародышевых листка отсутствуют у книдарий и гребневиков, которые вместо этого присутствуют у червей, будучи более или менее развитыми в зависимости от вида самого червя. С помощью этой практики также можно проследить другие структуры, такие как развитие Hox-генов и органов чувств, таких как глаза. [16] [17]
Филогенетические деревья — это представления генетической линии. Это цифры, показывающие, насколько родственны виды друг другу. Они сформировались путем анализа физических особенностей, а также сходства ДНК между видами. Затем, используя молекулярные часы, ученые смогут оценить, когда виды разошлись. Примером филогении может служить древо жизни.
Гены, имеющие общее происхождение, являются гомологами. Если происходит событие видообразования и один ген попадает в два разных вида, гены теперь ортологичны. Если ген дублируется в пределах одного вида, то он является паралогом. Молекулярные часы можно использовать для оценки того, когда произошли эти события. [18]
Идея эволюции путем естественного отбора была предложена Чарльзом Дарвином в 1859 году, но эволюционная биология как самостоятельная академическая дисциплина возникла в период современного синтеза в 1930-х и 1940-х годах. [19] Лишь в 1980-х годах во многих университетах появились кафедры эволюционной биологии. В Соединенных Штатах во многих университетах созданы кафедры молекулярной и клеточной биологии или экологии и эволюционной биологии вместо старых кафедр ботаники и зоологии . Палеонтологию часто объединяют с науками о Земле .
Микробиология также становится эволюционной дисциплиной теперь, когда микробная физиология и геномика лучше изучены. Быстрое образование бактерий и вирусов, таких как бактериофаги , позволяет исследовать вопросы эволюции.
Многие биологи внесли свой вклад в формирование современной дисциплины эволюционной биологии. Феодосий Добжанский и Э.Б. Форд основали программу эмпирических исследований. Рональд Фишер , Сьюэлл Райт и Дж.Б.С. Холдейн создали прочную теоретическую основу. Эрнст Майр по систематике , Джордж Гейлорд Симпсон по палеонтологии и Г. Ледьярд Стеббинс по ботанике помогли сформировать современный синтез. Джеймс Кроу , [20] Ричард Левонтин , [21] Дэн Хартл , [22] Маркус Фельдман , [23] [24] и Брайан Чарльзворт [25] воспитали поколение биологов-эволюционистов.
Текущие исследования в области эволюционной биологии охватывают разнообразные темы и включают идеи из разных областей, таких как молекулярная генетика и информатика .
Во-первых, некоторые области эволюционных исследований пытаются объяснить явления, которые плохо учтены в современном эволюционном синтезе . К ним относятся видообразование , [26] [27] эволюция полового размножения , [28] [29] эволюция сотрудничества , эволюция старения , [30] и эволюционность . [31]
Во-вторых, некоторые биологи-эволюционисты задают самый простой эволюционный вопрос: «Что произошло и когда?». Сюда входят такие области, как палеобиология , где палеобиологи и биологи-эволюционисты, в том числе Томас Холлидей и Анджали Госвами, изучали эволюцию ранних млекопитающих, уходящую в далекое прошлое, в мезозойскую и кайнозойскую эры (от 299 миллионов до 12 000 лет назад). [32] [33] Другие области, связанные с общими исследованиями эволюции («что произошло и когда?»), включают систематику и филогенетику .
В-третьих, современный эволюционный синтез был разработан в то время, когда никто не понимал молекулярную основу генов. Сегодня биологи-эволюционисты пытаются определить генетическую архитектуру таких интересных эволюционных явлений, как адаптация и видообразование. Они ищут ответы на такие вопросы, как количество генов задействовано, насколько велико влияние каждого гена, насколько взаимозависимы эффекты разных генов, что делают гены и какие изменения с ними происходят (например, точечные мутации или мутации) . дупликация генов или даже дупликация генома ). Они пытаются совместить высокую наследственность , наблюдаемую в исследованиях близнецов , с трудностью определить, какие гены ответственны за эту наследственность, используя полногеномные исследования ассоциаций . [34]
Одна из проблем в изучении генетической архитектуры заключается в том, что классическая популяционная генетика , которая катализировала современный эволюционный синтез, должна быть обновлена, чтобы принять во внимание современные молекулярные знания. Это требует большого математического развития, чтобы связать данные о последовательностях ДНК с эволюционной теорией как частью теории молекулярной эволюции . Например, биологи пытаются сделать вывод, какие гены подверглись сильному отбору, обнаруживая селективные зачистки . [35]
В-четвертых, современный эволюционный синтез предполагает соглашение о том, какие силы способствуют эволюции, но не об их относительной важности. [36] Текущие исследования направлены на то, чтобы определить это. Эволюционные силы включают естественный отбор , половой отбор , генетический дрейф , генетический дрейф , ограничения развития, предвзятость мутаций и биогеографию .
Этот эволюционный подход является ключом к большинству современных исследований в биологии и экологии организмов , таких как теория истории жизни . Аннотация генов и их функций во многом зависит от сравнительных подходов. Область эволюционной биологии развития («эво-дево») исследует, как работают процессы развития, и сравнивает их у разных организмов, чтобы определить, как они развивались.
Многие врачи не имеют достаточного опыта в области эволюционной биологии, что затрудняет ее использование в современной медицине. [37] Тем не менее, предпринимаются попытки получить более глубокое понимание болезней с помощью эволюционной медицины и разработать эволюционные методы лечения .
Эволюция играет роль в устойчивости к лекарствам; например, как ВИЧ становится устойчивым к лекарствам и иммунной системе организма. Мутация устойчивости ВИЧ обусловлена естественным отбором выживших и их потомков. Те немногие ВИЧ, которые выжили в иммунной системе, размножились и дали потомство, которое также было устойчивым к иммунной системе. [38] Лекарственная устойчивость также вызывает множество проблем у пациентов, таких как ухудшение болезни или болезнь может мутировать во что-то, что больше нельзя вылечить с помощью лекарств. Без надлежащего лечения болезнь может привести к смерти пациента. Если их организм обладает устойчивостью к определенному количеству лекарств, то найти подходящее лекарство будет все труднее и труднее. Непрохождение предписанного полного курса антибиотиков также является примером резистентности, которая приводит к развитию и дальнейшему распространению бактерий, против которых принимается антибиотик, в организме. [39] Когда полная доза лекарства не попадает в организм и не выполняет свою функцию, бактерии, выжившие после первоначальной дозы, продолжают размножаться. Это может привести к новому приступу болезни в дальнейшем, который будет труднее вылечить, поскольку вовлеченные бактерии будут устойчивы к первому использованному лекарству. Прохождение полного курса назначенных лекарств является жизненно важным шагом во избежание устойчивости к антибиотикам.
Лица с хроническими заболеваниями, особенно теми, которые могут повторяться на протяжении всей жизни, подвергаются большему риску устойчивости к антибиотикам, чем другие. [40] Это связано с тем, что чрезмерное употребление препарата или слишком высокая дозировка могут привести к ослаблению иммунной системы пациента, и болезнь будет развиваться и усиливаться. Например, больным раком потребуются все более сильные дозы лекарств из-за плохо функционирующей иммунной системы. [41]
Некоторые научные журналы специализируются исключительно на эволюционной биологии в целом, в том числе журналы Evolution , Journal of Evolutionary Biology и BMC Evolutionary Biology . Некоторые журналы охватывают отдельные области эволюционной биологии, например журналы « Систематическая биология» , «Молекулярная биология и эволюция» и родственные им журналы «Геномная биология и эволюция » и «Кладистика» .
Другие журналы сочетают аспекты эволюционной биологии с другими смежными областями. Например, «Молекулярная экология» , «Труды Лондонского королевского общества», серия B , «Американский натуралист » и «Теоретическая популяционная биология» пересекаются с экологией и другими аспектами биологии организмов. Совпадение с экологией также заметно в обзорных журналах « Тенденции в экологии и эволюции» и «Ежегодный обзор экологии, эволюции и систематики» . Журналы Genetics и PLoS Genetics пересекаются с вопросами молекулярной генетики, которые не имеют явно эволюционного характера.
СМИ, связанные с эволюционной биологией, на Викискладе?
