Эволюционная биология — это подраздел биологии , изучающий эволюционные процессы ( естественный отбор , общее происхождение , видообразование ), которые привели к разнообразию жизни на Земле. Она также определяется как изучение истории форм жизни на Земле. Эволюция утверждает, что все виды связаны и постепенно изменяются на протяжении поколений. [1] В популяции генетические вариации влияют на фенотипы (физические характеристики) организма. Эти изменения в фенотипах будут преимуществом для некоторых организмов, которые затем будут переданы их потомству . Некоторые примеры эволюции видов на протяжении многих поколений — это берёзовая пяденица и нелетающие птицы . В 1930-х годах дисциплина эволюционной биологии возникла благодаря тому, что Джулиан Хаксли назвал современным синтезом понимания из ранее не связанных между собой областей биологических исследований, таких как генетика и экология, систематика и палеонтология .
Диапазон текущих исследований расширился, чтобы охватить 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 , тем самым давая более широкий синтез, который интегрирует биологию развития с областями изучения, охватываемыми более ранним эволюционным синтезом.
Эволюция является центральным объединяющим понятием в биологии. Биологию можно разделить различными способами. Один способ — по уровню биологической организации , от молекулярной до клеточной , от организма до популяции . Другой способ — по воспринимаемой таксономической группе , с такими областями, как зоология , ботаника и микробиология , отражающими то, что когда-то считалось основными подразделениями жизни. Третий способ — по подходам, таким как полевая биология, теоретическая биология , экспериментальная эволюция и палеонтология. Эти альтернативные способы разделения предмета были объединены с эволюционной биологией для создания таких подобластей, как эволюционная экология и эволюционная биология развития .
Совсем недавно слияние биологической науки и прикладных наук породило новые области, которые являются расширениями эволюционной биологии, включая эволюционную робототехнику , инженерию , [2] алгоритмы , [3] экономику , [4] и архитектуру. [5] Основные механизмы эволюции применяются прямо или косвенно для разработки новых конструкций или решения проблем, которые трудно решить иным образом. Исследования, проводимые в этих прикладных областях, способствуют прогрессу, особенно в результате работы над эволюцией в компьютерных науках и инженерных областях, таких как машиностроение. [6]
Адаптивная эволюция [7] относится к эволюционным изменениям, которые происходят из-за изменений в окружающей среде, это делает организм подходящим для своей среды обитания. Это изменение увеличивает шансы на выживание и воспроизводство организма (это можно назвать приспособленностью организма ). Например, вьюрки Дарвина [8] на острове Галапагос развили клювы разной формы, чтобы выживать в течение длительного времени. Адаптивная эволюция также может быть конвергентной эволюцией, если два отдаленно родственных вида живут в схожих средах, сталкиваясь с похожими давлениями.
Конвергентная эволюция — это процесс, в котором родственные или отдаленно родственные организмы независимо друг от друга развивают схожие характеристики. Этот тип эволюции создает аналогичные структуры, которые имеют схожую функцию, структуру или форму между двумя видами. Например, акулы и дельфины выглядят одинаково, но они не являются родственниками. Аналогично, птицы, летающие насекомые и летучие мыши обладают способностью летать, но они не являются родственниками друг другу. Эти схожие черты, как правило, развиваются под воздействием схожих экологических факторов.
Дивергентная эволюция — это процесс видообразования. Это может происходить несколькими способами:
Влияние двух тесно связанных видов известно как коэволюция . [10] Когда два или более видов развиваются совместно друг с другом, один вид адаптируется к изменениям в других видах. Этот тип эволюции часто происходит у видов, которые имеют симбиотические отношения . Например, коэволюция хищник-жертва, это наиболее распространенный тип коэволюции. В этом случае хищник должен эволюционировать, чтобы стать более эффективным охотником, поскольку на добычу оказывается селективное давление, чтобы она избегала захвата. Добыча, в свою очередь, должна разрабатывать лучшие стратегии выживания. Гипотеза Красной Королевы является примером взаимодействия хищника и жертвы. Отношения между опылителями, такими как пчелы, и цветковыми растениями, травоядными и растениями также являются некоторыми распространенными примерами диффузной или цеховой коэволюции. [11]
Механизмы эволюции в основном сосредоточены на мутациях, генетическом дрейфе, потоке генов, неслучайном скрещивании и естественном отборе.
Мутация : Мутация [12] — это изменение в 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 быть и полезными.
Генетический дрейф : Генетический дрейф [13] — это вариационный процесс, он происходит в результате ошибок выборки из одного поколения в другое, когда случайное событие, которое происходит случайно в природе, изменяет или влияет на частоту аллелей в популяции. Он оказывает гораздо более сильное влияние на небольшие популяции, чем на большие.
Поток генов : Поток генов [14] — это перенос генетического материала из генофонда одной популяции в другую. В популяции миграция происходит от одного вида к другому, что приводит к изменению частоты аллелей.
Естественный отбор : Выживаемость и репродуктивная скорость вида зависят от приспособляемости вида к окружающей среде. Этот процесс называется естественным отбором . [15] Некоторые виды с определенными признаками в популяции имеют более высокую выживаемость и репродуктивную скорость, чем другие ( приспособленность ), и они передают эти генетические особенности своему потомству.
В эволюционной биологии развития ученые изучают, как различные процессы в развитии играют роль в том, как конкретный организм достигает своего текущего плана тела. Генетическая регуляция онтогенеза и филогенетический процесс — это то, что позволяет сделать возможным такое понимание биологии. Рассматривая различные процессы в ходе развития и проходя по эволюционному дереву, можно определить, в какой момент возникла конкретная структура. Например, можно наблюдать, что три зародышевых слоя отсутствуют у книдарий и гребневиков, которые вместо этого присутствуют у червей, будучи более или менее развитыми в зависимости от вида самого червя. Другие структуры, такие как развитие Hox-генов и органов чувств, таких как глаза, также можно проследить с помощью этой практики. [16] [17]
Филогенетические деревья — это представления генетической родословной. Это фигуры, которые показывают, как виды связаны друг с другом. Они сформированы путем анализа физических черт, а также сходства ДНК между видами. Затем, используя молекулярные часы, ученые могут оценить, когда виды разошлись. Примером филогении может служить древо жизни.
Гены, имеющие общее происхождение, являются гомологами. Если происходит событие видообразования и один ген оказывается в двух разных видах, то 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] Только в 1980-х годах во многих университетах появились кафедры эволюционной биологии. В Соединенных Штатах многие университеты создали 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 поняты. Быстрое время генерации бактерий и вирусов, таких как бактериофаги, позволяет исследовать эволюционные вопросы.
Многие биологи внесли свой вклад в формирование современной дисциплины эволюционной биологии. Феодосий Добжанский и Э. Б. Форд создали эмпирическую исследовательскую программу. Рональд Фишер , Сьюэлл Райт и Дж. Б. С. Холдейн создали прочную теоретическую основу. Эрнст Майр в систематике , Джордж Гейлорд Симпсон в палеонтологии и Г. Ледьярд Стеббинс в ботанике помогли сформировать современный синтез. Джеймс Кроу , [20] Ричард Левонтин , [21] Дэн Хартл , [22] Маркус Фельдман , [23] [24] и Брайан Чарльзворт [25] подготовили поколение эволюционных биологов.
Современные исследования в области эволюционной биологии охватывают разнообразные темы и включают идеи из разных областей, таких как молекулярная генетика и компьютерные науки .
Во-первых, некоторые области эволюционных исследований пытаются объяснить явления, которые были плохо учтены в современном эволюционном синтезе . К ним относятся видообразование , [26] [27] эволюция полового размножения , [28] [29] эволюция кооперации , эволюция старения , [30] и эволюционируемость . [31]
Во-вторых, некоторые биологи-эволюционисты задают самый простой эволюционный вопрос: «что произошло и когда?». Это включает в себя такие области, как палеобиология , где палеобиологи и биологи-эволюционисты, включая Томаса Халлидея и Анджали Госвами, изучали эволюцию ранних млекопитающих, уходящую далеко назад во времени в мезозойскую и кайнозойскую эры (между 299 миллионами и 12 000 лет назад). [32] [33] Другие области, связанные с общим исследованием 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 интересных эволюционных явлений, таких как адаптация и видообразование. Они ищут ответы на такие вопросы, как сколько генов задействовано, насколько велики эффекты каждого гена, насколько взаимозависимы эффекты разных генов, что делают гены и какие изменения с ними происходят (например, точечные мутации против дупликации генов или даже дупликации генома ). Они пытаются примирить высокую наследуемость, наблюдаемую в исследованиях близнецов, с трудностью поиска генов, ответственных за эту наследуемость, с использованием исследований ассоциаций по всему геному . [34]
Одной из проблем в изучении генетической архитектуры является то, 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 последовательности ДНК с эволюционной теорией как частью теории молекулярной эволюции . Например, биологи пытаются вывести, какие гены подверглись сильному отбору, обнаруживая селективные зачистки . [35]
В-четвертых, современный эволюционный синтез включал соглашение о том, какие силы способствуют эволюции, но не об их относительной важности. [36] Текущие исследования стремятся определить это. Эволюционные силы включают естественный отбор , половой отбор , генетический дрейф , генетический проект , ограничения развития, мутационное смещение и биогеографию .
Этот эволюционный подход является ключевым для многих современных исследований в области биологии и экологии организмов, таких как теория истории жизни . Аннотация генов и их функций в значительной степени опирается на сравнительные подходы. Область эволюционной биологии развития («evo-devo») исследует, как работают процессы развития, и сравнивает их у разных организмов, чтобы определить, как они эволюционировали.
Многие врачи не имеют достаточного опыта в 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 потомства. Те немногие ВИЧ, которые выжили из-за иммунной системы, размножались и имели потомство, которое также было устойчиво к иммунной системе. [38] Устойчивость к лекарствам также вызывает много проблем для пациентов, таких как ухудшение болезни или болезнь может мутировать во что-то, что больше не может быть вылечено с помощью лекарств. Без надлежащего лекарства болезнь может стать смертью пациента. Если их организм имеет устойчивость к определенному количеству лекарств, то правильное лекарство будет все труднее и труднее найти. Невыполнение предписанного полного курса антибиотика также является примером устойчивости, которая заставит бактерии, против которых принимается антибиотик, эволюционировать и продолжать распространяться в организме. [39] Когда полная доза лекарства не попадает в организм и не выполняет свою надлежащую работу, бактерии, которые выживают после первоначальной дозы, продолжают размножаться. Это может привести к новому приступу болезни позже, который будет сложнее вылечить, поскольку вовлеченные бактерии будут устойчивы к первому лекарству. Прохождение полного курса назначенных лекарств является жизненно важным шагом для предотвращения устойчивости к антибиотикам.
Люди с хроническими заболеваниями, особенно те, которые могут рецидивировать в течение жизни, подвержены большему риску устойчивости к антибиотикам, чем другие. [40] Это связано с тем, что чрезмерное использование препарата или слишком высокая дозировка могут привести к ослаблению иммунной системы пациента, и болезнь будет развиваться и становиться сильнее. Например, больным раком потребуется все более сильная дозировка лекарств из-за их слабо функционирующей иммунной системы. [41]
Некоторые научные журналы специализируются исключительно на эволюционной биологии в целом, включая журналы Evolution , Journal of Evolutionary Biology и BMC Evolutionary Biology . Некоторые журналы охватывают узкие специальности в эволюционной биологии, такие как журналы Systematic Biology , Molecular Biology and Evolution и его родственный журнал Genome Biology and Evolution , и Cladistics .
Другие журналы объединяют аспекты эволюционной биологии с другими смежными областями. Например, Molecular Ecology , Proceedings of the Royal Society of London Series B , The American Naturalist и Theoretical Population Biology пересекаются с экологией и другими аспектами организменной биологии. Пересечение с экологией также заметно в обзорных журналах Trends in Ecology and Evolution и Annual Review of Ecology, Evolution, and Systematics . Журналы Genetics и PLoS Genetics пересекаются с вопросами молекулярной генетики, которые не являются явно эволюционными по своей природе.
Медиа, связанные с эволюционной биологией на Wikimedia Commons
