Процессы выбора и отбора в биологических системах на конвергентных и дивергентных фазах развития

Биологическая эволюция представляет собой чередование двух стадий. Первая — конвергентная (лат. converge — сближаюсь, схожусь). Это схождение, в процессе эволюции, признаков неблизкородственных групп организмов, приобретение ими сходного строения в результате существования в сходных условиях и одинаково направленного естественного отбора. Вторая — дивергентная (лат. divergentia — расхождение). Это стадия, когда признаки начинают развиваться в разных направлениях.

Когда процесс развития происходит в результате выбора одного варианта из нескольких возможных, это есть путь создания новой информации, а когда процесс развития происходит в результате отбора одного выделенного варианта, то новой информации не возникает.

Биологические объекты различаются по генотипическим и фенотипическим свойствам. Первые определяются информацией, содержащейся в генотипе организма, т. е. связаны с последовательностью нуклеотидов в ДНК, вторые присущи индивиду на определенных стадиях развития.

В значительной мере фенотипические свойства определяются генетической информацией. Но имеются также свойства, зависящие от условий, в которых развивается и существует данный организм или популяция, не связанные с генетической информацией.

Главным фактором на конвергентных стадиях является естественный отбор, реже — выбор. Задача естественного отбора — оставить в живых наиболее приспособленные к данной экологической нише особи. В результате распределения по фенотипическим и генетическим свойствам сужаются.

Выбор возникает, если один вид вытесняет другой, даже если они имеют одинаковый фенотип, но взаимодействуют между собой антагонистично. В результате выбора выживает один из них, не всегда наиболее приспособленный. Процесс выбора важен при освоении одной экологической ниши двумя видами. В результате вытеснения одного вида другим нишу заселяет лишь один вид.

Непосредственной причиной перехода к дивергентному этапу являются истощение имеющихся ресурсов и переход к новым.

В клетках при блокировке специальными белками часть генов не участвует в биосинтезе белка и не влияет на фенотипические признаки, но участвует в редупликации ДНК и передается по наследству при делении клетки. Количество такой нейтральной генетической информации (г.е. «молчащих» генов) достаточно велико. При определенных условиях «молчащие» гены могут быть активизированы. Эти гены можно считать нейтральной информацией, которая при изменении условий может превратиться в активную.

Исчерпание ресурсов требует появления белков-ферментов с новыми функциями, позволяющих использовать новые ресурсы. Разделение популяции (дивергенция) есть следствие появления нескольких новых белков с разными функциями, что позволяет осваивать разные биологические ниши. Они появляются и в результате, например, деблокировки «молчащего» генома. При этом надо сохранять белки, выполнявшие прежние функции.

Дивергентный процесс идет по схеме выбора. На этом этапе возникает новая информация.

При конвергенции часть информации убирается как избыточная, но значительная ее часть сохраняется, если возникнет необходимость перехода в дивергентную фазу.

Генетика и эволюция. Концепция эволюции впервые была предложена французским ученым-естествоиспытателем Жаном Батистом Ламарком (1744—1829). Он выдвинул несколько законов для объяснения происходящего в природе. Приведем два из них, объясняющих изменение организмов под действием внешней среды. Первый — «закон упражнения и неупражнения органов», который утверждал, что орган развивается, если он постоянно тренируется, а если он не используется, то отмирает. Второй — «закон наследования приобретенных признаков», согласно которому те признаки, которые оказались полезными для организма, наследуются потомством.

В 1858 г. англичане Чарлз Роберт Дарвин (1809—1882), естествоиспытатель и путешественник, и Альфред Рассел Уоллес (1823—1913), натуралист и писатель, выдвинули следующее положение: все виды не остаются неизменными, значит, все виды, окружающие нас, не были созданы независимо друг от друга, и любой вид, развиваясь, может стать родоначальником нового вида. Этими процессами управляет естественный отбор.

В основе теории Ч. Дарвина лежала триада: изменчивость, наследственность, естественный отбор.

Тогда же, в XIX в., появилось понимание, что за передачу наследственных признаков ответственно нечто, находящееся в клетках. Позже это «нечто» было названо геном.

Развиваясь, биологическая наука дополняла и уточняла эволюционную теорию Ч. Дарвина. Развитие молекулярно-генетической теории позволило уточнить основные утверждения этой теории. С учетом всех изменений сегодня создана новая теория эволюции, называемая синтетической теорией эволюции (СТЭ).

Благодаря молекулярной биологии было установлено, что за изменчивость (мутации) отвечают изменения, происходящие на уровне молекул, т. е. на уровне генов. Протекание этих процессов непредсказуемо и вызвано как внутренними, так и внешними случайными факторами. Мутации создают разнообразие особей в популяции. Но так как эти процессы хаотичны, они не могут определять направление эволюционных процессов. А задавать направление эволюции может естественный отбор. Если бы работал только механизм случайных мутаций, а естественный отбор не работал, то происходило бы размытие внутренних (генотип) и внешних (фенотип) признаков вида.

Процесс направленного исторического преобразования живого вещества — это процесс эволюции.

Синтетическая теория эволюции рассматривает два уровня развития живой материи: микроэволюцию (на популяционно-видовом уровне) и макроэволюцию (на надвидовом уровне). Пути, которыми идет микроэволюция, — это мутации, естественный отбор, популяционные волны и изоляция.

Под популяционными волнами, или волнами жизни, понимают колебательные изменения численности особей в популяции, которые могут возникнуть под действием изменяющихся факторов, например климата, количества кормов и т. д. Когда численность популяции уменьшается, резко возрастает число редких мутаций и генотипов, повышается роль отбора и эволюции.

При изоляции резко уменьшается скрещивание особей разных популяций. Это приводит к разрыву единого генофонда вида на ряд изолированных. Таков эволюционный результат изоляции. Генетическое расхождение изолированных популяций — один из механизмов образования новых видов.

Ограниченность ресурса питания совместно с нелинейным ростом — основные причины конкуренции. В результате конкуренции начинается естественный отбор, выполняющий роль обратной связи между мутацией и ее целесообразностью. Тандем отбора и механизма наследственности способствует созданию самых эффективных форм. Так работает эволюционная схема.