Введение

Изучение процессов, породивших разнообразие жизни. Эволюционная биология – это раздел биологии, изучающий эволюционные процессы (естественный отбор, общее происхождение, видообразование), которые привели к разнообразию жизни на Земле. Она также определяется как изучение истории жизненных форм на Земле. Эволюция утверждает, что все виды связаны между собой и постепенно изменяются на протяжении поколений. В популяции генетические вариации влияют на фенотипы (физические характеристики) организма. Эти изменения в фенотипах дают преимущество некоторым организмам, которое затем передается их потомству. Примеры эволюции видов на протяжении многих поколений – пестрая березовая моль и нелетающие птицы. В 1930-х годах эволюционная биология оформилась как дисциплина благодаря тому, что Джулиан Хаксли назвал «современным синтезом», объединившим ранее не связанные области биологических исследований, такие как генетика, экология, систематика и палеонтология. Спектр современных исследований расширился и включает генетическую архитектуру адаптации, молекулярную эволюцию, а также различные факторы, способствующие эволюции, такие как половой отбор, генетический дрейф и биогеография. Кроме того, новая область – эволюционная биология развития («эво-дево») – исследует механизмы контроля эмбриогенеза, что приводит к более широкому синтезу, объединяющему биологию развития с областями, охватываемыми более ранним эволюционным синтезом.

Подполя

Эволюция – это центральная объединяющая концепция в биологии. Биологию можно разделить различными способами. Один из них – по уровню биологической организации, от молекулы до клетки, от организма до популяции. Другой способ – по рассматриваемым таксономическим группам, с такими областями, как зоология, ботаника и микробиология, отражающими то, что ранее считалось основными разделами жизни. Третий способ – по подходам, таким как полевая биология, теоретическая биология, экспериментальная эволюция и палеонтология. Эти альтернативные способы разделения предмета в сочетании с эволюционной биологией привели к формированию таких поддисциплин, как эволюционная экология и эволюционная биология развития. В последнее время слияние биологической науки и прикладных наук породило новые области, являющиеся расширением эволюционной биологии, включая эволюционную робототехнику, инженерию, алгоритмы, экономику и архитектуру. Базовые механизмы эволюции применяются напрямую или косвенно для создания новых конструкций или решения задач, которые сложно решить иным способом. Исследования, проводимые в этих прикладных областях, способствуют прогрессу, особенно в области эволюции в компьютерных науках и инженерных дисциплинах, таких как машиностроение.

Адаптирующая эволюция

Адаптивная эволюция связана с эволюционными изменениями, происходящими в результате изменений в окружающей среде, что позволяет организму лучше приспособиться к своей среде обитания. Это повышает шансы на выживание и размножение организма (что также называют приспособленностью). Например, у дарвиновских вьюрков на Галапагосских островах развились разные формы клюва, чтобы обеспечить долгосрочное выживание. Адаптивная эволюция также может проявляться как конвергентная эволюция, если два далеко родственных вида обитают в схожих условиях и сталкиваются с аналогичными факторами отбора.

Сближающаяся эволюция

Сближающаяся эволюция — это процесс, в ходе которого родственные или далёко родственные организмы независимо друг от друга развивают сходные признаки. Этот тип эволюции приводит к образованию гомологичных структур, имеющих схожую функцию, строение или форму у разных видов. Например, акулы и дельфины выглядят похоже, но не являются близкими родственниками. Точно так же птицы, летающие насекомые и летучие мыши обладают способностью летать, но не связаны между собой родственными связями. Подобные признаки обычно развиваются под воздействием схожих условий окружающей среды.

Различная эволюция

Дивергентная эволюция – это процесс видообразования. Это может происходить несколькими способами:

Аллопатрическое видообразование возникает, когда виды разделены физическим барьером, разделяющим популяцию на две группы. Эволюционные механизмы, такие как генетический дрейф и естественный отбор, могут затем действовать независимо в каждой популяции. Перипатрическое видообразование – это тип аллопатрического видообразования, который происходит, когда одна из новых популяций значительно меньше исходной популяции. Это приводит к эффекту основателя, и популяция может иметь отличные от исходной популяции частоты аллелей и фенотипы. Эти небольшие популяции также более подвержены воздействию генетического дрейфа. Когда два или более видов эволюционируют совместно, один вид приспосабливается к изменениям в других видах. Этот тип эволюции часто встречается у видов, находящихся в симбиотических отношениях. Например, коэволюция хищник-жертва – это наиболее распространенный тип коэволюции. В этом случае хищник должен развиваться, чтобы стать более эффективным охотником, поскольку на жертву оказывается селективное давление, чтобы избежать захвата. В свою очередь, жертве необходимо развивать более совершенные стратегии выживания. Гипотеза Красной Королевы является примером взаимодействия хищник-жертва. Отношения между опыляющими насекомыми, такими как пчелы, и цветковыми растениями, травоядными и растениями также являются распространенными примерами диффузной или гильдийной коэволюции.

Механизм: процесс эволюции

Механизмы эволюции сосредоточены главным образом на мутациях, генетическом дрейфе, потоке генов, неслучайном скрещивании и естественном отборе. Мутация: Мутация – это изменение последовательности ДНК внутри гена или хромосомы организма. Большинство мутаций вредны или нейтральны, то есть не наносят ни вреда, ни пользы, но иногда могут быть полезными. Генетический дрейф: Генетический дрейф – это вариационный процесс, возникающий в результате случайных отклонений при передаче генетического материала из поколения в поколение, когда случайное событие в природе изменяет или влияет на частоту аллелей в популяции. Он оказывает гораздо более сильное влияние на малые популяции, чем на крупные. Поток генов: Поток генов – это перенос генетического материала из генофонда одной популяции в другую. В популяции происходит миграция особей, приводящая к изменению частоты аллелей. Естественный отбор: Выживаемость и скорость размножения вида зависят от приспособленности вида к окружающей среде. Этот процесс называется естественным отбором. Некоторые особи с определенными признаками в популяции имеют более высокую выживаемость и скорость размножения (приспособленность), чем другие, и передают эти генетические признаки своему потомству.

Эволюционная биология развития

В эволюционной биологии развития ученые изучают, как различные процессы, происходящие в ходе развития, влияют на формирование конечного плана строения организма. Понимание этого возможно благодаря изучению генетической регуляции онтогенеза и филогенеза. Анализируя различные процессы развития и прослеживая эволюционное древо, можно установить, на каком этапе эволюции возникла та или иная структура. Например, можно наблюдать, что три зародышевых листка отсутствуют у кишечнополостных и гребневиков, в то время как они присутствуют у червей, степень развития которых варьируется в зависимости от вида червя. С помощью этого подхода можно также проследить развитие генов Hox и органов чувств, таких как глаза.

Филогенетические деревья

Филогенетические деревья — это графические представления эволюционного родства. Они показывают степень взаимосвязанности различных видов. Они строятся на основе анализа физических признаков, а также сходства ДНК между видами. Используя молекулярные часы, ученые могут оценить время расхождения этих видов. Примером филогенетического дерева является дерево жизни.

Гомологи

Гены, имеющие общего предка, являются гомологами. Если происходит видообразование и один ген оказывается в двух разных видах, такие гены становятся ортологами. Если ген дублируется внутри одного вида, то это паралог. Молекулярные часы можно использовать для оценки времени, когда произошли эти события.

История

Идея эволюции путем естественного отбора была предложена Чарльзом Дарвином в 1859 году, но эволюционная биология, как самостоятельная академическая дисциплина, сформировалась в период современного синтеза в 1930-х и 1940-х годах. Лишь в 1980-х годах многие университеты создали факультеты (отделы) эволюционной биологии. В Соединенных Штатах многие университеты создали факультеты молекулярной и клеточной биологии или экологии и эволюционной биологии, заменив старые факультеты ботаники и зоологии. Палеонтология часто объединяется с науками о Земле. Микробиология также становится эволюционной дисциплиной, поскольку микробиологическая физиология и геномика лучше изучены. Короткое поколенческое время бактерий и вирусов, таких как бактериофаги, позволяет изучать эволюционные вопросы. Многие биологи внесли вклад в становление современной эволюционной биологии как дисциплины. Теодосий Добжанский и Э. Б. Форд заложили основы эмпирической исследовательской программы. Рональд Фишер, Сеуолл Райт и Дж. Б. С. Холдейн создали прочную теоретическую базу. Эрнст Майр в систематике, Джордж Гейлорд Симпсон в палеонтологии и Г. Ледьярд Стеббинс в ботанике способствовали формированию современного синтеза. Джеймс Кроу, Ричард Левонтин, Дэн Хартл, Маркус Фельдман и Брайан Чарльзуорт подготовили целое поколение эволюционных биологов.

Текущие темы исследований

Текущие исследования в области эволюционной биологии охватывают разнообразные темы и включают идеи из различных областей, таких как молекулярная генетика и компьютерные науки. Во-первых, некоторые направления эволюционных исследований стремятся объяснить явления, которые были недостаточно учтены в рамках современного эволюционного синтеза. К ним относятся видообразование, эволюция полового размножения, эволюция кооперации, эволюция старения и эволюционируемость. Во-вторых, некоторые эволюционные биологи задают наиболее прямой эволюционный вопрос: "что произошло и когда?". Это включает в себя такие области, как палеобиология, где палеобиологи и эволюционные биологи, включая Томаса Холлидея и Анджали Госвами, изучали эволюцию ранних млекопитающих, уходящую корнями в мезозойскую и кайнозойскую эры (от 299 миллионов до 12 000 лет назад). Другие области, связанные с общим изучением эволюции ("что произошло и когда?") включают систематику и филогенетику. В-третьих, современный эволюционный синтез был разработан во времена, когда молекулярные основы генов были еще неизвестны. Сегодня эволюционные биологи стремятся определить генетическую архитектуру интересных эволюционных явлений, таких как адаптация и видообразование. Они ищут ответы на вопросы о количестве вовлеченных генов, величине эффекта каждого гена, степени взаимозависимости эффектов различных генов, функциях генов и изменениях, происходящих с ними (например, точечные мутации по сравнению с дупликацией генов или даже дупликацией генома). Они пытаются согласовать высокую наследуемость, наблюдаемую в исследованиях близнецов, с трудностями в выявлении генов, ответственных за эту наследуемость, с помощью полногеномных исследований ассоциаций. Одна из проблем в изучении генетической архитектуры заключается в том, что классическая популяционная генетика, которая послужила катализатором современного эволюционного синтеза, должна быть обновлена с учетом современных молекулярных знаний. Это требует значительного математического развития для сопоставления данных о последовательности ДНК с эволюционной теорией в рамках теории молекулярной эволюции. Например, биологи пытаются определить гены, подвергшиеся сильному отбору, путем выявления селективных свипов. В-четвертых, современный эволюционный синтез предполагал согласие относительно сил, способствующих эволюции, но не относительно их относительной важности. Современные исследования направлены на определение этой важности. Эволюционные силы включают естественный отбор, половой отбор, генетический дрейф, генетический дрифт, ограничения развития, предвзятость мутаций и биогеографию. Этот эволюционный подход имеет ключевое значение для многих современных исследований в области биологии организмов и экологии, таких как теория истории жизни. Аннотация генов и их функций в значительной степени опирается на сравнительные подходы. Область эволюционной биологии развития ("эво-дево") исследует механизмы работы процессов развития и сравнивает их у разных организмов, чтобы определить, как они эволюционировали. Многие врачи недостаточно знакомы с эволюционной биологией, что затрудняет ее применение в современной медицине. Однако предпринимаются усилия для более глубокого понимания болезней с помощью эволюционной медицины и разработки эволюционных методов лечения.

Современная лекарственная устойчивость

Эволюция играет роль в развитии устойчивости к лекарствам; например, в том, как ВИЧ приобретает устойчивость к медикаментам и иммунной системе организма. Мутация, приводящая к устойчивости ВИЧ, обусловлена естественным отбором выживших вирусов и их потомства. Небольшое количество ВИЧ, переживших атаку иммунной системы, размножились и дали потомство, также устойчивое к иммунной системе. Устойчивость к лекарственным препаратам создает множество проблем для пациентов, таких как ухудшение состояния или мутация болезни в форму, которую уже невозможно вылечить медикаментозно. Без адекватного лечения болезнь может привести к смерти пациента. Если организм пациента проявляет устойчивость к определенному числу препаратов, поиск подходящего лекарства становится все более сложной задачей. Несоблюдение предписанного полного курса приема антибиотиков – еще один пример развития устойчивости, который приводит к эволюции бактерий, против которых применяется антибиотик, и их дальнейшему распространению в организме. Когда в организм не поступает полная доза лекарства и оно не выполняет свою функцию, бактерии, пережившие первоначальную дозу, продолжают размножаться. Это может спровоцировать повторное заболевание, которое будет сложнее вылечить, поскольку бактерии, его вызывающие, приобретут устойчивость к первому использованному препарату. Прием полного курса назначенных лекарств – важнейший шаг в предотвращении развития устойчивости к антибиотикам. Люди с хроническими заболеваниями, особенно с теми, которые могут рецидивировать на протяжении всей жизни, подвержены большему риску развития устойчивости к антибиотикам, чем другие. Это связано с тем, что чрезмерное использование лекарств или слишком высокие дозы могут ослабить иммунную систему пациента, что способствует развитию и усилению болезни. Например, пациентам с раком требуется все более высокая доза лекарств из-за сниженной функции их иммунной системы.

Журналы

Некоторые научные журналы специализируются исключительно на эволюционной биологии в целом, включая журналы Evolution, Journal of Evolutionary Biology и BMC Evolutionary Biology. Другие журналы охватывают отдельные области эволюционной биологии, такие как журналы Systematic Biology, Molecular Biology and Evolution и его сестринский журнал Genome Biology and Evolution, а также Cladistics. Ряд журналов 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 имеют пересечения с экологией и другими аспектами биологии организмов. 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 затрагивают вопросы молекулярной генетики, которые не всегда напрямую связаны с эволюцией.