навчальні матеріали для проекту мобільного класу штучного інтелекту

Інші глави
Генетичні алгоритми
Генетичне програмування
Штучний ембріогенез
Еволюційний дизайн
Інтерактивні еволюційні обчислення
Екограмма
Еволюційне обладнання

природою

Основи еволюційної теорії

Еволюція - це складний процес, коли простіші форми життя стають складнішими, у розвитку вищими та досконалішими. Дарвін сформулював свою гіпотезу, яка пояснювала процес еволюції, в той час, коли про природу спадковості нічого не було відомо. Незнання генетики викликало у нього значні проблеми, про що він сам усвідомлював, і, можливо, саме тому він отримав із вчень Дж. Б. Ламарка (1744-1829) ознаки ідеї успадкування набутих рис. Ще за життя Брно Грегор Мендель (1822-1884) знову розкрив основні закони генетики, але ці відкриття потрапили в пил забуття на десятки років. Зрозуміло, що повторне відкриття генетики неодмінно повинно було виправити деякі аспекти теорії Дарвіна. Доповнення ідей Дарвіна знаннями про сучасну генетику та видалення останніх слідів ламаркизму (так званий "новий синтез") - це єдині дві корекції, які роблять його тим, що іноді називають неодарвінізмом. Зараз я спробую коротко описати еволюційну теорію в сучасному розумінні, як це дав, наприклад, відомий популяризатор дарвінізму Річард Докінз.

Якщо я особливо не наголошу на цьому, термін вид означатиме вид тварини, а не вид рослини, тому що ми, люди, також є "тваринами", а не рослинами, і нас цікавить дарвінізм головним чином тому, що він також говорить про наше походження.

Однак для початку я хотів би згадати деякі поняття генетики. Інформація про будову тіла людини міститься в молекулах ДНК, кожна з яких складається з пари лінійно послідовних нуклеотидів. Кожен нуклеотид складається з основи азоту, пентози (дезоксирибуз) та фосфорної кислоти. Нуклеотиди відрізняються один від одного лише основами, а молекули ДНК усіх живих організмів мають лише чотири різні основи (аденін, гуанін, тимін або цитозин). Елементарними одиницями генетичної інформації є триплети нуклеотидів, які визначають (кодують) порядок амінокислот у білках. Триплети - це «алфавіт», який використовується для запису генетичної інформації про весь організм, і тому їх називають кодонами. Молекули ДНК дуже довгі і тому, як правило, "упаковані" в хромосоми. Вони містяться у всіх клітинах кожного організму. Ті зрізи або комбінації зрізів ДНК, які несуть однозначну інформацію про ознаки індивіда, називаються генами. Сукупність усіх генів, яку визначає людина, називається геномом. Оскільки зміни в ДНК можуть призвести не лише до змін окремих генів, до їх рекомбінації, але і до зміни довжини ДНК і, отже, до зміни кількості генів, говорити лише про зміни генів буде неточним . Ось чому я віддаю перевагу терміну зміна геному.

Гени, як правило, несуть кілька альтернатив одній ознаці, яка називається алелями. Прикладами алелей можуть бути ті, хто відповідає за різні кольори очей або різні групи крові. Сукупність альтернатив, які індивід несе у своєму геномі, називається генотипом; риси, які реально проявляються в будові тіла людини, називаються фенотипом. Взаємозв'язок між фенотипом і генотипом пов'язаний з o.i. з явищами спаду та домінування, які призводять до того, що деякі алелі, навіть якщо вони присутні в геномах обох батьків, не з’являються зовні у нащадків: батько з карими очима може народити синьооку дитину (коричневий - це домінантний алель).

На цьому етапі слід підкреслити, що незнання генетики викликало у Дарвіна проблему саме тому, що він вважав, що риси його батьків усереднюються, тому йому було важко зрозуміти, як мутація може підтримуватися багатьма поколіннями спаровування з немутованими партнерами. Після усереднення його слід загубити за кілька поколінь, і ця ідея викликала у Дарвіна багато безсонних ночей. Сьогодні ми знаємо, що мутація - це постійна зміна геному (генетичного складу особини), яка не змінюється до наступної мутації одного з його нащадків. Приємно, що, незважаючи на незнання цього факту, Дарвін не відмовився від ідеї розвитку, накопичуючи невеликі зміни.

Мутація завжди трапляється лише з однією особою, тобто мутація - це не те, що вражає цілий вид або більшу групу тварин. За допомогою однієї мутації особина вирушила в подорож, яка могла зробити його родоначальником нового виду, який згодом міг стати новим родом, целадом (familia), орденом (ordo), класом або фермером. (Phyllum).

Друга важлива, але тривіально очевидна річ - мутації виникають перед розмноженням, під час гаметогенезу. В принципі, різні сперматозоїди одного вовка можуть мати різні мутації. Ембріон, що є результатом мутованого геному, нічого не може зробити з ним під час подальшого розвитку. Коли він дозріє, він може передати нову рису своїм нащадкам за законом Менделя, але це не обов’язково. Це єдині альтернативи. Закони Менделя є "двійковими", вони мають тип "так-ні".

Третя важлива особливість мутацій - їх висока частота, яка навмисно недооцінюється противниками еволюційної теорії. Вони підкреслюють, що справжні мутації (вставки, делеції або перестановки основ нуклеотидів) виникають в результаті дії ферментів, що відновлюють ДНК, з частотою лише приблизно одна на мільйон на клітину та одне покоління. Однак слід також враховувати кількість потенційних мутантів. Навіть якщо мутації відбувалися лише у одного потомства на мільйон, при кількох мільйонах нащадків одного виду, вони можуть траплятися більше одного разу в кожному поколінні. І цього досить! Стверджувати рідкість мутацій, забувати величезну кількість людей, яким вони піддаються, є тривіальною логічною помилкою! Крім того, враховуючи, що мутації можуть впливати на регуляторні гени, враховуючи роль дублювання та рекомбінації, немає страху перед неможливістю кардинальних змін протягом мільярдів років, що відбулися в еволюції. Зараз підтверджено, що середньостатистична людина народжується з приблизно 50-100 мутаціями, з яких близько 3 є ефективними, тобто вони насправді викликають зміну білка.

Геном - це будівельний план формування ембріонів. Немутований геном утворює звичайну молодь виду. Мутований геном створює інший зародок. Різниця може бути настільки шкідливою для молодняку, що він навіть не буде жити, щоб народити чи померти в молодому віці. Є також мутації, про які ти навіть не знаєш про дитинча і не впливає на його подальше життя - вони абсолютно нейтральні. Однак вони також є тими, які йому певною мірою принесуть користь. Я маю трохи представитись тут, тому що термін користь використовується людьми в різних сенсах. Корисна мутація - це така, яка приносить користь організму, на який вона вплинула, отримуючи їжу та розмножуючись. Користь не означає те, про що тварина знає. Навіть потенційний спостерігач-людина не може знати про користь однієї мутації. Зазвичай можна спостерігати лише накопичення кількох корисних мутацій, після чого стає зрозумілим, за якою фізичною властивістю мутації сприяли людині. Змінюючи середовище, спочатку нейтральна мутація може стати корисною, але і шкідливою.

І ось ми підійшли до ключової концепції ідеї Дарвіна, яка називається відбором шляхом природного відбору, і вона з’явилася приблизно так. Дарвін помітив величезний надлишок населення будь-якого виду. Т. Р. Мальтус (1766-1834) лише підтвердив йому те, що він сам добре знав: популяція кожного виду зростає в природних умовах за допомогою геометричного ряду. Його вразила різниця між народжуваністю та кількістю дорослих. За допомогою простого підрахунку видно, що лише незначна частина популяції більшості видів доживе до репродуктивного віку. Ця знахідка означає, що вижити в природних умовах дуже важко, що їжі занадто мало для занадто великої кількості голодних ротів, що занадто багато хижаків підстерігає вашу неуважність, занадто багато хвороб, які дуже хворіють. Це означає, що достатньо трохи неуважності і все закінчено. Коли ти дика тварина, тобі потрібно день і ніч не зводити з очей стебла, щоб взагалі вижити. І якщо ви хочете виродити потомство, у вас занадто багато конкурентів, які жадають тих самих самок.

Дарвін назвав цю ситуацію боротьбою за життя. Згадаймо слова самого автора:

"Я повинен зазначити з самого початку, що я використовую термін" боротьба за життя "в широкому і переносному значенні, і включаю в це поняття залежність однієї істоти від іншої. Але рослина на краю пустелі, як кажуть, бореться за живуть із посухою, рослина, яка щороку дає тисячі насіння, з яких у середньому росте лише одне, можна сказати, що воно бореться з рослинами. того ж виду або інших видів, які в даний час покривають грунт ". (Про походження Види 1859)

Ця ситуація має прості наслідки того, що кожна, навіть найменша, найнезначніша перевага, невидима перевага, може врятувати вам життя, може дозволити вам хоча б раз у своєму житті зачати нащадків, в яких ви жили. Якби не жахлива конкуренція, якби не було боротьби за життя, не було б еволюції, не було б гонки між все швидшими гепардами та дедалі уважнішими газелями Томпсона. Мутації, які ніхто не вибрав би були схожими на шрами, що пробігаються з відкритої паперової коробки у всіх напрямках. Відбір працює сьогодні і скрізь. Вона просто не може бачити її там, де її регулює боротьба за голе існування. Будь-яке відхилення в неправильному напрямку негайно виключається, як і у випадку з домашнім розведенням, будь-яке відхилення зберігається, що подобається заводчику, корисно це тварині чи ні.

Але має місце й протилежне: будь-яке відхилення в геномі, яке дозволяє його носії вижити і породити потомство, призведе до його збереження у нащадків. Навіть якщо це спричинить хоч малу і малу перевагу, частка тих, хто її має, зростатиме серед населення. Населення завжди обмежене: один гектар савани з родиною левів годує лише певну кількість газелей, і тому виживання одного означає, образно кажучи, вимирання іншого. Поява майже кожної нової ознаки призводить до поляризації досі рівноважної популяції.