Egzamin Ewolucjonizm PDF

Egzamin- ewolucjonizm 1. Darwinizm, neodarwinizm, syntetyczna teoria ewolucji, model integralny ewolucji -- rewolucja Darwinowska -- pochodzenie z modyfikacjami -- współczesna teoria ewolucji Ewolucja -- zmiana. Ewolucja biologiczna -- zmiany cech charakterystycznych dla całej grupy orga...

Egzamin- ewolucjonizm 1. Darwinizm, neodarwinizm, syntetyczna teoria ewolucji, model integralny ewolucji -- rewolucja Darwinowska -- pochodzenie z modyfikacjami -- współczesna teoria ewolucji Ewolucja -- zmiana. Ewolucja biologiczna -- zmiany cech charakterystycznych dla całej grupy organizmów, następujące z biegiem pokoleń. Darwinizm -- nauka dotycząca ewolucji biologicznej, opracowana przez Karola Darwina w XIX wieku. Opiera się na założeniu, że gatunki organizmów zmieniają się w czasie w wyniku działania mechanizmu doboru naturalnego. Kluczowe jego założenia to: - Zmienność organizmów -- w obrębie populacji istnieją różnice między osobnikami. Te różnice są dziedziczne i wynikają z mutacji genetycznych oraz rekombinacji genów - Dobór naturalny -- osobniki, które posiadają cechy lepiej przystosowujące je do środowiska, mają większe szanse na przeżycie i rozmnażanie się - Przetrwanie najlepiej dostosowanych -- przetrwają ci którzy najlepiej dopasowali się do warunków środowiska - Ewolucja jako proces stopniowy -- zmiany w populacjach gromadzą się z biegiem czasu Przykładem jest rozwój odporności na antybiotyki u bakterii Neodarwinizm - kierunek ewolucjonizmu powstały pod koniec XIX wieku, który zakłada, ze jedynym mechanizmem ewolucji organizmów jest dobór naturalny, zaś cechy nabyte w trakcie ontogenezy, czyli rozwoju osobniczego, nie są dziedziczone Syntetyczna teoria ewolucji -- według tej teorii dobór naturalny oddziałuje na zmieniającą się pulę genową całej populacji i kontroluje wszelkie zmiany ewolucyjne. Główne założenia: - Ewolucja opiera się na zmienności genetycznej -- zmienność genetyczna jest wynikiem mutacji, rekombinacji genów podczas rozmnażania oraz przepływu genów między populacjami. Mutacje są źródłem nowych cech, ale same w sobie są losowe - Dobór naturalny kierują ewolucją -- osobniki najlepiej przystosowane do środowiska mają większe szanse na przeżycie i przekazanie swoich genów - Populacje są jednostką ewolucji -- ewolucja zachodzi na poziomie populacji, a nie indywidualnych organizmów - Specjacja prowadzi do powstawania nowych gatunków -- nowe gatunki powstają w wyniku izolacji genetycznej i akumulacji różnic genetycznych między populacjami Model integralny ewolucji -- to nowoczesne podejście do wyjaśniania procesów ewolucyjnych. Główne założenia: - Wieloaspektowość procesów ewolucji -- ewolucja nie ogranicza się tylko do zmian genetycznych i biologicznych, ale obejmuje także zmiany w zachowaniach, kulturze, technologii i środowisku - Poziomy organizacji -- ewolucja działa na różnych poziomach od molekularnego po ekosystemowy - Dynamiczne interakcje -- ewolucja wynika z interakcji między różnymi czynnikami tj. genetyka, epigenetyka, środowisko, zachowania społeczne - Sprzężenia zwrotne -- procesy ewolucyjne tworzą systemy złożone, w których występują sprzężenia zwrotne Rewolucja Darwinowska Składa się w rzeczywistości z 5 teorii 1. Teoria ewolucji to prosty postulat, że cechy linii filetycznych organizmów zmieniają się z biegiem czasu. Darwin jako pierwszy przedstawił dowody choć nie był pierwszym autorem tego pomysłu 2. Teoria wspólnego pochodzenia. Darwin jako pierwszy doszedł do wniosku, że gatunki pochodzą od wspólnych przodków oraz że wszystkie organizmu mogą tworzyć jedno wspólne drzewo rodowe 3. Teoria gradualizmu, to pogląd, że różnice między bardzo nawet odmiennymi organizmami wyewoluowały stopniowo, małymi krokami, przez formy pośrednie. 4. Teoria zmian populacyjnych to teza, że ewolucja zachodzi w wyniku zmian częstości występowania w obrębie populacji osobników o różnych cechach. Oryginalny pomysł Darwina 5. Teoria doboru naturalnego, że zmiany częstości występowania osobników o różnych cechach sa spowodowane ich zróżnicowana zdolnością przeżywania Obaliła ona wcześniejsze poglądy. Darwin odrzucił teorię stałości gatunków. Wyjaśnił jak różnorodność gatunków wynika z ewolucji w różnych środowiskach. Współczesna teoria ewolucji -- to rozwinięcie darwinizmu, które łączu mechanizmy doboru naturalnego z osiągnięciami genetyki, biologii molekularnej oraz ekologii. Podstawą jest zmienność genetyczna, wynikająca z mutacji, rekombinacji i dryfu genetycznego. Specjacja zachodzi w wyniku izolacji populacji i akumulacji różnic genetycznych. Teoria ta tłumaczy zarówno zmiany w populacjach jak i powstawanie nowych gatunków. Inaczej zwana nowoczesną syntezą. 2. Dowody potwierdzające teorię ewolucji Skamieniałe szczątki organizmów -- w skałach osadowych znajdują się skamieniałe szczątki organizmów, fragmenty roślin. Dzięki nim można odtworzyć przypuszczalny wygląd wymarłych już dawno organizmów Dowody anatomiczne -- podobieństwo w budowie anatomicznej różnych organizmów, wskazujące na wspólnego przodka, narządy które utraciły swoją pierwotną funkcję np. kość ogonowa u ludzi. Struktury pełniące podobne funkcje, ale powstałe niezależnie w wyniku konwergencji ewolucyjnej np. skrzydła ptaków i owadów Ślady działalności organizmów -- odciski liści, piór i tropów zwierząt. Dostarczają informacji o rozmiarach osobników należących do różnych gatunków i sposobach ich poruszania się Dowody embriologiczne -- zarodki różnych gatunków, we wczesnych stadiach rozwoju są bardzo podobne, co sugeruje wspólne pochodzenie Dowody genetyczne i molekularne -- wspólne geny, geny pełniące te same funkcje u różnych gatunków 3. Jednostki ewolucji Gen -- podstawowa jednostka dziedziczności, ewolucja zachodzi, gdy zmienia się częstość alleli Allele -- warianty genów, ewolucja na poziomie genetycznym polega na zmianie proporcji alleli w populacji w czasie Osobnik -- jest nosicielem genów i działa jako jednostka interakcji z środowiskiem Populacja -- zbiór osobników tego samego gatunku, żyjących na określonym obszarze i mogących się krzyżować. Główna jednostka analizy zmian ewolucyjnych Gatunek -- jednostka makroewolucji, a proces powstawania nowych gatunków jest kluczowy dla różnorodności życia 4. Zmienność organizmów -- źródła zmienności Odnosi się do różnorodności cech występujących w obrębie populacji lub gatunku Rodzaje zmienności - Zmienność genetyczna -- wynika z różnic w materiale genetycznym między organizmami. Jest dziedziczna i przekazywana z pokolenia na pokolenie np. różne kolory sierści u zwierząt - Zmienność środowiskowa (modyfikacyjna) -- powstaje pod wpływem czynników środowiskowych i nie jest dziedziczna np. wzrost roślin zależny od dostępności wody - Zmienność fenotypowa -- wynika z interakcji genów i środowiska. Fenotyp może być różny nawet przy tym samym genotypie, jeśli środowisko oddziałuje w inny sposób - Zmienność ciągła i nieciągła - Ciągła -- cechy zmieniają się płynnie np. wzrost, masa ciała - Nieciągła -- cechy wyraźnie różne np. grupy krwi Źródła zmienności genetycznej - Mutacje -- losowe zmiany w materiale genetycznym, mogą być korzystne, szkodliwe lub neutralne. Rodzaje mutacji: - Genowe -- zmiany w obrębie jednego genu - Chromosomowe -- zmiany w strukturze chromosomów - Genomowe -- zmiany w liczbie chromosomów - Rekombinacja genetyczna -- zachodzi podczas mejozy, prowadzi do mieszania materiału genetycznego pochodzącego od rodziców, tworząc unikalne kombinacje alleli - Losowe łączenie gamet -- podczas zapłodnienia różne komórki płciowe łączą ię w sposób przypadkowy - Przepływ genów -- wymiana genów między populacjami w wyniku migracji osobników - Dryf genetyczny -- losowe zmiany w częstości alleli, szczególnie w małych populacjach - Duplikacje genów -- kopiowanie genów lub całych ich grup, które mogą ewoluować pełniąc nowe funkcje - Poliploidia -- zjawisko głównie u roślin, polegające na posiadaniu więcej niż dwóch zestawów chromosomów, może prowadzić do powstawania nowych gatunków 5. Przepływ genów przez populację -- równanie Hardy'ego i Weinberga Przepływ genów to proces, w którym allele przenoszone są między populacjami. Jest to jedna z podstawowych sił ewolucyjnych. Przepływ wprowadza nowe allele do populacji lub zmienia ich częstości, wpływając na zmienność genetyczną i strukturę populacji. Przykłady przepływu - Migracja osobników -- osobnik migrujący z jednej populacji do drugiej np. ptaki migrujące między różnymi obszarami - Rozprzestrzenianie się pyłku -- u roślin przepływ genów może następować przez zapylenie Rola przepływu - Zwiększenie zmienności genetycznej - Zmniejszenie różnić między populacjami - Zwiększenie różnorodności w obrębie populacji Czynniki wpływające na przepływ genów - Izolacja geograficzna -- populacje, które są oddzielone fizycznymi barierami np. górami mają mniejszy kontakt i mniejszy przepływ genów - Bariera ekologiczna -- zróżnicowanie środowiska naturalnego może ograniczać przepływ genów - Bariera reprodukcyjna -- niekiedy różnice w zachowaniach godowych lub preferencjach mogą ograniczać krzyżowanie się osobników różnych populacji Równanie Hardy'ego-Weinberga opisuje zachowanie się alleli w populacji w stanie równowagi genetycznej, pozwala przewidywać częstość genotypów i alleli w kolejnych pokoleniach przy założeniu braku czynników zakłócających Dla genu z dwoma allelami, allel dominujący i recesywny Zakładamy, że p+q=1 W populacji w stanie równowagi genetycznej częstości genotypów wynoszą - Homozygoty dominujące (AA) p^2^ - Heterozygoty (Aa) 2pq - Homozygoty recesywne (aa) q^2^ Równanie: p^2^+2pq+q^2^=1 Przepływ genów wprowadza zmiany do równowagi genetycznej, a tym samym wpływa na częstość alleli p i q w populacji. Jeśli występuje przepływ genów między dwiema populacjami nie będziemy mogli zastosować tego równania do przewidywania częstości alleli i genotypów, gdzie byłoby to możliwe, gdyby populacja była izolowana Wzór na zmienność w wyniku przepływu genów: Założenia równowagi Hardy'ego-Weinberga 1. Brak mutacji 2. Brak doboru naturalnego 3. Losowe kojarzenie 4. Brak migracji 5. Duża populacja Podsumowując przepływ genów zakłóca równowagę Hardy'ego-Weinberga, ponieważ wprowadza nowe allele do populacji i zmienia ich częstość. Równanie te jest użyteczne do przewidywania struktur genotypów w populacjach, które sa izolowane od przepływu genów. 6. Dobór naturalny -- modele doboru Jeden z mechanizmów ewolucji biologicznej prowadzący do ukierunkowanych zmian w populacji zwiększających przeciętne przystosowanie, czyli adaptację do warunków środowiskowych poza okresem wymierania Dobór stabilizujący -- eliminuje osobniki o skrajnej intensywności cech, zwężając ,,dzwon" tym bardziej im stabilniejsze jest środowisko Dobór kierunkowy -- eliminuje osobniki o skrajnie małej lub dużej intensywności cech, powodując przesunięcie ,,dzwonu'' w prawo lub w lewo Dobór różnicujący -- eliminuje osobniki o umiarkowanej intensywności cech, powodując przekształcenie wykresu z dzwono kształtnego na dwa osobne dzwony. Odpowiada powstaniu dwóch nowych gatunków lub odmian w zależności od liczby badanych cech Dobór apostatyczny -- faworyzuje osobniki o cechach całkowicie odbiegających od reszty, jest niemożliwy do przedstawienia na wykresie. Przykładem są białka układu odpornościowego oraz białka na powierzchni ciał pasożytów 7. Dryf genetyczny a przepływ genów Tempo w jakim populacje dryfują ku utrwaleniu któregoś z alleli, jest odwrotnie proporcjonalne do efektywnej wielkości populacji. Dryf genetyczny -- to przypadkowe zmiany w częstotliwości alleli w populacji, które są wynikiem losowych zdarzeń np. przypadkowego rozmnażania. Wynika z losowości a nie selekcji naturalnej. Przykładem może być sytuacja, gdy niewielka liczba osobników założy nową populację (efekt założyciela) lub gdy populacja drastycznie się zmniejsza (efekt wąskiego gardła). Jest bardziej wyraźny w małych populacjach. Może prowadzić do utraty różnorodności genetycznej. Zmiany losowe i niekoniecznie korzystne dla przystosowania populacji. Przepływ genów -- to wymiana alleli między populacjami poprzez migrację osobników lub przenoszenie się gamet np. pyłek kwiatowy. Dochodzi do niego, gdy osobniki z jednej populacji wchodzą w interakcję z druga populacją i rozmnażają się, wprowadzając swoje allele do nowej puli genowej. Zwiększa różnorodność genetyczną w populacji. Może zmniejszać różnice genetyczne między populacjami, prowadząc do ich homogenizacji. Zazwyczaj działa w sposób korzystny dla przystosowania, wprowadzając nowe allele, które mogą zwiększyć zdolność przetrwania populacji. 8. Adaptacje To dziedziczne cechy, które zwiekszają szanse organizmów na przeżycie i przekazanie genów w danym środowisku. Mogą dotyczyć: formy ciała, procesów życiowych, zachowania Rodzaje adaptacji 1. Morfologiczne a. Dotyczące budowy ciała np. gruba sierść u niedźwiedzi polarnych chroniąca przed zimnem 2. Fizjologiczne b. Związane z funkcjonowaniem organizmu np. hemoglobina o wyższej zdolności wiązania tlenu u zwierząt żyjących na dużych wysokościach 3. Behawioralne c. Dotyczące zachowania np. ptaki wędrowne opuszczające zimą obszary o trudnych warunkach pogodowych, drapieżniki stosujące strategię polowania Adaptacje powstają w wyniku działania: - Doboru naturalnego -- osobniki lepiej przystosowanie do środowiska mają większą szansę na przeżycie i przekazanie genów - Mutacje -- zmiany w materiale genetycznym mogą prowadzić do powstawania nowych cech - Dryf genetyczny -- losowe zmiany mogą wpływać na adaptacje, zwłaszcza w małych populacjach - Przepływ genów -- wprowadzenie nowych genów z innych populacji może prowadzić do lepszej adaptacji do zmieniających się warunków Przykłady adaptacji Rośliny pustynne - kaktusy mają zdolność magazynowania wody i minimalizowania jej utraty dzięki liściom zamienionym w kolce Zwierzęta Afryki -- białe ubarwienie niedźwiedzi polarnych umożliwia kamuflaż w śnieżnym otoczeniu Drapieżniki -- gepardy są przystosowane d szybkiego biegu, co umożliwia skuteczne polowanie na ofiary Bakterie - zdolność do rozwijania oporności na antybiotyki to przykład szybkiej adaptacji do presji środowiskowej Znaczenie adaptacji - Sa kluczowym dowodem na działanie ewolucji, ponieważ pokazują jak organizmy przekształcają się w odpowiedzi na zmieniające się środowisko - Sa dynamicznie: adaptacje mogą zaniknąć, jeśli przestają być korzystne w nowym środowisku 9. Dobór płciowy i jego znaczenie w dostosowaniu Szczególny przypadek doboru naturalnego, gdzie o dostosowaniu decyduje postrzegana atrakcyjność dla płci przeciwnej. Zwiększa atrakcyjność, zwiększa konkurencyjność, poprawiają skuteczność reprodukcyjna Mechanizmy doboru płciowego 1. Między płciami (selekcja interseksualna) a. Dotyczy wyboru partnera przez jedna z płci, najczęściej samice np. samice pawia wybierają samce z najbardziej imponującymi ogonami, mimo że może on zwiększać ryzyko ataku drapieżników 2. Dobór wewnątrz płci (selekcja intraseksulana) b. Dotyczy konkurencji między osobnikami tej samej płci o dostęp do partnerów np. walki między samcami jeleni o prawo do rozmnażania się z samicami Przykłady cech związane z doborem płciowym Cechy fizyczne: rogi jeleni, barwne pióra u ptaków Cechy behawioralne: pieśni ptaków, tańce godowe Zachowania rywalizacyjne: walki samców Znaczenie w dostosowaniu 1. Hipoteza atrakcyjnych synów. W wyniku przypadku większość samic posiądzie gust skłaniający do preferowania danej cechy, dla reszty samic każda mutacja upodabniająca ich gusta do gustu większości będzie dla nich korzystna. 2. Hipoteza handicapu. Zgodnie z nią samcom miałoby się opłacać reklamować swoja sprawność pewnym stopniem upośledzenia relatywnym tej sprawności. Hipoteza atrakcyjnych synów została odrzucona a handicapu przyjęta, zadecydowało o tym 1. Sprzeczność hipotezy atrakcyjnych synów z teorią doboru naturalnego 2. Dane empiryczne 3. Brak konkluzywności hipotezy atrakcyjnych synów Każda nowa cecha jest niepreferowana przez większość samic, bo skłonność do niej nie miała czasu jeszcze się pojawić Dane empiryczne mówią o tym, że samice preferują niektóre cechy tym bardziej im bardziej intensywne one sa Córki dziedziczą gust po matce a synowie po ojcu cechy, w których gustuje matka 10. Poliploidyzacja, intogresja jako mechanizmy ewolucji Poliploidyzacja to proces, w którym organizm uzyskuje dodatkowe zestawy chromosomów. W normalnych warunkach organizmy diploidalne mają dwa zestawy chromosomów (2n), ale w jej wyniku ta liczba może wzrosnąć do 3n, 4n, a nawet więcej Mechanizm Poliploidyzacja może zachodzić w wyniku: - Błędów w mitozie lub w mejozie -- powstają gamety z więcej niż jednym zestawem chromosomów - Krzyżowania międzygatunkowego (Alloploiploidyzacja) -- połączenie genomów dwóch różnych gatunków - Samodublowania genomu (Autopoliploidyzacja) -- powielanie zestawu chromosomów w obrębie jednego gatunku Znaczenie w ewolucji - Poliploidy często nie mogą się krzyżować z gatunkami diploidalnymi, co prowadzi do izolacji reprodukcyjnej i powstawania nowych gatunków np. powstanie pszenicy, truskawki - Zwiększanie różnorodności genetycznej - Poliploidy są często bardziej odporne na zmienne warunki środowiskowe, ponieważ mają więcej kopii genów Introgresja to proces wprowadzenia genów z jednego gatunku do puli genowej innego gatunku poprzez krzyżowanie międzygatunkowe i powtarzające się krzyżowania wsteczne (z jednym z pierwotnych gatunków rodzicielskich) Mechanizm - Hybrydyzacja -- dochodzi do skrzyżowania osobników z dwóch różnych gatunków - Krzyżowanie wsteczne - hybrydy krzyżują się z jednym z rodzicielskich gatunków, co prowadzi do wprowadzenia części obecnego DNA do genomu populacji - Utrwalanie puli genowej -- obce geny mogą być zachowanie w populacji, jeśli dają korzyści adaptacyjne lub nie są eliminowane przez dobór naturalny Znaczenie w ewolucji - Może wprowadzać korzystne cechy z jednego gatunku do innego np. odporność na choroby - Zwiększenie różnorodności genetycznej -- proces ten wzbogaca pulę genową populacji, co zwiększa potencjał adaptacyjny i zdolność przystosowania do zmieniających się warunków - Rozmywanie granic gatunkowych -- introgresja może prowadzić do wymian genów między gatunkami, co czasami komplikuje definicje gatunku 11. Koncepcja gatunku To pojęcie odnoszące się do jednostki klasyfikacyjnej w systematyce organizmów. Jest podstawowym poziomem organizacji biologicznej, a różne koncepcje definiują go na podstawie cech morfologicznych, genetycznych, ekologicznych lub reprodukcyjnych. Biologiczna koncepcja gatunku (Ernst Mayr, 1942) Gatunek to grupa populacji, które mogą się swobodnie krzyżować i wydawać na świat płodne potomstwo, ale są reprodukcyjnie izolowane od innych takich grup Zalety: - Uwzględnia mechanizmy reprodukcji i izolację genetyczną - Poskreśla znaczenie wymiany genów Ograniczenia - Nie dotyczy organizmów rozmnażających się bezpłciowo - Nie zawsze jest praktyczna w przypadku gatunków wymarłych, gdzie brakuje danych o rozmnażaniu Morfologiczna koncepcja gatunku Gatunek to grupa organizmów charakteryzujących się podobnymi cechami morfologicznymi np. kształtem, wielkością Zalety: - Może być stosowana do organizmów kopalnych - Jest użyteczna, gdy brak jest danych genetycznych Ograniczenia - Cechy morfologiczne mogą być zmienne wewnątrz gatunku - Zjawiska, takie jak mimikra czy konwergencja, mogą prowadzić do błędów Ekologiczna koncepcja gatunku Gatunek to grupa organizmów zajmujących określoną niszę ekologiczną (czyli wykorzystujących te same zasoby i funkcjonujących w podobnym środowisku) Zalety - Uwzględnia rolę środowiska w kształtowaniu populacji - Pomaga zrozumieć interakcję między gatunkami Ograniczenia - Trudność w precyzyjnym określeniu niszy ekologicznej - Gatunki mogą współdzielić zasoby w pewnym zakresie Filogenetyczna koncepcja gatunku Gatunek to najmniejsza grupa organizmów mających wspólnego przodka wyróżniająca się unikalnymi cechami genetycznymi Zalety: - Uwzględnia dane genetyczne i pokrewieństwo ewolucyjne - Może być stosowana do szerokiej gamy organizmów, w tym wymarłych Ograniczenia - Wymaga zaawansowanych analiz genetycznych - Trudności w określaniu granic między populacjami o niewielkich różnicach genetycznych Ewolucyjna koncepcja gatunku Gatunek to pojedyncza linia przodków i potomków, która ma odrębną tożsamość ewolucyjną i unikalną historię ewolucyjną Zalety: - Uwzględnia procesy ewolucyjne - Może być stosowana do organizmów żyjących i wymarłych Ograniczenia: - Trudność w określaniu momentu, w którym nowy gatunek się wyłania 12. Specjacja -- typy specjacji Specjacja biologiczna -- proces powstawania nowych gatunków Typy specjacji biologicznej ze względu na efekt: - Specjacja radiacyjna -- zwiększanie liczby gatunków przez wyodrębnienie się nowego gatunku z gatunku już istniejącego - Specjacja filetyczna -- przekształcanie się jednego gatunku w inny - Introgresja -- połączenie się dwóch gatunków w jednej w wyniku wielokrotnego krzyżowania mieszańców Typy specjacji ze względu na przyczynę - Specjacja allopatryczna -- gdy przyczyną specjacji jest bariera geograficzna, uniemożliwiająca fizyczny kontakt pomiędzy rozdzielonymi populacjami - Specjacja parapatryczna -- gdy nie ma pełnej izolacji, ale jedynie częściowa np. ze względu na odległość - Specjacja sympatryczna -- gdy występuje na tym samym obszarze w wyniku barier anatomicznych, etiologicznych, sezonowych i innych 13. Strefy mieszańcowe -- hybrydyzacja gatunków -- znaczenie ewolucyjne Strefy mieszańcowe To obszary, gdzie dochodzi do kontaktu i krzyżowania się osobników z dwóch różnych populacji lub gatunków. Wynikiem tego są mieszańce, które posiadają cechy obu gatunków Charakterystyka - Stabilność -- niektóre strefy utrzymują się przez długi czas dzięki równowadze między krzyżowaniem a selekcją - Dynamika -- mogą zmieniać swoje położenie w przestrzeni w odpowiedzi na zmiany środowiskowe np. zmiany klimatyczne - Szerokość -- zależy od stopnia izolacji reprodukcyjnej między gatunkami i intensywności przepływu genów Przykłady - Wilki i kojoty w Ameryce Północnej tworzą mieszańce o różnej płodności - Kosy miejskie i leśne -- w Europie tworzą strefy mieszańcowe między populacjami o odmiennych preferencjach siedliskowych Hybrydyzacja gatunków To proces krzyżowania się osobników należących do różnych gatunków lub populacji, prowadzący do wymiany genów między nimi. Typy: 1. Pierwotna hybrydyzacja -- jednorazowe krzyżowanie się dwóch gatunków, które może prowadzić do powstania mieszańców 2. Wsteczna hybrydyzacja - hybrydy krzyżują się z jednym z gatunków rodzicielskich, co prowadzi do wprowadzenia obcych genów do genomu jednego z gatunków Skutki: - Powstawanie nowych gatunków = hybrydy mogą z czasem stać się odrębnymi gatunkami, jeśli osiągną izolację reprodukcyjną od obu gatunków rodzicielskich - Transfer genów adaptacyjnych -- hybrydy mogą wprowadzać korzystne geny do populacji rodzicielskich Znaczenie ewolucyjne stref mieszańcowych i hybrydyzacji a. Źródło różnorodności genetycznej -- hybrydyzacja wprowadza nowe kombinacje alleli, zwiększając różnorodność genetyczną w populacji. b. Procesy specjacji hybrydowej -- mieszańce mogą osiągnąć izolację reprodukcyjną od swoich gatunków rodzicielskich, co prowadzi do powstania nowych gatunków c. Adaptacje lokalne -- hybrydyzacja może umożliwić gatunkom szybsze przystosowanie się do nowych środowisk poprzez transfer genów adaptacyjnych d. Stabilność ekosystemów -- hybrydy mogą pełnić unikalne role ekologiczne, wspierając różnorodność i stabilność ekosystemów e. Rozmywanie granic gatunkowych -- przepływ genów między gatunkami w strefach mieszańcowych może prowadzić do trudności w definiowaniu granic gatunków 14. Czas i szybkość ewolucji (doboru, specjacji) Czas i tempo ewolucji a. Mikroewolucja i makroewolucja Mikroewolucja - Zachodzi w krótkich skalach czasowych (pokolenia) i dotyczy zmian w częstości alleli w populacji np. rozwój oporności bakterii na antybiotyki Makroewolucja - Obejmuje długoterminowe procesy prowadzące do specjacji i wielkich przekształceń w grupach organizmów np. ewolucja ssaków z przodków gadów b. Szybkość ewolucji Gradualizm - Ewolucja zachodzi w sposób stopniowy, z niewielkimi zmianami akumulującymi się w długim czasie - Teoria Darwina była oparta na gradualizmie - Przykład: powolna ewolucja koni przez miliony lat Punktualizm - Ewolucja przebiega w krótkich okresach szybkich zmian przeplatanych długimi okresami stabilności - Przykład: nagłe pojawienie się nowych gatunków w zapisie kopalnym Szybka ewolucja - Może wystąpić w odpowiedzi na gwałtowne zmiany środowiskowe lub silną presje selekcyjna - Przykład: ewolucja przemysłowa u ćmy Czynniki wpływające na szybkość doboru - Intensywność presji selekcyjnej np. nagłe zmiany klimatu - Czas pokolenia (krótsze pokolenia = szybsza ewolucja) - Poziom zmienności genetycznej w populacji 15. Historia życia na Ziemi: powstanie życia -- koncepcje, zapis kopalny, głównie wydarzenia w historii życia, dryf kontynentów, stratygrafia, masowe wymierania -- Big Five, radiacja adaptatywna, biota różnych okresów ewolucji Powstanie życia -- koncepcje Hipoteza abiogenezy: - Życie powstało z materii nieożywionej poprzez stopniowe formowanie się złożonych związków organicznych. - Doświadczenie Millera-Ureya (1953): Sztuczna symulacja pierwotnej atmosfery wykazała, że proste związki organiczne (aminokwasy) mogą powstać w warunkach abiogenicznych. - Teoria Oparina-Haldane'a: Życie wyewoluowało w „pierwotnej zupie" oceanów. Hipoteza hydrotermalnych kominów: - Życie mogło powstać w głębinach oceanicznych wokół hydrotermalnych źródeł, gdzie warunki sprzyjały tworzeniu organicznych molekuł. Hipoteza panspermii: - Życie mogło przybyć na Ziemię na meteorytach lub kometach w formie przetrwalników mikroorganizmów. Hipoteza RNA: - RNA było pierwszą cząsteczką zdolną do samoreplikacji i katalizowania reakcji biochemicznych (świat RNA). Zapis kopalny Najstarsze ślady życia: - Stromatolity (3,5 miliarda lat temu): Kopalne struktury utworzone przez cyjanobakterie. - Izotopowe dowody życia: Skład izotopowy węgla w skałach sugeruje istnienie organizmów fotosyntetyzujących ok. 3,8 mld lat temu. Znaczenie zapisu kopalnego: - Ukazuje etapy ewolucji życia, od prostych organizmów prokariotycznych do skomplikowanych wielokomórkowych form. - Gaps in the record (luki w zapisie kopalnym) wynikają z ograniczeń w procesach fosylizacji. Główne wydarzenia w historii życia 1. Pojawienie się prokariotów (\~3,8 mld lat temu). 2. Fotosynteza tlenowa (\~2,5 mld lat temu): a. Cyjanobakterie zaczęły produkować tlen, co doprowadziło do Wielkiego Wydarzenia Tlenowego. 3. Ewolucja eukariotów (\~2,1 mld lat temu): b. Teoria endosymbiozy: Komórki eukariotyczne powstały dzięki wchłonięciu przez prokariotę innych organizmów, np. mitochondriów. 4. Wielokomórkowość (\~1 mld lat temu): c. Powstanie organizmów wielokomórkowych umożliwiło większą specjalizację i złożoność. Dryf kontynentów i stratygrafia Dryf kontynentów: - Teoria Wegenera (1912): Kontynenty kiedyś tworzyły superkontynent Pangea, który rozpadł się na obecne kontynenty. - Dryf kontynentów miał ogromny wpływ na ewolucję, kształtując klimat, migrację organizmów i biogeografię. Stratygrafia: - Układ warstw geologicznych pozwala określić wiek i kolejność występowania organizmów w historii Ziemi. - Podstawowe jednostki czasu geologicznego: - Ery (np. paleozoik, mezozoik, kenozoik). - Okresy (np. kambr, trias, kreda). Masowe wymierania - Big Five Masowe wymierania to okresy gwałtownej utraty różnorodności biologicznej. Największe wymierania: 1. Ordowickie-Sylurskie (\~445 mln lat temu): - Wymarło \~85% gatunków. Przyczyna: zlodowacenie i spadek poziomu morza. 2. Dewońskie (\~375 mln lat temu): - Wymarło \~75% gatunków. Możliwe przyczyny: zmiany klimatyczne, anoksja oceaniczna. 3. Permskie (Wielkie Wymieranie, \~252 mln lat temu): - Największe wymieranie: \~96% gatunków morskich. Przyczyna: wulkanizm, metan w atmosferze. 4. Triasowe (\~201 mln lat temu): - Wymarło \~80% gatunków. Przyczyna: aktywność wulkaniczna i zmiany klimatyczne. 5. Kredowe (\~66 mln lat temu): - Wymarcie dinozaurów (oprócz ptaków). Przyczyna: uderzenie meteorytu (krater Chicxulub). Radiacja adaptatywna Radiacja adaptatywna to szybkie różnicowanie się grupy organizmów w odpowiedzi na nowe nisze ekologiczne. Przykłady radiacji adaptatywnej: 1. Eksplozja kambryjska (\~540 mln lat temu): - Nagłe pojawienie się większości współczesnych typów zwierząt. 2. Ssaki po wymarciu dinozaurów: - Zajęcie nisz ekosystemowych po wyginięciu dominujących gadów. 3. Zięby Darwina: - Różnicowanie dziobów w zależności od dostępnego pożywienia na Galapagos. Biota różnych okresów ewolucji Prekambryj (4,6 mld -- 541 mln lat temu): - Prokaryoty, stromatolity, pierwsze eukarionty. Paleozoik (541 -- 252 mln lat temu): - Kambr: Eksplozja kambryjska, trylobity. - Ordowik: Pierwsze kręgowce. - Sylur: Rośliny lądowe. - Dewon: Ryby, pierwsze płazy. - Karbon: Las karbonu, pierwsze owady latające. - Perm: Gady ssakokształtne. Mezozoik (252 -- 66 mln lat temu): - Trias: Drapieżne dinozaury, pierwsze ssaki. - Jura: Dinozaury dominują, pierwsze ptaki. - Kreda: Rozwój roślin okrytonasiennych. Kenozoik (66 mln lat temu -- obecnie): - Radiacja ssaków, ptaków i roślin kwiatowych. - Pojawienie się hominidów. 16. Filogeneza i drzewo życia Filogeneza To gałąź biologii zajmująca się badaniem ewolucyjnych powiązań między różnymi organizmami. Jej celem jest odtworzenie historii rozwoju życia na Ziemi, uwzględniając wspólnych przodków i rozgałęzienia, które miały miejsce w procesie ewolucji. Drzewo życia Jest geograficzną reprezentacją filogenezy wszystkich organizmów, pokazującą, jak poszczególne grupy organizmów są ze sobą powiązane w wyniku wspólnego pochodzenia. Struktura tego drzewa jest hierarchiczna i gałęziasta, z każdą gałęzią reprezentującą grupę organizmów, które wyewoluowały ze wspólnego przodka. Drzewo życia na ogół dzieli się na: - Bakterie -- jednokomórkowe organizmy prokariotyczne - Archeony -- także prokariotyczne organizmy, ale różnią się od bakterii pod względem genetycznym i biochemicznym - Eukarionty -- organizmy posiadające jadro komórkowe, w tym rośliny, zwierzęta, grzyby i protisty Klasa monofiletyczna -- jeśli wywodzą się od wspólnego przodka, który jest również częścią tej grupy, a wszyscy jego potomkowie są w niej zawarci. Np. kręgowce Klasa parafiletyczna -- jeśli pochodzi od wspólnego przodka, ale nie zawiera wszystkich potomków tego przodka. Pomija niektóre organizmy, które wywodzą się od tego samego przodka. Np. gady które nie obejmują ptaków Grupa polifiletyczna -- nie pochodzi od wspólnego przodka, a jej członkowie wyewoluowali z różnych liii filogenezy np. latające zwierzęta takie jak ptaki, nietoperze, owady który wyewoluowały zdolność latania 17. Ewolucja neutralna Odnosi się do zmian w genomach organizmów, które nie wpływają na ich przetrwanie ani rozmnażanie, czyli są neutralne pod względem selekcji naturalnej. Kluczowe założenia - Neutralne zmiany genetyczne -- niektóre zmiany w DNA, jak mutacje, nie mają wpływu na funkcję białek lub innych produktów genów - Brak selekcji naturalnej -- mutacje nie są selekcjonowanie ani pozytywnie, ani negatywnie, ponieważ nie wpływają na zdolność organizmu do przetrwania i rozmnażania się - Randomowa zmiana -- zmiany neutralne w genomie mogą utrzymywać się w populacji dzięki losowym zmianom w częstotliwości alleli, czyli dzięki dryfowi genetycznemu - Zmiany w DNA -- mogą obejmować mutacje w regionach niekodujących Dna lub które nie zmieniają kodonów w sposób, który wpływa na końcową strukturę białek W rzeczywistości wiele mutacji, które początkowo wydają się neutralne, mogą z czasem okazać się korzystne lub szkodliwe w określonych warunkach środowiskowych 18. Zegar molekularny To narzędzie stosowane do szacowania czasu, który upłynął od momentu rozdzielenia się dwóch gatunków lub grup organizmów na podstawie zmian w ich DNA lub białkach Kluczowe założenia - Stała stopa mutacji -- założenie, że mutacje zachodzą w organizmach w stałym, przewidywalnym tempie, co pozwala obliczyć czas, który minął od wspólnego przodka organizmów - Zmiany neutralne -- opiera się głównie na zmianach neutralnych - Aby wykorzystać zegar molekularny, porównywana jest sekwencja Dla lub białek dwóch lub więcej organizmów Jak działa? Naukowcy liczą, ile mutacji zaszło w czasie, który upłynął od ich ostatniego wspólnego przodka. Jeśli znana jest częstotliwość mutacji można oszacować czas który upłynął Typy zegarów Genowy -- wykorzystuje tempo mutacji w genach, szczególnie tych które nie wpływają na funkcje organizmu Białkowy -- może polegać na porównaniu sekwencji białek w różnych organizmach 19. Znaczenie cech morfologicznych i molekularnych w odtwarzaniu ewolucji Cechy morfologiczne Kształt ciała, rozmiar, układ narządów, cechy budowy zewnętrznej. - Pomoc w klasyfikacji organizmów -- na podstawie podobieństw i różnić w budowie ciała, organizmy są grupowane w rodziny, rzędy, gromady itp. - Identyfikacja pokrewieństw -- pomagają w identyfikacji pokrewieństw między organizmami - Analiza skamieniałości- kluczowe w badaniach skamieniałości organizmów, nie zawierają materiału genetycznego Ograniczenia - Ewolucja konwergentna -- czasem organizmy niezwiązane ze sobą ewolucyjnie mogą rozwijać podobne cechy morfologiczne, wynikające z podobnych warunków środowiskowych - Zmiany morfologiczne mogą być wolniejsze niż molekularne Cechy molekularne Sekwencje DNA, białka, różnice w genotypach, profil genowy - Większa precyzja w określaniu podobieństw - Rekonstrukcja drzew filogenezy -- dokładniejsze drzewa - Zegar molekularny -- pozwala na oszacowanie, kiedy doszło do rozdzielenia się grup organizmów - Rozwiązanie problemu z ewoluują konwergentna -- sekwencje DNA i białek dają bardziej wiarygodne dane na temat wspólnego pochodzenia organizmów Ograniczenia - Potrzebna jest dokładna baza danych - Czasochłonność i koszt 20. Ewolucja kulturowa -- koewolucja Odnosi się do procesów, przez które przekazywane są wiedza, umiejętności, przekonania, normy społeczne. Zachodzi na przestrzeni pokoleń, nie jest związana z genami, lecz procesami uczenia się i naśladowania Kluczowe cechy - Przekazywanie informacji -- przekazywanie informacji i umiejętności z pokolenia na pokolenie - Zmiany technologiczne -- takie jak wynalezienie ognia, rolnictwa itp. Mają ogromny wpływ na rozwój cywilizacji - Adaptacja do środowiska -- odpowiedź na zmiany w środowisku lub w wyniku interakcji społecznych - Język -- umożliwia wymianę idei Koewolucja 1. Drapieżnik -- ofiara -- rozwój cech obronnych u ofiar oraz cech przystosowawczych u drapieżników, które pozwalają im skutecznie polować 2. Roślin i zapylaczy -- ewoluują razem, niektóre rośliny rozwijają specyficzne kwiaty, które przyciągają określone zapylacze, a zapylacze adaptują się do zbierania nektaru 3. Pasożyt -- gospodarz -- pasożyty ewoluują w sposób, który pozwala im skutecznie infekować i manipulować swoimi gospodarzami, podczas gdy gospodarze rozwijają mechanizmy obronne