均匀环境下的自然选择


在没有大规模环境变化的情况下,种群在或多或少同质的环境中,经常在许多特征上保持稳定的基因构成。在没有环境变化的情况下,自然选择保持基因平衡。这被称为规范选择。个体的许多表型特征可以放在线性尺度上。这些特征的分布曲线通常呈钟形,中间水平的人更多,极端水平的人更少。

关于均匀环境的自然选择

有效地保持基因平衡,尤其是在均匀环境中的自然选择,会代代相传。如果对标准曲线两端的表型存在显著的选择压力,即使平均值保持不变,种群也可能表现出变异性降低。自然选择倾向于使具有中间性状值的种群标准化或稳定化,而具有中间性状值的个体具有更高的生存机会。

例如,体重明显低于或高于平均水平的新生儿死亡风险很高。另一方面,中等体重的婴儿生存问题较少。为了理解规范选择的概念,我们将研究两个例子,一个来自自然界,另一个来自Dobzhansky和Spassky的研究。

Bumpus的观察

一位美国科学家H.C. Bumpus (1899)提出了一个引人入胜的见解,合理地解释了规范选择。在伍兹霍尔发生一场大雪、雨夹雪和强风的暴风雨后,Bumpus收集了136只受伤的家麻雀。其中64只鸟死亡,导致了两组麻雀:死于暴风雨的和幸存的。Bumpus测量了各种随机选择的特征,如翼长、翼展、跗骨长度等等,并发现死于暴风雨的鸟类的测量值落在钟形曲线的两端。换句话说,具有平均值或接近平均值的鸟类是幸存者。

在灾难或压力事件中,规范选择通常会淘汰其特征与平均值显著偏差的个体。根据Bumpus的观察,容易被大风吹倒的鸟类要么翅膀相对于体重过长,从而呈现出更大的表面积,要么翅膀相对于体型过短,因此无法对抗强风飞行。在灾难发生之前,个体测量值的范围比灾难后幸存的测量值范围更广。每一次灾难都可能降低种群多样性,选择劣等基因。

Dobzhansky和Spassky的实验

Boris Spassky和Theodosius Dobzhansky在两个果蝇(Drosophila pseudobscura)种群中建立了规范选择对行为特征的操作。对这两个种群都使用了人工选择。一组选择正向趋光行为,另一组选择负向行为。将果蝇放在容器中,让它们朝向光或黑暗飞行。

捕获并繁殖趋光性果蝇(即朝向光飞行的果蝇),以及趋暗性果蝇(即远离光飞行的果蝇)。繁殖试验重复了许多代,每一代都保持人工选择。经过多代人工选择后,出现了两个种群,一个高度趋光,另一个趋暗。

更重要的是,在去除人工选择后,自然选择奖励具有中性光照行为的个体,两个种群都恢复到中间的趋光性评分。以上两个例子表明,选择通常偏向于分布中间的表型,降低平均值周围的变异性,但不影响平均值。

非均匀环境中自然选择的作用(多向选择)

在解释规范选择时,我们指出在均匀条件下,选择限制种群变异性并产生基因稳态。多向选择是指在不同环境中发生的选择过程类型。多向选择是规范选择的反面。假设一个居住在特定环境中的种群包含两个或多个基因型组(AA、Aa和aa),并遇到亚环境或栖息地。在两个或多个基因型中,一个适合其环境的稀有基因型(aa)将受到选择的鼓励,并且只要栖息地没有完全被占据,其频率就会增加。

然而,一旦栖息地饱和,该基因型的频率就不会进一步增长。额外种群很可能扩散到另一个亚环境。如果基因型不适合新的栖息地,多向选择可能会产生一个具有不同基因型的种群。基因多态性是指种群中特定特征存在两个或多个基因型。不同的基因型占据不同的亚环境;这种占据尽可能彻底和有效。

通过他们对生长在重金属污染土壤上的弯草的研究,A.D. Bradshaw和D. Jonell表明,种群可以在保持物理邻近性的同时变得基因多样化。铅和铜等重金属污染物在矿山废渣堆中普遍存在,这种污染对大多数植物都有毒,即使是在未污染土壤中生长的弯草也是如此。然而,在矿渣堆上,可以检测到弯草的丰富生长。基本上,这些植物含有赋予其耐受高水平铅和铜的基因。

在未污染土壤几米远的地方,人们可以看到耐受性弯草植物被非耐受性种类包围。多向选择是有效的。尽管耐受性和非耐受性类型之间可能发生异花授粉,但由于非耐受性幼苗无法在污染土壤中生长,因此基因差异得以保留。相反,它们在未污染的土壤中比耐受性种类生长得更好。鉴于一些矿山不足400年历史,很明显,多向选择在相对较短的时间内产生了耐受性形式。

结论

选择根据基因型存在的环境对其进行操作。如果环境是均匀和同质的,那么发生的选择类型是规范性或稳定性类型,它会淘汰具有极端测量的表型,前提是这些特征的选择压力相当强。在这种情况下,种群变异性会降低,但特征的平均值保持不变。

然而,如果环境发生变化,特征的平均值将会改变,因为选择对正态分布的两端作用不均。平均值移动到一个新的位置。昆虫对杀虫剂的抗性就是一个例子,这也称为定向或渐进选择。

最后,当选择作用于分布在一个多样化环境中的种群时,就会发生多向或破坏性选择。每个基因型占据一个异质亚环境,导致标准分布曲线变成双峰的。每个基因型对于所讨论的特征具有不同的平均值。

更新于:2023年4月27日

67 次浏览

启动您的职业生涯

完成课程获得认证

开始
广告