Фитнес в биологията: приспособимост, измерване и роля в естествения подбор

Фитнес в биологията: изследване на приспособимост, измерване и ролята в естествения подбор — ясни обяснения, методи и примери за еволюционни промени.

Пригодността в биологията е относителната способност на даден организъм да оцелее и да предаде гените си на следващото поколение. ^{стр. 160} Това е основна идея в еволюционната теория. Пригодността обикновено е равна на дела на гените на индивида във всички гени на следващото поколение.

Подобно на всички термини в еволюционната биология, фитнесът се определя по отношение на кръстосващата се популация, която може да бъде или да не бъде цял вид. Ако различията в индивидуалните генотипове влияят на фитнес, тогава честотите на генотиповете ще се променят в течение на поколенията; генотиповете с по-висок фитнес стават по-често срещани. Това е процесът, наречен естествен подбор.

Пригодността на индивида се обуславя от неговия фенотип и се предава чрез генотипа му. Фитнесът на различни индивиди с един и същ генотип не е непременно еднакъв. Той зависи от средата, в която индивидите живеят, и от случайни събития. Въпреки това, тъй като фитнесът на генотипа е осреднена величина, той отразява резултатите от възпроизводството на всички индивиди с този генотип.

Какво точно означава „фитнес“

Фитнес (пригодност) в еволюционния контекст е мярка за приноса на индивид или ген към следващото поколение. Той включва няколко компонента:

• оцеляване до възраст, в която е възможно размножаване;
• успех при намиране на партньор и осъществяване на оплождане (при видове със сексуално размножаване);
• плодовитост (брой и качество на потомството);
• успех на потомството — доколко потомците също оцеляват и се размножават.

Начини за измерване

Няколко основни подхода се използват за количествено оценяване на фитнеса:

• Абсолютен фитнес — средният брой живи потомци, произведени от индивид/генотип в определен период.
• Относителен фитнес — фитнесът на даден генотип, сравнено с най-успешния генотип в популацията. Използва се за изчисляване на коефициента на селекция (s).
• Жизненоспособност и репродуктивен успех през целия живот (lifetime reproductive success) — често предпочитана мярка в полеви изследвания.
• Малтовиански (r) и демографски параметри — използват се при моделиране на популационната динамика и прогнозиране на растежа/намалението на честотите на гените.

Видове фитнес и концепции

• Индивидуален фитнес — оценка за отделен организъм.
• Генотипен/алелно-базиран фитнес — средна пригодност на всички носители на даден генотип или алел.
• Инклюзивен фитнес — разглежда както личния принос на индивида, така и приноса към възпроизводството на роднини (важно при родово поведение и алтруизъм; свързано с теорията на кин селекция).
• Честотно-зависим фитнес — когато пригодността на фенотип зависи от честотата му в популацията (примери: полиетиленови стратегии, хищник-жертва).

Роля в естествения подбор и еволюцията

Разликите във фитнеса между индивиди са горивото на естествения подбор. Когато определени генотипове водят до по-висок фитнес в дадена среда, честотите им нарастват в последващите поколения. Важни наблюдения:

• Фитнесът е контекстуален — един и същ генотип може да бъде благоприятен в една среда и неблагоприятен в друга.
• Наличието на случайни събития (дрейф) и миграция може да измени честотите независимо от селекцията.
• Еволюцията често включва търговия (trade-offs): например черта, която увеличава плодовитостта, може да намалява дълголетието.

Практически примери и експерименти

Класически примери, илюстриращи принципите на фитнеса и селекцията:

• Промяната на честотата на пигментацията при Biston betularia (peppered moth) при индустриална зацапване — различни фенотипи имат различен фитнес в различна среда.
• Сърповидно-клетъчната анемия и устойчивостта срещу малария — алелите имат различен фитнес в зависимост от наличието на малария в средата.
• Лонгитюдни лабораторни експерименти като експеримента на Lenski с Escherichia coli — наблюдение на адаптация и промени във фитнеса през хиляди поколения.

Ограничения и усложнения

При интерпретация на фитнеса трябва да се внимава за:

• разликата между краткосрочни и дългосрочни ефекти — чертите, благоприятни сега, може да са вредни по-късно;
• ефектите на средата и сезонността;
• генетичната връзка между черти (епистаза, плътна свързаност), която може да ограничи независимото изменение на характеристиките;
• случайни фактори (генетичен дрейф), особено в малки популации.

Измерване в полеви и лабораторни условия

Методи:

• проследяване на потомство и родословни данни (pedigrees);
• маркиране и повторно улавяне за оценка на оцеляване;
• контролирани състезателни експерименти (със съвместно отглеждане на различни генотипове);
• молекулярни и популационно-генетични подходи за оценка на промени в честотите на алели във времето.

В обобщение, фитнесът е ключовото понятие, чрез което се свързват гените, фенотипът, средата и динамиката на популациите — и чрез което действат силите на естествения подбор и еволюцията.

Въпроси и отговори

В: Какво е фитнес в биологията?

В: Фитнесът важна идея ли е в еволюционната теория?

В: Как обикновено се измерва фитнесът?

В: Как се осъществява естественият подбор?

В: Какво определя физическата годност на индивида?

В: Задължително ли е фитнесът на различни индивиди с един и същ генотип да е еднакъв?

В: Какво отразява фитнесът на генотипа?

Търсене по буква