Study Guides (248,516)
Canada (121,604)
Biology (101)
BIOL 1010 (29)

Evolution

22 Pages
224 Views
Unlock Document

Department
Biology
Course
BIOL 1010
Professor
billpohajdak
Semester
Fall

Description
  11/5/13 Evolution ­ Change in (biological) entities over time ­ Unifying concept in biology ­ Increasingly important in many areas of biological research. ­ “Nothing in biology makes sense except in the light of evolution.” (Dobzhansky, 1973) Charles Darwin (1809­1882) The Origin of Species – 1859  ▯Defining moment in history of biology, and western thought Biology before evolution ­ Species fixed (unchanging, perpetual) ­ ‘Scala nature’ or ‘chain of being’  ▯Ladder of increasing complexity (+ closeness to the divine) Carolus Linnaeus (1797­1778) Father of Taxonomy (Biological Classification) Hierarchy of nested sets (groups within groups) NOT a ladder Paleontology: Fossils ­ Rocks of different age in the same location contain different species. ­ Many species preserved in fossils are no longer seen on earth: extinction. Fossils and Evolution Cuvier (1769­1832): Catastrophism ­ All species present originally, many lost Jean Baptist Lamarck (1744) Fossils and Evolution? ­Observed progressions of similar species in fossil record Suggested that forms come into being by modification of existing forms. Species A Species B Species C ­­­­­­­­­­­­­ > ­­­­­­­­­­­­­­­ > ­­­­­­­­­­­­­­ > ­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­ > Present Time Lamarck’s ideas (1809) 1. Pattern  ­ Living world made up of many separate lineages with independent origins. ­ Each lineage progresses (‘strives’) towards greater complexity/perfection. 2. Process/Mechanism: Use­and­disuse, and ‘Inheritance of acquired characters’  (“Lamarckism”) [Note that the individuals ‘evolve’] Lamarck’s idea: ­ Explains variations in ‘complexity’ among species ­ Mechanism not well supported (in hindsight) ­ Poor fit to biological classification Charles Darwin (1809­1882) Age 31, 1840 ­ Medical school drop out ­ Interest in natural world (B.A. 1831) ­ 1831­1836: Beagle Expedition to the southern hemisphere ­ 1856: Publishes “The Origin of Species” introducing his theory of evolution Between 1836­1859, he amassed evidence for his theory of evolution. Darwin’s Two main ideas 1. Pattern of Evolution ­ Living things united in a single branching tree of relationships. ­‘Descent with modification’  ▯Species A and B are similar because of their shared history   prior to their last common ancestor. But Species A and B also differ because of  independent changes in their lineages after divergence from their last common ancestor. ­ ‘Tree of Life’ fits well to hierarchical classification. 2. Process of Evolution ­ Evolution occurs primarily because of the action of Natural Selection. Key point: Individuals of a species belong to populations. Natural Selection – Ingredients ­Heritable Variation ­ Excess Production ­ Differential Success Heritable Variation ­ Individuals in a population are born differing many traits (many features). ­ Many traits can be passed on form parents to offspring (i.e. are heritable) Excess Production ­ In any population, more offspring are produced that ‘needed’ to maintain it. (Usually  many more) ­ When resources are limited, many of the offspring do not survive. (or at least, don’t  reproduce successfully) Differential Success (& ‘Fitness) ­ Excess production leads to competition: “The struggle for existence” ­ But because of their differing traits, some individuals have an advantage – i.e. will  produce more viable offspring on average. ­ This is the concept of fitness. Then…advantageous traits increase in frequency ­Heritable traits that helped individuals to have more viable offspring on average will  tend to be passed on to those more numerous offspring. ­With time these traits will tend to become more frequent in the population  (&disadvantageous traits will become less frequent). ­ This is evolution (the population has evolved). Variation and Heritability ­ Natural selection acts on existing variation (it does not generate that variation). ­ Now know that variation arises ultimately from mutation (changes) in the genome. ­ Darwin didn’t know the mechanism, but he just observed the results. Artificial selection on heritable variation that is present or arises in existing species. Shows plausibility of natural selection on the same variation. Different vegetables developed over historical time from variants of one wild ancestral  species. Natural selection over time results in Adaptive Evolution (Adaptation). Organisms well­ suited to their environment. E.g. Fox species with different adaptations to different environments. In “Darwinian” evolution, there is no universal direction of “progress”. Evidence of Evolution Natural selection in action Good examples:  • Drug resistance in pathogenic microorganisms • Pesticide resistance • Host­switching in insects Note: Strong ‘selective pressure’ and short generation times. Examples of “Directional selection”  e.g. 1)Warfarin(poison) resistance in Rats • Warfarin interferes with synthesis of blood­clotting agents  ▯bleeding  ▯death • Mutation(s) in a gene (Encodes VKORC1) associated with warfarin resistance. • Resistance increases rapidly in populations after poisoning programs introduced. Examples demonstrates some features of natural selection • Editing rather than creative mechanism  ▯Needs variation to act on • Contingent on time and place (adaptation to the particular environment) e.g. The gene variants that confer warfarin happen to be disadvantageous when  poison is not being used. e.g. 2) Soapberry bugs (p. 461, learn this example) Bug feeding on fruit of original hos species  ▯Flatter introduced fruit becomes very  common. Over time, shorter beaks favoured: Average beak length in population fails. Evidence for a tree­of­life and descent with modification Examples: • Homology • Biogeography • Fossil Record Homology ­ “Similarity resulting from common ancestry” e.g. “standard” anatomical homologies, vestigial structures, embryological homologies,  Molecular Homologies. “Standard” Anatomical Homologies ­ Most compelling: Structures with different function but a common form. Forelimbs of mammals (p.463, learn this example) Vestigial Structures – Structures with little or no function, derived from more complex  structures. Examples: Human appendix, Remnant hind­limb bones in whales Human appendix is a vestigial caecum. Herbivorous mammals have caecums. Embryological Homologies ­ Organs that share a common form during development, but may have different  structures and/or functions once developed. ­ E.g. Pharyngeal pouches Pharyngeal pouches in vertebrate embryos  ▯become gills in fishes ▯ ecome Eustachian tubes in mammals Molecular Homologies ­ Homologies at the biochemical level ­ e.g. The universal genetic code  ▯(shared by the vast majority of animals & plants &  protists & Bacteria & Archaea) Homologies and the tree of life ­ Often, nested distributions amongst organisms, following classification based on their  similarities. Nested distribution of homologies fits a tree­of­life. Analogous Structures – similar functions but no common underlying structure (similarity  not from common ancestry) ­ represent independent branches tree­of­life Convergent Evolution Macropodiformes – Kangaroos, Wallaby, ­ big footed animals ­ 60 different species ­ they live in Papua Guinea and Australia Biogeography • The geographic distribution of organisms • Some taxa (groups of similar species) are restricted to certain locations (Endemic) • Explanation: Descent from a common ancestor that lived in that location. Hawaiian Silversword Alliance (closely related) The Fossil Record • Descent with modification predicts “transitional forms” • Order of appearance in fossil record. Transitional forms • Good examples: Groups with major adaptations associated with an “unusual”  lifestyle. • Examples   ▯Whales (fully aquatic mammals), most mammals live in land  ▯Birds (powered flight), birds are descendant from dinosaurs Whales Adaptations to being permanently aquatic • Lack hind­limbs • Forelimbs lack distant fingers • Dorsal fin, caudal flukes • Nostrils on top of head Basilosaurus – fossil whale with hind­limbs (more developed) A series of “Transitional forms” link modern whales to land­dwelling mammals. Order of appearance • When fossil record is good, “descendant” groups should appear later in time than  the earliest of their proposed ancestral groups. • Whale example:  ▯First aquatic whale­like forms: ~50 MYA  ▯First (eutherian) mammals: ~80 MYA Evolution of Populations Recall: Allele – individual gene variant at a locus [gene position] (R) Genotype – combination of two alleles in an individual (Rr­ heterozygote) What is a Population? Localised group of interbreeding and interacting individuals. Each species is made up of one to many populations (that can interbreed when they  meet). Genetic variability – how much? In most species, individuals are heterozygous (i.e. have 2 different alleles) at many loci.  (typically 2­10% average heterozygosity) Note: Typical animals have ~1000x more loci (Genes) than shown. Populations would  usually contain many x more individuals. Genetic Variability So Populations usually have lots of genetic variability.  Sex shuffles the variability: Individuals have unique combinations of alleles. Variation between Populations Cline = possibly resulting from natural selection. Source of genetic variation ­ New alleles arise by mutation in an existing allele. (A single mutation can result  in a new allele) In a given environment: ­ Most mutations don’t meaningfully affect fitness  ▯“neutral alleles” ­ Some reduces fitness  ▯Harmful alleles (a.k.a. ‘deleterious’ mutations/alleles) ­ A very few increase fitness  ▯beneficial alleles (uncommon) Note: Alleles can also be introduced to a population from other populations  [= ’gene­flow’] The ‘Gene Pool” of a population ­ All alleles at all gene loci in all individuals Made of two components: ­ ‘Fixed’ alleles: Whole population is homozygous at locus ­ Polymorphic loci  ▯2 or more alleles in population, each present at some  frequency. Microevolution ~ Change in the frequencies of different alleles in the gene pool over generations. At the extreme, ‘change’ can mean fixation of an allele, or loss (Extinction) of an allele. Hardy­Weinberg Principle Describes expected relationships between allele and genotype frequencies when there is  no evolution.  ▯under certain assumptions, including random mating. Frequency of genotype = number of plants of that genotype divided by total number of  plants Hardy­Weinberg equation (For two alleles) 2 2 p  + 2pq + q  = 1 p , q = Expected frequencies of the two  homozygote genotypes 2pq  = Expected frequency of heterozygotes Using Hardy­Weinberg Principle 1. Estimating allele and genotype frequencies e.g. Prevalence of carriers (heterozygotes) of recessive genetic disorders. Cystic Fibrosis (a single­locus recessive disorder) affects 1 in 2500 people of European  descent (i.e. frequency is 1/2500 = 0.0004) Question: What is the estimated frequency of carriers (i.e. heterozygotes) in the European  population? Hardy­Weinberg equation:  p  + 2pq + q  = 1 2 2 q  is frequency of disorder genotype = 0.0004 q (frequency of disorder allele) = √0.0004 = 0.02 p (frequency of normal allele) = 1 ­ q p = 1 ­ 0.02 = 0.98 Frequency of heterozygote genotype = 2pq  = 2 x 0.98 x 0.02 = 0.0392  So an estimated ~4% (1 in 25) are carriers Using the Hardy­Weinberg principle 2. Populations with genotype frequencies that conform to the equation are said to be  in Hardy­Weinberg equilibrium at that locus. Look at population genotype frequencies to see in they are truly in Hardy­Weinberg  equilibrium. Question: Is this population in Hardy­Weinberg equilibrium? 1000 individuals: 400 RR     200 RW     400 WW Population: 1000 individuals 400 RR 200 RW 400 WW Actual frequencies of genotypes: RR = 400/1000 = 0.4  RW = 200/1000 = 0.2 WW = 400/1000 = 0.4 Actual frequencies of alleles: p = {RR} + {RW}/2 = 0.4 +20.1 = 0.5  2   q = 1 ­ p = 0.5 Hardy­Weinberg equation:  p  + 2pq + q  = 1 Expected genotype frequencies: RR  = p   = 0.5 2 = 0.25 RW = 2pq = 2 x 0.5 x 0.5 = 0.5  2  2  WW  = q = 0.5   = 0.25  NO!: Much lower frequency of heterozygotes than expected. Assumptions of Hardy­Weinberg 1. No net mutations 2. Random mating 3. No natural selection 4. Large (infinite) population size 5. No migration (no gene flow) Violation of these assumptions usually signals evolutionary change. Causes of microevolution ­ Mutation (trivially) ­ Non­random mating ­ Natural Selection ­ Genetic Drift ­ Gene Flow Of these, only natural selection results in adaptive evolution. Gene Flow ­ Dispersal of gametes (e.g. pollen) or migration ­ Gene flow form population with different allele frequencies  ▯change in allele  frequencies ­ Gene flow can introduce new alleles to a population Variation between Populations Random Genetic Drift ­ ‘Sampling error’ ­ Can lead to fixation (or extinction) of alleles in the absence of natural selection. ­ Powerful force for evolutionary change Random drift in allele frequencies in a small population, leading to fixation of R allele. Drift, population size and frequencies ­ Rate of drift related to population size  ▯Faster in small populations than large populations ­ Random: Neutral allele at frequency 0.5 is equally likely to eventually be fixed or  to go extinct. In theory, chance of eventual fixation of a neutral allele is the same as its frequency. Genetic drift can overwhelm selection in small populations Consider a locus with 2 alleles – R and W  ▯Initial frequencies of R = 0.8 and W=0.2 Each copy of W: fitness 5% higher than for R (big selective advantage) 1000 breeding individuals: ­ W has 100% chance of eventually being fixed 10 breeding individuals: ­ W has <40% chance eventually of being fixed;  ­ So ‘harmful’ R has >69% chance of being fixed Genetic bottlenecks ­ Original Population  ▯Bottlenecking event  ▯Surviving population ­ Breeding population is very small for a time   ▯Genetic drift powerful: allele frequencies change, many alleles fixed or go  extinct. = Lower genetic diversity overall, even if population later expands in numbers. ­ Some rare alleles can increase in frequency = possibility of high frequencies of  harmful alleles (Even fixation of slightly harmful alleles) The Greater Prairie Chickens of Illinois ­ Lower Genetic variability than larger populations ­ Much reduced reproductive success (% eggs hatched)  ▯fitness lowered by  accumulated harmful alleles. Endangered populations/species ­ Genetic diversity (gene pool) can be increased by adding individuals from other  populations. ­ Captive breeding programs manage matings to preserve remaining genetic  diversity. Founder Effect – Special case of bottleneck Ancestral Populations  ▯A FEW individuals found a new population  ▯New population  grows  ▯Gene pool of new population reflects the small sample of alleles present in the  founders. Founder Effect Some previously rare alleles end up being much more common in the new population. e.g. High prevalence of particular normally rare genetic disease in isolated human  populations. Selection Relative Fitness & Selection Traits: Different neck lengths Giraffe with Longer Neck (Trait conferring higher ‘Relative Fitness’) Average lifespan as an Adult ­ 5 years Average total number of viable, healthy offspring – 4.5 Giraffe with Shorter Neck (Trait under greater ‘Selection Pressure’) Average lifespan as an Adult ­ 4 years Average total number of viable, healthy offspring – 3.6 Polygenic inheritance: Phenotype influenced by several genes (alleles at several loci) ~ Smooth range if phenotypes (Quantitative Character) Modes of Selection Figure shows example frequency distribution of a quantitative character that could be  acted on by selection. Directional Selection ­ One end of distribution selected against ­ Classic response to a changing environment (e.g. pesticide/drug treatments;  climate change etc.) e.g. 2) Soapberry bugs (p. 461, learn this example) ­ Bug feeding on fruit of original hos species  ▯Flatter introduced fruit becomes  very common. ­ Over time, shorter beaks favoured: Average beak length in population fails.  (directional selection) Stabilizing selection ­ Extreme phenotypes selected against ­ Often due to different, opposing selective forces Disruptive Selection ­ Intermediate phenotypes selected against ­ Role in some speciation events? Oscillating directional selection in fluctuating environments ‘Fitness’ is more than ‘survival’ Average Lifespan as Adult – 5 years Average # viable offspring per year – 0.9 Average # viable offspring total – 4.5 Average Lifespan as Adult – 10 years (Vampire Giraffe) Average # viable offspring per year – 0  Average # viable offspring total – 0  Average Lifespan as Adult – 5 years Average # viable offspring per year – 0.9 Average # viable offspring total – 4.5 Average Lifespan as Adult – 5 years Average # viable offspring per year – 1.2 Average # viable offspring total – 6 Average Lifespan as Adult – 4 years Average # viable offspring per year – 1.8 Average # viable offspring total – 7.2 Sexual Selection ­ Effectively a special case of natural selection ­ Competition for mating opportunities ­ Results in adaptations that increase mating access  ▯But can actually  reduce chance of survival Intrasexual selection Competition within one sex (usually males) for mating opportunities Intersexual selection One sex (usually females) choose mate from (competing members of) other sex. Adaptations & Sexual Selection ­ Armaments and Ornaments ­ Sexual dimorphism common Preservation of variation Preserving allelic variation ­ Diploidy ‘hides’ recessive alleles from sel
More Less

Related notes for BIOL 1010

Log In


OR

Join OneClass

Access over 10 million pages of study
documents for 1.3 million courses.

Sign up

Join to view


OR

By registering, I agree to the Terms and Privacy Policies
Already have an account?
Just a few more details

So we can recommend you notes for your school.

Reset Password

Please enter below the email address you registered with and we will send you a link to reset your password.

Add your courses

Get notes from the top students in your class.


Submit