Populatsiooniökoloogia ehk demökoloogia

Demökoloogia ehk populatsiooniökoloogia (Schwerdtfeger 1963: 13–14) on ökoloogia haru, mis uurib organismide 

populatsioone ja nende keskkonnaoludest johtuvat dünaamikat.

Populatsiooniökoloogia

Tänapäeva ökoloogias on ühtedeks põhiküsimusteks populatsioone puudutavad probleemid, näiteks optimaalne liikide arv piirkonnas, millised tegurid mõjutavad selle arvu langust ja kuidas liigid omavahel suhtlevad. Selliseid küsimusi kokku võttes on loodud termin populatsiooniökoloogia. Populatsiooniökoloogia on osa suuremast teadusharust, populatsioonibioloogiast, mis hõlmab nii evolutsioonilisi kui ka ökoloogilisi tegureid, mis mõjutavad populatsiooni.

Thomas Robert Malthus – esimene teadlane, kes uuris populatsioone

Esimesena uuris lähemalt populatsioone ja selles toimuvaid protsesse Thomas Robert Malthus. Oma teoses "Essay on the Principle of Population" (1798) kirjutas T. Malthus, et kui sündide ja surmade arv on konstantne, eeldades et sünde on rohkem kui surmasid, siis populatsioon kasvab geomeetriliselt seniajani, kuni väline tegur hakkab seda piirama. Tänapäevani kasutatakse Malthuse parameetrit indeksina, et kirjeldada populatsiooni. T. Malthuse ideed mõjutasid paljusid esimese generatsiooni biolooge, kes hakkasid mõtlema populatsioonides toimuvate protsesside peale. Ühes selliseks oli Charles Darwin, kes mõistis, et geomeetriline populatsiooni kasv toob kaasa tohutu suremuse ning sellest tulenevalt annab suure eelise igale päritavale tunnusele, mis aitab isendil ellujäämise eest võidelda.

Populatsioonigeneetika

Populatsioonigeneetika on geneetika haru, mis uurib geenide ja nende alleelide sageduste jaotust ja muutumist populatsioonides nelja põhilise evolutsioonimehhanismi tagajärjel: looduslik valik, geenitriiv, geenisiire ja mutatsioon. Võetakse arvesse ka rekombinatsioon, alampopulatsioonide (deemide) teke ja populatsioonistruktuur. Selle abil üritatakse seletada ka kohastumist ja liikide teket. Populatsioonigeneetikas leiavad laialdast rakendust mitmed statistilised uurimismeetodid ja valemid. Populatsioonigeneetika oli üheks alustalaks sünteetilise evolutsiooniteooria tekkele, mille loojateks olid Sewall Wright, J. B. S. Haldane ja R. A. Fisher.

Algselt koosnes populatsioonigeneetika suures osas matemaatikast, kuid tänapäeval sisaldab see ka teoreetilist mõtlemist, laboritööd ja proovide kogumist.

Põhimõtted

Biston betularia f. typica on kase-kedrikvaksiku valgekehaline vorm

Biston betularia f. carbonaria on mustakehaline kase-kedrikvaksiku vorm

Populatsioonigeneetika on teadusharu, mis uurib alleelide sagedusi ja vastastikmõju populatsioonides. Seksuaalselt paljunev populatsioon on rühm organisme, milles iga paar suudab anda järglasi. See eeldab, et kõik liikmed kuuluvad samasse liiki ja elavad üksteise lähedal. Näiteks loetakse üheks populatsiooniks ühes isoleeritud metsas elutsevad samast liigist kase-kedrikvaksikud. Selles populatsioonis olev geen võib esineda mitmes vormis, mis põhjustab erinevuse populatsiooni fenotüüpide vahel. Kase-kedrikvaksiku värvuse eest vastutavad kaks alleeli: must ja valge. Kõik geeni alleelivariandid moodustavad antud populatsiooni geenifondi. Alleelisageduste muutumist populatsioonis võib nimetada mikroevolutsiooniks. Näiteks alleel, mis määrab musta värvuse, muutub tavalisemaks.

Hardy-Weinbergi seadus

Kahe alleeli sagedused Hardy–Weinbergi järgi: horisontaalne telg on alleelide p ja q sagedused ja vertikaalne telg näitab genotüübisagedusi. Iga joon tähistab üht võimalikku genotüüpi

Looduslik valik tingib evolutsiooni ainult juhul, kui populatsioonis on piisavalt geneetilist variatsiooni. Enne, kui Mendel tegi oma avastused geneetilise pärandumise kohta, oli üheks levinumaks hüpoteesiks segunev pärandumine. Probleemiks oli geneetilise variatsiooni kiire kadumine ajas, mis muudab evolutsiooni loodusliku valiku mõjul ebatõenäoliseks. Hardy-Weinbergi seadus (H-W seadus) seletab, kuidas säilib variatsioon Mendeli seadusi järgivas populatsioonis. H-W seaduse kohaselt püsivad alleelisagedused (geneetiline variatsioon) populatsioonis muutumatuna, kui puuduvad valiku, mutatsioonide, rännete ja geenitriivi mõjud. Hardy-Weinbergi "tasakaal" viitab sellele alleelisageduste stabiilsusele ajas.

Teine osa H-W seaduses puudutab ühe generatsiooni vaba paaritumist. Sel juhul on alleelisageduste põhjal võimalik ennustada genotüüpide sagedusi. Lihtsaim variant on üksik lookus kahe alleeliga. Dominantset alleeli tähistatakse tähega A ja retsessiivset tähega a ning nende sagedused on vastavalt p ja q.
Sagedus(A) = p;
Sagedus(a) = q;
p + q = 1.
Kui populatsioon on H-W tasakaalus, siis:
AA homosügootide sagedus populatsioonis oleks sagedus(AA) = p²
Aa heterosügootide sagedus populatsioonis oleks sagedus(Aa) = 2pq
aa homosügootide sagedus populatsioonis oleks sagedus(aa) = q²

Neli evolutsioonimehhanismi

Looduslik valik

Loodusliku valiku näide mutatsioonide abil

Looduslik valik on fakt, mille kohaselt mõni omadus muudab organismi ellujäämise ja paljunemise tõenäolisemaks. Populatsioonigeneetika kirjeldab kohasust kui tõenäosust ellu jääda ja järglasi anda. Kohasus antakse tavaliselt valemiga
${\displaystyle w=1+s}$
, kus s on valiku koefitsient. Looduslik valik mõjub fenotüüpidele ja koos sellega ka alleelide sagedustele. Kohasemad alleelid muutuvad sagedasemaks, sest neil on järglaste saamiseks mingi eelis. Sel viisil muudab looduslik valik kohasuste erinevused alleelisageduste muutuseks järgnevates generatsioonides.

Enne populatsioonigeneetika ilmumist oldi skeptilised selle suhtes, et kohasuste väikesed erinevused võiksid viia suuremate muutusteni evolutsioonis.

Populatsioonigeneetika lahendab selle, võrreldes valikut geenitriiviga. Looduslik valik on tugevam, kui s on suurem kui 1 jagatud efektiivse populatsiooni suurusega.
${\displaystyle s>1/N_{e}}$
Kui see tingimus on täidetud, siis võimalus, et uus kasulik mutatsioon kinnistub populatsioonis, on võrdne 2s. Aeg, mis kulub sellise alleeli fikseerumiseks, sõltub natuke geenitriivist ja on ligikaudu võrdeline
${\displaystyle t\approx {\frac {log(sN)}{s}}}$

Geenitriiv

Geenitriiv on alleelisageduste juhuslik muutus populatsioonis. Järglaste alleelid moodustuvad juhuslikult vanemate alleelide seast. Geenitriiv võib viia mõne geenivariandi täieliku kadumiseni ja sellega vähendada liigisisest variatsiooni. Vastupidi looduslikule valikule, mis teeb mõned geeniteisendid enam või vähem levinuks vastavalt nende paljunemise edukusele, ei sõltu geenitriiv keskkonna ega kohanemise survest ja võib anda paljunemise seisukohast kasulikke, neutraalseid või kahjulikke tulemusi.

Geenitriiv mõjub intensiivsemalt vähem esindatud alleelidele kui sagedasematele. Teadlased vaidlevad selle üle, kumb on evolutsioonis olulisem, kas geenitriiv või looduslik valik. Ronald Fisher oli seisukohal, et geenitriiv mängib ainult väikest rolli evolutsioonis, ja see vaade jäi domineerivaks mitmekümneks aastaks. 1968. aastal võttis Motoo Kimura uuesti teema üles oma neutraalse molekulaarevolutsiooniteooriaga, mis väidab, et suurem osa muutustest geneetilises materjalis on tingitud neutraalsetest mutatsioonidest ja geenitriivist. Seda on kritiseerinud John H. Gillespie ja Will Provine, kelle sõnul on looduslikul valikul aheldatud piirkondades suurem stohhastiline jõud. Geenitriivi vaatlemiseks kasutatakse populatsioonigeneetikas hargnevaid protsesse või hajumise valemit, millega kirjeldatakse muutusi alleelisagedustes. Neid lähenemisi kasutatakse tavaliselt koos Wright-Fisheri ja Morani mudelitega. Kui eeldame, et geenitriiv on ainus evolutsioonijõud, mis mõjub alleelile, siis pärast t generatsiooni on programmiga simuleeritud populatsioonides alleelisageduste erinevus V_t

${\displaystyle V_{t}\approx pq\left(1-\exp \left\{-{\frac {t}{2N_{e}}}\right\}\right).}$

p ja q on alleelide algsagedused.

Geenisiire ja -ülekanne

Geenisiire ehk geenivool on geenide vahetus populatsioonide ulatuses, mis on üldjuhul samast liigist. Näideteks sobivad migratsioon, organismide aretus või õietolm. Geenide ülekanne sisaldab hübriidorganismide teket ja horisontaalset geeniülekannet. Sisseränne võib muuta alleelisagedusi ja tuua uut geneetilist variatsiooni populatsiooni. Väljaränne seevastu võib mitmekesisust vähendada.

Reproduktsioonibarjäär

Populatsioonide laienedes tekib olukordi, kus keskkonna erinevuse tõttu hakkavad äärealadel lahknema uued liigid. Kui geenivool on piiratud mäestike, suurte veekogude või pikkade distantside tõttu, siis pika aja möödudes ei pruugi enam erinevatelt aladelt pärit isendid järglasi saada. Isegi inimese loodud ehitised, näiteks Suur Hiina müür, on pidurdanud taimede geenisiiret. Olenevalt sellest, kui kaugele on kaks liiki lahknenud viimasest ühisest eellasest, võib veel järglaste saamine olla võimalik – hobusemära ja eeslitäku paaritamisel saame muula. Sellised hübriidid on üldjuhul viljatud, kuna kahel erineval kromosoomikomplektil on suuri raskusi omavahelise paardumisega meioosis. Sel juhul võivad lähedasemad liigid omavahel tihti paarduda, aga hübriidid satuvad ebasoodsa valiku alla ja nad kaovad evolutsiooniga. Kuigi vahel moodustub ka edukaid hübriide, on nende omadused kas segu vanemate tunnustest või on neil täiesti uus fenotüüp. Hübridiseerumise olulisus uute loomaliikide tekkel pole veel selge, aga on teada juhtumeid mitmesuguste loomade kohta. Eriti hästi uuritud liik on hall puukonn. Taimedel on hübridisatsioonil liigi tekkes oluline koht, sest taimed taluvad polüploidiat (rohkem kui kaks kromosoomi koopiat) paremini kui loomad. Polüploidia on hübriidides oluline, sest lubab kahel erineval kromosoomikomplektil paarduda meioosis identse partneriga. Polüploidsetel organismidel on ka rohkem geneetilist mitmekesisust, mis vähendab lähisugulaste paardumisel (inbriiding) tekkivat survet väikestes populatsioonides.

Geneetiline struktuur

Migratsiooni füüsilised piirangud koos populatsioonide vähese liikuvuse ja laienemisega (vagility) ning kalduvusega tagasi sünnikohta pöörduda (philopatry) ei lase populatsioonidel looduses olla nii geneetiliselt läbipõimunud kui juhuslike mudelite (panmixy) põhjal võiks väita. Struktuursemad on sellised geograafilised piirkonnad, kus indiviidid on omavahel lähemas suguluses kui need, kes on juhuslikult valitud üldisest populatsioonist. Seda võib põhjustada migratsioon ajaloolise kliimamuutuse tõttu või liigi leviku laienemine.

Horisontaalne geeniülekanne

 Horisontaalne geeniülekanne on geneetilise materjali kandumine ühest organismist teise, kes ei ole esimese järglane. Kõige sagedamini võib seda näha bakteritel. Meditsiinis tähendab see antibiootikumresistentsuse 

levikut. Kui ühel liigil on tekkinud resistentsus, levib see kiiresti erinevate bakteriliikide vahel. Horisontaalne geeniülekanne võib toimuda bakterist eukarüooti, näiteks pagaripärmi Saccharomyces cerevisiae ja adzuki oapõrnika Callosobruchus chinensis vahel. Üks näide mahukamast ülekandest on partenogeneesi abil paljunevad lestalised bdelloid rotifers, kes võisid saada hulga geene bakteritelt, seentelt ja taimedelt. Viirused suudavad ka DNA-d kanda organismide vahel, mis lubab geenide ülekannet bioloogiliste domeenide vahel. Suured ülekanded võisid toimuda ka eukarüootse ja prokarüootse raku eellastes, kui tekkisid rakuorganellid kloroplast ja 

mitokonder.

Mutatsioon

Mutatsioon on parim allikas geneetilise mitmekesisuse jaoks uute alleelide näol. Sellel võib olla erinevaid tagajärgi: ei oma mingit mõju, muudab geeni produkti või geen lakkab toimimast. Puuviljakärbse Drosophila melanogaster näitel on märgatud: kui mutatsioon mõjutab valku kodeerivat geeni, siis see on 70% tõenäosusega kahjulik, ülejäänud juhtudel ei muuda midagi või on kohasusele vähesel määral kasulik. Mutatsioonid võivad olla osalised suurte DNA lõikude kordistumisel (duplikatsioon), tavaliselt geneetilise rekombinatsiooni teel. Need duplikatsioonid (kümneid kuni sadu geenikoopiaid loomagenoomides miljoni aasta kohta) on suur osa toormaterjalist, millest arenevad uued geenid. Uusi geene tekib mitmel moel: tavaliselt läbi duplikatsiooni ja ühe korduse muteerumise tõttu. Teiseks variandiks on erinevate geenide osade rekombineerimine, millega saadakse uus kombinatsioon koos uue funktsiooniga. Siin toimivad valgu domeenid nagu moodulid, millel on oma funktsioon ja mida saab kokku segada, et luua uusi geene uute valkude jaoks, millel on uusi omadusi. Inimese silm kasutab nelja geeni, et luua valgustundlik struktuur, kolm värvuste eristamiseks ja üks hämaras valguses kujundite tuvastamiseks. Kõik neli pärinevad ühisest eellasgeenist. Veel üheks eeliseks duplikaatsete geenide (või isegi terve genoomi) juures on suurem kõdusus (redundancy). See lubab ühel geenil leida uus funktsioon, samas kui teine teenib algset eesmärki. Teist tüüpi mutatsioonid tekitavad aeg-ajalt uusi geene sinna, kus varem oli mittekodeeriv DNA. Mutatsioonid, mis viivad geeni funktsiooni kadumisele, on oluliselt sagedasemad kui need, mis loovad uue täielikult funktsioneeriva geeni. Üldjuhul langevad funktsiooni kadumisega seotud mutatsioonid negatiivse valiku alla, aga kui valik on piisavalt nõrk ja taolist mutatsiooni juhtub piisavalt tihti, siis võib see evolutsiooni kulgu muuta. Näiteks kipuvad evolutsiooni käigus kaduma minema need pigmendid, mis ei ole enam kasulikud, kui loomad on koopapimedusse elama asunud. Kui puudub valik funktsiooni kadumise suunas, siis kiirus, millega funktsiooni kadu tekib, sõltub rohkem mutatsioonikiirusest kui efektiivsest populatsiooni suurusest. 

Mutatsioonikiiruste erinevused

Mutatsioonide kahjulike mõjude tõttu rakkudele on organismidel välja arenenud sellised mehhanismid nagu DNA reparatsioon (parandus), et kõrvaldada või parandada mutatsioone. Seega on optimaalne muteerumise kiirus tasakaal kõrge muteerumiskiiruse hinna ja kaitsemehhanismide tööshoidmise kulu vahel. Viirused, mis kasutavad RNA-d geneetilise materjalina, muteeruvad oluliselt kiiremini (RNA kopeerimisel tehakse rohkem vigu) ning sellega üritavad viirused pidevalt areneda ja vältida peremeesorganismi immuunvastust.

Probleemid

Põhilised populatsioonigeneetika mudelid vaatlevad ainult ühte geeni lookust korraga. Praktikas on aga epistaatilised ja geeniaheldusseosed lookuste vahel ka olulised.

Epistaas

Epistaas on juhtum, kus ühe fenotüübi määrab mitu erinevat geeni. Looduslik valik ei mõjuta üksikuid lookusi, vaid fenotüüpi ning kõiki lookusi, mis selle moodustumisest osa võtsid. Praktikas on paralleelselt kaks evolutsiooniteooriat: traditsiooniline populatsioonigeneetika tegeleb genotüüpidega ja biomeetrilist teooriat rakendatakse taime- ja loomaaretuses (tegeleb fenotüüpidega). Puuduv osa on genotüüpe ja fenotüüpe ühendav kaart. Sellest hoolimata võib ette tulla olukordi, kus saame analüüsimist jätkata, justkui teaksime seda kaarti. Neil juhtudel saame eeldada, et teame genotüübi ühest vastavust fenotüübile, näiteks sirprakuline aneemia, aga on palju olukordi, kus seda teha ei saa.

Geeniaheldus

Geeniaheldus tähendab alleelide pärandumist kahes või enamas lookuses nii, et nende alleelisagedused ei vasta haplotüüpide järgi leitud sagedustele. Reaalsuses on tihti mõni alleel "ahelduse tasakaalutuses" geenidega mõnes muus lookuses, eriti need, mis asuvad lähestikku samal kromosoomil. Siin on probleem populatsioonigeneetika mudelite jaoks, mis arvestavad ühte geeni lookust korraga. Samas on võimalik loodusliku valiku mõju näha selective sweep (valikuline puhastus) näol. Aseksuaalselt paljunevates populatsioonides võib geeniaheldus olla täielik ning on võimalik tuletada ja lahendada populatsioonigeneetilisi valemeid, mis seksuaalse paljunemise korral käituksid üsna erinevalt. Enamik mikroobe on aseksuaalsed. Mikroorganismide populatsioonigeneetika rajas vundamendi antibiootikumiresistentsuse ja eluohtlike patogeenide evolutsiooni uurimisele.

Ajalugu

Populatsioonigeneetika sünd oli kui kompromiss Mendeli ja biomeetrikute mudelite vahel. Võtmesammuks oli Briti bioloogi ja statistiku R.A. Fisheri töö. Fisher näitas alates 1918. aastast mitmes oma teadusartiklis ja lõpuks raamatus "The Genetical Theory of Natural Selection" (1930), et biomeetrikute mõõdetud pidev varieeruvus võib olla põhjustatud mitme geeni koosmõjust. Lisaks näitas veel loodusliku valiku mõju alleelisagedustele, mis viib sellega liike evolutsioonini. 1924. aasta alguses töötas teine Briti geneetik J.B.S. Haldane välja matemaatilise mudeli ühe lookuse alleelisageduse muutuse kirjeldamiseks erinevates tingimustes. Haldane rakendas statistilist analüüsi ka praktikas leiduvatele loodusliku valiku näidetele, näiteks kedrikvaksikute evolutsioonile, ja väitis, et valiku koefitsient võib olla suurem kui Fisher eeldas, mis lubaks kiiremini kohanevat evolutsiooni. 

Tõuaretuses katseid teinud Ameerika bioloog Sewall Wright keskendus üksteist mõjutavate geenide kombinatsioonide uurimisele ja vaatles inbriidingut väikestes, suhteliselt isoleeritud populatsioonides, millel olid geenitriivi tunnused. 1932. aastal käis Wright välja "kohasuse maastiku" põhimõtte ja ei nõustunud väitega, et geenitriiv ja inbriiding võiksid viia väikese, isoleeritud alampopulatsiooni eemale "kohasuse tipust", võimaldades looduslikul valikul suunata see mõnda teise "kohasuse tippu".

Fisheri, Haldane'i ja Wrighti tööd panid aluse populatsioonigeneetika teadusharule. See sidus loodusliku valiku Mendeli geneetikaga, mis oli esimene kriitiline samm ühtse evolutseiooni toimimise teooria loomiseks. John Maynard Smith oli Haldanei õpilane, samas kui W.D. Hamiltonile oli tugevat mõju avaldanud Fisheri kirjutised. Ameeriklane George R. Price töötas koos mõlemaga, nii Hamiltoni kui ka Maynard Smithiga. Ameeriklasele Richard Lewontinile ja jaapanlasele Motoo Kimurale oli suureks eeskujuks Wright.

Rakendused

Populatsioonigeneetika võimaldab kogutud ja sekveneeritud DNA-st saada analüüsimeetodite abil infot, mis on kasutatav tõu- ja sordiaretuses ning populatsioonide kujunemise mudeldamisel.

Populatsioon

Populatsioon ehk asurkond on kõik organismid, mis kuuluvad samasse liiki ja kasutavad elu-, sigimis-, ja toitumispaigana ühist geograafilist piirkonda ehk areaali. Tavaliselt on ristumise tõenäosus oluliselt suurem ühises elukohas elavate isendite vahel (inbriiding), kui sellest eemal geograafiliselt isoleeritud alas elavate isendite vahel (crossbreeding).

Ökosüsteemi tasemed: isend-populatsioon-kooslus-ökosüsteem-bioom-biosfäär

Sotsioloogias tähendab populatsioon mingi tunnuse alusel liigitatud inimeste gruppi, kes elavad kindlas kohas. Demograafia ehk rahvastikuteadus on teadusharu, mis uurib inimpopulatsioonide suurust, koosseisu ja liikumist (migratsiooni).

Definitsioon eri käsitlustes

Terminit "populatsioon" lihtsustatakse tihti mitteametlikus kontekstis. Sel juhul tähendab see lihtsalt ühte liiki kuuluvaid organisme. Kuid tegelikult on tegemist spetsiifilisema organismide grupiga. Populatsioonigeneetikas ei viidata populatsioonile kui tervele liigile. Populatsioon on grupp organisme samast liigist, kes elavad piisavalt piiratud geograafilisel alal nii, et potentsiaalselt saavad kõik populatsiooni liikmed vabalt ristuda iga vastassoost liikmega sellest populatsioonist.

Populatsiooniökoloogilisest aspektist on väga täpset definitsiooni keeruline formuleerida, sest liigiti on geograafiline paiknemine väga erinev. Populatsiooni liikmete paiknemine pole kunagi homogeenne: alati esineb suuremal või vähemal määral liitumist ning väiksemate gruppide tekkimist. Sel viisil alampopulatsioonide tekkimine on enamasti põhjustatud keskkonnateguritest: paremini sobivamad elupaigad vahelduvad ebasobivamatega. Näiteks saartel elav maismaa loomastik on sel viisil fragmenteerunud saarestikel ning veel tavalisem on see nähtus näiteks aasadel, kus esineb niiskemaid ja kuivemaid laike, ning metsades, kus on päikeselisemad ja varjulisemad osad. Alampopulatsioon võib tekkida ka sotsiaalse käitumise erinevustest. Selline nähtus esineb näiteks huntide seas, kui isendid moodustavad karju. Isegi inimpopulatsioon on grupeerunud alampopulatsioonideks: külad või linnad on üldiselt moodustatud soodsatele aladele, mis on eemal mägedest või kõrbest, kus on ekstreemsemad elutingimused. Sellised geograafilised piirid mängivad olulist rolli, sest enamik liikidest, kaasaarvatud inimesed, valivad suurema tõenäosusega endale kaaslase oma elupaiga lähedalt.

Populatsiooniökoloogia

Tänapäeva ökoloogias on ühtedeks põhiküsimusteks populatsioone puudutavad probleemid, näiteks optimaalne liikide arv piirkonnas, millised tegurid mõjutavad selle arvu langust ja kuidas liigid omavahel suhtlevad. Selliseid küsimusi kokku võttes on loodud termin populatsiooniökoloogia. Populatsiooniökoloogia on osa suuremast teadusharust, populatsioonibioloogiast, mis hõlmab nii evolutsioonilisi kui ka ökoloogilisi tegureid, mis mõjutavad populatsiooni.

Thomas Robert Malthus – esimene teadlane, kes uuris populatsioone

Esimesena uuris lähemalt populatsioone ja selles toimuvaid protsesse Thomas Robert Malthus. Oma teoses "Essay on the Principle of Population" (1798) kirjutas T. Malthus, et kui sündide ja surmade arv on konstantne, eeldades et sünde on rohkem kui surmasid, siis populatsioon kasvab geomeetriliselt seniajani, kuni väline tegur hakkab seda piirama. Tänapäevani kasutatakse Malthuse parameetrit indeksina, et kirjeldada populatsiooni. T. Malthuse ideed mõjutasid paljusid esimese generatsiooni biolooge, kes hakkasid mõtlema populatsioonides toimuvate protsesside peale. Ühes selliseks oli Charles Darwin, kes mõistis, et geomeetriline populatsiooni kasv toob kaasa tohutu suremuse ning sellest tulenevalt annab suure eelise igale päritavale tunnusele, mis aitab isendil ellujäämise eest võidelda.

Populatsioonigeneetika

 Populatsioonigeneetika järgi kõik organismid, kus isendipaar saab omavahel järglasi, moodustavad paljunemisvõimelise populatsiooni. Eeldus on vaid selles, et kõik populatsiooni liikmed kuuluksid ühte ja samasse liiki. Populatsioonigeneetika eesmärk on välja selgitada geneetilised erinevused nii liigisiseselt kui ka liikide vahel. Kõige laiemas mõistes on populatsioonigeneetika teadus, mis uurib organismide loomulikult tekkivaid geneetilisi erinevusi. Geneetilisi erinevusi, mis on tavalised samast liigist organismidel, nimetatakse geneetiliseks polümorfismiks. Seevastu aga geneetilised erinevused, mis akumuleeruvad eri liikidel, moodustavad divergentsi. Sellest tulenevalt võib öelda, et populatsioonigeneetika on teadusharu, mis uurib polümorfismi ja divergentsi.

Ajalugu

Suurem osa tänapäeva populatsioonigeneetika uuringutest on seotud DNA ja proteiinide analüüsidega. Kuid populatsioonigeneetika teoreetiline ja empiiriline areng algas juba 1890. aastate alguses. Charles Darwin ja Gregor Mendel olid teadlased, kes avastasid populatsioonigeneetika alusteadmised, kuigi kumbki neist seda sel ajal ei taibanud. Darwin tähtsustas evolutsioonilistes protsessides pärilikkust ja variatsioone ning Mendel avastas pärilikkuse mehhanismi. Darwin polnud kursis Mendeli tööga ning seetõttu erines tema arusaam pärilikkusest väga sellest mehhanismist, mida tänapäeval teatakse ja tunnustatakse.

Kahekümnenda sajandi alguses oli levinud kaks vastandlikku arvamust evolutsiooniprotsesside kohta, mida toetasid kaks koolkonda: saltatsionistid ja gradualistid. Kui 1900. aastal Mendeli tööd uuesti avastati, võtsid mõlemad pooled väga erinevad hoiakud. Saltatsionistid toetasid Mendeli päritavuse ideid, sest nad arvasid, et see toetab nende kujutluspilti katkendlikust evolutsioonist. Seetõttu hakati neid nimetama mendelistideks. Gradualistid vaidlesid, et Mendeli eksperimendid pidevalt varieeruvate tunnustega viitavad pigem järkjärgulisele päritavusele ning neid hakati nimetama biomeetrikuteks. Vaidlused mendelistide ja biomeetrikute vahel kestsid üle kümne aasta, kuna konfliktid tekkisid tihti personaalsete arvamuste ebakõlast ning isikute omavahelistest ebasobivusest, mitte alati teaduslikel teemadel.

1918. aastal avaldas Ronald Aylmer Fisher artikli, milles kirjutas, et biomeetrikute mõõdetud pidev varieeruvus võib olla põhjustatud mitme geeni koosmõjust. 1930. aastal avaldas ta oma töödest kogumiku "The Genetical Theory of Natural Selection". Järgnenud 70 aasta jooksul tekitas see teos tormilist huvi ja ajas paljud geneetikud marru.

Aastatel 1924–1932 avaldas Briti geneetik John Burdon Sanderson Haldane teaduslikke artikleid üldnimetuse all "A Mathematical Theory of Natural and Artificial Selection". Nendes artiklites ta töötas välja teooria, mis seletas, kuidas looduslik valik on seotud geenitriivi, inbriidingu, mutatsioonide, epistaasi ja muude protsessidega.

Sewall Green Wright oli USA geneetik, kelle varasemad tööd olid seotud merisigade karvavärvi uurimisega. 1931. aastal avaldas ta pika teadusliku artikli "Evolution in Mendelian Populations", kus ta seletas lahti oma arvamuse evolutsioonilise geneetika kohta. Wrighti vaatenurk erines oluliselt Fisheri ja Haldane'i omast. Kaks Wrighti olulisimat panust geneetikasse on inbriidingu koefitsiendi ja efektiivse populatsiooni suuruse idee. Peaaegu kogu tänapäeva populatsioonigeneetika põhineb nendel mõistetel.

Hardy-Weinbergi seadus

Hardy-Weinbergi seadus on väga oluline alusteadmine populatsioonigeneetikas, mistõttu nimetatakse seda ka populatsioonigeneetika põhiseaduseks. See seaduspära on nimetatud kahe teadlase järgi: Godfrey Hardy (1908) ja Wilhelm Weinberg (1908).

Suures isoleeritud panmiktilises ehk vabalt ristuvas populatsioonis, milles ei toimi mutagenees ega valik, säilivad alleeli- ja genotüübisagedused põlvkonniti muutumatud, kusjuures genotüübisagedused on määratud alleelisagedustest ruutseose kaudu. Kui lihtsaima mudelina vaadelda üht autosoomset dialleelset lookust, mille alleelide A ja a sagedused geenifondis on vastavalt p ja q, siis väljendab seost alleelisageduste ja genotüübisageduste vahel võrrand:

Hardy-Weinbergi seadus graafiliselt

[p(A) + q(a)]2= p2(AA) + 2pq(Aa) + q2(aa) = 1

Populatsioon, kus kehtib see Hardy-Weinbergi võrrand, on geneetilise tasakaalu seisundis ja püsib selles, kuni mingi geneetilise dünaamika tegur (evolutsioonitegur) ei põhjusta muutusi.

Liigiteke

Liigiteke ehk spetsiatsioon on evolutsiooniprotsess, mille tulemusena tekivad uued liigid.

Charles Darwin oli esimene, kes kirjeldas loodusliku valiku mõju liigitekkes ning käsitles seda ka oma raamatus "Liikide tekkimine" (inglise keeles "The Origin of Species"), mis ilmus 1859. aastal.

Uute liikide tekkimisel on oluline tähtsus ristumisbarjääril, mis võib tekkida erinevate bioloogiliste isolatsioonide toimel. Need isolatsioonimehhanismid jagunevad: sügoodieelne isolatsioon – ökoloogiline, etoloogiline, mehaaniline, gameetne ja sügoodijärgne isolatsioon – hübriidide eluvõimetus ja viljatus.

Geograafilistest teguritest lähtudes saab liigitekkes eristada kahte peamist tüüpi: allopatriline ja sümpatriline liigiteke. Esimesel juhul on uut liiki moodustav organismirühm geograafiliselt eraldatud lähteliigist, teisel juhul puudub uueks liigiks teiseneval organismirühmal geograafiline eraldatus. Täpsemal käsitlemisel, kui arvesse võetakse geograafilise eraldatuse määra, eristatakse nelja liigitekke vormi: allopatriline, peripatriline, 

parapatriline ja sümpatriline.

Liikide tekkimist on võimalik esile kutsuda ka kunstlikult, näiteks laborikatsetes ja loomakasvatuses.

Bioloogilised isolatsioonimehhanismid

Ökoloogiline isolatsioon

Ökoloogiline isolatsioon on põhjustatud erinevustest sigimispaikades või sigimisaegades. Näiteks kahe kärnkonnaliigi Bufo americanus ja Anaxyrus fowleri omavaheline ristumine on takistatud nende sigimispaiga erinevuse tõttu. Bufo americanus eelistab sigimispaigana ojakääre, Anaxyrus fowleri aga tiike ja mülkaid.

Taimedel esineb sageli aastaajaline isolatsioon, kus näiteks lähedased liigid õitsevad eri ajal ning selle tõttu on ristumine takistatud. Saaremaal kasvavaid musta ja punast leedrit on kunstlikult võimalik kergesti ristata, aga looduslikult ei saa hübriidi tekkida, sest nad õitsevad eri aegadel.

Etoloogiline isolatsioon

Etoloogiline isolatsioon on eriti iseloomulik just lahksugulistele loomadele ning avaldub erinevates käitumistunnustes, mille abil tunneb vastassugupool oma liigikaaslase ära. Sellisteks käitumisteks on näiteks paaritumistantsud, linnulaulud, konna krooksumised, kutsehüüud, feromoonide eritamine jne. Sellised tunnused takistavad sigimisperioodil paaritumist liigivõõra partneriga.

Cypripedium calceolus – kaunis kuldking

Mehaaniline isolatsioon

Mehaaniline isolatsioon tuleneb isendite suguelundite ehituse erinevusest. Vastassugupoolte genitaalid on liigispetsiifilised ning sobituvad omavahel täpselt. Paljudel putukatel ja ka osadel limuseliikidel on ristumine selle tõttu takistatud.

Mehaanilist isolatsiooni esineb ka taimede seas. Õite kujud on erinevad ning see tagab tolmeldamise konkreetse putukaliigi poolt. Eriti on seda näha orhideedel.

Gameetne isolatsioon

Gameetne isolatsioon takistab liigivõõraste sugurakkude ühinemist. Eriti oluline on see kehavälise viljastumisega loomadel. Neil kutsub liigiomaste munarakkude ja 

seemnerakkude kohtumise esile liigispetsiifilised ained, atraktandid.

Kehasisese viljastamisega loomadel hukkuvad seemnerakud liigivõõra emasisendi suguteedes, kus on selleks vajalikud mehhanismid (nt happeline keskkond, erinevad barjäärid).

Taimede puhul ei lähe liigivõõrad tolmuterad idanema või nad hävivad juba emakakaelas ega jõua munaraku viljastamiseni.

Hübriidide eluvõimetus

Muul

Hübriidide eluvõimetus on põhjustatud vanemate geenide sobimatusest, mille tulemusena järglane sureb mingil eluetapil. Kõige kriitilisem aeg on ontogeneesi varastel etappidel: lõigustumine, gastrulatsioon ja sugunäärmete diferentseerumine. Võib juhtuda, et lõigustumine toimub normaalselt, aga gastrulatsioonis läheb midagi valesti ning sügoot ei arene normaalselt välja. Mõnikord võib olla ka, et gastrulatsioon toimub korralikult ja katkestused ilmnevad hoopis sügoodi hilisemas arengus.

Isegi kui sügoodi arengus läheb kõik hästi, on suure tõenäosusega sündinud hübriid steriilne või viljatu. See on samuti tingitud vanemate geenidest: vanematelt saadud erinevast kromosoomide arvust ja rakutuuma ja tsütoplasma omavahelisest interaktisoonist.

Muulad ja hobueeslid on hübriidid, kes on tekkinud hobuse ja eesli ristumisel. Enamus neist on steriilsed. See on seetõttu, et nende vanematel on erinev arv kromosoome: hobusel (Equus caballus) on 64 kromosoomi, eeslil (Equus asinus) 62 kromosoomi. Järglasel, muulal või hobueeslil, on aga 63 kromosoomi. Need ei saa moodustada paare, mis tähendab, et meioosis toimub ebavõrdne jagunemine. See tingib nende steriilsuse.

Geograafilised mudelid

Allopatriline

Allopatrilise, peripatrilise, parapatrilise ja sümpatrilise liigitekke võrdlus

Allopatrilisel liigitekkel jaguneb populatsioon kaheks geograafiliselt eraldatud populatsiooniks (näiteks elukohtade jagunemine geograafiliste muutuste tõttu nagu näiteks mägede, ookeanite tekkimine). Eraldunud populatsioonid läbivad genotüüpilised või fenotüüpilised muutused:

• alluvad erinevalt loodusliku valiku survele
• läbivad erinevalt geenitriivi
• esile tulevad erinevad mutatsioonid

Kui nende kahe populatsiooni isendid uuesti kohtuvad, ei ole nad enam võimelised omavahel järglasi saama ega geneetilist materjali vahetama, on tekkinud ristumisbarjäär.

Peripatriline

Peripatriline liigiteke on allopatrilise liigitekke alamvorm. Uued liigid tekivad populatsiooni perifeersetel aladel, isoleeritud kohtades. Tekivad väikesed populatsioonid, mis isolatsiooni tõttu ei ole enam võimelised geneetilist materjali vahetama esialgse populatsiooniga. Kui väike populatsioon on peapopulatsioonist eraldunud, saab looduslik valik toimuda seal peapopulatsioonist sõltumatult. Geograafilise isolatsiooni tulemusena ja piisava pika aja möödudes võib eraldumise kõrvalproduktiks olla uue liigi teke. Peripatrilise liigitekkega on seotud ka rajajaefekt ja pudelikaela efekt. Geenitriivil on peripatrilisel liigitekkel oluline roll.

Parapatriline

Parapatrilisel liigitekkel on ainult osaline populatsioonide eraldumine. Indiviidide teed kummastki populatsioonist võivad vahepeal ristuda, aga suurenenud heterosügootide fitness suurendab selliseid käitumisi ja mehhanisme, mis takistavad nende paaritumist. Isegi kui nende populatsioonide vahel toimub geenivool, siis suurenenud diferentsiaalne valik viib lõpuks ikkagi välja uue liigi tekkeni.

Sümpatriline

Sümpatriline liigiteke on ühe või enama järglaspopulatsiooni tekkimine ühest vanempopulatsioonist ühise levila piirides ruumilise isolatsioonita.

Sümpatriline liigiteke on laialt levinud taimede seas. Taimedel on levinud iseviljastumine, areng viljastamata munarakust ja vegetatiivne paljunemine. Need sigimisviisid piiravad geneetilise materjali rekombineerumist, mille tulemusena tekivad iseseisva geenifondiga rühmad liigi sees ka ilma ruumilise isolatsioonita. Sellistest rühmadest võivad lõpuks välja areneda uued liigid.

Makroevolutsioon

Makroevolutsioon ehk suurevolutsioon ehk evolutsioon pikas ajaskaalas on liigist kõrgemate taksonite, nt sugukondade, klasside, hõimkondade jne teke ja areng.

Termini võttis kasutusele (paaris terminiga mikroevolutsioon) vene bioloog Juri Filiptšenko aastal 1927.

Mikroevolutsioon

Mikroevolutsioon on evolutsioon, mis haarab liigisiseseid, populatsiooni tasandil toimuvaid evolutsioonilisi muutusi, populatsiooni genofondi muutumist.

Termini võttis kasutusele Robert Leavitt aastal 1909, kasutades seda ontogeneesis toimuvate muutuste kohta.

"The production of form from formlessness in the egg-derived individual,

 the multiplication of parts and the orderly creation of diversity among them, is an actual 

evolution, of which anyone may ascertain the facts, but of which no one has dissipated the

 mystery in any significant measure. This microevolution forms an integral part of the grand

 evolution problem and lies at the base of it, so that we shall have to understand the minor 

process before we can thoroughly comprehend the more general one. Morphogenetics, therefore,

 is a field in which the evolutionists must work." (Leavitt 1909: 30, esiletõst lisatud siin.)"

Vormitootmine vormita olekust munast saadud isendil,
  osade korrutamine ja mitmekesisuse korrapärane loomine nende vahel on tegelik
evolutsioon, millest igaüks võib teada saada fakte, kuid millest keegi pole veel hajutanud
  saladus mis tahes olulises mõõtmes. See mikroevolutsioon on grandi lahutamatu osa
  evolutsiooniprobleem ja asub selle põhjas, nii et peame alaealist mõistma
enne, kui suudame põhjalikumalt mõista üldisemat. Seetõttu on morfogeneetika
  on valdkond, millega evolutsionistid peavad töötama. "

Paaris terminiga makroevolutsioon kasutas seda mõistet esmakordselt Juri Filiptšenko aastal 1927.

Evolutsiooni mehhanismid

Evolutsiooni mehhanismid on põhimõttelised viisid, kuidas organismirühmad

 evolutsioneeruvad.

Evolutsiooni toimumiseks on vajalik pärilik varieerumine. Evolutsiooni aluseks on mutatsioonid, looduslik valik, geneetiline triiv, geenivool ja päriliku materjali rekombineerumine.

Looduses on olemas protsessid, mis suurendavad geneetilist varieerumist, ja ka protsessid, mis seda vähendavad.

Geneetilist varieerumist vähendavad mehhanismid

Looduslik valik

 Charles Darwini kohaselt annavad mõned indiviidid populatsioonis alati rohkem järglasi kui teised. Paljunemisvõime erinevus indiviidide vahel on loodusliku valiku (edaspidi LV) olulisim tulem. LV on kohastumusliku evolutsiooniprotsessi ainus mehhanism.

Looduslik valik – populatsiooni genofondi alusel toimuv paljunemise edukuse määramine indiviidide vahel. Kõige üldisem LV tulem on vähekohastunute elimineerimine populatsioonist, kui need on tekkinud uute mutatsioonide tulemusena. Seega LV takistab uute alleelide sageduse tõusu populatsioonis.

LV säilitab või vähendab geneetilist varieeruvust populatsioonis sõltuvalt sellest, kuidas ta toimib. Kui valik eemaldab populatsioonist kahjulikke alleele või takistab alleelide fikseerumist populatsioonis, siis ta vähendab variantide hulka. Kui heterosügoodid on enamkohastunud kui homosügoodid, siis ta säilitab variantide arvu. Seda nimetatakse balansseeritud ehk tasakaalustatud valikuks, näiteks sirprakulise aneemia korral. Tasakaalustatud valik on looduslikes populatsioonides siiski harv nähtus, põhjuseks asjaolu, et LV ei saa säilitada geneetilist polümorfismi mitme lookuse suhtes.

LV toimib alati organismi või indiviidi tasemel paljunemiseelise kaudu. Alleelide sagedused populatsioonis muutuvad indiviidide kaudu, kellel on erinev paljunemiskiirus ja -määr. Selles osas on aga vaidlusi veel palju ja mõned teadlased leiavad, et valik toimub põhimõtteliselt siiski kõigil tasanditel alates geenist ja lõpetades liigiga.

Organismid ise ei tee midagi, mis võiks olla kasulik liigile kui sellisele. Iga isend konkureerib vaid oma liigikaaslasega, et saavutada edu paljunemises. Seepärast soosib LV selles suhtes vaid iga organismi isiklikke "ambitsioone", sest liigikaaslasega arvestamine soosib tegelikult olelusvõitluses mitte teda ennast, vaid seda, kellega arvestatakse. Altruistid on määratud populatsioonist kaduma. Samas tunduvad pealtnäha nii mitmedki indiviidide käitumuslikud omadused olevat altruistlikud ja alles lähemal vaatlusel selgub, et see tegelikult nii ei ole.

Seega võib organismide käitumine olla ühelt poolt altruistlik, teiselt poolt aga on see vägagi iseendaga arvestamine.

Paljunemise edukusel on kaks komponenti:

• otsene: sobivus ehk kohasus (inglise fitness) toimub indiviidi tasemel
• kaudne: adapteeritus (inglise adaptedness) on populatsiooni või liiki iseloomustav omadus.

Otsene sobivus määrab ära ühe genotüübi keskmise alleelide hulga, mis antakse paljunemisel edasi populatsiooni genofondi. Kaudne kohastumine määrab ära nende geenide hulga järgmise põlvkonna genofondis, mis on kindlustanud selle kohanemise. Kaudne ja otsene kohanemine üheskoos on inklusiivne kohanemine – see on peaaegu sama, mis kohastumine Darwini järgi, sisaldades kõiki neid geene, mida indiviid jagab oma sugulastega ja mis antakse edasi järglastele sugulaste poolt.

LV ei indutseeri pärilikku varieerumist. Valik on protsess, mis eristab olemasolevaid geneetilisi variante.

LV ei vii populatsiooni alati optimaalse tunnuste kogumini. Igas populatsioonis on alati olemas optimaalset tunnuste kogumit määravad alleelid (nn globaalne optimum). Samas on olemas ka selline alleelide kogum, mis annab populatsioonile peaaegu maksimaalse kohastumise antud keskkonnas (nn lokaalne optimum). Üleminek lokaalselt optimumilt globaalsele on võimatu, sest liik peab selleks läbima vähem kohastunud staadiumi. Seepärast viib looduslik valik populatsiooni vaid lokaalse optimumi poole. See on üks kaasaegse evolutsioonilise bioloogia alusprintsiipe, mille sõnastas Sewall Wright – kohastumusliku maastiku printsiip (adaptive landscape).

LV-l puudub kaugem eesmärk. Ta võimaldab organismidel kohastuda vaid nende praeguse keskkonna suhtes. Ükski struktuur ega funktsioon ei evolutsioneeru selleks, et ta võib osutuda tulevikus kasulikuks. Organism adapteerub igas oma ontogeneesi staadiumis vaid olemasoleva keskkonna suhtes. Alles siis kui keskkond muutub, hakkab valik toimuma uue keskkonna suhtes. Suured muutused populatsioonis on kumulatiivse LV produkt. Muutused tuuakse populatsiooni sisse mutatsioonidega. Väike osa nendest mutatsioonidest, mis suurendavad ka paljunemise määra, fikseeritakse populatsioonis, ja LV suurendab nende sagedust.

Kompleks- või mitmiktunnused evolutsioneeruvad läbi elujõuliste vahevormide. Paljude selliste tunnuste korral tundub esmapilgul, et nad peaksid olema letaalsed või vähemalt mitte mingeid eeliseid andvad. Mis kasu on näiteks tiivast linnul, kes tänu selle ehitusele ei suuda lennata? Selline tiib võib kasu tuua mingil muul viisil. Olemasoleva tunnuse kaudu ei saa alati otsustada tunnuse mõttekuse üle minevikus. Tunnus võib olla evolutsioneerunud ühel eesmärgil, hiljem aga areneda edasi juba hoopis uuel eesmärgil.

Sageli räägitakse valikujõust ja valikusurvest. Esmapilgul tundub, et keskkond sunnib populatsiooni evolutsioneeruma enamkohastumise suunas ning see ongi nn valiku surve. Tegelikult LV vaid soodustab juhuslikult tekkinud kasulike pärilike muutuste kuhjumist, aga mitte ei soodusta nende fenotüübilist avaldumist. LV võib toimida palju aega enne fenotüübiliste geneetiliste variantide ilmumist. Valik ei ole juhitav või tunnetatav protsess ja hetkest, mil me hakkame seda märkama, on see juba LV tagajärg. Evolutsioonile üritatakse tihti külge pookida mingit motiveeritud, eesmärgistatud liikumist. Seda omistatakse nii organismidele, populatsioonidele kui ka geenidele. Eriti sage on taoline lähenemine käitumuslike tunnuste korral. Sageli väidetakse, et loomade käitumine on tingitud sellest, et valik soodustab seda või et need jooned on valiku surve all. See on aga sügavalt ekslik.

LV asemel kasutatakse ka fraasi "enamkohastunute ellujäämine". See fraas on käibele võetud Darwini poolt ja võib olla eksitav. Esiteks on eluemus ainult üks osa, millele valik toimib, ning paljude populatsioonide korral ei ole see üldse määrav. Näiteks polügaamsetel liikidel elab enamik isaseid suguküpsuseni, kuid vaid mõned neist viljastavad emaseid ja annavad oma geene edasi. Isaste elumus kui tunnus ei erine üksteisest oluliselt, küll aga erineb nende võime paeluda emaste tähelepanu. Just see viimane omadus määrab paljunemise edukuse. Kohasus evolutsioonilises mõttes ei tähenda mitte suurimat, parimat ja tugevamat, vaid populatsiooni isendite (genofondi) edukama geneetilise variandi keskmist paljunemismäära. See on suurus, mis näitab, et mingit kogumit geene kogu populatsiooni genofondist antakse edukamalt edasi kui teisi.

Suguline valik on LV, mis töötab organismi paljunemisedukuse suunas. Tunnustel, millel on tõenäosus soodustada järglaste andmist, on alati eelis nende tunnuste ees, mis soodustavad ellujäämist. Isane, kelle eluiga on lühike, aga kes annab palju järglasi, on evolutsiooni aspektist edukam kui isane, kes elab kaua aga kelle järglaste hulk on väike. Esimesel juhul nende isendite geenid populatsioonis domineerivad ja need geenid domineerivad ka kogu liigil.

• "Heade geenide teooria" ütleb, et atraktiivsus määrab isaste parema kohasuse (fitness). Näiteks on ilusama sulestikuga isastel vähem parasiite või isaste teatud käitumuslikud jooned viitavad nende suuremale vitaalsusele.
• Teine, "pageva sugulise valiku mudel", millega tuli välja R. Fischer, väidab, et emastel on juba kaasasündinud eelistused teatud isaste tunnustele ja seda veel enne, kui tunnused fenotüübiliselt populatsioonis avalduvad. Selle tulemusena looduslik valik katsetab neid nn eelistatud tunnuseid, mis aeg-ajalt isenditel fenotüübis tekivad.

Näiteks kujutlegem, et emased mingil põhjusel eelistavad pikasabalisi isaseid. Mutantsed isendid pikemate sabadega saavad automaatselt paaritumise eelise ja see alleel on järgmises põlvkonnas juba oluliselt suurema sagedusega esindatud ning sellega ka pikasabaliste isaste hulk samuti. Mida põlvkond edasi, seda suuremaks nende isendite hulk populatsioonis kasvab, sest emased eelistavad just neid. Lõpuks elumuse tõenäosuse ja sugulise atraktiivsuse vahel saabub tasakaal – saba ei saa enam pikemaks kasvada, sest siis hakkavad isased juba populatsioonist välja surema (tunnuse kahjulikkus ületab tema kasulikkuse).

Geenitriiv

 Alleelide sagedused populatsioonis muutuvad ka juhuslikult, mitte ainult loodusliku valiku tulemusena. Seda protsessi nimetatakse geenitriiviks (inglise genetic drift). Geenitriiv on oma olemuselt genofondis tekkiv viga. Põhimõtteliselt peaks alleelide sagedused olema igas põlvkonnas ühesugused, erinevused tekivad juhuslike mutatsioonide kaudu.

Tänu geenitriivile alleelide sagedused võivad populatsioonis suureneda või väheneda. Mingi väga väike osa alleele võib ühes suunas muutuda mõne põlvkonna jooksul analoogselt kulli ja kirja viskamisega, kus ülekaalu saavutab üks neist kahest teatud arvu visete järel. Geenitriivi tulemusena võivad mõned muteerunud geenid populatsioonis ka fikseeruda. Väikestes populatsioonides on võimalus alleelide sageduste muutusteks alati suurem, kui suurtes, kuigi geenitriivi üldine määr ei sõltu populatsiooni suurusest. Kui muteerumise sagedus on konstantne, siis suured ja väikesed populatsioonid kaotavad alleele võrdse kiirusega. Erinevus on vaid ajas. Suures populatsioonis on küll neid alleele rohkem, kuid nende kaotamise protsess on aeglasem kui väikestes populatsioonides, kus alleelid ringlevad kiiremini. Järelikult mutatsioonid lisavad pidevalt uusi alleele populatsiooni genofondi. Tähtsust hakkavad nad omama siis kui neile hakkab toimima looduslik valik.

Populatsiooni arvukuse järsk vähenemine võib muuta oluliselt alleelide sagedust. Ellujäänute või väikesearvulise populatsiooni genofond võib seega tuntavalt erineda sellest genofondist, mis oli enne populatsiooni suuruse vähenemist. Sellist genofondi muutust nimetatakse asutaja efektiks (inglise founder effect), sest üksikud organismid, mis asustavad näiteks uut territooriumi, määravad tekkiva populatsiooni genofondi. See võib viia päriliku reproduktiivse isolatsiooni tekkeni emapopulatsioonist. Piisavalt väikeses populatsioonis töötab geenitriiv looduslikule valikule vastu ja mõõdukalt kahjulikud alleelid fikseeritakse.

Wright ja Fischer ei nõustunud geenitriiviga evolutsiooniprotsessis. Nad väitsid, et populatsioonid on alati piisavalt suured ja seepärast triiv neis ei mängi rolli. Kuna populatsioonid koosnevad alati subpopulatsioonidest, siis geenitriiv põhjustab erinevusi subpopulatsioonide vahel vaid sel juhul kui geenide vahetus nende vahel on piiratud. Kui subpopulatsioon on väga väike, siis ta triivib juba ise oma kohastumisega adaptatiivsel maastikul ja jõuab uuele kohastumuslikule tasemele. Geenivahetus selle subpopulatsiooni ja emapopulatsiooni vahel soodustab kogu populatsiooni kohastumist uuele tasemele. Evolutsioonibioloogias kutsutakse seda evolutsiooniteooriat Wrighti tasakaalustatud nihke teooriaks (Shifting Balance Theory).

Geneetilist varieerumist suurendavad mehhanismid

Mutatsioonid

 Rekombineerumine

 Iga meie suguraku kromosoom on segu ema ja isa geenidest. Rekombineerumine ongi geenide vahetumine samade lookuste vahel homoloogses kromosoomis.

Geenivool

 Isendite migratsioon ühest populatsioonist teise toob sinna uusi isendeid. Paaritumisel toovad nad populatsiooni genofondi sisse uusi alleele – protsessi nimetataksegi geenivooluks ehk geenisiirdeks. Üksikute väga lähedaste liikide korral toimub ka liikidevaheline hübridisatsioon. Kui hübriidid on viljakad, töötavad nad nagu geenivektorid liigilt liigile. Geenivool kaugete liikide vahel on äärmiselt harv fenomen, kuid seda esineb. Sageli just transposoonide kaudu.

Neodarvinism

Neodarvinism on evolutsiooniõpetus, mis põhineb ühel osal Charles Darwini evolutsioonikäsitlusest. See rõhutab juhuslike mutatsioonide ja loodusliku valiku määravat või koguni ainurolli adaptiivses evolutsioonis.

Neodarvinismi termini võttis kasutusele George Romanes aastal 1895, tähistades sellega vaadet, mille kohaselt evolutsioon toimub üksnes loodusliku valiku teel – nagu seda kirjeldasid näiteks Alfred Wallace ja August Weismann. Neodarvinismi kohaselt on Darwini poolt võimalikuks peetud pangeneetiline pärandumine (s.t, et ka elu jooksul omandatud tunnused võiksid päranduda järglastele) võimatu. Kuni 1930. aastateni nimetati neodarvinismiks panselektsionistlikku vaadet evolutsioonile. Neodarvinismi 1930. aastate lõpul kujunenud variant kannab (eriti vene ja saksa kirjanduses) nime sünteetiline evolutsiooniteooria.