Evoluce je proces, který katalyzuje genetické změny v populaci organismů. Například druh řas může upravit své bílkoviny absorbující světlo ze zelené na červenou, aby jim umožnil úspěšnější prospívání v hlubších vodách. Viditelná změna charakteristik řas je však odrazem změny v celkové frekvenci specifických genů v populaci. Z technického hlediska se tomu říká alelová frekvence. Evoluční změna tedy nemůže nastat bez změn frekvence alel, zatímco změna frekvence alel je známkou toho, že k evoluci dochází.
Fenotyp a genotyp
Fenotyp označuje soubor pozorovatelných fyzických a behaviorálních vlastností organismu. Mnoho z těchto znaků je přímým vyjádřením DNA organismu, které se říká genotyp. Přestože některé prvky fenotypu jsou poháněny interakcí genotypů organismu s prostředím, je ten či onen fenotyp spojen s genotypem.
Genotyp konkrétního organismu se skládá ze sady genetických pokynů pro tvorbu proteinů. Tyto pokyny jsou obvykle jakousi smíšenou taškou. Například zelená řasa může mít nějakou DNA, která také řídí syntézu červených proteinů. Jiné geny by však mohly vypnout gen pro červené bílkoviny, nebo se možná vyrábí mnohem více zeleného proteinu než červeného. Jeden konkrétní organismus by tedy mohl mít silný zelený genotyp a slabý červený genotyp.
Populační genetika
Ačkoli je evoluce poháněna interakcí prostředí s jediným organismem, jediný organismus se nemůže vyvíjet. Pouze druhy se mohou vyvinout. Genetici tedy zkoumají celkovou distribuci fenotypu a genotypu v populaci. Je možné mnoho různých mixů.
Například populace zelených řas může být zelená, protože mají pouze geny pro výrobu zelených proteinů. Mohly by však být také zelené, protože mají geny pro zelené proteiny a červené proteiny, ale mají další gen, který řídí, že červené proteiny by se měly rozkládat hned po jejich vytvoření. Gen produkující barevný protein může být tedy „zelený“ nebo „červený“. Tyto dvě možnosti se nazývají alely a míra genetického složení druhu je dána frekvencí alel mezi všemi organismy v druh.
Rovnováha
Představte si rybník, hluboký několik stop, kde rostou řasy. Řasy blízko povrchu mají dostatek žlutého světla, které jejich zelená bílkovina absorbuje v pohodě. Ale řasy, které se driftují níže, nemají mnoho žlutého světla - voda absorbuje žluté a propouští více modravého světla, takže hlubší řasy potřebují červené bílkoviny, aby si vedly dobře ve větších hloubkách. Pokud byste měli vyzkoušet řasy na povrchu, nejzdravější by byly zelené, zatímco nejzdravější řasy pod povrchem by byly červené. Ale řasy se chovají navzájem, takže procento genů pro zelené a červené bílkoviny by bylo z generace na generaci docela stabilní. Stabilitu frekvence alely popisuje Hardy-Weinbergův princip.
Změna
Nyní si představte, že je rok silných bouří. Řasy v rybníku přetékají z břehů a šíří se do sousedních rybníků. Jeden ze sousedních rybníků je velmi mělký a druhý je mnohem hlubší. V mělkém rybníku není gen pro červené bílkoviny užitečný, takže je úspěšnější více čistých zelených bílkovinných řas. To bude mít tendenci vytlačovat gen červených proteinů z genofondu - to znamená, že sníží frekvenci alel genu červených proteinů. V hlubokém rybníku se může stát opak. V hlubokých vodách zelený protein nepomůže. Rozdíl v hloubce zelených a červených řas může vést k úbytku genů zelených bílkovin v populaci řas, která se nikdy nepřiblíží k povrchu k rozmnožování. Frekvence alel se mění v reakci na tlak prostředí: evoluce funguje.