Причины генетического разнообразия особей вида. Генетическое разнообразие: суть, значение, причины и примеры

Генетическое разнообразие

Генетическое разнообразие или генетический полиморфизм - разнообразие популяций по признакам или маркерам генетической природы. Один из видов биоразнообразия . Генетическое разнообразие представляет собой важный компонент генетической характеристики популяции, группы популяций или вида. Генетическое разнообразие, в зависимости от выбора рассматриваемых генетических маркеров, характеризуется несколькими измеряемыми параметрами:

1. Средняя гетерозиготность.

3. Генетическое расстояние (для оценки межпопуляционного генетического разнообразия).

Средняя гетерозиготность

Этот параметр генетического разнообразия описывает, какую долю в популяции составляют особи, гетерозиготные по изучаемым маркерам, с усреднением этого параметра по набору использованных маркеров.

Число аллелей на локус

Этот параметр, как правило, используется для оценки генетического разнообразия по маркерам, имеющим более двух описанных аллельных состояний, например, для микросателлитных локусов.

Генетическое расстояние

Параметр описывает степень различия и разнообразия между популяциями по наличию/отсутствию или частотам аллелей используемых маркеров.

Биологическое значение

Генетическая изменчивость в популяции предоставляет исходный материал для действия естественного отбора и генетического дрейфа, то есть, является необходимым элементом для микроэволюционных процессов. В частности, известны работы о неэффективности отбора в чистых линиях (при отсутствии генетического разнообразия). С другой стороны, генетическая изменчивость сама по себе является продуктом действия факторов микроэволюции . Генетическое разнообразие имеет большое значение для экологической пластичности популяций. Наличие нескольких аллелей по аллозимным локусам в популяции позволяет этой самой популяции адаптироваться к варьирующим условиям, в которых наличие у особей тех или иных аллелей даёт преимущество. Например, два широко распространённых у Drosophila melanogaster варианта гена алкогольдегидрогеназы оказывают в гомозиготном состоянии альтернативно полезное или вредное воздействие, в зависимости от температурных условий среды.

Литература

Алтухов Ю.П. Генетические процессы в популяциях. - М.: ИКЦ «Академкнига», 2003. - 431 с.
"Иоганнсен В." О наследовании в популяциях и чистых линиях. – М.: Сельхозгиз, 1935. – 57 с.

Wikimedia Foundation . 2010 .

Смотреть что такое "Генетическое разнообразие" в других словарях:

генетическое разнообразие - — EN genetic diversity The variation between individuals and between populations within a species. (Source: WRIGHT) … … Справочник технического переводчика

РАЗНООБРАЗИЕ БИОЛОГИЧЕСКОЕ - число различимых типов биологических объектов или явлений и частота их встречаемости на фиксированном интервале пространства и времени, в общем случае отражающие сложность живого вещества, способность его к саморегуляции своих функций и… … Экологический словарь

Биоразнообразие (биологическое разнообразие) разнообразие жизни во всех ее проявлениях. В более узком смысле, под биоразнообразием понимают разнообразие на трех уровнях организации: генетическое разнообразие (разнообразие генов и их вариантов… … Википедия

Раздел генетики, изучающий генофонд популяций и его изменение в пространстве и во времени. Разберемся подробнее в этом определении. Особи не живут поодиночке, а образуют более или менее устойчивые группировки, сообща осваивая среду обитания.… … Энциклопедия Кольера

Запрос «Собаки» перенаправляется сюда; о роде «Canis» см. Волки. Запрос «Собака» перенаправляется сюда; о знаке «собака» см. @. Собака … Википедия

- (биологическое разнообразие) разнообразие жизни во всех её проявлениях. Также под биоразнообразием понимают разнообразие на трёх уровнях организации: генетическое разнообразие (разнообразие генов и их вариантов аллелей), видовое… … Википедия

Эта статья о биологической эволюции. Другие значения термина в заглавии статьи см. на Эволюция (значения). Фи … Википедия

Не следует путать с Гаплогруппа I (мтДНК). Гаплогруппа I Тип Y ДНК Время появления 20 000 до н.э. Место появления Европа Предковая группа IJ Субклады I1, I2 Мутации маркеры M170, M258, P19, P38, P212, U179 Преобладающие носители потомки германцев … Википедия

Необходимо проверить качество перевода и привести статью в соответствие со стилистическими правилами Википедии. Вы можете помочь … Википедия

Биоразнообразие - Биологическое разнообразие (сокр. Биоразнообразие) разнообразие жизни во всех ее проявлениях, представленное тремя уровнями: генетическое разнообразие (разнообразие генов и их вариантов аллелей), разнообразие видов, разнообразие экосистем...… … Официальная терминология

Виды животных сильно отличаются друг от друга по уровню генетического разнообразия (полиморфизма), однако причины этих различий точно не установлены. Анализ транскриптомов 76 видов животных, относящихся к 31 семейству и восьми типам, позволил выявить ключевой фактор, коррелирующий с уровнем генетического полиморфизма. Им оказался уровень родительского вклада в потомство, который можно оценить по размеру особей на той стадии, когда они покидают родителей и переходят к самостоятельной жизни. Как выяснилось, низкий генетический полиморфизм характерен для видов, выпускающих в мир немногочисленное, но зато крупное и способное за себя постоять потомство, а высокий - для тех, кто бросает многочисленных мелких, незащищенных потомков на произвол судьбы. Данный результат заставляет пересмотреть некоторые устоявшиеся представления популяционной генетики и по-новому взглянуть на эволюционную роль заботы о потомстве.

Уровень генетического полиморфизма популяции (или вида в целом) считается в популяционной генетике важнейшим показателем, от которого зависят эволюционная пластичность вида, его приспособляемость к переменам среды и риск вымирания.

Виды животных сильно различаются по уровню генетического полиморфизма. Например, у гепардов разнообразие крайне низкое. Это объясняется недавним «бутылочным горлышком» - экстремальным снижением численности, в результате которого почти весь предковый полиморфизм был потерян. Поэтому все ныне живущие гепарды являются близкими родственниками, а генетически они почти идентичны друг другу. У ланцетника, наоборот, полиморфизм рекордно высок (см.: Геном ланцетника помог раскрыть секрет эволюционного успеха позвоночных , «Элементы», 23.06.2008). Это, предположительно, объясняется тем, что численность популяции ланцетников оставалась очень высокой в течение долгого времени.

Впрочем, одной лишь численностью популяции невозможно объяснить межвидовые различия по уровню полиморфизма. Выдающийся эволюционный генетик Ричард Левонтин (Richard Lewontin) еще 40 лет назад назвал объяснение этих различий центральной проблемой популяционной генетики (R. C. Lewontin, 1974. The Genetic Basis of Evolutionary Change). Однако добиться полной ясности в данном вопросе пока не удалось.

В теории проблема выглядит относительно простой. Согласно нейтральной теории молекулярной эволюции , в «идеальной» популяции (с абсолютно свободным, случайным скрещиванием, постоянной численностью, равным числом самцов и самок и т. д.) должен поддерживаться постоянный, равновесный уровень нейтрального генетического полиморфизма, зависящий только от двух переменных: темпа мутагенеза (частоты появления новых нейтральных мутаций) и эффективной численности популяции , N e (см. также Effective population size). Последняя в идеале равна числу особей, участвующих в размножении, но в далекой от идеала реальности вычислять ее приходится сложными окольными путями - например, по косвенным признакам, указывающим на силу генетического дрейфа : чем ниже N e , тем сильнее должен быть дрейф (см. краткое содержание главы 3 “Effective population size” учебника по популяционной генетике).

Для большинства видов измерить N e затруднительно. Гораздо проще оценить «обычную» численность (N ). Поскольку N e , по-видимому, все-таки должна (со всеми оговорками) положительно коррелировать с N , логично предположить, что у массовых видов генетическое разнообразие должно быть в среднем выше, чем у малочисленных.

Эмпирические данные, однако, не дают этой гипотезе однозначного подтверждения. Похоже, различия по N позволяют объяснить лишь небольшую долю межвидовой вариабельности по уровню полиморфизма. Чем же объясняется всё остальное? Большинство специалистов предполагают совокупное влияние множества факторов, таких как темп мутагенеза (прямые данные по которому есть пока лишь для немногих видов), популяционная структура и ее динамика, отбор полезных мутаций (приводящий к «выметанию» нейтрального полиморфизма из окрестностей мутантного локуса). Но главным фактором обычно считают историческую динамику численности, в том числе наличие в прошлом периодов резкого сокращения численности (как в случае с гепардами) или длительное их отсутствие (как в случае с ланцетниками).

Впрочем, до сих пор попытки эмпирическим путем выяснить причины межвидовых различий по уровню полиморфизма имели фрагментарный характер: анализировались либо отдельные группы животных, либо небольшое число генов. Коллектив генетиков из Франции, Великобритании, Швейцарии и США попытался найти более общее решение «центральной проблемы популяционной генетики» при помощи современных методов секвенирования транскриптомов . Авторы получили и проанализировали транскриптомы 76 видов животных, относящихся к разным ветвям эволюционного дерева. Изученные виды представляют 31 семейство животных, принадлежащих к восьми типам: нематодам , членистоногим , моллюскам , немертинам , кольчатым червям , иглокожим , хордовым и книдариям .

Всего было исследовано 374 транскриптома, то есть в среднем изучено примерно по пять особей каждого вида и по 10 копий каждого гена (поскольку особи диплоидные). Этого достаточно, чтобы с приемлемой точностью оценить уровень полиморфизма белок-кодирующих последовательностей. В качестве меры нейтрального полиморфизма авторы использовали стандартный показатель - процент синонимичных различий между двумя случайно выбранными гомологичными последовательностями, π s . Был вычислен также процент несинонимичных (значимых) различий π n (см. Nucleotide diversity).

Оказалось, что уровень полиморфизма в изученной выборке варьирует в широких пределах. Рекордно низкое генетическое разнообразие обнаружилось у термита Reticulitermes grassei (π s = 0,1%), максимальное - у морского брюхоногого моллюска Bostrycapulus aculeatus (π s = 8,3%). Различие почти на два порядка!

Виды с высоким и низким полиморфизмом распределены по эволюционному дереву довольно хаотично (рис. 1). При этом родственные виды (относящиеся к одному и тому же семейству) в среднем более сходны друг с другом по уровню полиморфзима, чем представители разных семейств. Этот факт противоречит гипотезе о том, что главным фактором, влияющим на полиморфизм, являются случайные перипетии популяционной истории. Ведь нет оснований предполагать, что у видов, относящихся к одному семейству, должна быть сходная динамика численности. Правда, тут мог сказаться и подбор видов для анализа: например, все три вида морских ежей семейства Schizasteridae, выбранные для анализа, - это обитатели высоких широт Южного полушария, относящиеся к «сумчатым» морским ежам с развитой заботой о потомстве (см. ниже), хотя в этом семействе преобладают виды, не заботящиеся о потомстве.

Авторы сопоставили полученные данные с биологическими и биогеографическими характеристиками изученных видов. Биологических характеристик было шесть: размер взрослой особи, масса тела, максимальная продолжительность жизни, подвижность (расселительная способность) взрослых особей, плодовитость и размер «пропагулы» (то есть той стадии жизненного цикла, на которой животное покидает родителей и переходит к самостоятельной жизни: у кого-то это маленькая икринка, у кого-то - почти взрослая, тщательно выкормленная и выпестованная родителями молодая особь).

Никакой корреляции генетического полиморфизма с биогеографическими и экологическими показателями (площадь ареала, приуроченность к широтным зонам, водный или наземный образ жизни и т. п.) обнаружить не удалось (хотя биогеографические характеристики, надо признать, оценивались весьма грубо). Напротив, все шесть биологических характеристик достоверно коррелируют с полиморфизмом, в совокупности объясняя 73% вариабельности видов по показателю π s . Наилучшим предиктором полиморфизма, намного превосходящим в этом отношении остальные пять переменных, оказался размер пропагулы (рис. 2).

В этом и состоит главная закономерность, обнаруженная авторами: чем более крупных потомков выпускают родители в мир, тем ниже (в среднем) генетический полиморфизм вида. Размер пропагулы, в свою очередь, отрицательно коррелирует с плодовитостью, причем эта корреляция весьма сильна. Таким образом, низкий полиморфизм характерен для животных, производящих небольшое количество тщательно выпестованных, хорошо подготовленных к самостоятельной жизни потомков (K-стратегия; см. Теория r-K отбора), а высокий - для тех, кто производит множество мелких и слабых потомков, бросая их на произвол судьбы (r-стратегия).

Размер взрослого животного коррелирует с полиморфизмом намного слабее (рис. 2, b). Этот результат является неожиданным, потому что размер, как правило, отрицательно коррелирует с численностью (популяции крупных животных в среднем имеют меньшую численность). Логично было бы предположить, что именно размер взрослого животного будет наилучшим предиктором полиморфизма, но это не подтвердилось. Среди видов с низким полиморфизмом есть как мелкие животные (менее 1 см), так и очень крупные. Виды одинакового размера могут иметь контрастно различающиеся уровни полиморфизма, если одни из этих видов являются K-стратегами, а другие - r-стратегами. Например, из рассмотренных авторами пяти видов морских ежей (Echinocardium cordatum, Echinocardium mediterraneum, Abatus cordatus, Abatus agassizi, Tripylus abatoides ) первые два не заботятся о потомстве, производят много мелких яйцеклеток с небольшим количеством желтка, и поэтому их потомкам приходится начинать самостоятельную жизнь в виде крохотных, питающихся планктоном личинок - эхиноплутеусов. Три последних вида относятся к марсупиальным (сумчатым) морским ежам, чьи самки производят крупные, богатые желтком яйца и вынашивают молодь в специальных выводковых камерах, представляющих собой видоизмененные органы дыхания (петалоиды). У этих видов «пропагула», переходящая к самостоятельной жизни, представляет собой уже вполне сформированного морского ежика диаметром в несколько миллиметров. Соответственно, у первых двух видов полиморфизм высокий (π s = 0,0524 и 0,0210), у трех последних - низкий (0,0028, 0,0073, 0,0087). При этом по размеру взрослых особей все пять видов мало отличаются друг от друга. Аналогичная картина характерна для K- и r-стратегов среди офиур, немертин, насекомых и др.

Что касается насекомых, то в категорию K-стратегов здесь попали эусоциальные виды: термиты, пчелы, муравьи. В данном случае очевидно, что по размеру взрослой особи нельзя судить об N e: численность (N ) муравьев может быть очень высокой, что соответствует их небольшим размерам, но размножаться из них могут лишь немногие - «цари» и «царицы» (N e << N ). Понятно, что K-стратегия, обусловленная эусоциальностью, ведет к резкому снижению N e . В других случаях этот эффект не столь очевиден.

Тем не менее авторы полагают, что обнаруженная связь между K-стратегией и низким полиморфизмом обусловлена именно отрицательным влиянием K-стратегии на эффективную численность, даже если природа этого влияния пока непонятна. Альтернативное объяснение могло бы состоять в том, что для K-стратегов характерен пониженный темп мутагенеза. Однако факты говорят скорее об обратном: темп мутагенеза (среднее число мутаций на геном за поколение), судя по всему, у K-стратегов выше, чем у r-стратегов. Одна из причин в том, что K-стратеги живут в среднем дольше, а поколения у них разделены большим числом клеточных делений (см.: У шимпанзе, как и у людей, число мутаций у потомства зависит от возраста отца , «Элементы», 18.06.2014). Так что различия в темпах мутагенеза скорее должны ослаблять, чем усиливать найденную отрицательную корреляцию между вкладом в потомство и полиморфизмом.

Уровень несинонимичного (значимого) нуклеотидного полиморфизма (π n) у исследованных видов тоже лучше всего коррелирует с размером пропагулы, хотя эта корреляция слабее, чем для синонимичного полиморфизма (рис. 3). Отношение π n /π s широко варьирует у разных видов и сильнее всего коррелирует с продолжительностью жизни: у долгоживущих организмов доля несинонимичных полиморфизмов повышена. Этот результат легко объясним: у долгоживущих видов, при прочих равных условиях, эффективная численность популяции должна быть ниже, а дрейф сильнее. Следовательно, слабовредные значимые мутации у долгожителей отбраковываются менее эффективно.

Таким образом, исследование показало, что уровень генетического полиморфизма можно довольно точно предсказать, зная определенные аспекты биологии рассматриваемого вида, такие как величина родительского вклада в потомство, приверженность K- или r-стратегии и продолжительность жизни. Случайные колебания численности популяции, полагавшиеся до сих пор чуть ли не главным фактором, влияющим на уровень полиморфизма, по-видимому, играют менее важную роль в глобальном масштабе. Хотя, конечно, нельзя отрицать их определяющее значение во многих частных ситуациях (как у тех же гепардов).

Авторы полагают, что K-стратегия в долгосрочной перспективе должна коррелировать с более низкими значениями N e , а r-стратегия - с более высокими. Возможно, дело в том, что K-стратеги, благодаря эффективной заботе о потомстве, в целом более толерантны к низкой численности популяции: они могут долго существовать при низкой численности, не вымирая. Они могут, подобно гепардам, успешно восстановиться даже после экстремальных снижений численности, когда от всего вида остается несколько десятков особей. Напротив, r-стратеги сильнее зависят от изменений среды, которые приводят к резким колебаниям численности; их стратегия более «рискованная», поэтому в долгосрочной перспективе будут сохраняться только те виды, чья численность лишь очень редко или никогда не снижается до экстремально низких значений. Косвенно это рассуждение подтверждается палеонтологическими данными: во время массовых вымираний K-стратеги, по-видимому, имеют больше шансов выжить, чем r-стратеги, особенно крупноразмерные. Например, во время великого вымирания на рубеже мела и палеогена (66 млн лет назад) вымерли динозавры, у которых были большие проблемы с заботой о потомстве, - но выжили птицы и млекопитающие (ярко выраженные K-стратеги); вымерли аммониты (r-стратеги), но выжили наутилоидеи с крупными «пропагулами».

Исследование также заставляет задуматься об общих тенденциях эволюции K- и r-стратегов. На первый взгляд кажется, что у первых эволюционные перспективы должны быть в целом гораздо хуже, чем у вторых. У K-стратегов ниже смертность, особенно на ранних стадиях развития, что ограничивает возможности для естественного отбора. Как мы теперь знаем, у них ниже также и генетический полиморфизм, который считается важнейшим показателем «генетического благополучия» вида, приспособляемости и эволюционной пластичности. У них, вероятно, в среднем ниже и эффективная численность популяции. Это способствует ослаблению отбора и усилению дрейфа, что, в свою очередь, должно замедлять отбраковку слабовредных мутаций и фиксацию слабополезных. Стало быть, у K-стратегов должен быть большой мутационный груз (см. Genetic load). Если посмотреть на ситуацию под таким углом, то становится вообще непонятно, почему K-стратеги до сих пор не вытеснены повсеместно r-стратегами. В действительности, судя по палеонтологическим данным, тенденция скорее обратная, особенно у таких ключевых представителей наземной биоты, как сосудистые растения и четвероногие (наземные позвоночные). В этих группах в течение фанерозоя прослеживается явный сдвиг в сторону K-стратегии: беззащитные «пропагулы» в виде мельчайших спор и икринок уступают место увесистым семенам и подрощенным, хорошо упитанным детенышам.

По-видимому, K-стратегия каким-то образом компенсирует все вышеперечисленные недостатки. Одним из факторов может быть отмеченная выше толерантность к низкой численности, обусловленная меньшей зависимостью смертности от непредсказуемых колебаний среды: сравните положение беззащитных лягушачьих икринок в пруду и птичьих яиц в теплом гнездышке с заботливой наседкой. Кроме того, хотя у K-стратегов уровень смертности (элиминации) ниже, эта смертность наверняка более избирательна и неслучайна , чем у r-стратегов. Гибель мелких «пропагул» часто происходит случайно и вообще не зависит от качества генов. Возможно, отбор у K-стратегов даже при низком уровне смертности достаточно эффективен за счет более избирательной (зависящей от качества генов) элиминации. Наконец, можно допустить, что забота о потомстве делает многие потенциально вредные мутации (которые снизили бы шансы на выживание молодняка, брошенного на произвол судьбы) де-факто нейтральными. В этом случае часть значимого (несинонимичного) полиморфизма у K-стратегов в действительности может оказаться не «мутационным грузом» (слабовредными мутациями, не отбракованными своевременно из-за сильного дрейфа и слабого отбора), а нейтральным полиморфизмом, повышающим эволюционную пластичность.

Человечеству свойствен высокий уровень наследственного разнообразия, что проявляется в многообразии фенотипов. Люди отличаются друг от друга цветом кожных покровов, глаз, волос, формой носа и ушной раковины, рисунком эпидермальных гребней на подушечках пальцев и другими сложными признаками. Выявлены многочисленные варианты отдельных белков, различающиеся по одному или нескольким аминокислотным остаткам и, следовательно, функционально. Белки являются простыми признаками и прямо отражают генетическую конституцию организма. У людей не совпадают группы крови по системам эритроцитарных антигенов «резус», АВ0, MN. Известно более 130 вариантов гемоглобина, более 70 вариантов фермента глюкозо-6-фосфатдегидрогеназы (Г6ФД), который участвует в бескислородном расщеплении глюкозы в эритроцитах. В целом не менее 30% генов, контролирующих у человека синтез ферментных и других белков, имеют несколько аллельных форм. Частота встречаемости разных аллелей одного гена варьирует.

Так, из многих вариантов гемоглобина лишь четыре обнаруживаются в некоторых популяциях в высокой концентрации: HbS (тропическая Африка, Средиземноморье), НЬС (Западная Африка), HbD (Индия), НЬЕ (Юго-Восточная Азия). Концентрация других аллелей гемоглобина повсеместно не превышает, видимо, 0,01-0,0001. Вариабельность распространенности аллелей в популяциях людей зависит от действия элементарных эволюционных факторов. Важная роль принадлежит мутационному процессу, естественному отбору, генетико-автоматическим процессам, миграциям.

Мутационный процесс создает новые аллели. И в человеческих популяциях он действует ненаправленно, случайным образом. В силу этого отбор не приводит к выраженному преобладанию концентрации одних аллелей над другими. В достаточно большой популяции, где каждая пара родителей из поколения в поколение дает двух потомков вероятность сохранения новой нейтральной мутации через 15 поколений составляет всего 1/9.

Все многообразие вариантов белков, отражающее разнообразие аллелей в генофонде человечества, можно разделить на две группы. К одной из них относятся редкие варианты, встречающиеся повсеместно с частотой менее 1%. Появление их объясняется исключительно мутационным процессом. Вторую группу составляют варианты, обнаруживаемые относительно часто в избранных популяциях. Так, в примере с гемоглобинами к первой группе относятся все варианты, кроме HbS, HbC, HbD и HbE. Длительные различия в концентрации отдельных аллелей между популяциями, сохранение в достаточно высокой концентрации нескольких аллелей в одной популяции зависят от действия естественного отбора или дрейфа генов.

К межпопуляционным различиям в концентрации определенных аллелей приводит стабилизирующая форма естественного отбора. Неслучайное распределение по планете аллелей эритроцитарных антигенов АВ0 может быть, например, обусловлено различной выживаемостью лиц, отличающихся по группе крови, в условиях частых эпидемий особо опасных инфекций. Области сравнительно низких частот аллеля I 0 и относительно высоких частот аллеля I B в Азии примерно совпадают с очагами чумы. Возбудитель этой инфекции имеет Н-подобный антиген. Это делает людей с группой крови О особенно восприимчивыми к чуме, так как они, имея антиген Н, не способны вырабатывать противочумные антитела в достаточном количестве. Указанному объяснению соответствует факт, что относительно высокие концентрации аллеля I 0 обнаруживаются в популяциях аборигенов Австралии и Полинезии, индейцев Америки, которые практически не поражались чумой.

Частота заболеваемости «натуральной» оспой, тяжесть симптомов, смертность выше у лиц с группой крови А или АВ в сравнении с лицами, имеющими группу крови 0 или В. Объяснение состоит в том, что у людей первых двух групп отсутствуют антитела, частично нейтрализующие оспенный антиген А. Лица с группой крови 0 в среднем имеют возможность прожить дольше, однако для них выше вероятность заболеть язвенной болезнью.

Вместе с тем для популяций из одного географического района, но изолированных в репродуктивном отношении, причиной различий в концентрации аллелей АВО мог быть дрейф генов. Так, частота группы крови А достигает у индейцев племени черноногих 80%, а у индейцев из штата Юта - 2%.

В основе стойкого сохранения в популяции людей одновременно нескольких аллелей одного гена лежит, как правило, отбор в пользу гетерозигот, который ведет к состоянию балансированного полиморфизма. Классическим примером такой ситуации является распространение аллелей гемоглобинов S, С, и Е в очагах тропической малярии.

Выше приведены примеры полиморфизма по конкретным локусам, который объясняется действием известного фактора отбора. В естественных условиях в силу воздействия на фенотипы организмов комплекса факторов отбор осуществляется по многим направлениям. В результате формируются генофонды, сбалансированные по набору и частотам аллелей, обеспечивающие в данных условиях достаточную выживаемость популяций. Это справедливо и для популяций людей. Так, люди с группой крови 0 более восприимчивы к чуме, чем люди с группой В. Туберкулез легких у них лечится с большим трудом, чем у лиц с группой крови А. Вместе с тем лечение больных сифилисом людей с группой крови 0 быстрее вызывает переход болезни в неактивную стадию. Для лиц с группой крови 0 вероятность заболеть раком желудка, раком шейки матки, ревматизмом, ишемической болезнью сердца, холециститом, жёлчно-каменной болезнью примерно на 20% ниже, чем для лиц с группой А.

Генетический полиморфизм по многим локусам мог быть унаследован людьми от предков на досапиентной стадии развития. Полиморфизм по таким системам групп крови, как АВ0 и Rh, обнаружен у человекообразных обезьян. Факторы отбора, действие которых создавало современную картину распределения аллелей в популяции людей, для подавляющего большинства локусов точно не установлены. Примеры, рассмотренные выше, указывают на их экологическую природу.

Генетический полиморфизм является основой межпопуляционной и внутрипопуляционной изменчивости людей. Изменчивость проявляется в неравномерном распределении по планете некоторых заболеваний, тяжести их протекания в разных человеческих популяциях, разной степени предрасположенности людей к определенным болезням, индивидуальных особенностях развития патологических процессов, различиях в реакции на лечебное воздействие. Наследственное разнообразие долго было препятствием успешному переливанию крови. В настоящее время оно же создает большие трудности в решении проблемы пересадок тканей и органов.

Генетическое разнообразие

Естественное богатство нашей планеты связано с разнообразием генетических вариаций. Генетическое разнообразие, т.е. поддержание генотипических гетерозиготности, полиморфизма и другой генотипической изменчивости, которая вызвана адаптационной необходимостью в природных популяциях, представлено наследуемым разнообразием внутри и между популяциями организмов.

Как известно, генетическое разнообразие определяется варьированием последовательностей 4 комплиментарных нуклеотидов в нуклеиновых кислотах, составляющих генетический код. Каждый вид несет в себе огромное количество генетической информации: ДНК бактерии содержит около 1 000 генов, грибы - до 10 000, высшие растения - до 400 000. Огромно количество генов у многих цветковых растений и высших таксонов животных. Например, ДНК человека содержит более 30 тыс. генов.

Новые генетические вариации возникают у особей через генные и хромосомные мутации, а также у организмов, которым свойственно половое размножение, через рекомбинацию генов. Генетические вариации могут быть оценены у любых организмов, от растений до человека, как число возможных комбинаций различных форм от каждой генной последовательности. Другие разновидности генетического разнообразия, например количество ДНК на клетку, структура и число хромосом, могут быть определены на всех уровнях организации живого.

Огромное множество генетических вариаций представлено у скрещивающихся популяций и может быть осуществлено посредством селекции. Различная жизнеспособность отражается в изменениях частот генов в генофонде и является реальным отражением эволюции. Значение генетических вариаций очевидно: они дают возможность осуществления и эволюционных изменений и, если это необходимо, искусственного отбора.

Только небольшая часть (около 1%) генетического материала высших организмов изучена в достаточной мере, когда мы можем знать, какие гены отвечают за определенные проявления фенотипа организмов. Для большей части ДНК ее значение для вариации жизненных форм остается неизвестным.

Каждый из 10 9 различных генов, распределенных в мировой биоте, не дает идентичного вклада в формирование разнообразия. В частности, гены, контролирующие фундаментальные биохимические процессы, являются строго консервативными у различных таксонов и, в основном, демонстрируют слабую вариабельность, которая сильно связана с жизнеспособностью организмов.

Если судить об утере генофонда с точки зрения генной инженерии, принимая во внимание то, что каждая форма жизни уникальна, вымирание всего лишь одного дикого вида означает безвозвратную потерю от тысячи до сотен тысяч генов с неизвестными потенциальными свойствами. Генная инженерия могла бы использовать это разнообразие для развития медицины и создания новых пищевых ресурсов. Однако разрушение местообитаний и ограничение размножения многих видов приводит к опасному уменьшению генетической изменчивости, сокращая их способности адаптироваться к загрязнению, изменениям климата, болезням и другим неблагоприятным факторам. Основной резервуар генетических ресурсов - природные экосистемы - оказался значительно измененным или разрушенным. Уменьшение генотипического разнообразия, происходящее под воздействием человека, ставит на грань риска возможность будущих адаптаций в экосистемах.

Изучение закономерностей распределения генотипов в популяциях было начато Пирсоном (1904). Он показал, что при наличии разных аллелей одного гена и действия свободного скрещивания в популяциях возникает совершенно определенное распределение генотипов, которое можно представить в виде:

где p - концентрация гена A;

q - концентрация гена a.

Х. Харди (1908) и В. Вайнберг (1908), специально исследовав это распределение, высказали мнение, что оно является равновесным, так как при отсутствии факторов, нарушающих его, оно может сохраняться в популяциях неограниченное время. Так стала развиваться популяционная генетика. Главная заслуга в разработке популяционной генетики, а особенно ее теоретического и математического аспектов, в этот ранний период (1920-1940 гг.) принадлежит С.С. Четверикову, С. Райту, Р. Фишеру, Дж. Холдейну, А.С. Серебровскому и Н.П. Дубинину.

Биологическая эволюция - это процесс накопления изменений в организмах и увеличение их разнообразия во времени. Эволюционные изменения затрагивают все стороны существования живых организмов: их морфологию, физиологию, поведение и экологию. В основе всех этих изменений лежат генетические изменения, т.е. изменения наследственного вещества, которое, взаимодействуя со средой, определяет все признаки организмов. На генетическом уровне эволюция представляет собой накопление изменений в генетической структуре популяций.

Эволюцию на генетическом уровне можно рассматривать как двухступенчатый процесс. С одной стороны, возникают мутации и рекомбинации - процессы, обусловливающие генетическую изменчивость; с другой стороны, наблюдается дрейф генов и естественный отбор - процессы, посредством которых генетическая изменчивость передается из поколения в поколение.

Эволюция возможна только в том случае, если существует наследственная изменчивость. Единственным поставщиком новых генетических вариантов служит мутационный процесс, однако эти варианты могут по-новому рекомбинироваться в процессе полового размножения, т. е. при независимом расхождении хромосом и вследствие кроссинговера. Генетические варианты, возникшие в результате мутационного и рекомбинационного процессов, передаются из поколения в поколение отнюдь не с равным успехом: частота некоторых из них может увеличиваться за счет других. Помимо мутаций к процессам, изменяющим частоты аллелей в популяции, относится естественный отбор, поток генов (т. е. миграции их) между популяциями и случайный дрейф генов.

На первый взгляд может показаться, что особи с доминантным фенотипом должны встречаться чаще, чем с рецессивным. Однако соотношение 3:1 соблюдается лишь в потомстве двух особей, гетерозиготных по одним и тем же двум аллелям. При других типах скрещивания в потомстве происходит иное расщепление признаков, и такие скрещивания также влияют на частоты генотипов в популяции. Законы Менделя ничего не говорят нам о частотах генотипов в популяциях. Именно об этих частотах идет речь в законе Харди - Вайнберга. Основное утверждение закона Харди - Вайнберга состоит в том, что в отсутствие элементарных эволюционных процессов, а именно мутаций, отбора, миграции и дрейфа генов, частоты генов остаются неизменными из поколения в поколение. Этот закон утверждает также: если скрещивание случайно, то частоты генотипов связаны с частотами генов простыми (квадратичными) соотношениями. Из закона Харди - Вайнберга вытекает следующий вывод: если частоты аллелей у самцов и самок исходно одинаковы, то при случайном скрещивании равновесные частоты генотипов в любом локусе достигаются за одно поколение. Если частоты аллелей у двух полов исходно различны, то для аутосомных локусов они становятся одинаковыми в следующем поколении, поскольку и самцы, и самки получают половину своих генов от отца и половину - от матери. Таким образом, равновесные частоты генотипов достигаются в этом случае за два поколения. Однако в случае сцепленных с полом локусов равновесные частоты достигаются лишь постепенно.

Закон Харди - Вайнберга сформулировали в 1908 году независимо друг от друга математик Г.Х. Харди в Англии и врач В. Вайнберг в Германии. Чтобы понять смысл этого закона, можно привести следующий простой пример. Предположим, что данный локус содержит один из двух аллелей, A и a, представленных с одинаковыми для самцов и самок частотами: p для A и q для a. Представим себе, что самцы и самки скрещиваются случайным образом, или, что то же самое, гаметы самцов и самок образуют зиготы, встречаясь случайно. Тогда частота любого генотипа будет равна произведению частот соответствующих аллелей. Вероятность того, что некоторая определенная особь обладает генотипом AA, равна вероятности (p) получить аллель A от матери, умноженной на вероятность (p) получить аллель A от отца, т. е. .

Закон Харди-Вайнберга гласит, что процесс наследования преемственности сам по себе не ведет к изменению частот аллелей и (при случайном скрещивании) частот генотипов по определенному локусу. Более того, при случайном скрещивании равновесные частоты генотипов по данному локусу достигаются за одно поколение, если исходные частоты аллелей одинаковы у обоих полов.

Организмы, обладающие удачными вариантами признаков, имеют большую вероятность по сравнению с другими организмами выжить и оставить потомство. Вследствие этого полезные вариации в ряду поколений будут накапливаться, а вредные или менее полезные вытесняться, элиминироваться. Это и называется процессом естественного отбора, который играет ведущую роль в определении направления и скорости эволюции.

Прямая взаимосвязь между степенью генетической изменчивости в популяции и скоростью эволюции под действием естественного отбора была доказана математическим путем Р. Фишером (1930) в его фундаментальной теореме естественного отбора. Фишер ввел понятие приспособленности и доказал, что скорость возрастания приспособленности популяции в любой момент времени равна генетической варианте приспособленности в тот же момент времени. Однако прямые доказательства этого факта были получены лишь в конце 60-х годов ХХ столетия.

Мутационный процесс служит источником появления новых мутантных аллелей и перестроек генетического материала. Однако возрастание их частоты в популяции под действием мутационного давления происходит крайне медленно, даже в эволюционном масштабе. К тому же подавляющее большинство возникающих мутаций устраняются из популяции в течение немногих поколений уже в силу случайных причин. Неизбежность такого течения событий впервые обосновал Р. Фишер в 1930 году.

Для человека и других многоклеточных показано, что мутации обычно возникают с частотой от 1 на 100 000 до 1 на 1 000 000 гамет.

Новые мутанты, хотя и довольно редко, но постоянно появляются в природе, поскольку существует множество особей каждого вида и множество локусов в генотипе любого организма. Например, число особей того или иного вида насекомых обычно составляет около 100 млн. (10 8). Если предположить, что средняя мутабельность по одному локусу равна 1 мутации на 100 000 (10 -5) гамет, то среднее число вновь возникающих в каждом поколении мутантов по этому локусу для данного вида насекомых составит (Частота возникновения мутаций умножается на число особей и еще на два, так как любая особь представляет собой продукт слияния двух гамет.). В генотипе человека имеется около 100 000 (10 5) локусов. Предположим, что у человека темп мутирования такой же, как у дрозофилы; в этом случае вероятность того, что генотип каждого человека содержит новый аллель, отсутствовавший в генотипе его родителей, равна. Иными словами, каждый человек в среднем несет около двух новых мутаций.

Важный шаг в генетике популяций был сделан в 1926 году С.С. Четвериковым. Исходя из закона Харди-Вайнберга, С.С. Четвериков доказал неизбежность генетической разнородности природных популяций при том, что новые мутации непрерывно появляются, но остаются обычно скрытыми (рецессивными), а в популяции идет свободное скрещивание.

Из расчетов Четверикова следовало, а впоследствии это было полностью подтверждено практикой, что даже редкие и вредные для особи мутантные гены будут надежно укрыты от очищающего действия естественного отбора в гетерозиготах (организмах со смешанной наследственностью) с доминирующими безвредными генами нормального дикого типа. Это значит, что даже вредная гетерозигота (организм с однородной наследственностью) мутация будет сохраняться в виде генетической «примеси» в течение ряда поколений. Мутация будет как бы поглощена популяцией, из-за чего за внешним однообразием особей одной популяции неизбежно скрывается их огромная генетическая разнородность. Четвериков это выразил так: «Вид, как губка, впитывает в себя гетерозиготные геновариации, сам оставаясь при этом все время внешне (фенотипически) однородным». Для жизни популяций эта особенность может иметь два разных следствия. В огромном большинстве случаев при изменении условий среды вид может реализовать свой «мобилизационный резерв» генетической изменчивости не только за счет новых наследственных изменений у каждой особи, но и благодаря «генетическому капиталу», доставшемуся от предков. Благодаря такому механизму наследования популяция приобретает пластичность, без чего невозможно обеспечить устойчивость приспособлений в меняющихся условиях среды. Однако изредка возможен и другой исход: редкие скрытые вредные мутации иногда могут встретиться у потомства совершенно здоровых родителей, приводя к появлению особей с наследственными заболеваниями. И это - тоже закономерное, неистребимое биологическое явление, своего рода жестокая плата популяции за поддержание своей наследственной неоднородности.

С.С. Четверикову популяционная генетика обязана еще одним открытием, которое было изложено в маленькой, всего на 4 страницы, заметке «Волны жизни», опубликованной в 1905 году на страницах «Дневника Зоологического отделения Императорского общества любителей естествознания и этнографии» в Петербурге. Он обратил внимание, что поскольку любая природная популяция имеет конечную, ограниченную численность особей, это неизбежно приведет к чисто случайным статистическим процессам в распространении мутаций. При этом популяции всех видов постоянно меняют численность (численность грызунов в лесу может от года к году изменяться в сотни, а многих видов насекомых - в десятки тысяч раз), из-за чего в разные годы распространение мутаций в популяциях может идти совершенно по-разному. От громадной популяции птиц, насекомых, зайцев и других животных в трудный для переживания год может остаться всего несколько особей, причем иногда совершенно нетипичных для бывшей популяции. Но именно они дадут потомство и передадут ему свой генофонд, так что новая популяция по составу генетического материала будет совершенно иной, чем прежняя. В этом проявляется генетический «эффект основателя» популяции. Постоянно изменяется и геном в популяциях человека. К. Альстрем на материале в южной Швеции показал, что в популяции человека передается следующему поколению далеко не весь имеющийся генофонд, а лишь избранная, а то и случайно «выхваченная» часть. Так, 20% поколения здесь вовсе не оставили потомков, зато 25% родителей, которые имели трех и более детей, дали 55% численности следующего поколения.

Постоянное давление мутаций и миграции генов, а также выщепление биологически менее приспособленных генотипов по сбалансированным полиморфных локусам создает проблему так называемого генетического груза.

Понятие генетического груза ввел Г. Меллер в 1950 году в работе «Наш груз мутаций». По его расчетам, от 10 до 50% гамет у человека содержат хотя бы одну вновь возникшую мутацию. Слабо вредящие мутации, если только они проявляются в гетерозиготе, способны нанести популяции больший урон, чем полностью рецессивные летальные мутации. Каждый из нас является носителем по крайней мере восьми вредных мутаций, скрытых в гетерозиготном состоянии. Г. Меллер в соавторстве с Н. Мортоном и Дж. Кроу (1956) произвели оценку генетического груза мутаций путем сравнения детской смертности в случайных выборках из популяций и в семьях, где имели место браки между родственниками. Они выделили собственно мутационный груз, возникающий в результате мутационного давления, и сегрегационный груз как следствие расщепления. Ими предложены расчеты летального эквивалента, соответствующего числу мутаций, дающих вместе летальный исход. Так, один летальный эквивалент может соответствовать одной летальной мутации, двум полулетальным и т.д.

Ю.П. Алтухов с коллективом сотрудников (1989) в результате длительного изучения локальных стад рыб - больших изолированных друг от друга популяций с исторически сложившейся субпопуляционной структурой - пришел к выводу о высокой их устойчивости во времени и пространстве. Изменчивость на уровне отдельных субпопуляций не играет самостоятельной роли и отражает локальные различия действия отбора в силу гетерогенности условий обитания, а также влияние случайных факторов. К аналогичному заключению еще раньше пришел Ю.Г. Рычков при исследовании с сотрудниками изолированных групп популяций человека - коренного населения циркумполярной зоны Евразии. Американский генетик и селекционер И.М. Лернер еще в 1954 году выдвинул представление о генетическом гомеостазе, определив его как способность популяции приводить в равновесие свою генетическую структуру и противостоять внезапным изменениям. Один из важных механизмов генетического гомеостаза - отбор в пользу гетерозигот, ведущий к сбалансированному равновесию. Вместе с тем этот же механизм служит причиной образования генетического груза - выщепляющихся гомозиготных классов особей. Такой груз был назван сбалансированным и рассматривается как плата за поддержание гетерозигот, причисленных к генетической элите популяции.

Важнейшая особенность подразделенности, также исследованная теоретически, - способность подразделенных популяций поддерживать значительно большее генетическое разнообразие в сравнении с панмиктическими популяциями сопоставимого размера. Считается, что именно такое разнообразие и позволяет подразделенной популяции более эффективно реагировать на изменения среды и вслед за ними изменять свою генотипическую структуру - тезис, играющий решающую роль в эволюционной концепции С. Райта, известной под названием «теория смещающегося равновесия», в которой «поверхность» изображается топографической картой с вершинами и долинами на едином ландшафте генных комбинаций. В этой модели важнейшее заключение состоит в том, что «эволюционный процесс зависит от постоянно смещающегося баланса между факторами стабильности и изменений и что наиболее благоприятное условие для этого - наличие тонко подразделенной структуры, в которой изоляция и перекрестная коммуникация поддерживаются в соответствующем равновесии».

PAGE 1

Лекция 2

Генетическое разнообразие

Это многообразие (или генетическая изменчивость) внутри вида;

Это различие между популяциями в пределах одного вида

От уровня генетического разнообразия зависят адаптационные способности популяции при изменениях окружающей среды, вообще ее жизнеспособность.

популяция

Термин (от лат. populus народ, население) был введен датским генетиком Вильгельмом Иоганнсеном в 1903 г.

В настоящее время понятие популяция используют для обозначения самовозобновляющейся группы особей вида, которая на протяжении длительного времени занимает определенное пространство и характеризуется обменом генов между особями, в результате которого формируется общая генетическая система, отличная от генетической системы другой популяции того же ви да.

Т.Е. для популяции должны быть характерна панмиксия - (от греч. pan все, mixis смешивание) свободное скрещивание разнополых особей с разными генотипами.

Совокупность генов, которые имеются у особей одной популяции (генофонд популяции) или всех популяций вида (генофонд вида) называют ГЕНОФОНДОМ.

Первичные механизмы возникновения генетического разнообразия

Как известно, генетическое разнообразие определяется варьированием последовательностей 4 комплементарных нуклеотидов в нуклеиновых кислотах, составляющих генетический код . Каждый вид несет в себе огромное количество генетической информации: ДНК бактерии содержит около 1 000 генов, грибы до 10 000, высшие растения до 400 000. Огромно количество генов у многих цветковых растений и высших таксонов животных. Например, ДНК человека содержит более 30 тыс. генов. Всего в живых организмах Земли содержится 10 9 различных генов.

Поток генов

Степень изоляции популяций одного вида зависит от расстояния между ними и потока генов. Потоком генов называют обмен генами между особями одной популяции или между популяциями одного вида . Поток генов внутри популяции происходит в результате случайного скрещивания между особями, генотипы которых отличаются хотя бы по одному гену.

Очевидно, что скорость потока генов зависит от расстояния между половыми особями .

П поток генов между популяциями зависит от случайных миграций особей на дальние расстояния (например, при переносе семян птицами на дальние расстояния).

Поток генов внутри популяции всегда больше потока генов между популяциями одного вида. Далеко отстоящие друг от друга популяции практически полностью изолированы.

Для описания генетического разнообразия используют следующие показатели:

доля полиморфных генов;
частоты аллелей полиморфных генов;
средняя гетерозиготность по полиморфным генам;
частоты генотипов.

Частоты аллелей полиморфных генов

Особи одной популяции обычно отличаются генотипами, то разные аллели представлены в генофонде популяции разным числом особей (т.е. имеет разную частоту в популяции. Например, у человека частота доминантного аллеля нормальной пигментации кожи, глаз и волос равна 0,99 или 99%. При этом рецессивный аллель альбинизма (отсутствие пигментации) встречается с частотой 0,01 или 1%.

В 1908 г. английский математик Дж. Харди и немецкий врач В. Вайнберг независимо друг от друга предложили математическую модель, для вычисления частоты аллелей и генотипов в популяции.

Вспомним, что у гетерозигот Аа формируется 2 типа гамет:

гаметы
	АА	Аа
	аА	аа

Потомки скрещивания гетерозиготных особей будут как гомозиготными, так и гетерозиготными.

Теперь посмотрим, что будет происходить в популяции при скрещивании особей, если известно, что частота встречаемости аллели “ А” составляет p , а аллели “ а” q .

Частоты гамет	p (А )	q (a)
p (А )	P 2 (АА )	pq Аа
q (a)	pq (аА )	q 2 (аа )

Поскольку сумма частот доминантного и рецессивного аллелей = 1, то

Частоты аллелей можно вычислить по формуле p + q =1

А частоты генотипов по p 2 + 2 pq + q 2 = (p + q ) 2 = 1

Во втором поколении доля гамет «А» = p 2 + (2 pq )/2 = p (p + q ) = p ,

а доля гамет «а» = q 2 + (2 pq )/2 = q (p + q ) = q

Закон Харди-Вайнберга:

Частоты доминатного и рецессивного аллелей в популяции будут оставаться постоянными из поколения в поколение при наличии определенных условий.

1. панмиктичная менделеевская популяция (панмиктичная равновероятно скрещивание любых особей разных полов); (менделевская наследование признаков по законам Менделя)

2. нет новых мутаций

3. все генотипы одинаково плодовиты, т.е нет естественного отбора

4. Полная изоляция популяции (нет обмена генами с другими популяциями).

Следствие закона Харди-Вайнберга:

1. Значительная доля имеющихся в популяции рецессивных аллелей находиться в гетерозиготном состоянии. Эти гетерозиготные генотипы являются потенциальным источником генетической изменчивости популяции.

Многие рецессивные аллели (которые проявляются в фенотипе только гомозиготном состоянии) неблагоприятны для фенотипа. Поскольку частота гомозиготных фенотипов с рецессивными аллелями не велика в популяции, то в каждом поколении из популяции элиминируется небольшая часть рецессивных аллелей.

2. Концентрация аллелей и генотипов в популяции может изменяться под воздействием внешних по отношению к популяции факторов: рекомбинации генов при половом размножении (комбинаторная изменчивость), мутаций, популяционных волн, неслучайного скрещивания, дрейфа генов, потока генов и естественного отбора фенотипов.

Рекомбинация генов

Основные источники образования новых генотипов рекомбинация генов.

Источники генетической рекомбинации

1) независимое расхождение гомологичных хромосом в анафазе 1 деления мейоза;

2) случайное сочетание хромосом (и гамет) при оплодотворении;

3) кроссинговер) обмен участками гомологичных хромосом в профазе 1 деления мейоза

Все эти процессы могут приводят к формированию новых генотипов и как следствие к изменению частот генотипов. Но они не приводят к образованию новых аллелей и, следовательно, не влияют на изменения частот аллелей в популяции.

Возникновение мутаций

Новые аллели в результате мутаций редко, но постоянно появляются в природе, поскольку существует множество особей каждого вида и множество локусов в генотипе любого организма возникают.

Мутационный процесс служит источником появления новых мутантных аллелей и перестроек генетического материала. Мы помним, что единичная мутация редкое событие. Возрастание их частоты в популяции под действием мутационного давления происходит крайне медленно, даже в эволюционном масштабе. К тому же подавляющее большинство возникающих мутаций устраняются из популяции в течение немногих поколений уже в силу случайных причин.

При этом процесс возникновения мутаций в естественных условиях непрерывен. Поэтому в природных популяциях разных организмов насчитывается от нескольких процентов до десятков процентов особей несущих мутации. Если такие особи скрещиваются с другими особями, то в результате генетической перекомбинации возникают новые сочетания аллелей.

Новые мутации так или иначе нарушают сложившийся генотип организма; многие из них являются летальными, полулетальными или стерильными . При половом размножении значительная часть мутаций переводиться в гетерозиготное состояние. Это так называемый генетический груз популяции ее плата за возможность сохранять генетическое разнообразие для последующего образования новых фенотипов, которые могут оказаться более приспособленными к изменившимся условиям среды.

На зиготу с среднем приходится 3-5 вредных летальных мутаций в гетерозиготном состоянии. При наличии неблагоприятных аллелей и их сочетаний примерно зиготы не участвуют в передаче генов следующему поколению. Подсчитано, что в популяции человека коло 15% зачатых организмов гибнет до рождения, 3 при рождении, 2 непосредственно после рождения, 3 умирает, не достигнув половой зрелости, 20 не вступают в брак, 10% браков бездетны.

Мутации, которые могут привести к гибели организма или его ослаблению в гомозиготном состоянии, в гетерозиготном состоянии не проявляют своего негативного влияния на развитие организма и даже могут положительно влиять на жизнеспособность особей (например, мутация серповидно-клеточной анемии в гетерозиготном состоянии уменьшает восприимчивость к малярии).

Особо отметим, что в разных экологических условиях одна и та же мутация может по-разному влиять на жизнеспособность организма. Французский генетик Ж. Тесье провел эксперимент с мухами, имеющими редуцированные крылья. Он содержал бескрылых мух вместе с крылатыми в открытых ящиках на берегу моря и в закрытом помещении. Через два месяца число бескрылых мух в первом ящике на берегу моря возросло с 2,5 до 67%, а во втором бескрылые мухи исчезли.

Т.о. мутации это случайные и ненаправленные изменения генофонда, которые являются поставщиком генетической изменчивости популяции и существуя в гетерозиготном состоянии представляют потенциальный резерв для естественного отбора.

ПОТОК генов из других популяций

Иммиграция особей в новую популяцию скорее часто влечет за собой появление в генофонде этой популяции новых аллелей.

При однонаправленном потоке может происходить существенные изменения генофонда популяции

При равномерном потоке генов (взаимный обмен генами) происходит выравнивание частот генов в обеих популяциях. Такой равномерный поток генов объединяет все популяции в единую генетическую систему, которая называется видом.

Колебания численности популяции

Колебания численности особей в популяциях характерны для всех живых организмов при изменении среды обитания. В упрощенном виде: ухудшение условий вызывает гибель части особей, улучшение сопровождается ростом численности особей. Такие колебания численности обычно волнообразный характер. Например, у многих грызунов увеличение доступной пищи вызывает рост численности популяции до критических отметок. В результате возрастает агрессивность грызунов по отношению друг к другу; у самок возникают гормональные расстройства, ведущие к рассасыванию эмбрионов и, как следствие, к падению рождаемости.

Очевидно, что при падении численности из популяции вместе с отмирающими особями исчезает часть аллелей . Впервые на генетические последствия изменения численности особей обратил внимание русский генетик С.С. Четвериков. Он предложил назвать периодические изменения плотности популяций « популяционными волнами» или «волнами жизни ».

Дрейф генов

В популяциях с небольшой численностью половозрелых особей случайное скрещивание может быстро привести к увеличению частоты редкого аллеля либо к его исчезновению и как следствие к уменьшению генетического разнообразия. Впервые это явление было открыто в 1931 г русскими генетиками Ромашовым и Дубининым. Независимо от них -американским генетиком С. Райтом, который и назвал его дрейф генов . Опыт Райта: в пробирки с кормом по 2 самки и 2 самца дрозофилы гетерозиготных по гену А (частота обоих аллелей = 0,5). Через 16 поколений в части популяций остались оба аллеля, в других только аллель «А», а в третьих - только аллель «а». Т.о. в популяциях наблюдалась быстрая утрата одного из аллелей или изменение частоты одного из аллелей.

Неслучайное скрещивание

Закон Харди-Вайнберга соблюдается только при панмиксии - равновероятном скрещивании особей с разными генотипами в одной популяции. В природных популяциях панмиксия никогда не бывает полной. Например, у энтомофильных растений, насекомые чаще посещают более крупные или яркие цветки с большим количеством нектара или пыльцы.

Ассортативное скрещивание: партнеры одной популяции выбирают друг друга по фенотипу. Например, в популяциях многих жуков крупные особи спариваются только с крупными, мелкие с мелкими.

Инбридинг близкородственное скрещивание. Возможен при образовании жестко изолированных семейных групп, в которые не допускаются чужаки. Доминирующий в такой группе самец спаривается со всеми самками, включая и собственных дочерей. Такой тип скрещивания приводит к гомозиготации генотипов и уменьшению генетического разнообразия популяции (см. также гемофилия в правящих династиях Европы и России).

Селективное скрещивание преимущественное размножение особей, имеющих определенные признаки (например, более активно ухаживающие за самкой). Например, в популяциях кур, сорок и др. в размножении участвуют от 10 до 40% всех самцов.

В целом неслучайное скрещивание ведет к понижению генетического разнообразия популяции.

Т.о. природные популяции организмов находятся под постоянным воздействием многих факторов, определяющих их генетическое разнообразие:

1. Мутации.

2. Популяционные волны.

3. Неслучайное скрещивание.

4. Дрейф генов.

5. Поток генов.

6. Естественный отбор фенотипов

На генетическое разнообразие в искусственных популяциях (сортах растений, породах животных, штаммах микроорганизмах) существенное влияние имеет целенаправленная деятельность человека СЕЛЕКЦИЯ.

Человек отбирает признаки, не всегда нужные и полезные для существования вида (популяции), но зато приносящие пользу человеку (см. , например, мясные, молочные породы коров, карликовые коровы, кенийские коровы).

ГОРИЗОНТАЛЬНЫЙ ПЕРЕНОС ГЕНОВ

см. также необыкновенно интересную статью

А. В. Марков

Горизонтальный перенос генов и эволюция

http://warrax.net/94/10/gorizont.html

http://macroevolution.narod.ru/lgt2008/lgt2008.htm

Пожалуй, самый на сегодняшний день любопытный и не до конца понятный фактор, который тоже может влиять на генетическое разнообразие это так называемый горизонтальный перенос генов.

Сегодняшние данные позволяют утверждать, что в ходе эволюции происходили генные переносы как внутри царств, так и между ними.

Так, например, у кишечной палочки 4289 генов. Из них 755 (т.е. 18%) перенесенные.

В среднем у бактерий доля полученных генов составляет 10-15%. По последним данным, может быть и больше.
Наибольшее количество переносов характерно для свободноживущих бактерий с широкими экологическими ареалами.
Наименьшее число переносов обнаружено у патогенных бактерий, живущих в узких экологических нишах.
Чаще всего в горизонтальном переносе участвуют гены, связанные с метаболизмом, транспортными путями и передачей сигналов.
Горизонтальная передача генов реализуется через различные каналы генетической коммуникации - процессы коньюгации, трансдукции, трансформации и др.
Близкородственные микробы обмениваются генами намного чаще, чем филогенетически удаленные.

Итак, подведем итог. Генетическое разнообразие зависит от:

доли полиморфных генов генов, имеющих несколько аллелей (группы крови человека А, В, О);

частоты аллелей для полиморфных генов;

средняя гетерозиготность по полиморфным генам;

частоты генотипов;

миграционных процессов;

интенсивности мутационного процесса;

действия естественного отбора;

длительности эволюции;

Размера популяции (в маленьких много случайных процессов);

Сцепления генов (при естественном отборе будет сохраняться не только селектируемый аллель А, но и сцепленные с ним нейтральные гены)

горизонтального переноса генов;