Генетические процессы в популяциях

 Генетические процессы в популяциях

Ге­но­ти­пы осо­бей одной по­пу­ля­ции сход­ны, но все же не иден­тич­ны. Наи­боль­ший ин­те­рес пред­став­ля­ет собой на­ли­чие в по­пу­ля­ции тех или иных ал­ле­лей генов.

Гены, для ко­то­рых име­ют­ся несколь­ко ал­ле­лей, на­зы­ва­ют­ся по­ли­морф­ны­ми (схема 1).

Ал­ле­ли – раз­ные формы гена А: А, А* и А**

Схема 1. Ал­ле­ли – раз­ные формы гена А: А, А* и А**

Для од­но­го и того же гена набор ал­ле­лей в раз­ных по­пу­ля­ци­ях может от­ли­чать­ся.

Кроме того, одни и те же ал­ле­ли могут быть рас­пре­де­ле­ны среди осо­бей по-раз­но­му, т. е. быть в гомо- или ге­те­ро­зи­гот­ном со­сто­я­нии. Ко­ли­че­ство ал­ле­лей и ко­ли­че­ство типов рас­пре­де­ле­ния ал­ле­лей опре­де­ля­ет ге­не­ти­че­ское раз­но­об­ра­зие по­пу­ля­ции.

От уров­ня ге­не­ти­че­ско­го раз­но­об­ра­зия за­ви­сит ин­тен­сив­ность эво­лю­ци­он­ных про­цес­сов и ста­биль­ность ге­но­ти­па по­пу­ля­ции.

Ко­ли­че­ство ал­ле­лей и со­от­но­ше­ние гомо- и ге­те­ро­зи­гот опре­де­ля­ет ге­не­ти­че­ское раз­но­об­ра­зие по­пу­ля­ции.

Раз­ные ва­ри­ан­ты ком­би­на­ции трех ал­ле­лей гена А

Схема 2. Раз­ные ва­ри­ан­ты ком­би­на­ции трех ал­ле­лей гена А.

От уров­ня ге­не­ти­че­ско­го раз­но­об­ра­зия за­ви­сит ин­тен­сив­ность эво­лю­ци­он­ных про­цес­сов.

 За­ко­но­мер­но­сти ге­не­ти­че­ских про­цес­сов в по­пу­ля­ции можно изу­чать толь­ко при усло­вии сво­бод­но­го скре­щи­ва­ния. Т. е. та­ко­го скре­щи­ва­ния, при ко­то­ром ве­ро­ят­ность со­еди­не­ния любых гамет и ком­би­на­ции их при­зна­ков оди­на­ко­ва.

Изу­чая ге­не­ти­че­ские про­цес­сы в есте­ствен­ных по­пу­ля­ци­ях, ан­глий­ский уче­ный Пир­сон (рис. 1) в 1904 году вывел закон ста­би­ли­зи­ру­ю­ще­го скре­щи­ва­ния, или закон Пир­со­на.

Пир­сон

Рис. 1. Пир­сон

Он может быть сфор­му­ли­ро­ван так: при любом ис­ход­ном со­от­но­ше­нии ча­стот го­мо­зи­гот и ге­те­ро­зи­гот при пер­вом скре­щи­ва­нии внут­ри по­пу­ля­ции уста­нав­ли­ва­ет­ся со­сто­я­ние рав­но­ве­сия, если ис­ход­ные ча­сто­ты ал­ле­лей оди­на­ко­вы у обоих полов.

Кон­крет­ный вид этого рав­но­ве­сия можно опи­сать с по­мо­щью эле­мен­тар­ной ма­те­ма­ти­че­ской фор­му­лы, ко­то­рую неза­ви­си­мо вы­ве­ли ан­глий­ский ма­те­ма­тик Дж. Харди и немец­кий врач и био­лог В. Вайн­берг (рис. 2).

Дж. Харди и В. Вайн­берг

Рис. 2. Дж. Харди и В. Вайн­берг

Закон Харди – Вайн­бер­га гла­сит, что ча­сто­та го­мо­зи­гот­ных и ге­те­ро­зи­гот­ных ор­га­низ­мов в усло­вия сво­бод­но­го скре­щи­ва­ния при от­сут­ствии дав­ле­ния от­бо­ра и дру­гих фак­то­ров пре­бы­ва­ет в со­сто­я­нии рав­но­ве­сия.

В про­стей­шем виде закон опи­сы­ва­ет­ся сле­ду­ю­щей фор­му­лой (схема 3):

Закон Харди – Вайн­бер­га

Схема 3. Закон Харди – Вайн­бер­га

Прак­ти­че­ская зна­чи­мость за­ко­на Харди – Вайн­бер­га

Рас­чёт ча­стот ал­ле­лей, по за­ко­ну Харди – Вайн­бер­га, имеет боль­шое зна­че­ние для ме­ди­ци­ны. Ме­ди­ки рас­счи­ты­ва­ют ча­сто­ту воз­ник­но­ве­ния ге­не­ти­че­ских за­бо­ле­ва­ний. Ве­ли­чи­на че­ло­ве­че­ской по­пу­ля­ции до­ста­точ­но ве­ли­ка, чтобы можно было опи­рать­ся на вы­чис­ле­ния с по­мо­щью этого за­ко­на. Также этот закон ис­поль­зу­ет­ся се­лек­ци­о­не­ра­ми, для опре­де­ле­ния сро­ков за­креп­ле­ния нуж­ных при­зна­ков.

По­пу­ля­ци­он­ные волны

По­пу­ля­ци­он­ные волны воз­ни­ка­ют с опре­де­лен­ной ре­гу­ляр­но­стью и имеют зна­чи­тель­ную ам­пли­ту­ду. Так ча­сто­та по­пу­ля­ци­он­ных волн у зай­цев со­став­ля­ет около 10 лет, ба­боч­ки бе­лян­ки – 10–12 лет, са­ран­чи – 11 лет. При этом по­пу­ля­ция зай­цев в Ка­на­де на пике по­пу­ля­ци­он­ной волны уве­ли­чи­ва­ет­ся в 10 раз, а май­ско­го жука в 1 мил­ли­он раз (рис. 3).

Ча­сто­та всплес­ков чис­лен­но­сти раз­лич­ных тра­во­яд­ных жи­вот­ных

Рис. 3. Ча­сто­та всплес­ков чис­лен­но­сти раз­лич­ных тра­во­яд­ных жи­вот­ных. Се­год­ня эти циклы свя­зы­ва­ют с пе­ри­о­да­ми по­вы­шен­ной сол­неч­ной ак­тив­но­сти, ко­то­рые, в свою оче­редь, вли­я­ют на про­дук­тив­ность рас­те­ний – кор­мо­вой базы этих жи­вот­ных.

 Факторы нарушающие генетическую стабильность популяции

Важ­ным след­стви­ем этого за­ко­на яв­ля­ет­ся по­сто­ян­ство ча­стот встре­ча­е­мо­сти каж­дой ал­ле­ли в по­пу­ля­ции.

Необ­хо­ди­мо от­ме­тить, что закон Харди – Вайн­бер­га, как и дру­гие ге­не­ти­че­ские за­ко­но­мер­но­сти, ос­но­ван­ные на мен­де­лев­ском прин­ци­пе слу­чай­но­го ком­би­ни­ро­ва­ния, точно вы­пол­ня­ет­ся толь­ко при бес­ко­неч­но боль­шой чис­лен­но­сти по­пу­ля­ции.

На прак­ти­ке это озна­ча­ет, что в неболь­ших по­пу­ля­ци­ях закон Харди – Вайн­бер­га вы­пол­ня­ет­ся нечет­ко.

Рус­ский уче­ный С.С. Чет­ве­ри­ков также от­ме­чал, что в ре­зуль­та­те сво­бод­но­го скре­щи­ва­ния про­ис­хо­дит по­сто­ян­ное под­дер­жа­ние рав­но­ве­сия ге­но­ти­пи­че­ских ча­стот в по­пу­ля­ции.

На­ру­ше­ние рав­но­ве­сия свя­за­но, как пра­ви­ло, с дей­стви­ем внеш­них сил и на­блю­да­ет­ся толь­ко до тех пор, пока эти силы ока­зы­ва­ют вли­я­ние.

Оста­но­вим­ся на этих силах по­дроб­нее. К фак­то­рам, на­ру­ша­ю­щим ге­не­ти­че­скую ста­биль­ность по­пу­ля­ции, т. е. уве­ли­чи­ва­ю­щим ге­не­ти­че­ское раз­но­об­ра­зие, от­но­сят­ся ми­гра­ции, изо­ля­ции, дрейф генов, по­пу­ля­ци­он­ные волны и есте­ствен­ный отбор (схема 4).

Фак­то­ры, на­ру­ша­ю­щие ге­не­ти­че­скую ста­биль­ность по­пу­ля­ции

Схема 4. Фак­то­ры, на­ру­ша­ю­щие ге­не­ти­че­скую ста­биль­ность по­пу­ля­ции

Ми­гра­ции и изо­ля­ции при­во­дят к рез­ко­му из­ме­не­нию ге­но­фон­да, по­сколь­ку про­ис­хо­дит из­ме­не­ние ча­сто­ты встре­ча­е­мо­сти ге­но­ти­пов за счет до­бав­ле­ния новых или ис­клю­че­ния ста­рых.

Дрейф генов – это яв­ле­ние слу­чай­но­го ста­ти­сти­че­ско­го от­кло­не­ния в ча­сто­тах ал­ле­лей, в неболь­ших по­пу­ля­ци­ях.

Закон Харди – Вайн­бер­га четко со­блю­да­ет­ся толь­ко для бес­ко­неч­но боль­ших по­пу­ля­ций.

Чем мень­ше по­пу­ля­ция, тем боль­ше ве­ли­чи­на от­кло­не­ния, т. е. дрей­фа генов. В ре­зуль­та­те дрей­фа генов, в ма­лень­ких по­пу­ля­ци­ях может про­ис­хо­дить даже пол­ное эли­ми­ни­ро­ва­ние неко­то­рых ал­ле­лей гена (схема 5).

По­пу­ля­ци­он­ные волны и дрейф генов

Схема 5. По­пу­ля­ци­он­ные волны и дрейф генов

Как видно из гра­фи­ка, в пя­ти­де­ся­том по­ко­ле­нии про­изо­шло пол­ное вы­па­де­ние но­си­те­лей од­но­го из ал­ле­лей.

По­пу­ля­ци­он­ные волны – это рез­кие из­ме­не­ния чис­лен­но­сти по­пу­ля­ции, свя­зан­ные с дей­стви­я­ми внеш­ней среды (на­ли­чи­ем пищи, хищ­ни­ков или абио­ти­че­ских фак­то­ров). На­при­мер, уве­ли­че­ние чис­лен­но­сти лисиц при­во­дит к па­де­нию чис­лен­но­сти зай­цев. Но затем это при­во­дит к па­де­нию чис­лен­но­сти самих лисиц, ли­шив­ших­ся ос­нов­но­го пи­ще­во­го ре­сур­са (схема 6).

По­пу­ля­ци­он­ные волны хищ­ни­ков и их жертв на при­ме­ре дол­го­вре­мен­ных на­блю­де­ний за ли­са­ми и зай­ца­ми.

Схема 6. По­пу­ля­ци­он­ные волны хищ­ни­ков и их жертв на при­ме­ре дол­го­вре­мен­ных на­блю­де­ний за ли­са­ми и зай­ца­ми.

Из­ме­не­ние чис­лен­но­сти сразу ска­зы­ва­ет­ся на ча­сто­те встре­ча­е­мо­сти ал­ле­лей. Кроме того, по­пу­ля­ци­он­ные волны обыч­но со­про­вож­да­ют­ся обостре­ни­ем борь­бы за вы­жи­ва­ние и сти­му­ля­ци­ей есте­ствен­но­го от­бо­ра.

Есте­ствен­ный отбор, в свою оче­редь, при­во­дит к от­бо­ру неко­то­рых ал­лель­ных ва­ри­ан­тов, со­от­вет­ству­ю­щих наи­бо­лее при­спо­соб­лен­но­му фе­но­ти­пу. Таким об­ра­зом, есте­ствен­ный отбор при­во­дит не к слу­чай­но­му об­ра­зо­ва­нию гамет, а к вы­бо­роч­но­му.

Пе­ре­чис­лен­ные фак­то­ры, при­во­дя­щие к из­ме­не­нию ча­стот ал­ле­лей в по­пу­ля­ци­ях, при­во­дят к на­коп­ле­нию раз­ли­чий между этими по­пу­ля­ци­я­ми, и в даль­ней­шем спо­соб­ству­ют ви­до­об­ра­зо­ва­нию.

Последнее изменение: Суббота, 31 Март 2018, 17:56