что отражает дрейф генов
Наряду с естественным отбором существует и другой фактор, способный оказать влияние на повышение содержания мутантного гена. В ряде случаев он даже может вытеснить нормальный аллеломорф. Называется это явление «дрейф генов в популяции». Рассмотрим более подробно, что собой представляет этот процесс и каковы его последствия.
Общие сведения
Дрейф генов, примеры которого будут приведены в статье далее, представляет собой определенные изменения, которые фиксируются от поколения к поколению. Считается, что у этого явления существуют свои собственные механизмы. Некоторые исследователи обеспокоены тем, что в генофонде многих, если не всех, наций в настоящий момент довольно быстро увеличивается объем появляющихся аномальных генов. Они определяют наследственную патологию, формируют предпосылки для развития множества других заболеваний. Считается также, что патоморфоз (изменение признаков) разных болезней, в том числе и болезней психического характера, обусловливает именно дрейф генов. Явление, о котором идет речь, происходит стремительными темпами. В итоге ряд психических расстройств принимает неизвестные формы, становятся неузнаваемыми при сопоставлении с их описанием в классических изданиях. Вместе с этим существенные изменения отмечаются и непосредственно в самой структуре психиатрической заболеваемости. Так, дрейф генов стирает некоторые формы шизофрении, встречавшиеся ранее. Вместо них появляются такие патологии, которые с трудом можно определить по современным классификаторам.
Теория Райта
Случайный дрейф генов изучался с помощью математических моделей. Используя этот принцип, Райт вывел теорию. Он считал, что решающее значение дрейфа генов при постоянных условиях отмечается в небольших группах. Они становятся гомозиготными, и изменчивость уменьшается. Райт также полагал, что вследствие изменений в группах способны сформироваться негативные наследственные признаки. В результате этого вся популяция может погибнуть, не внеся вклад в развитие вида. Вместе с этим большую роль во многих группах играет отбор. В этой связи генетическая изменчивость внутри популяции вновь будет несущественной. Постепенно группа хорошо приспособится к окружающим условиям. Однако последующие эволюционные изменения будут зависеть от возникновения благоприятных мутаций. Эти процессы проходят достаточно медленно. В этой связи и эволюция больших популяций не отличается высокой скоростью. В группах промежуточной величины отмечается повышенная изменчивость. При этом образование новых выгодных генов происходит случайно, что, в свою очередь, ускоряет эволюцию.
Выводы Райта
Когда из популяции теряется один аллель, появиться он может вследствие определенной мутации. Но если вид разделяется на несколько групп, в одной из которых отсутствует один элемент, в другой – другой, то ген может мигрировать оттуда, где он есть, туда, где его нет. Таким образом сохранится изменчивость. Учитывая это, Райт сделал вывод, что быстрее развитие будет происходить у тех видов, которые разделены на многочисленные различные по величине популяции. При этом между ними возможна и некоторая миграция. Райт был согласен с тем, что естественный отбор играет весьма существенную роль. Однако вместе с этим результатом эволюции является дрейф генов. Он определяет продолжительные изменения внутри вида. Кроме этого, Райт полагал, что множество отличительных признаков, возникших посредством дрейфа, были безразличны, а в ряде случаев даже вредны для жизнеспособности организмов.
Споры исследователей
По поводу теории Райта существовало несколько мнений. К примеру, Добжанский полагал, что бессмысленно ставить вопрос о том, какой из факторов более значим – естественный отбор либо генетический дрейф. Объяснял он это их взаимодействием. По сути, вероятны следующие ситуации:
Следует, однако, отметить, что непосредственно сам процесс изменений, как и причина дрейфа генов, сегодня изучены недостаточно. В этой связи единого и конкретного мнения о данном явлении в науке не существует.
Дрейф генов – фактор эволюции
Благодаря изменениям отмечается смена частот аллелей. Это будет происходить до того момента, пока они не достигнут состояния равновесия. То есть дрейф генов – изоляция одного элемента и фиксация другого. В разных группах такие изменения происходят независимо. В этой связи итоги генетического дрейфа в разных популяциях различны. В конечном счете в одних фиксируется какой-то один набор элементов, в других – другой. Дрейф генов, таким образом, с одной стороны, приводит к уменьшению разнообразия. Однако вместе с этим он обусловливает и различия между группами, дивергенции по некоторым признакам. Это, в свою очередь, может выступать в качестве основы для видообразования.
Соотношение влияния
В процессе развития генетический дрейф взаимодействует с прочими факторами. Прежде всего, взаимосвязь устанавливается с естественным отбором. Соотношение вкладов данных факторов находится в зависимости от ряда обстоятельств. В первую очередь его определяет интенсивность отбора. Вторым обстоятельством является численность группы. Так, если интенсивность и численность высоки, случайные процессы обладают ничтожно малым влиянием на динамику генетических частот. При этом в небольших группах при несущественных различиях в приспособленности влияние изменений несравнимо больше. В таких случаях возможна фиксация менее адаптивного аллеля, при том что более адаптивный будет потерян.
Последствия изменений
Одним из основных результатов генетического дрейфа выступает обеднение разнообразия внутри группы. Это происходит за счет утраты одних аллелей и фиксации других. Процесс мутации, в свою очередь, напротив, способствует обогащению внутри популяций генетического разнообразия. За счет мутирования утерянный аллель может возникать снова и снова. В связи с тем что генетический дрейф представляет собой направленный процесс, одновременно со снижением внутрипопуляционного разнообразия увеличивается различие между локальными группами. Противодействует этому явлению миграция. Так, если в одной популяции фиксируется аллель «А», а в другой – «а», то внутри этих групп снова появляется разнообразие.
Конечный итог
Результатом генетического дрейфа станет полное устранение одного аллеля и закрепление другого. Чем чаще элемент встречается в группе, тем будет выше вероятность его фиксации. Как показывают некоторые расчеты, возможность закрепления равна частоте аллеля в популяции.
Мутации
Молекулярные часы
В связи с тем, что частоты появления нейтральных мутаций у разных видов приблизительно одинаковы, скорость закрепления должна быть также примерно равной. Из этого следует, что количество изменений, скопившихся в одном гене, должно соотноситься со временем независимой эволюции данных видов. Другими словами, чем длительнее будет период с момента отделения двух видов из одного предкового, тем больше они различают мутационных замен. Этот принцип лежит в основе метода молекулярных эволюционных часов. Так определяется время, которое прошло с момента, когда предыдущие поколения различных систематических групп начали развиваться самостоятельно, не завися друг от друга.
Исследования Поллинга и Цукуркендла
Эти два американских ученых выявили, что число различий в аминокислотной последовательности в цитохроме и гемоглобине у тех или иных видов млекопитающих тем выше, чем раньше произошло расхождение их эволюционных путей. Впоследствии данная закономерность была подтверждена большим объемом экспериментальных данных. Материал включал в себя десятки различных генов и несколько сотен видов животных, микроорганизмов и растений. Выяснилось, что ход молекулярных часов осуществляется с постоянной скоростью. Это открытие, собственно говоря, подтверждается рассматриваемой теорией. Калибровка часов производится отдельно для каждого гена. Это обусловлено тем, что частота появления нейтральных мутаций у них различна. Для этого проводится оценка количества замен, скопившихся в определенном гене у таксонов. Их время дивергенции надежно установлено с помощью палеонтологических данных. После того как будут откалиброваны молекулярные часы, их можно использовать далее. В частности, с их помощью легко измерить время, в течение которого произошла дивергенция (расхождение) между различными таксонами. Это возможно даже в том случае, если общий их предок еще не выявлен в палеонтологической летописи.
Дрейф генов. Причины. Примеры.
В прошлом дрейф генов расценивался как один из самых незначительных факторов эволюции, но проведённые во второй половине XX века исследования показали, что его роль недооценивалась. Современные учёные считают, что генетический дрейф действует на популяцию одновременно с естественным отбором. При этом существует прямая зависимость между процессом дрейфа генов и численностью популяции – чем численность ниже, тем эффект, оказываемый генетическим дрейфом, более заметен и ярко выражен. Но всё это действует только до определённого предела, и, в случае резкого сокращения численности популяции до минимального значения (так называемое бутылочное горлышко) последствия будут непредсказуемы, так как в таких условиях шансы на выживание у каждого отдельно взятого организма будут случайными.
Что такое дрейф генов
Это случайные изменения частот аллелей и генотипов, происходящие в небольшой полиморфной популяции при смене поколений. Такие случайные изменения приводят к двум характерным последствиям: сначала к флуктуациям частоты аллеля из поколения в поколение, а в конце концов к полному закреплению или элиминации данного аллеля. Влияние дрейфа генов на изменение частот аллелей в данной популяции зависит прежде всего от её размеров. Также этот процесс иногда называют эффектом Райта или генетико-автоматическим процессом. Также дрейф генов может приводить к следующим последствиям:
Читайте также:
Основные направления эволюции: ароморфоз, адаптация, дегенерация
Формы естественного отбора
Формы искусственного отбора
Основные причины, приводящие к дрейфу генов
Популяционные волны и дрейф генов
Для начала нужно вспомнить определение популяционных волн. Это периодические или непериодические колебания численности популяции у разных организмов – животных, растений, даже микроорганизмов. Факторы, влияющие на популяционные волны, могут быть самыми разными: сезонными (приход зимы, наступление засухи) и непериодическими (природные катастрофы, например, извержение вулкана). Также при освоении каким-либо видов животных или растений новых территорий может наблюдаться резкий рост численности популяции. Во всех вышеперечисленных случаях из-за дрейфа генов частоты некоторых аллелей могут значительно изменяться. При резком уменьшении численности популяции (например, в результате сокращения кормовых ресурсов, пожара и т. д.) остаться в живых могут особи с редкими генотипами. Если в дальнейшем популяция восстановится за счёт этих особей, то частоты сохранившихся генотипов в генофонде популяции возрастут.
Участники Великой французской революции 1789-1799 и их цели кратко
15 интересных фактов об Александре Флеминге
Дрейф генов как фактор эволюции
Благодаря дрейфу частоты аллелей могут случайно меняться в локальных популяциях, пока они не достигнут точки равновесия – утери одного аллеля и фиксации другого, причём разных популяциях гены дрейфуют независимо. Соответственно, результаты генетического дрейфа оказываются разными в разных популяциях – в одних фиксируется один набор аллелей, в других – другой. Таким образом, дрейф генов ведёт, с одной стороны, к уменьшению генетического разнообразия внутри популяций, а с другой стороны — к увеличению различий между популяциями, к их дивергенции по ряду признаков. Дивергенция, в свою очередь, может служить основой для видообразования. Это отвечает на вопрос, почему дрейф генов считают одним из факторов эволюции. Он действует наряду с естественным отбором, мутационным процессом, комбинативной изменчивостью и изоляцией, которые также являются факторами эволюции.
Пример дрейфа генов
Представьте себе небольшую популяцию животных или растений, в которой, к примеру, у 3% особей присутствуют какие-то генетические отличия. Если эти 3% погибнут, что не исключено, их гены исчезнут из популяции. Но если их отличие делают их более приспособленными (или если им просто повезёт, как, например, в случае эффекта бутылочного горлышка), гены этих 3% могут закрепиться в дальнейшей популяции. Другой пример: ареал популяции постепенно расширяется, и на новые территории попадают особи, отличающиеся от сородичей генами. Просто потому, что они попали на новые, пригодные для освоения территории, первыми, у них больше шансов размножиться и передать свои гены дальше – это называется эффектом основателя. Современные учёные полагают, что многообразие видов на Земле, в частности, в морях и океанах, в какой-то мере обусловлено именно эффектом основателя.
Оцените статью и поделитесь ей в соцсетях!
Средний рейтинг: 4.7 / 5. Количество оценок: 27
Генетические причины дрейфа, следствия, примеры
генетический дрейф или ген является стохастическим эволюционным механизмом, который вызывает колебания или вариации чисто случайных аллельных частот популяции.
Естественный отбор Чарльза Дарвина и дрейф генов являются двумя наиболее важными процессами, вовлеченными в эволюционные изменения в популяциях. В отличие от естественного отбора, который считается детерминированным и неслучайным процессом, дрейф генов представляет собой процесс, который подтверждается случайными колебаниями частот аллелей в популяции или гаплотипами..
Это не значит, что дрейф генов не важен. Одно из самых ярких последствий этого явления наблюдается на молекулярном уровне, между различиями в последовательности ДНК и белка..
история
Теория дрейфа генов была разработана в начале 1930 года важным биологом и генетиком по имени Сьюал Райт..
Кроме того, вклад Мото Кимуры был исключительным в этой области. Этот исследователь привел нейтральную теорию молекулярной эволюции, где он объясняет, что эффекты дрейфа генов вносят важный вклад в эволюцию на уровне последовательностей ДНК..
Эти авторы разработали математические модели, чтобы понять, как дрейф генов работает в биологических популяциях.
причины
Причины дрейфа генов являются стохастическими, то есть случайными явлениями. В свете популяционной генетики эволюция определяется как изменение во времени аллельных частот популяции. Дрейф приводит к изменению этих частот случайными событиями, называемыми «ошибками выборки»..
Генный дрейф считается ошибкой выборки. Гены, включенные в каждое поколение, представляют собой образец генов, которые несут предыдущее поколение..
Любой образец подвержен ошибке выборки. То есть доля различных предметов, которые мы находим в образце, может быть изменена по чистой случайности..
Представьте, что у нас есть сумка с 50 белыми чипсами и 50 черными чипсами. Если мы возьмем десять из них, возможно, по чистой случайности мы получим 4 белых и 6 черных; или 7 белых и 3 черных. Существует несоответствие между теоретически ожидаемыми значениями (5 и 5 каждого цвета) и полученными экспериментально.
эффекты
Эффект дрейфа генов подтверждается случайными изменениями частоты аллелей в популяции. Как мы уже упоминали, это происходит, когда нет никакой связи между изменяющейся характеристикой и фитнес. С течением времени аллели будут в конечном итоге фиксироваться или теряться от населения.
В эволюционной биологии термин фитнес Он широко используется и относится к способности организма размножаться и выживать. Параметр варьируется от 0 до 1.
Таким образом, характеристика, которая изменяется в зависимости от дрейфа, не связана с размножением и выживанием человека..
Потеря аллелей приводит ко второму эффекту дрейфа генов: потере гетерозиготности в популяции. Вариация в определенном месте будет уменьшаться, и в конечном итоге он будет потерян.
Как мы вычисляем вероятность того, что аллель будет потерян или зафиксирован??
На эту частоту не влияет предыдущая история изменения частот аллелей, поэтому прогнозы не могут быть сделаны на основе прошлого.
Если, напротив, аллель возник в результате мутации, вероятность его фиксации равна р = 1/2N. где N это количество населения. Это причина, почему новые аллели, которые появляются в результате мутации, легче исправить в небольших популяциях.
Читатель должен подумать, как это повлияет на ценность р когда знаменатель меньше. Логично, что вероятность будет увеличиваться.
Таким образом, эффекты дрейфа генов протекают быстрее в небольших популяциях. В диплоидной популяции (два набора хромосом, как мы, люди) фиксация новых аллелей происходит в среднем каждые 4N поколения. Время увеличивается пропорционально увеличению N населения.
Эффективная численность населения
N которое появляется в предыдущих уравнениях, не относится к значению, идентичному количеству особей в популяции. То есть это не эквивалентно переписи организмов.
В популяционной генетике используется параметр «эффективное количество населения» (Небраска), что обычно меньше, чем у всех людей.
По этой причине скорость, с которой действует дрейф генов (и скорость, с которой теряется гетерозиготность), будет больше ожидаемой, если мы проведем перепись, поскольку население меньше, чем кажется..
Если в гипотетической популяции мы насчитываем 20 000 особей, но воспроизводится только 2000, эффективное число населения уменьшается. И это явление, при котором не все организмы встречаются в популяции, широко распространено в природных популяциях.
Узкие места и основополагающий эффект
Как мы упоминали (и мы демонстрируем математически), дрейф происходит в небольших популяциях. Где не столь частые аллели имеют больше шансов быть потерянным.
Это явление распространено после того, как население испытывает событие, называемое «узким местом». Это происходит, когда значительное количество населения выбрасывается в результате непредвиденного или катастрофического события (например, шторма или лавины)..
Непосредственным эффектом может стать уменьшение генетического разнообразия популяции, уменьшение размера генофонда или генофонда.
Частным случаем узких мест является основополагающий эффект, когда небольшое количество людей отделяется от первоначальной популяции и развивается в изоляции. В примерах, которые мы представим позже, мы увидим, каковы последствия этого явления.
Эффект на уровне ДНК: нейтральная теория молекулярной эволюции
Нейтральная теория молекулярной эволюции была предложена Мото Кимурой. До идей этого исследователя Lewontin & Hubby уже обнаружили, что высокая доля вариаций на уровне ферментов не может активно поддерживать все эти полиморфизмы (вариации).
Кимура пришел к выводу, что эти изменения в аминокислотах могут быть объяснены дрейфом генов и мутациями. Он заключает, что на уровне ДНК и белков механизмы дрейфа генов играют фундаментальную роль..
Нейтральный термин относится к тому факту, что большинство замен оснований, которые удается зафиксировать (достигают частоты 1), являются нейтральными по отношению к фитнес. Поэтому эти вариации, возникающие при дрейфе, не имеют какого-либо адаптивного значения.
Почему существуют нейтральные мутации?
Есть мутации, которые не влияют на фенотип человека. В ДНК вся информация зашифрована для создания и развития нового организма. Этот код расшифровывается рибосомами в процессе перевода.
Генетический код читается в «тройках» (набор из трех букв), а каждые три буквы кодируют аминокислоту. Однако генетический код является вырожденным, что указывает на наличие более одного кодона, кодирующего одну и ту же аминокислоту. Например, кодоны CCU, CCC, CCA и CCG все кодируют аминокислотный пролин.
Следовательно, если в последовательности CCU он изменяется на CCG, продуктом трансляции будет пролин, и в последовательности белка не будет изменений.
Таким же образом, мутация может измениться на аминокислоту, химические свойства которой не сильно различаются. Например, если аланин меняется на валин вы можете влияние на функциональность белка незаметно.
примеров
Гипотетический пример: улитки и коровы
Представьте себе луг, где сосуществуют улитки и коровы. В популяции улиток можно выделить две окраски: черная и желтая. Решающим фактором смертности улиток являются следы коров.
Однако обратите внимание, что если на улитку наступают, это не зависит от цвета ее раковины, так как это случайное событие. В этом гипотетическом примере популяция улиток начинается с равной пропорции цветов (50 черных улиток и 50 желтых улиток). В случае коров исключают 6 черных и только 2 желтых, соотношение обменных цветов.
Точно так же в следующем случае желтые могут погибнуть в большей пропорции, так как нет никакой связи между цветом и вероятностью раздавливания (однако, нет типа «компенсирующего» эффекта)..
Как изменится доля улиток с течением времени?
Во время этого случайного процесса пропорции черных и желтых оболочек будут колебаться с течением времени. В конце концов, одна из оболочек достигнет любого из двух пределов: 0 u 1.
Гены дрейфуют в действии: Гепарды
Явление дрейфа генов можно наблюдать в природных популяциях, и наиболее ярким примером являются гепарды. Эти быстрые и стильные кошачьи принадлежат к виду Acinonyx jubatus.
Около 10 000 лет назад гепарды и другие популяции крупных млекопитающих пережили крайнее исчезновение. Это событие вызвало «узкое место» в городе гепардов, где выжило лишь несколько человек.
Оставшиеся в живых после катастрофического явления плейстоцена породили всех гепардов современности. Эффекты дрейфа в сочетании с инбридингом почти полностью гомогенизируют население.
На самом деле, иммунная система этих животных практически одинакова у всех людей. Если по какой-либо причине кому-либо из членов понадобилось пожертвование какого-либо органа, любой из их партнеров мог бы сделать это, не приводя к шансу отказа.
Пример в человеческих популяциях: амиши
Узкие места и основополагающий эффект также встречаются в современной человеческой популяции и имеют очень важные последствия в области медицины.
Около 200 колонизаторов прибыли в Пенсильванию (США) из Европы и начали размножаться среди тех же членов..
Предполагается, что среди колонизаторов были носители аутосомно-рецессивных генетических заболеваний, в том числе синдром Эллиса-ван Кревельда. Этот синдром характеризуется особенностями карликовости и полидактилии (большое количество пальцев, больше пяти цифр).
Заболевание было обнаружено в исходной популяции с частотой 0,001 и значительно возросло до 0,07..
Факторы эволюции
Мутационный процесс
Большинство мутаций возникает спонтанно и вредит организму. Часть мутаций являются рецессивными, поэтому не проявляются и передаются многим поколениям, накапливаясь в генофонде популяции.
Популяционные волны
Особенно весомым фактором эволюции популяционные волны выступают в небольших популяциях. Их участие в эволюционном процессе основано на явлении дрейфа генов.
Такое повышение встречаемости аллелей возникает в результате близкородственных браков: проявляются редкие гены, которые часто приводят к заболеваниям.
Изоляция
Изоляцией называют невозможность или затруднение свободного скрещивания между особями одного вида. Вследствие этого, генофонды двух популяций становятся независимыми друг от друга. Внутри каждой популяции происходит генотипическая дифференцировка из-за их разобщенности.
Естественный отбор
Иногда безобидные животные, в результате приспособления к внешней среде, приобретают окраску тела, напоминающую окраску опасных хищных животных. Примером может послужить внешнее сходство мухи из семейства журчалок с осой.
Многие хорошо защищенные, ядовитые виды в ходе естественного отбора получили яркую, так называемую предупреждающую окраску. Эта окраска предупреждает хищников об опасности. Если хищник съест такое ядовитое животное, то рискует получить тяжелую интоксикацию и погибнуть.
Необходимо осознавать относительность приспособленности к окружающей среде. Она помогает выживать лишь при определенных условиях, и, если условия меняются, то окраска может оказаться вовсе не полезной, но даже и вредной. К примеру, при таянии снега заяц-беляк становится еще более заметен на голой земле.
Самая ожесточенная борьба. Происходит между особями, принадлежащими к одному виду. Благодаря внутривидовой борьбе происходит половой отбор: к размножению редко допускаются неприспособленные особи, род продолжают лучшие из лучших.
В изменяющихся условиях внешней среды выживают наиболее приспособленные особи. Примером такой борьбы являются сезонные миграции птиц, зимняя спячка у животных.
Формы естественного отбора
Открыт И.И. Шмальгаузеном. Стабилизирующий отбор приводит к сужению нормы реакции, устраняя отклонения от нее. В результате преимущество получают особи, обладающие средней степенью признака, который характерен для вида или популяции. Этот отбор действует при стабильных (неизменных) условиях среды.
Примером действия стабилизирующего отбора может послужить буря: во время бури чаще всего выживают птицы со средней длиной крыла, тогда как особи с слишком короткими, или слишком длинными крыльями погибают.
Движущий естественный отбор приводит к смещению нормы реакции, в результате чего изменяется среднее значение признака. Этот вид отбора действует при изменяющихся условиях среды.
Направлен на сохранение в популяции крайних значений признаков, не благоприятствует среднему промежуточному значению признака. В результате в популяции сохраняется более чем одно значение признака.
Типичным примером является появление в луговых сообществах раноцветущих и поздноцветущих растений. В результате летних покосов, особи со средним значением признака, у которых цветение приходит на середину лета, постепенно исчезают из популяции растений. Выживают и размножаются только те растения, у которых цветение происходит до или после покосов.
© Беллевич Юрий Сергеевич 2018-2021
Данная статья написана Беллевичем Юрием Сергеевичем и является его интеллектуальной собственностью. Копирование, распространение (в том числе путем копирования на другие сайты и ресурсы в Интернете) или любое иное использование информации и объектов без предварительного согласия правообладателя преследуется по закону. Для получения материалов статьи и разрешения их использования, обратитесь, пожалуйста, к Беллевичу Юрию.