Отбор в пользу гетерозигот. Отбор и генетика популяций

Мутации у диких видов в большинстве случаев нарушают приспособительное развитие особей, и потому большинство мутаций подвергается действию отбора. Дарвин обосновал действие

естественного отбора на базе широкой наследственной изменчивости организмов. Он показал, что родителями для каждого следующего поколения вида служат не все особи без исключения, а только часть их, состоящая из наиболее приспособленных индивидов. Естественный отбор является формирующим фактором в происхождении видов. Он опирается на мутации, формируя из их комплексов новые интегрированные генные системы, обеспечивающие приспособленность к внешней среде. Сам отбор определяется действием среды, что в конечном итоге создает неразрывную взаимозависимость наследственности, изменчивости, отбора и среды.

Человек, выйдя из недр царства животных, оказался способным подняться выше условий той среды, которая обусловливает естественную эволюцию видов в природе. Социальные закономерности определяют взаимоотношения людей и обеспечивают прогресс человеческого общества. Естественный отбор как категория, ведущая эволюцию, потеряла свое значение для человека. Человек благодаря социальным преобразованиям, могущественному развитию медицины, а в будущем и генетики человека сам начинает сознательно относиться к своей биологической природе. Однако следует ли из этого, что у человека вообще не действует отбор отрицательных мутаций в порядке осуществления чисто биологических сторон существования его популяций? Конечно, нет. Естественный отбор вредных мутаций широко представлен в популяциях человека. Мы уже привели раньше немало примеров отрицательных мутаций, вызывающих уродства, гибель в раннем возрасте, гибель по половозрелости и т. д. Человеческие популяции отягощены врожденными наследственными заболеваниями. В каждом поколении около 4% детей рождаются пораженными отрицательной наследственностью, полученной от их родителей, которая у них была скрыта из-за гетерозиготности рецессивных генов. Значительная часть этой отрицательной наследственности возникает заново в качестве мутаций в зародышевых клетках родителей. В некоторых случаях отбор вмешивается в распределение генов по разным популяциям людей, живущих в разных условиях среды. Все это показывает, что для понимания основ биологической природы человека генетика популяций и анализ деятельности отбора имеет огромное значение.

С точки зрения генетики деятельность естественного отбора в популяции приводит к изменениям в концентрациях аллелей. Так, например, мы имеем распределение генотипов в популяции по формуле Гарди - Вейнберга: р 2 АА+2 pqAa + q 2 aa . Отбор направлен против рецессивных гомозигот аа. Так, если особи АА и Аа оставляют потомство без всякой дискриминации, то их влияние на следующие поколения условно может быть представлено цифрой 100 для каждого класса. Однако рецессивы аа оставляют 99 потомков в сравнении со 100 потомками от особей с генотипами АА и Аа. В результате в каждом последующем поколении концентрация аллеля А будет увеличиваться, а концентрация аллеля а уменьшаться. Таким образом, отборная ценность генотипов АА и Аа равна 1,00, а генотипов аа - 0,99. Очевидно, что коэффициент отрицательной селекции (S ) против генотипа аа составляет величину, равную 0,01. Для генотипов АА и Аа коэффициент отрицательной селекции S = 0. В том случае, когда рецессивный генотип является летальным, вызывая смерть на разных стадиях до половозрелости, или вызывает полную стерильность, коэффициент селекции S =1. Адаптивная ценность ( f ) такого генотипа равна 0 (1- Ss = 0).

В том случае, когда адаптивная ценность особи равна нулю, вследствие чего она не имеет потомства, мы можем говорить об индивидуальной облигатной генетической смерти. Мёллер использует понятие о генетической смерти для описания судьбы аллеля в популяции, который под давлением отрицательного отбора выбрасывается из популяции. В этом случае можно говорить об аллельной генетической смерти.

Если бы судьба в популяциях для всех отрицательных аллелей была бы связана только с деятельностью естественного отбора и все аллели испытали аллельную генетическую смерть, популяции были бы свободными от вредных генов. Однако этого нет. Напротив, в популяциях скрывается, а частично и проявляется громадная наследственная изменчивость по вредным изменениям.

Что же противостоит аллельной генетической смерти? Ответ ясен, фактором, действие которого направлено против очищающего эффекта отрицательного отбора, является естественный мутационный процесс. В генном составе популяций устанавливается динамическое равновесие между давлением мутаций, которое увеличивает количество мутантного аллеля в популяциях, и давлением отрицательного отбора, которое уменьшает число таких аллелей.

Предположим, что мутантный доминантный аллель возникает за поколение с какой-то частотой и, а отрицательная селекция уменьшает его количество со скоростью S . В этом случае равновесие концентрации, устанавливающееся на базе соотношения мутаций и отбора, будет равно u / s . Если полностью проявляющийся доминантный аллель является летальным или полностью стерильным, не оставляя потомства (S =1), количество людей, обладающих таким заболеванием, будет равно количеству в каждом данном поколении вновь появляющихся мутаций ( q = u ). Примером такого рода доминантных заболеваний со свойствами облигатной индивидуальной генетической смерти могут служить описанные выше доминантные заболевания, такие, как ретинобластома, в значительной мере хондродистрофическая карликовость и др.

Несколько другую картину имеем для вредных рецессивных аллелей. В этом случае равновесие концентрации (1- q ) устанавливается на уровне (1- q ) = √ u / s . Для рецессивных аллелей, которые в гомозиготном состоянии вызывают индивидуальную облигатную генетическую смерть (S =1), их концентрация равна √ u . Вполне понятно, что уровень равновесия концентраций вредных рецессивов гораздо выше уровня концентрации доминантов. Значит, отягощение популяций вредными мутациями должно быть больше по рецессивным аллелям.

Вполне понятны различия в действии отбора, с одной стороны, против доминантных, а с другой - против рецессивных мутаций. При появлении доминантных генов, которые определяют облигатную индивидуальную генетическую смерть, отбор за одно поколение очищает от них популяции. В каждом следующем поколении такие заболевания могут появиться только за счет возникновения новых мутаций.

Для анализа отбора против рецессивов остановимся на примере альбинизма у человека. Эта особенность отнюдь не вызывает облигатной генетической смерти, она подвергается умеренному отрицательному отбору. В Англии в среднем на 20 000 детей рождается один альбинос. Частота гомозигот по рецессивному аллелю альбинизма равна 0,00005. По формуле Гарди - Вейнберга концентрация рецессивного аллеля равна квадратному корню из числа гомозигот. Отсюда (1-р) 2 = 0,00005, a 1 - q = √ 00005=0,007. Таким образом, у населения Англии ген альбинизма имеет концентрацию около 0,7% (q ), а его нормальный аллель около 99,3% (p =0,993). Количество гетерозигот у этого населения составляет 2 pq , что равно 2 (0,007 x 0,993), или 0,0138, или 1,38%. Гетерозиготы (Аа) по рецессивному аллелю альбинизма встречаются в популяции в 276 раз чаще, чем гомозиготы (аа), проявляющие альбинизм (0,0138:0,00005=276). Как уже указывалась выше, относительное количество гетерозигот тем выше, чем меньше концентрация рецессивного аллеля, поскольку отрицательный отбор постепенно уменьшает концентрацию аллеля. Следовательно, по мере этого уменьшения дальнейшая работа отбора все больше затрудняется. Уменьшение концентрации рецессивного аллеля ограничивает поле приложения деятельности отбора, так как все большая и большая относительная часть рецессивных аллелей ускользает от отбора, скрываясь в гетерозиготах.

Представим исходную популяцию при концентрации рецессивного аллеля равной 0,5. Распределение генотипов в популяции будет 0,25АА+ 0,50Аа+ 0,25аа. В такой популяции начинает осуществляться облигатная индивидуальная генетическая смерть (коэффициент селекции S = 1). В таблице 20 показан ход уменьшения концентрации аллеля а в ряде последующих поколений при условии, что во всех этих поколениях величина S =1.

Мы видим, что уже в следующем поколении при S =1 концентрация рецессивного аллеля упала с 0,50% до 0,33, а количество гомозигот по рецессивному аллелю (аа) упало с 0,25 до 0,01. Это вполне очевидный успех отрицательного отбора. Однако после всего лишь одного поколения отбора уже начинает сказываться эффект диспропорции между количеством гетерозигот (Аа) и рецессивных гомозигот (аа), которое возникает от уменьшения концентрации рецессивного аллеля. Если в первом поколении количество гетерозигот (Аа) превосходит количество гомозигот в два раза, то во втором поколении после некоторого падения концентрации рецессивного аллеля количество гетерозигот уже в четыре раза превосходит число гомозиготных особей. После восьмого поколения отбора, при S =1, концентрация рецессивных аллелей упала до 0,1%, к этому времени количество гетерозигот (Аа) стало превышать количество гомозигот (аа) уже в 18 раз. На сотом поколении отбора, когда концентрация аллеля а упала до 0,01, количество гетерозигот стало превышать количество гомозиготных особей в 196 раз. При этом мы видим, что для уменьшения концентрации рецессивного аллеля вдвое, при q =0,50, потребовалось всего лишь два поколения отбора (Р - 0,50, F 3 - 0,025). Однако то же уменьшение от q =0,020 ( F 50 ) до q =0,010 потребовало в этих условиях уже 50 поколений ( F 100 ).

Сравнительно быстрые успехи селекции против рецессивного аллеля, которые мы видели в таблице 20, обязаны облигатной индивидуальной генетической смерти всех носителей гомозиготного по рецессивному аллелю генотипа (аа), т. е. когда S =1. Однако особи, гомозиготные по рецессивному аллелю, не

обязательно целиком исключаются в качестве части родителей для следующего поколения. Величина коэффициента селекции в зависимости от степени вредности рецессивного аллеля может быть самой разнообразной.

В прямой зависимости от уменьшения величины коэффициента селекции ( s ) увеличивается количество поколений, нужное для одного и того же падения концентрации рецессивного аллеля. В таблице 21 эта обратная зависимость представлена в числах.

Мы видим, что четыре популяции при наличии в них исходного количества рецессивных гомозигот, равного 1%, очень сильно различаются по темпу изменения концентрации рецессивного аллеля при разных коэффициентах селекции.

Так, при S =1, для того чтобы количество рецессивных гомозигот уменьшалось от 1 до 0,25%, т. е. в 4 раза, необходим отбор в течение 10 поколений. Однако при S =0,50 такое же изменение концентрации рецессивного аллеля требует уже 20 поколений отбора. При S =0,10 за те же 20 поколений отбора количество рецессивных гомозигот падает только до 0,71, а при S =0,01 всего лишь до 0,97%.

Приведенные расчеты показывают, что естественный отбор, конечно, является активным фактором в биологии человека; именно его действие удерживает мутационные аллели, вызывающие отдельные наследственные болезни в популяциях человека на очень низком уровне. Только множество аллелей приводит к тому, что медицина встречается более чем с 1000 наследственных недугов. Вместе с тем приведенные расчеты показывают малую перспективность любой формы естественного отбора для человека. Мы видели, что на уровне малых концентраций мутационных аллелей, именно тех, которые свойственны аллелям наследственных заболеваний у человека, нужны гигантские количества поколений, чтобы хоть в сколько-нибудь заметной форме уменьшить их концентрацию. Эти количества поколений несоизмеримо больше всего количества поколений, которое прошло за историю человечества. Это показывает всю генетическую бессмысленность старых, евгенических предложений о стерилизации и других мерах борьбы за очищение популяций людей от обусловленных дефектов. Эти методы не могут изменить генетических основ биологии человека. Масса таких же аллелей скрывается в гетерозиготах; их количество неукоснительно поддерживается постоянно возникающими новыми мутациями. Усиление естественного отбора для человека в борьбе с наследственными заболеваниями бесперспективно. Если это так, каковы же пути активной помощи медицины в генетической профилактике против наследственных дефектов человека и есть ли пути к созданию таких методов? Ответ на этот вопрос потребует от нас еще некоторых сведений из области генетики популяций человека.

Отбор может действовать не только на доминантный (АА, Аа) и на рецессивный (аа) фенотипы в популяциях людей. Гетерозиготные люди (Аа) также могут выступать в качестве самостоятельного объекта действия отбора. При этом отбор может быть направлен или против гетерозигот, или в пользу гетерозигот. В обоих случаях возникают интересные и сложные процессы в генетике популяций.

Примером отбора гетерозигот является гибель эмбрионов вследствие эритробластоза. В этом случае плод является гетерозиготным по аллелям R и r , так как он появляется от брака резус-положительного отца ( R ) и резус-отрицательный матери ( rr ). Гибель каждого плода уносит с собой один аллель R и один аллель r . В популяциях аллели, в силу действия отбора или по случайным причинам, практически никогда не имеют равных концентраций в виде р A =0,5 и qa =0,5. Поэтому гибель гетерозигот сдвигает отношение концентраций аллеля еще в более выгодную сторону для того аллеля, который находится в популяции в большой концентрации. Каждая потеря по одной и той же доле аллелей из двух представленных в популяции разными концентрациями ведет к относительному росту концентрации исходного, более распространенного аллеля. Процесс заканчивается полным освобождением популяции от исходно менее распространенного аллеля.

Однако реально в популяциях человека этого освобождения от аллеля r не произошло. Что же противостоит этому процессу? Здесь возможно действие целого ряда причин. Во-первых, поддержка аллеля r в популяциях за счет мутаций ( R → r ) ; во-вторых, отбор в пользу аллеля r благодаря лучшей жизнеспособности гомозигот (rr ); в-третьих, комплексное сохранение аллеля r в семьях, где часть детей гибнет от эритробластоза. Это имеет место в семьях, где отец гетерозиготен ( Rr ), а мать имеет генотип rr . Здесь все дети, гибнущие от эритробластоза, будут гетерозиготными. ( Rr ), а жизнеспособные дети будут гомозиготными по аллелю r ( rr ). В результате автоматически будет поддерживаться аллель r в популяциях. В-четвертых, наличие гена r в популяциях может быть обусловлено смешением популяций. Винер и Холден считают, что в свое время в доисторических популяциях человека произошла дифференцировка популяций по генам R и r , в результате чего возникли полиморфные расы: одни только с аллелем R , другие только с аллелем r . Затем в более позднее время началось движение популяций человека: они смешались, и возник полиморфизм по аллелям R и r . Некоторые расчеты дают основание думать, что при исходном смешении имелось несколько большее число людей с аллелем R и меньше людей, имевших аллель r . Такое смешение произошло около 10 000 лет тому назад. В течение этих 10 000 лет, т. е. за время, в течение которого прошло 400 поколений, отбор был направлен против гетерозигот, что и привело к уменьшению исходной концентрации аллеля r . Эта концентрация упала до современных 14% у европейских народов.

Вполне понятно, что если, как то мы видели выше, отбор против гетерозигот ведет к относительному падению концентрации исходного менее распространенного аллеля, то в случае отбора в пользу гетерозигот мы имеем другую картину. Простейшим случаем является модель балансированных леталей, когда обе гомозиготы - АА и аа - летальны, а выживают только гетерозиготы Аа. В этом случае перед нами будет стабильная популяция, в которой оба аллеля будут сохранять одинаковую концентрацию ( qa =0,5 , рА=0,5). Тот же результат был бы получен, если бы отбор действовал против нелетальных гомозигот обоих типов (АА и аа), но с одинаковой эффективностью.

Во всех случаях отбора в пользу гетерозигот популяция стремится к установлению некоторых устойчивых соотношений в концентрациях доминантного и рецессивного аллелей. Уровень этого соотношения определяется соотносительными коэффициентами селекции против каждого из гомозигот. Эти устойчивые соотношения аллелей устанавливаются в популяции при любом исходном строении популяций (табл. 22).

Мы видим, что популяция 1, имевшая исходные концентрации аллелей в виде pA =0,5 и qa = 0,5 при S =0,5 на оба типа гомозигот (АА и аа), не меняет своей генотипической структуры в следующем поколении.

Однако в популяции 2, при наличии других концентраций аллелей, отбор в пользу гетерозигот сдвигает исходные концентрации. Уже в первом поколении после отбора обе концентрации разных аллелей начинают сдвигаться в направлении величины, равной 0,5 (0,4-0,433; 0,6-0,567).

Однако точка равновесия популяций в виде 0,5 при отборе направленных против обоих типов гомозигот (АА и аа) характеризует только те случаи, когда коэффициент селекции равен в обоих случаях. Если же коэффициент селекции будет равным для двух гомозигот, то точка равновесия популяции сдвигается в сторону того аллеля, коэффициент селекции которого меньше. Например, примем, что в малярийной местности приспособление гетерозигот - Hb 1 S Hb 1 A равно единице, приспособление гомозигот по нормальному аллелю 0,8 и, наконец, приспособление гомозигот Hb 1 S Hb 1 S равно 0,1. В такой популяции устойчивому равновесию будет соответствовать следующая концентрация аллелей. Для аллеля Hb 1 S концентрация будет равна 0,18, а для аллеля Н b А =0,82.

Таким образом, имеется много доказательств, что особенности распределения мутационных аллелей в популяции человека определяются действием отбора. Это в первую очередь касается генов, приводящих к индивидуальной облигатной генетической смерти, а также генов полулетального характера. Во всех этих случаях в популяциях человека устанавливается равновесие на основе соотношения давления мутаций и давления отбора.

Однако наследственная изменчивость в популяциях человека далеко не одинакова по наличию аллелей, определяющих появление тяжелых d рожденных заболеваний у человека. Тысячи разнообразных особенностей человеческого организма подвергаются наследственной изменчивости. В популяциях человека мы встречаемся с картиной разнообразнейшего генетического полиморфизма. Концентрация аллелей тех генов, которые вызывают признаки, практически, казалось бы, совершенно не подвергающиеся отбору, представлены в популяциях самыми различными величинами.

Встает вопрос: какие факторы вызывают и регулируют генетический полиморфизм человека? В какой мере эти факторы специфичны и не является ли отбор регулятором концентрации аллелей в популяциях?

— Источник—

Дубинин, Н.П. Горизонты генетики/ Н.П. Дубинин. – М.: Просвещение, 1970.- 560 с.

Post Views: 328

В зависимости от количества людей малочисленные популяции делятся на:

Демы. Они включают 1500 - 4000 человек. Они характеризуются:

Низким приростом населения - 20%

Высокой частотой внутригрупповых браков - 80% - 90%

Низким притоком людей из других популяций - 1%-2%.

Изоляты. Они включают до 1500 человек и характеризуются:

Низким приростом населения - 25%

Высокой частотой внутригрупповых браков - более 90%

Низким притоком людей из других популяций - менее 1%.

296. Действие дрейфа генов в популяциях людей и его влияние на генофонды популяций .

Высокая степень репродуктивной изоляции малочисленных человеческих популяций на протяжении многих поколений создавала благоприятные условия для дрейфа генов. Дрейф генов - это изменение частоты аллелей в популяции из-за случайных причин, не обусловленных действием естественного отбора. Значение дрейфа генов: он приводит к изменению частоты аллелей в генофонде популяции. Аллели могут удаляться или закрепляться в генофонде, независимо от того, имеют они адаптивную ценность или нет. Он существенно влияет на генофонд малочисленных популяций. Таким образом, дрейф генов более выражен в малочисленных популяциях.

Естественный отбор против гомозигот в популяциях людей. Пример.

Отбор против гомозигот рассмотрим на примере серповидноклеточной анемии. Есть аллель отвечающий за синтез нормального гемоглобина (HbA), а есть аллель отвечающий за синтез измененного гемоглобина (HbS). Изменённый гемоглобин обладает интересным свойством: в эритроцитах с таким гемоглобином плохо размножается малярийный плазмодий (люди с таким генотипом в 13 раз реже болеют малярией). Таким образом, ребёнок с генотипом HbA/ HbA погибает от малярии, а ребёнок с генотипом HbS/HbS от серповидноклеточной анемии. Если ребенок будет гетерозиготен по этим аллелям (HbA/HbS), то он будет болеть и малярией и серповидноклеточной анемией в лёгкой форме и останется жить. Налицо отбор против гомозигот, он имеет место в районах Африки, Азии, в странах, где распространена малярия.

Естественный отбор против гетерозигот в популяциях людей. Пример.

Отбор против гетерозигот: примером является резус-антиген. Около 80% людей имеют в эритроцитах антиген D. Они резус-положительные Rh+. За синтез антигена отвечает доминантный аллель D. Резус-положительные люди имеют генотип DD или Dd. Резус-отрицательные люди имеют генотип dd. Если резус-отрицательная женщина беременна резус-положительным ребенком, и во время родов эритроциты ребенка попадают в кровь к матери, то у нее в ответ на резус-фактор (антиген) вырабатываются антитела. При второй беременности резус-положительным ребенком, антитела проникают через плаценту в организм ребенка и разрушают его эритроциты. Ребенок может умереть. Т.к. генотип ребенка Dd, отбор направлен против гетерозигот.

Генетический груз в популяциях людей: масштабы, факторы формирования, медицинское значение.

Бремя генетического груза человечества можно оценить, введя понятие летальных эквивалентов. Считают, что число их у отдельных людей колеблется от 3 до 8. Это означает, что общее количество неблагоприятных аллелей, которое есть в генотипе каждого человека, оказывает действие равное действию 3-8 рецессивных аллелей. В результате гомозиготные особи будут умирать до наступления репродуктивного возраста.

Благодаря наличию неблагоприятных аллелей и их сочетаний примерно половина зигот, образующихся в каждом поколении людей, в биологическом плане несостоятельна, т.е. не участвует в передаче генов следующему поколению. Около 15% зачатых организмов гибнет до рождения, 3% - при рождении, 2% - непосредственно после рождения. 3% людей умирает, не достигнув половой зрелости, 20% лиц не вступает в брак и 10% браков бездетны. Благодаря слабому действию естественного отбора в человеческих популяциях и развитию медицины выживает все большее число генетически измененных людей. Они выживают и оставляют такое же генетически измененное потомство. Т.о., величина генетического груза в человеческой популяции постоянно возрастает.

Генетический полиморфизм в популяции людей, его сущность, причины возникновения, масштабы, медицинское значение.

Человек является одним из наиболее полиморфных видов на земле, это наследственное разнообразие проявляется в многообразии фенотипов (цвет кожи, глаз, волос, форма носа и ушной раковины, кожные рисунки пальцев и др.). Этому способствуют мутации и комбинативная изменчивость. Миграции, снижение изоляции, популяционные волны также вносят свой вклад в создание генетического разнообразия популяции людей.

Значение генетического полиморфизма для существования человечества.

Из-за генетического разнообразия заболевания на планете распределены неравномерно.

У разных людей болезни протекают с разной тяжестью.

У людей разная предрасположенность к заболеваниям

Индивидуальные особенности течения патологических процессов.

Различия в реакциях на лечебное воздействие.

Если оценивать генетический полиморфизм в общебиологическом плане, то чем больше генетическое разнообразие людей, тем выше шансы человечества на выживание при контакте с новыми неблагоприятными факторами.

301. Генетический полиморфизм природных популяций, причины создания. Сущность и пример балансированного полиморфизма.

Генетический полиморфизм - это существование в популяции более двух генетически разных форм. Причины полиморфизма: мутации и комбинативная изменчивость. Устанавливается генетический полиморфизм под действием естественного отбора. Балансированный полиморфизм возникает, если естественный отбор больше благоприятствует гетерозиготам, чем гомозиготам. Явление селективного преимущества гетерозигот называют сверхдоминантностью. Пример: в экспериментальной численно равновесной популяции мух, содержащей сначала много мутантов с более темными телами, концентрация последних быстро падала, пока не стабилизировалась на уровне 10 %. Анализ показал, что в созданных условиях гомозиготы по рецессивной мутации и гомозиготы по аллелю дикого типа менее жизнеспособны, чем гетерозиготные мухи.

302. Представить смысловое и математическое выражение закона Харди-Вайнберга, условия его проявления .

■ из поколения в поколение частота генов и генотипов в популяции не изменяется,

если на популяцию не действуют мутации, миграции, естественный отбор, то есть сумма частот генов одного аллеля в данной популяции есть величина постоянная (p+q- 1 или 100%).

■ сумма частот генотипов по одному аллелю в данной популяции есть величина

постоянная, а распределение их соответствует коэффициентам бинома Ньютона второй степени (р + 2pq+ q= 1 или 100%).

Допустим, в популяции присутствуют гены: “А” с частотой “р”, и “а” с частотой “q”.

Тогда: ♂ (p+q)х ♀ (p+q)= (p+q)2=р2 + 2pq+ q2= 1 = 100%

Р – частоту доминантных гомозигот в популяции (АА).

2pq – частоту гетерозигот в популяции (Аа).

q 2 – частоту рецессивных гомозигот в популяции (аа). p+q=1

Условие проявления закона Харди-Вайнберга:

Популяция должна быть достаточно большой.

Должно быть свободное скрещивание особей.

Должна быть равная плодовитость гомозигот и гетерозигот.

Не должны действовать мутации, миграции и естественный отбор.

Популяции, которые отвечают этим условиям, называются идеальными или мен-

делевскими. В природе эти популяции не встречаются.

Что такое дрейф генов. Какое значение имеет это явление.

Дрейф генов - это изменение частоты аллелей в популяции из-за случайных причин, не обусловленных действием естественного отбора. Значение дрейфа генов: он приводит к изменению частоты аллелей в генофонде популяции. Аллели могут удаляться или закрепляться в генофонде, независимо от того, имеют они адаптивную ценность или нет. Он существенно влияет на генофонд малочисленных популяций.

Филогенез систем органов.

Филогенез систем органов.

Рецессивные аллели - например, те, которые определяют бесцветность семян у кукурузы (с), зачаточные крылья у дрозофилы (vg) и фенилкетонурию у людей, - в гетерозиготном состоянии вызывают формирование фенотипа, тождественного в отношении приспособленности с фенотипом гомозигот по доминантному аллелю. Однако гомозиготы по рецессивному аллелю могут обладать существенно пониженной приспособленностью. В этом случае отбор будет действовать против рецессивных гомозигот. Мы исследуем действие отбора с помощью следующей общей модели:

Процедура, посредством которой рассчитываются изменения частот аллелей из поколения в поколение, представлена в табл. 24.4. Более подробно она описана в дополнении 24.2. Исходные частоты зигот в соответствии с законом Харди-Вайнберга задаются случайной комбинацией гамет предыдущего поколения. Основной этап расчета представлен в третьей строке табл. 24.4: это умножение исходных частот зигот (первая строка) на их относительные приспособленности (вторая строка). Соответствующие произведения определяют вклад каждого генотипа в генофонд следующего поколения. Однако сумма приведенных в третьей строке значений не равна единице. Для того чтобы перейти к частотам, сумма которых равна единице, мы должны разделить каждое из этих значений на их сумму. Эта операция, называемая нормализацией, проделана в четвертой строке таблицы. Теперь по полученным частотам генотипов потомков мы можем рассчитать частоту аллелей после отбора в соответствии с процедурой, описанной в гл. 22. Изменение частоты аллеля в результате отбора получается вычитанием исходной частоты аллеля из его частоты после отбора. В первой, четвертой и пятой строках табл. 24.4 представлены исходная частота q аллеля а, его частота q 1 после одного поколения отбора и изменение частот в результате отбора ∆q = q 1 - q.

Под действием отбора против рецессивных гомозигот частота рецессивного аллеля понижается. Этого и следовало ожидать, поскольку у гомозигот по рецессивному аллелю эффективность размножения ниже, чем у генотипов с доминантным аллелем.

Каков будет окончательный исход отбора? По определению частоты аллелей больше не изменяются, когда

А) Отбор против гетерозигот.

Отрицательный отбор в свою очередь может быть направленпротив гетерозигот ипротив гомозигот.

В ряде случаев приспособленность гетерозигот может быть ниже приспособленности гомозигот. Такая картина наблюдается у межвидовых и внутривидовых гибридов, хотя здесь и неприменима однолокусная модель. Низкая приспособленность гетерозигот наблюдается и при наличии транслокаций на одной из хромосом и нормальной парной хромосомы. Такие гетерозиготы по хромосомнымтранслокациям часто образуют несбалансированные гаметы с пониженной жизнеспособностью, что снижает приспособленность гетерозигот по сравнению с гомозиготами. Модель невыгодности гетерозигот может быть полезна для контроля численности популяций вредителей.

Польза гетерозиготности: гетерозиготы по гемофилии, альбинизму, серповидноклеточной анемии и т. д. не страдают данными заболеваниями, вследствие их рецессивности. Особи, несущие полиаллельные гены, дают более жизнеспособное потомство с широкой нормой реакции. Гетерозиготность - это "блокатор" вредных рецессивных аллелей.

Примером отрицательного отбора, направленного против гетерозигот, может служить наследование Rh-фактора.Rh-фактор контролируется тремя доминантными тесно сцепленными генами, поэтому их можно условно принять за один.

При браке мужчины, обладающего резус-положительным фактором, и женщины с резус-отрицательным фактором чаще возможно зачатие "резус-положительного" плода.

Антигены плода в период вынашивания в небольшом количестве способны проникать в кровоток матери через плаценту и вызывать образование антител (особенно если есть патология детского места). При первой беременности (иногда и при второй) концентрация их в крови сравнительно невелика и зародыш развивается, не испытывая вредных влияний этих антител.

Б) Отбор против гомозигот.

Во многих случаях происходит лишь частичный отбор против гомозигот. Поэтому относительная приспособленность гомозигот по сравнению с другими генотипами уменьшается лишь отчасти. При многих генетических болезнях человека, например при альбинизме или серповидноклеточной анемии , гомозиготы по рецессивному аллелю могут выжить и дать потомство, хотя и с меньшей вероятностью, чем здоровые индивиды. У дрозофилы, мыши, кукурузы и других генетически исследованных организмов существует множество рецессивных мутаций, которые снижают приспособленность, но не приводят к смертельному исходу.

В) отбор и контротбор.

Контротбор-положительный отбор, направленный против отрицательного отбора (поддержание гомозигот и гетеорозигот)

Генофонд популяций человека является результатом наложения многочисленных и разнонаправленных векторов отбора, обеспечивающего сохранение в каждом поколении сравнительно приспособленных к данным условиям генотипов. При этом с течением времени влияние отбора на генетическую структуру популяций людей снижается в основном благодаря успехам лечебной и профилактической медицины, а также социально-экономическим преобразованиям цивилизации.

Вопрос№ 20 учение о микро-и макроэволюции.

А) Микроэволюция.

Микроэволюция - это распространение в популяциималых изменений в частотахаллелейна протяжении несколькихпоколений; эволюционные изменения на внутривидовом уровне. Такие изменения происходят из-за следующих процессов:мутации,естественный отбор,искусственный отбор,перенос геновидрейф генов. Эти изменения приводят кдивергенциипопуляций внутривида, и, в конечном итоге, квидообразованию.

Под действием элементарных факторов на генофонд популяции происходит изменение частот отдельных генов. Это приводит к элементарному эволюционному явлению - изменению генотипического и фенотипического состава популяции. При длительном однонаправленном воздействии естественного отбора наблюдается дифференциация популяций.

Б) биологическая сущность макроэволюции.

Сущность макроэволюции. Этим понятием обозначают происхождение надвидовых таксонов (родов, отрядов, классов, типов, отделов). В общем смысле макроэволюцией можно назвать развитие жизни на Земле в целом, включая и ее происхождение. Макроэволюционным событием считается также возникновение человека, по многим признакам отличающегося от других биологических видов. Между микро- и макроэволюцией нельзя провести резкую грань, потому что процесс микроэво-

люции, первично вызывающий дивергенцию популяций (вплоть до видообразования), продолжается без какого-либо перерыва и на макроэволюционном уровне внутри вновь возникших форм.

Отсутствие принципиальных различий в протекании микро- и макроэволюционно! о процессов позволяет рассматривать их как две стороны единого эволюционного процесса и применять для анализа всего процесса понятия, разработанные в теории микроэволюции, поскольку макроэволюционные явления охватывают десятки миллионов лет и исключают возможность их непосредственного экспериментального исследования.

Способы осуществления макроэволюции. Макроэволюция может осуществляться несколькими способами. Основной способ -дивергенция - представляет собой независимое образование различных признаков у родственных организмов. В основе дивергенции лежит экологическая дифференциация вида (или группы видов) на самостоятельные ветви. Различия между видами одной группы в процессе эволюции, в силу изменения направления отбора, все более и более углубляются. Но вместе с тем сохраняется и определенная общность признаков морфофизиологической организации. Это свидетельствует о происхождении данной группы от общего родоначального предка. При дивергенции сходство между организмами объясняется общностью их происхождения, аразли-чия - приспособлением к разным условиям среды.

Примером дивергенции форм является возникновение разнообразных по морфофизиологическим особенностям вьюрков от одного или немногих предковых видов на Галапагосских островах. Расхождение внутривидовых форм и видов по разным местообитаниям определяется конкуренцией в борьбе за одинаковые условия, выход из которых и заключается в расселении по разным экологическим нишам.

Еще один способ осуществления макроэволюции -параллелизм (параллельное развитие). Это процесс эволюционного развития в сходном направлении двух или нескольких первоначально дивергировавших групп. Например, палеонтологи очень часто обнаруживают асинхронный параллелизм, т. е. независимое приобретение сходных черт родственными, но живущими в разное время организмами. Примером может служить развитие саблезубости у представителей разных подсемейств кошачьих. С генетической точки зрения параллельная эволюция объясняется общностью генной структуры родственных групп и сходной ее изменчивостью.

В эволюции может наблюдаться также конвергенция (конвергентное развитие) - процесс эволюционного развития двух или более неродственных групп в сходном направлении. Конвергенция обусловлена одинаковой средой обитания, в которую попадают неродственные организмы. Классическим примером конвергентного развития считается возникновение сходных форм тела у акуловых (первичноводные формы), ихтиозавров и китообразных (вторичноводные формы). При конвергентном развитии сходство между неродственными организмами бывает всегда только внешним (эволюционным изменениям в одном направлении подвергаются внешние признаки как результат приспособления к одинаковым условиям среды). По форме тела ихтиозавр похож на акулу и дельфина, но по таким существенным чертам, как строение кожных покровов, черепа, мускулатуры, кровеносной системы, дыхательной и других систем, эти группы позвоночных различны. При конвергентном способе эволюции возникают аналогичные органы.

В) Мегаэволюция. Мегаэвол ю ция , совокупность процессов эволюции живых форм, определяющая формирование крупных таксонов - систематических категорий выше отряда (у животных) и порядка (у растений

Г) Понятие об элементарной эволюц. структуре и материале.

В качестве количественной характеристики отбора обычно используется относительная приспособленность, называемая также адаптивной или селективной ценностью генотипа, под которой понимается способность особей данного генотипа к выживанию и размножению. Приспособленность обозначется буквой w и колеблется в пределах от 0 до 1. При w=0 передача наследственной информации следующему поколению не возможна из-за гибели всех особей; при w=1 полностью реализуются потенциальные возможности к размножению. Величина, обратная приспособленности генотипа, называется коэффициентом отбора и обозначается буквой S: S=1-w , w=1-S. Коэффициент отбора определяет скорость уменьшения частоты того или иного генотипа. Чем больше коэффициент отбора и чем, следовательно, меньше приспособленность каких-либо генотипов, тем выше давление отбора.

Особенно эффективно отбор идет против доминантных мутаций, поскольку они проявляются не только в гомозиготном, но и в гетерозиготном состоянии. При S = 1 популяция за одно поколение избавляется от доминантных летальных мутаций. Например, доминантным аллелем обусловлено тяжелое заболевание у человека - ахондроплазия. Из-за нарушения роста длинных костей для таких больных характерны короткие, часто искривленные конечности и деформированный череп. Гомозиготы по этому аллелю совершенно нежизнеспособны (S = 1). У гетерозигот число детей впятеро меньше по сравнению со здоровыми людьми, т.е. w = 0,2; S = 0,8.

В качестве доминантных мутаций можно рассмотреть и некоторые хромосомные перестройки. Так, больные с синдромом Дауна, как правило, не оставляют потомства (S = 1), и популяция избавляется от этого вредного гена за одно поколение. Но почему тогда заболевания, обусловленные доминантными мутациями, не исчезают бесследно? Это объясняется непрерывным действием мутационного процесса, поддерживающего присутствие вредных аллелей в популяции. Так, частота возникновения аллеля ахондроплазии равна 1 на 20 000 гамет, a частота новорожденных детей с этой болезнью в потомстве здоровых родителей составляет 1:10 000.

Многие рецессивные мутации обладают пониженной приспособленностью и будут устраняться отбором. Если рецессивные гомозиготы обладают нулевой приспособленностью, то популяция избавится от них также за одно поколение. Но отбор против рецессивных аллелей затруднен, потому что большая их часть находится в гетерозиготном состоянии (под прикрытием нормального фенотипа) и они как бы ускользают от действия отбора. Подсчитано, что если часота "вредного" рецессивного аллеля равна 0,01, то потребуется 100 поколений только для того, чтобы снизить частоту аллеля вдвое, и 9900 поколений, чтобы снизить ее до 0,0001. Особенно трудно избавить от рецессивных мутаций большие популяции, так как в них вероятность перевода таких мутаций в гомозиготное состояние очень мала.

Нередко наблюдается отбор в пользу гетерозигот, когда обе гомозиготы имеют пониженную приспособленность по сравнению с гетерозиготами. Хорошо известным примером такого отбора в популяциях человека является серповидноклеточная анемия - болезнь крови, широко распространенная в Азии и Африке. В результате наследственного дефекта в молекуле гемоглобина эритроциты принимают форму серпа и не способны переносить кислород. Люди, гомозиготные по рецессивному аллелю серповидноклеточности (ss), гибнут в возрасте 14-18 лет. Несмотря на это частота данного аллеля достигает в ряде районов земного шара от 8 до 20%. При этом высокая концентрация летального аллеля (s) наблюдается только в районах, где распространена особая форма малярии, вызывающая большую смертность населения. Оказалось, что естественный отбор покровительствует особям, гетерозиготным по гену серповидноклеточности (Ss). Гетерозиготы (Ss) более устойчивы к малярии по сравнению с гомозиготами (SS) по нормальному аллелю, у которых высокая смертность от малярии. Гомозиготы по рецессивному аллелю (ss) хотя и устойчивы к малярии, но гибнут от серповидно-клеточной анемии. Так, сложное разнонаправленное действие отбора на устойчивость к малярии и на устранение аллеля серповидноклеточности приводит к существованию в состоянии длительного равновесия двух генетически различных форм - гомо- и гетерозигот по серповидно-клеточной анемии. Это явление носит название сбалансированного полиморфизма.

Понятие ЕСТЕСТВЕННОГО ОТБОРА определяется как дифференциальное воспроизводство генетически отличных индивидов или генотипов внутри популяции. Дифференциальное воспроизводство вызывается различиями между индивидами по таким факторам как смертность, плодовитость, успешность в поиске полового партнера, жизнеспособность потомства. Естественный отбор основывается на наличии в популяции генетических вариаций, имеющих отношение к репродукции, между индивидами. Когда популяция состоит из особей, не различающихся между собой по подобным характеристикам, она не подвержена естественному отбору. Отбор приводит к изменению аллельных частот с ходом времени, однако, одни лишь изменения в частотах из поколения в поколение совсем не обязательно являются признаком того, что действует естественный отбор. Другие процессы, например, случайный дрейф , также могут вызывать такие изменения.

ПРИСПОСОБЛЕННОСТЬ генотипа, обычно обозначаемая как w, является мерой способности индивида к выживанию и воспроизводству. Однако, поскольку размер популяции обычно ограничен "вместимостью" окружающей среды, в которой существует популяция, эволюционный успех особи определяется не АБСОЛЮТНОЙ, а ОТНОСИТЕЛЬНОЙ приспособленностью в сравнении с остальными генотипами в популяции. В природе приспособленность какого-либо генотипа не остается постоянной в каждом поколении и во всех вариантах окружающей среды. Тем не менее, присваивая постоянное значение приспособленности каждому генотипу, мы можем формулировать простые теории, которые пригодны для понимания динамики измений в генетической структуре популяции, вызываемых естественным отбором. В простейшем классе моделей мы предполагаем, что приспособленность организма определяется только его генетической конституцией. Мы также предполагаем, что все локусы вносят независимый вклад в приспособленность индивида, следовательно, каждый локус можно рассматривать отдельно.

Большинство новых мутаций, появляющихся в популяции, уменьшают приспособленность их носителей. Отбор будет действовать против подобных мутаций, которые в конечном счете элиминируются из популяции. Этот тип отбора называется негативным . По воле случая мутантный аллель может иметь такую же приспособленность как и "наилучший". Подобные мутации являются селективно нейтральными и отбор не влияет на их дальнейшую судьбу. Чрезвычайно редко могут появляться мутации, дающие некоторые селективные преимущества их носителям. Такие мутации будут подвергаться позитивному отбору.

Рассмотрим один локус с двумя аллелями A 1 и A 2 . Каждому

1 2 аллелю можно присвоить некоторое значение приспособленности. Следует отметить, что в диплоидных организмах приспособленность определяется взаимодействием между двумя аллелями какого-либо локуса. При двух аллелях существует три возможных варианта гаплоидного генотипа: A 1 A 1 , A 1 A 2 и A 2 A 2 , и их приспособленности, соответственно, могут быть обозначены W 11 , W 12 и W 22 . Пусть частота аллеля A в популяции равна p, а частота аллеля A равна q = 1 - p. Можно показать, что при случайном спаривании частоты генотипов A 1 A 1 , A 1 A 2 и A 2 A 2 равны, соответственно, p* , 2*p*q и q* . Если в популяции выполняются данные соотношения, говорят, что она находится в равновесии Харди - Вайнберга .

В общем случае трем генотипам присваиваются следующие значения приспособленности и начальных частот:

Генотип: A 1 A 1 A 1 A 2 A 2 A 2 Приспособленность: W 11 W 12 W 12 Частота: p* 2*p*q q*

Рассмотрим теперь динамику изменений аллельных частот, вызываемых отбором. Пусть частоты трех генотипов и их приспособленности обозначены так, как указано выше, тогда относительный вклад каждого генотипа в последующее поколение будет:

p** W 11 , 2*p*q*W 12 и q** W 22 для A 1 A 1 , A 1 A 2 и A 2 A 2 ,

соответственно. Таким образом, в следующем поколении частота аллеля A 2 будет равна:

P*q*W 12 + q** W 22 q" = ****************************** (3.1) p** W 11 + 2*p*q*W 12 + q** W 22 Изменение частоты аллеля A 2 за поколение обозначим как 2 dq = q" - q. Можно показать, что: p*q* dq = *************************************** (3.2) p** W 11 + 2*p*qW 12 + q** W 22 В дальнейшем будем полагать, что аллель A 1 является первоначальным "диким типом" и рассмотрим динамику изменений аллельных частот после "появления" в популяции нового мутантного аллеля A 2 . Для удобства положим приспособленность генотипа A 1 A 1 равной 1. Приспособленность новых генотипов A 1 A 2 и A 2 A 2 будет зависеть от взаимодействия между аллелями A 1 и A 2 . Например, если A 2 полностью домининантен по отношению к A 1 , тогда W 11 , W 12 и W 22 могут быть выражены как 1, 1 + s и 1 + s, соответственно. Если A 2 полностью рецессивен, то приспособленности будут 1, 1 и 1 + s соответственно, где s - разность между приспособленностью генотипов, содержащих аллель A 2 и приспособленностью генотипов A 1 A 1 . Положительное значение s показывает увеличение, а отрицательное - уменьшение приспособленности по сравнению с A 1 A 1 .