Дрейф генов

Что такое дрейф генов

 

Генетика как наука может быть интересна с нескольких точек зрения. Она позволяет ответить на ряд интригующих вопросов и, как говорится, раскрыть интригу. Но, прежде чем углубляться в некоторые вопросы, давайте вспомним курс биологии школьной программы. Разберемся с некоторыми понятиями, чтобы двигаться дальше.

Некоторые термины

Эволюция – процесс, происходящий в период, превышающий срок жизни одного поколения, и заключающейся в изменении наследуемых черт организма.

Элементарные факторы эволюции – все факторы, под действием которых происходит изменение генетической структуры популяции.

Популяция – группа организмов одного вида, долгое время обитающая на одной территории (ареале) и частично или полностью изолированная от организмов других таких же групп.

Ген – единица наследственного материала, в которой закодированы определенные признаки.

Генотип – совокупность генов организма и их отношений между собой.

Генофонд – это совокупность всех генных вариаций определенной популяции.

Эти три понятия проще понять, если провести аналогию. Ген – это отдельно взятый кирпичик. Генотип – это уже стена, сложенная из этих кирпичей. Генофонд – это дом, с его стенами, крышей, окнами, дверями и т.д.

Элементарных эволюционных факторов известно несколько:

• мутации – скачкообразные и устойчивые изменения отдельных признаков, которые потом передаются по наследству. Это случайный процесс, в результате которого образуется материал для дальнейшего естественного отбора;
• комбинативная изменчивость – образование новых комбинаций уже имеющихся генов;
• волны жизни или популяционные волны – периодические и эпизодические колебания численности популяции, которые могут быть вызваны:
  • сезонными изменениями (температура, влажность, освещенность и т.д.)
  • природными катаклизмами (наводнения, извержения вулкана и т.д.);
  • освоение новых мест обитания;
• изоляция – возникновение факторов, которые препятствуют свободному скрещиванию (могут быть пространственными и биологическими);
• дрейф генов – случайное и обычно резкое изменение концентрации генов и генотипов в генофонде популяции.

 

Особенности  и причины дрейфа генов

 

 

Чтобы разобраться в этом вопросе, необходимо познакомиться с еще одним понятием – аллель.

Аллели  — формы состояния одного и того же гена, занимающие одинаковое положение в гомологичных (парных) хромосомах и отвечающие на внешние различия одного и того же признака. Большая часть генов в каждом организме представлено двумя аллелями, один из которых унаследован от отца, а другой – от матери.

Классический пример аллелей из курса школьного учебника по биологии – желтый и зеленый цвет семян гороха из опытов Менделя.

В качестве примера аллелей можно привести другие проявления действия генов:

Пара признака резус-фактора крови у человека – положительный и отрицательный. Положительный фактор является преобладающим (доминантным) признаком, а отрицательный – подавляемым (рецессивным). У любого человека есть оба гена, но проявляется «внешне» только один.

Пара признака цвета лепестков у Ночной красавицы. Красный – преобладающий, белый – подавляемый. Но здесь возникает интересное сочетание. Когда оба гена встречаются вместе, то цвет получается розовый. Это проявление гетерозиготного (содержащий разные аллели) состояния генов.

Чтобы понять это, воспользуемся схемой.

Для удобства гены обозначим так: А – красный цвет, а – белый. Гены всегда идут парами.

Если встречается сочетание АА – цветок красный, если аа – цветок белый. Это гомозиготный (содержащий одинаковые аллели) вид сочетания генов.

Сочетание Аа (генерозиготное) дает розовый цветок.

В процессе дрейфа генов происходит случайное и, чаще всего, ненаправленное изменение часты аллелей в популяции. Этот процесс очень хорошо заметен в небольших популяциях. Происходит это потому, что частота мутантного аллеля меняется очень быстро. В итоге, через несколько поколений, эта мутация либо полностью исчезает, либо становится преобладающей.

 

Причины дрейфа генов

 

Рассмотрим более подробно основные причины дрейфа генов.

1. Волны жизни или популяционные волны. Исходя из названия, можно сказать, что в данном случае происходит волнообразное изменение численности того или иного вида.

Эти изменения могут зависеть от различных факторов. Одним из таких факторов является 11-летний период активности Солнца. Изменение активности Солнца оказывает свое воздействие на все живое. Конечно, на кого-то сильнее, на кого-то меньше. Соответственно, меняется и частота генов (малочисленные – на пике волны могут проявиться внешне, и на спаде – исчезнуть из генофонда). Волны меняют интенсивность природного отбора и его направление.

2. Явление, известное как «эффект бутылочного горлышка». Если в результате какого-то резкого изменения условий жизни, среди выживших организмов остаются те, кто несет в себе какой-то редкий ген, то при восстановлении этой популяции, частота данного гена станет значительно выше, чем в исходной популяции.

С эти явлением пересекается явление, названное «эффект основателя». Принцип тот же – выжившие особи с новым или редким генотипом дают начало новой популяции.

3. Переселение и освоение новых территорий однозначно приводит к дрейфу генов. Новые условия, новые обитатели и взаимодействие с ними, приводит к тому, что «переселенцу» надо приспособиться к новым условиям. Вероятность выживания будет у тех особей, которые в своем генетическом запасе имеют «полезные» гены. У них больше вероятности остаться в живых, оставить потомство и тем самым закрепить этот полезный признак.
4. Изоляция аналогична предыдущей причине, но отличается тем, что популяция попадает в условия изоляции от других видов, своих же групп.

Благодаря изоляции на нашей планете сохранились так называемые «эндемики» – популяции растений или животных, распространение которых ограничено небольшой географической областью. Примером эндемиков являются кенгуру, коала, утконос в Австралии. Есть эндемичные виды и на более крупных континентах, в различных изолированных областях (озера, горы, тундра и т.д.).

Группы людей, которые предпочли изоляцию по разным причинам (кастовым, религиозным или географическим) также подвержены дрейфу генов.

Например, инки — замкнутая каста правителей в Южной Америке имели группу крови, не встречавшуюся ни у древних, ни у современных американцев.

 

 

Гренландские норманны — были прекрасно физически развитыми людьми. За 200 лет изоляции от Европы они превратились в чахлых ревматиков и подагриков с искривленными позвоночниками. Женщины потеряли способность к деторождению. В итоге – они вымерли.

 

 

Примеры дрейфа генов

 

 

Самые распространенный пример популяционных волн или волн жизни – изменение численности «жертвы», например зайцев, влекущее за собой изменение численности «хищника», например волков, рысей или лисиц. Рост численности одних, неизменно влечет рост численности других. Аналогичные колебания происходят и при сокращении численности.

 

Кроме естественных причин, волны жизни вызывает и деятельность человека – взрывной рост численности кроликов в Австралии, увеличение популяции домовой мухи в городах и другие.

 

В современном мире антропогенное влияние на окружающую среду проявляется все сильнее. Природа реагирует адекватным образом. И здесь изменяется не только численность популяций разных видов, но и происходят многочисленные мутации. С последствиями таких мутаций человечество сталкивается все чаще и не всегда знает, что с этим делать.

 

Пример: «эффект основателя». Возьмем крупную популяцию растений или животных, с определенным набором и распределением аллелей. В результате изоляции или перехода на новую территорию, часть популяции начинает формировать собственное сообщество (субпопуляцию). Распределение в генов в ней может быть не совсем таким, как в исходном варианте.

 

При развитии субпопуляции в ней будет нарастать количество таких нехарактерных генов. В итоге организмы, составляющие это сообщество, будут отличаться от прародителей не только на генетическом уровне, но могут даже и внешне. Поэтому этот эффект так и назвали – «эффект основателя».

 

В человеческой популяции есть сходный процесс, который называется «эффект родоначальника». Этот эффект наблюдается когда несколько семей создают новое сообщество (популяцию) на изолированной территории. В таком сообществе высока степень брачной изоляции, т.е. браки, совершаются между родственниками. В этом случае в генотипе закрепляются одни аллели и полностью исчезают другие.

 

Последствия этого эффекта не очень благоприятны для популяции в целом. На Земле последствием этого эффекта является неравномерное распределение наследственных заболеваний человечества.

 

Пример: «эффект бутылочного горлышка». Как и в предыдущем случае, результатом будет возникновение популяции, отличающейся от исходной. Но в этом случае причина другая – воздействующая сила быстро появляется, а затем исчезает.

 

Например, необычная сильная засуха, кратковременное увеличение численности хищников. Это может привести к резкому сокращению популяции. А когда эта кратковременная причина исчезнет, развивать и увеличивать популяцию будут случайно выжившие особи. Набор генов у них будет характерным для них, а не для исходной популяции.

 

 

Примеры дрейфа генов из жизни животных

 

 

Очень низкой генетической изменчивостью характеризуются практически все виды, находящиеся сейчас на грани вымирания или ранее прошедшие через период очень низкой численности.

 

Классическим примером являются гепарды. Они прошли через эффект «бутылочного горлышка» и сейчас все имеющиеся особи генетически очень близки друг другу. У них, к сожалению, сильно снижена жизнеспособность. Они восприимчивы к болезням сильнее, чем их предки. У них высокая смертность и низкая плодовитость. Генетическую близость подтверждает и тот факт, что если пересадить кусочек кожи от одного животного, другому, отторжения не происходит.

 

Еще один пример – зубр. В 1930-х годах все дикие виды были истреблены и остались только те, что содержались в питомниках и заповедниках. Попытка восстановить популяцию зубров была успешной, но, как и в случае и гепардами, новые популяции имеют очень низкое генетическое разнообразие.

 

Чтобы восстановить популяцию зубров, использовали бизонов. Виды прекрасно скрещивались друг и с другом и давали плодовитое потомство. Это очень важно, потому что часто гибридные растения и животные оказываются бесплодными. Дальнейшее скрещивание гибридных животных с зубрами, привело к снижению количества генов бизонов в популяции зубров до нескольких процентов.

 

Многие популяции животных, обитающих сейчас на земле, проходили этот сложный период.

 

В конце 19 века в результате охотничьего промысла почти полностью были истреблены популяции северных морских слонов. Восстановившиеся популяции на сегодня имеют очень маленькое количество генетических вариантов.

 

Даже популяцию «человека разумного» не миновал этот процесс. Антропологи считают, что человечество прошло через эффект «бутылочного горлышка» где-то 100 000 лет назад. Этим объясняется генетическое сходство всех людей между собой. Интересно, что разнообразие генетических вариантов у представителей клана гориллы в одном только африканском лесу, выше, чем у всех людей на Земле.

 

 

Роль дрейфа генов в эволюции

 

 

Дрейф генов выступает как фактор эволюции видов, вместе такими факторами как естественный отбор, мутационный процесс, комбинативная изменчивость и изоляции.

 

Благодаря дрейфу генов частоты аллелей случайным образом меняются в локальных (местных) популяциях. Изменения эти происходят до тех пор, пока они не достигают равновесия. Происходит утрата одного аллеля и фиксация другого.

 

В разных популяциях гены дрейфуют независимо, т.е. результат дрейфа оказывается разным. В одних популяциях останется и закрепится один набор генов, в других – другой. Поэтому, в целом, дрейф генов ведет, с одной стороны, к снижению генетического разнообразия внутри популяции (гомозиготности). С другой стороны – увеличивает различия между популяциями, ведет к их дивергенции.

 

Дивергенция – это расхождение свойств и признаков у первоначально близких групп организмов в ходе эволюции.

 

Дивергенция уже может служить основой для видообразования.

Кроме положительных моментов, дрейф генов может нести с собой и не всегда приятные последствия.

 

Одним из таких последствий может быть сохранение вредных аллелей, даже вопреки естественному отбору. Разные последствия может иметь размножение и распространения в популяции редких аллелей. Полное исчезновение тех или иных аллелей меняет генетическую картину популяции.

 

Процесс эволюции идет независимо от нас. Человек, изучая генетику и получая в свой арсенал инструменты, с помощью которых он может воздействовать на геном, хочет улучшить свою жизнь и жизнь планеты. В чем-то он добился и добивается успехов.

 

Но вмешательство в эту область таит в себе много непознанного и, возможно, опасного.