Дрейф генів - фактор еволюції: причина, значення, приклади

Поряд з природним відбором існує й інший фактор, здатний вплинути на підвищення вмісту мутантного гена. У ряді випадків він навіть може витіснити нормальний аллеломорф. Називається це явище "дрейф генів в популяції". Розглянемо більш детально, що собою представляє цей процес і які його наслідки.

Загальні відомості

Дрейф генів, приклади якого будуть приведені в статті далі, являє собою певні зміни, які фіксуються від покоління до покоління. Вважається, що у цього явища існують свої власні механізми. Деякі дослідники стурбовані тим, що в генофонді багатьох, якщо не всіх, націй зараз досить швидко збільшується обсяг з'являються аномальних генів. Вони визначають спадкоємну патологію, формують передумови для розвитку багатьох інших захворювань. Вважається також, що патоморфоз (зміна ознак) різних хвороб, у тому числі і хвороб психічного характеру, обумовлює саме дрейф генів. Явище, про який йде мова, відбувається стрімкими темпами. В результаті ряд психічних розладів приймає невідомі форми, стають невпізнанними при зіставленні з їх описом у класичних виданнях. Разом з цим суттєві зміни відзначаються і безпосередньо в самій структурі психіатричної захворюваності. Так, дрейф генів стирає деякі форми шизофренії, що зустрічалися раніше. Замість них з'являються такі патології, які насилу можна визначити за сучасним класифікаторах.

Теорія Райта

Випадковий дрейф генів вивчався за допомогою математичних моделей. Використовуючи цей принцип, Райт вивів теорію. Він вважав, що вирішальне значення дрейфу генів при постійних умовах відзначається в невеликих групах. Вони стають гомозиготними, і мінливість зменшується. Райт також вважав, що внаслідок змін у групах здатні сформуватися негативні спадкові ознаки. Внаслідок цього вся популяція може загинути, не внісши внесок у розвиток виду. Разом з цим велику роль у багатьох групах грає добір. У цьому зв'язку генетична мінливість всередині популяції знову буде несуттєвою. Поступово група добре пристосуватися до навколишніх умов. Проте подальші еволюційні зміни будуть залежати від виникнення сприятливих мутацій. Ці процеси відбуваються досить повільно. У цьому зв'язку і еволюція великих популяцій не відрізняється високою швидкістю. У групах проміжної величини відзначається підвищена мінливість. При цьому утворення нових вигідних генів відбувається випадково, що, в свою чергу, прискорює еволюцію.

Висновки Райта

Коли з популяції втрачається один алель, з'явитися він може внаслідок певної мутації. Але якщо вид поділяється на кілька груп, в одній з яких відсутній один елемент, в іншого – інший, то ген може мігрувати звідти, де вона є, туди, де його немає. Таким чином збережеться мінливість. Враховуючи це, Райт зробив висновок, що швидше розвиток буде відбуватися у тих видів, які розділені на численні різні за величиною популяції. При цьому між ними можлива і певна міграція. Райт був згоден з тим, що природний відбір грає дуже істотну роль. Однак разом з цим результатом еволюції є дрейф генів. Він визначає тривалі зміни всередині виду. Крім цього, Райт вважав, що безліч відмінних ознак, що виникли за допомогою дрейфу, були байдужі, а в ряді випадків навіть шкідливі для життєздатності організмів.

Суперечки дослідників

З приводу теорії Райта існувало кілька думок. Приміром, Добжанський вважав, що безглуздо ставити питання про те, який із факторів більш значущий – природний відбір або генетичний дрейф. Пояснював він це їх взаємодією. По суті, можливі наступні ситуації:

У разі якщо в розвитку тих або інших видів відбір займає чільну позицію, буде відзначатися або спрямоване зміна генних частот, або стабільне стан. Останнє буде визначатися оточуючими умовами.

Якщо протягом тривалого періоду більш істотним буде дрейф генів, то спрямовані зміни не будуть зумовлені природним середовищем. При цьому несприятливі ознаки, навіть виникли в невеликій кількості, здатні досить широко поширитися в групі.

Слід, однак, зазначити, що безпосередньо сам процес змін, як і причина дрейфу генів, сьогодні вивчені недостатньо. У цьому зв'язку єдиного і конкретного думки про даному явищі в науці не існує.

Дрейф генів – фактор еволюції

Завдяки змінам відзначається зміна частот алелей. Це буде відбуватися до того моменту, поки вони не досягнуть стану рівноваги. Тобто дрейф генів – ізоляція одного елемента і фіксація іншого. У різних групах такі зміни відбуваються незалежно. У цьому зв'язку підсумки генетичного дрейфу в різних популяціях різні. В кінцевому рахунку В одних фіксується якийсь один набір елементів, в інших – інший. Дрейф генів, таким чином, з одного боку, призводить до зменшення різноманітності. Проте разом з цим він зумовлює і відмінності між групами, дивергенції за деякими ознаками. Це, в свою чергу, може виступати в якості основи для видоутворення.

Співвідношення впливу

У процесі розвитку генетичний дрейф взаємодіє з іншими факторами. Перш за все, встановлюється взаємозв'язок з природним відбором. Співвідношення вкладів даних факторів знаходиться в залежності від ряду обставин. В першу чергу його визначає інтенсивність відбору. Другою обставиною є чисельність групи. Так, якщо інтенсивність і чисельність високі, випадкові процеси мають мізерно малим впливом на динаміку генетичних частот. При цьому в невеликих групах при несуттєвих відмінностях в пристосованості вплив змін незрівнянно більше. У таких випадках можлива фіксація менш адаптивного алелю, при тому що більш адаптивний буде втрачено.

Наслідки змін

Одним з основних результатів генетичного дрейфу виступає збіднення різноманіття всередині групи. Це відбувається за рахунок втрати одних алелів і фіксації інших. Процес мутації, в свою чергу, навпаки, сприяє збагаченню всередині популяцій генетичного різноманіття. За рахунок мутирования загублений алель може виникати знову і знову. У зв'язку з тим що генетичний дрейф являє собою спрямований процес, одночасно зі зниженням внутрипопуляционного різноманітності збільшується відмінність між локальними групами. Протидіє цьому явищу міграція. Так, якщо в одній популяції фіксується алель "А", а в іншого – "а", то всередині цих груп знову з'являється різноманітність.

Кінцевий підсумок

Результатом генетичного дрейфу стане повне усунення одного алеля і закріплення іншого. Чим частіше елемент зустрічається в групі, тим вище ймовірність його фіксації. Як показують деякі розрахунки, можливість закріплення дорівнює частоті алелю в популяції.

Мутації

Вони відбуваються в середньому з частотою 10-5 на ген на гамету на покоління. Всі алелі, які виявляються в групах, коли-то виникли внаслідок мутації. Чим менше популяція, тим нижче вірогідність того, що кожне покоління матиме хоча б одну обличчяну - носія нової мутації. При чисельності в сто тисяч у кожній групи нащадків з імовірністю, близькою до одиниці, знайдеться мутантний алель. Однак його частота в популяції, а також можливість його закріплення буде досить низькою. Ймовірність, що ця ж мутація з'явиться в тому ж поколінні хоча б у однієї обличчяни при чисельності 10 мізерно мала. Однак якщо вона все ж відбудеться в даній популяції, то частота мутантного алелю (1 на 20 алелей), а також шанси на його фіксацію будуть відносно високими. У великих популяціях виникнення нового елемента відбувається відносно швидко. При цьому його закріплення проходить повільно. Нечисленні популяції, навпаки, мутацію очікують довго. Але після її виникнення закріплення проходить швидко. З цього можна зробити наступний висновок: шанс на фіксацію нейтральних алелей знаходиться в залежності тільки від частоти мутаційного виникнення. При цьому чисельність популяції на цей процес не впливає.

Молекулярні годинник

У зв'язку з тим, що частоти появи нейтральних мутацій у різних видів приблизно однакові, швидкість закріплення повинна бути приблизно рівною. З цього випливає, що кількість змін, що скупчилися в одному гені, повинна співвідноситися з часом незалежної еволюції даних видів. Іншими словами, чим довшою буде період з моменту відділення двох видів з одного предкового, тим більше вони розрізняють мутаційних замін. Цей принцип лежить в основі методу молекулярних еволюційних годин. Так визначається час, який минув з моменту, коли попередні покоління різних систематичних груп почали розвиватися самостійно, не залежачи один від одного.

Дослідження Поллінг і Цукуркендла

Ці два американських вчених виявили, що число відмінностей у амінокислотної послідовності у цитохрому і гемоглобіні у тих чи інших видів ссавців тим вище, чим раніше відбулося розбіжність їх еволюційних шляхів. Згодом дана закономірність була підтверджена великим обсягом експериментальних даних. Матеріал включав в себе десятки різних генів і кілька сотень видів тварин, мікроорганізмів та рослин. З'ясувалося, що хід молекулярних годин здійснюється з постійною швидкістю. Це відкриття, власне кажучи, підтверджується розглянутій теорії. Калібрування годин проводиться окремо для кожного гена. Це зумовлено тим, що частота появи нейтральних мутацій у них різна. Для цього проводиться оцінка кількості замін, що скупчилися в певному гені у таксонів. Їх час дивергенції надійно встановлено з допомогою палеонтологічних даних. Після того як будуть відкалібровані молекулярні годинник, їх можна використовувати далі. Зокрема, з їх допомогою легко виміряти час, протягом якого відбулася дивергенція (розходження) між різними таксонами. Це можливо навіть у тому випадку, якщо їх загальний предок ще не виявлений в палеонтологічній літопису.