Дрейф генов

Дрейф генов

Согласно закону Харди--Вайнберга, частота аллеля, который нейтрален в селективном отношении, обычно остается постоянной из поколения в поколение. Следует, однако, помнить (см. гл. 4), что этот закон применим лишь к очень большим популяциям. Предсказываемое им постоянство частоты аллеля представляет собой статистическое среднее для большого числа испытаний; репродукция гена в большой популяции удовлетворяет условию большого числа испытаний. В любой выборке с малым числом испытаний, как, например, при репродукции гена в небольшой популяции, следует ожидать отклонений от средней частоты аллелей за счет одной лишь случайности.

В небольшой популяции частоты аллелей и генотипов подвержены случайным изменениям из поколения в поколение. Дрейф генов соответствует этой случайной компоненте в скорости репродукции генов, В небольшой полиморфной популяции дрейф генов ведет сначала к флуктуациям частоты аллеля из поколения в поколение, a в конечном итоге приводит к полному закреплению или элиминации данного аллеля. Это воздействие случайных факторов на генофонд отметили независимо друг от друга некоторые из первых генетиков-популяционистов (Fisher, 1930; Wright, 1931; Дубинин, 1931; Ромашов, 1931).

Мы предположили, что изучаемый аллель нейтрален в селективном отношении. Это упрощающее, но необязательное допущение, Допустим теперь, что интересующий нас аллель обладает небольшим преимуществом или несколько неблагоприятен в селективном отношении. Предсказанное изменение частоты аллеля из поколения в поколение и в этих случаях представляет собой статистическое среднее и опять-таки подвержено случайным отклонениям.

Если, например, в популяции, полиморфной по аллелям A и a, аллель a имеет 0.1%-е селективное преимущество (s = 0.001), то, согласно закону Харди--Вайнберга, соотношение этих двух аллелей в генофонде следующего поколения составит 1000 a: 999 A. Это среднее соотношение действительно наблюдается в больших популяциях; что же касается небольших популяций, то в них следует ожидать значительных отклонений от него, вызванных случайными факторами.

Таким образом, действие отбора само по себе не исключает возможности действия дрейфа генов. В сущности есть основания полагать, что самая главная эволюционная роль дрейфа генов -- это его совместное действие с отбором.

Эффект величины популяции

В предыдущем разделе было принято допущение, что рассматриваемый аллель полиморфного гена селективно нейтрален; это допущение отражено в симметричности U-образных кривых. В ряде небольших популяций этот селективно нейтральный аллель приближается либо к закреплению, либо к элиминации, причём в равной мере. Однако если аллель обладает небольшим селективным преимуществом в малых популяциях, то кривая сохраняет U-образную форму, но смещается и становится асимметричной. Направление смещёния зависит от того, благоприятен или неблагоприятен данный аллель в селективном отношении, a степень смещёния -- от величины его селективной ценности (рис. 16.2, A). Аллель, обладающий небольшим селективным преимуществом, обычно присутствует в серии небольших изолированных популяций либо с высокой, либо с низкой частотой, но чаще с высокой.

В этом случае снова группы небольших популяций отличаются от групп больших популяций по ожидаемому поведению генов. Отбор регулирует частоты генов в больших популяциях более эффективно, чем в малых, при эквивалентных значениях s (рис. 16.2).

Рис. 16.2. Ожидаемые частотные распределения аллелей при разных значениях s и двух значениях N. A. В маленькой популяции. Б. В популяции, которая в 4 раза больше, при эквивалентных интенсивностях отбора. (Wright, 1931.)

Таблица 16.1. Зависимость между величиной популяции, интенсивностью отбора и дрейфом генов (Wright, 1931)

Словесное описание кривых, представленных на рис. 16.2, можно сформулировать и по-иному, сказав, что отбор теоретически оказывает относительно небольшое влияние на частоты генов в популяциях, величина которых ниже известного критического уровня, тогда как одна лишь случайность, по-видимому, способна весьма эффективно регулировать частоты генов при тех же самых условиях (Wright, 1931). Следует ожидать, что в маленькой популяции эффект дрейфа генов будет преобладать над слабыми давлениями отбора.

Это подводит нас к вопросу о том, сколь мала «маленькая» популяция и сколь велика «большая», когда речь идет о действии дрейфа генов. Критическое значение N, при котором дрейф становится эффективным, зависит от s. Зависимость между N и s и дрейфом представлена в табл. 16.1.

Эти зависимости можно наглядно изобразить, построив линейный график (рис. 16.3). Как показывает график, если значения N низки по сравнению со значениями s, то преобладает дрейф генов; при относительно высоких N преобладает отбор; существует также область перекрывания, где дрейф и отбор могут действовать совместно.

Эти общие зависимости легко перевести в конкретные цифры, Допустим, что селективная ценность данного аллеля s=0.01. Его частота регулируется дрейфом генов при N?50. Но если селективная ценность аллеля 5 = 0.001 то его частота будет регулироваться дрейфом при N?500. Таким образом, в общем виде при довольно низкой селективной ценности аллеля дрейф генов может привести к его закреплению или элиминации при совсем малой величине популяции, но при очень низкой селективной ценности аллеля дрейф может регулировать его частоту в популяции среднего размера.

Величина области перекрывания, в которой действуют дрейф и отбор, также варьирует в зависимости от величины s. В приведенных выше численных примерах эта область соответствует N = 25--50 для s=0.01 и N = 250--500 для s = 0.001.

Возможность совместного действия отбора и дрейфа теоретически имеет очень важное значение для эволюции. Райт (Wright, 1931; 1949; 1960*) указывает, что какой-либо благоприятный ген может гораздо быстрее закрепиться при помощи отбора и дрейфа в популяционной системе островного типа, чем при помощи одного только отбора в (непрерывной большой популяции такого же общего размера.

Рис. 16.3. Области действия дрейфа генов и отбора, соответствующие различным соотношениям N и s. (Grant, 1963.)

Было бы желательно выразить заключение Райта в количественной форме. Допустим, что какой-то первоначально редкий ген с небольшим селективным преимуществом встречается в популяциях двух типов -- единой непрерывной популяции и популяции, подразделенной на отдельные островки; каждая популяция содержит по 106 особей. Какова сравнительная вероятность закрепления этого тена? Оказалось, что в подразделенной популяции эта вероятность на порядок выше (Flake, Grant, 1974*).

Эффект потока генов

Райт (Wright, 1931) предложил ряд уравнений для описания взаимодействия между потоком и дрейфом генов. Частоты аллелей регулируются дрейфом генов в том случае, когда

Частоты аллелей регулируются потоком генов в том случае, когда

a обе силы действуют при промежуточных размерах популяции:

Например, если N=100, то критическое значение m = ¹/_2N= 0.005.

Таким образом, иммиграция посторонних аллелей со скоростями, превышающими m=0.005, может предотвратить дрейф генов в популяциях, состоящих из 100 или менее скрещивающихся особей.

Влияние миграции на дрейф генов можно также сформулировать в терминах числа особей, мигрирующих в данную популяцию за одно поколение (Nm). Когда 4Nm гораздо больше 1, дрейф играет лишь незначительную роль; если же 4Nm меньше единицы, то роль дрейфа может быть очень большой (Wright, 1948; Hamrick, 1987*).

Вообще, незначительный поток генов может предотвратить дрейф. Для того чтобы мог происходить дрейф генов, маленькая популяция должна быть достаточно хорошо изолирована. При наличии изоляции при низких значениях как N, так и m дрейф может оказывать существенное воздействие на частоты генов.

Эффект частоты мутаций описывается уравнениями, аналогичными уравнениям для потока генов. Частота аллелей регулируется давлением мутаций, когда N?¹/_4u, и дрейфом генов, когда N?¹/_2u. В небольших популяциях высокая частота мутаций может препятствовать дрейфу генов.

Закрепление сочетаний генов

Совместное действие отбора и дрейфа генов в маленьких популяциях, по-видимому, способствует закреплению не только отдельных генов, но и их сочетаний. Последнее может играть очень важную роль в эволюции.

Допустим, что некая большая популяция содержит два редких мутантных аллеля а и b двух несцепленных между собой генов A и В. Большинство особей в этой популяции имеет генотип ААВВ; кроме того, в ней есть несколько особей, несущих мутантные аллели, АаВВ и ААВb. Допустим далее, что сочетание генов aabb имеет высокую адаптивную ценность в каких-то новых условиях среды.

В большой популяции в результате полового процесса изредка будет возникать сочетание генов aabb, однако оно будет немедленно разрушаться этим же самым процессом. Отбору трудно «подхватить» это сочетание, поэтому его частота повышается очень медленно.

В небольшом изоляте этой же самой популяции может случайно создаться средняя или высокая частота в общем редких аллелей a и b. При этом в каждом поколении будет возникать и подвергаться отбору пропорционально большее число зигот aabb. После этого отбор получает возможность эффективно действовать таким образом, что и в дальнейшем частота генотипа aabb будет повышаться. Следовательно, закрепление нового сочетания генов может быть достигнуто в некоторых небольших колониях за счет отбора и дрейфа генов быстрее, чем за счет одного только отбора в больших популяциях.

Экспериментальные данные

Керр и Райт (Kerr, Wright, 1954) подвергли проверке теорию дрейфа генов в экспериментах с серией очень мелких популяций Drosophila melanogaster, полиморфных по одному из генов, детерминирующих щетинки, f (forked). Они создали 96 идентичных линий, для каждой из которых было взято по 4 самки и 4 самца. Исходная частота мутантного аллеля forked в каждой линии была равна 0.5. Все эти 96 линий поддерживали в течение 16 поколений путем случайного выбора в каждом поколении родительских особей (4 самок и 4 самцов) для следующего поколения.

К 16-му поколению в 41 линии произошло закрепление аллеля дикого типа; в 29 линиях закрепился аллель forked, a 26 линий продолжали оставаться полиморфными.

Был проведен также параллельный эксперимент с использованием мутантного аллеля Bar (В), обусловливающего полосковидные глаза у Drosophila melanogaster. Здесь было заложено 108 линий, поддерживающихся таким же методом, как и в предыдущем эксперименте. Мутация Bar неблагоприятна в селективном отношении. К 10-му поколению аллель дикого типа закрепился в 95 линиях, аллель Bar -- в 3 линиях, a 10 линий остались полиморфными (Wright, Kerr, 1954).

Очевидно, что в небольшой экспериментальной популяции значительная доля полиморфных генов закрепляется в результате дрейфа. Иногда эти гены закрепляются, несмотря на противодействие со стороны отбора. Чаще закрепление происходит в результате совместного действия дрейфа и отбора, как в случае закрепления 95 линий дикого типа в эксперименте с мутацией Bar.

Совместное действие отбора и дрейфа было продемонстрировано и в других экспериментальных исследованиях. Одна группа экспериментов была поставлена на лабораторных популяциях Drosophila pseudoobscura, различающихся по инверсиям (Dobzhansky, Pavlovsky, 1957; Dobzhansky, Spassky, 1962*). Другой эксперимент с однолетним травянистым растением Gilia, проводившийся на протяжении 17 лет, касался мощности и фертильности в серии родственных инбредных линий (Grant, 1966a).

Дрейф в природных популяциях

В природе достаточно часто встречаются три ситуации, когда величина популяции благоприятствует эффективному действию дрейфа, сопровождаемого или не сопровождаемого отбором: 1) популяционная система состоит из ряда изолированных колоний с постоянно невысокой численностью; 2) численность популяции обычно велика, но периодически сильно сокращается, a затем вновь восстанавливается за счет нескольких выживших особей; 3) большая популяция даёт начало изолированным дочерним колониям, каждая из которых создаётся одной или несколькими особями-основательницами. Новые колонии проходят, таким образом, в своих первых поколениях сквозь «узкое горлышко» низкой численности, хотя в дальнейшем их размеры могут возрасти; это так называемый «принцип основателя», выдвинутый Майром (Mayr, 1942; 1963).

Если дрейф играет эффективную роль (опять-таки совместно с отбором или без него, но скорее при его участии), то следует ожидать, что изменчивость колоний будет проявлять следующие характерные черты. Во-первых, небольшие колонии -- сестринские колонии при ситуации 1 и дочерние колонии в первых поколениях при ситуациях 2 и 3 -- должны быть генетически довольно однородными. Во-вторых, между колониями должна проявляться довольно существенная изменчивость по генетически детерминированным признакам. Следует ожидать, что эта локальная расовая дифференциация должна быть особенно ясно выражена в серии небольших сестринских колоний (ситуация 1), но проявляться также в некоторых сериях более крупных популяций, происходящих от небольших колоний (ситуации 2 и 3). И в-третьих, распределение межколониальной изменчивости должно носить несколько незакономерный и случайный характер.

Характер изменчивости детально изучался у ряда групп растений с колониальной структурой популяционных систем. В некоторых из этих групп характер изменчивости соответствует ожидаемому, что позволяет предполагать эффективное действие дрейфа генов.

Некоторые виды кипариса (Cupressus spp.) в Калифорнии образуют ряд изолированных рощиц, причём в каждой рощице деревья обладают своими отличительными морфологическими признаками (Wolf, 1948; Grant, 1958*). Тот же самый тип изменчивости обнаружен у таких травянистых растений, образующих популяционные системы в форме ряда колоний, как Gilia achilleaefolia в Калифорнии, группы Erysitnum candicum и Nigella arvensis на островах Эгейского моря (Grant, 1958; Snogerup, 1967; Strid, 1970*). Представление о роли дрейфа во всех этих примерах подтверждается тем, что родственные виды Juniperus, Gilia и Nigella в других областях образуют большие непрерывные популяции с иным типом изменчивости, a именно с постепенной интерградацией по географическим трансектам.

Случайная локальная изменчивость наблюдается также в некоторых популяционных системах европейской наземной улитки Cepaea nemoralis по такому признаку, как наличие или отсутствие полос на раковине (рис. 12.2). Этот признак окраски раковины определяется одной парой аллелей, причём аллель бесполосости доминирует над аллелем полосатости (см. гл. 12). Частота бесполосого фенотипа и аллеля бесполосости широко варьирует в различных колониях в тех областях Франции, где популяции Cepaea nemoralis имеют колониальную структуру (рис. 16.4). Однако в больших популяциях европейской наземной улитки частота аллеля бесполосости варьирует по географическим трансектам ещё более постепенно (Lamotte, 1951; 1959).

Рис. 16.4. Соотношение полосатых (заштрихованные участки) и бесполосых (незаштрихованные участки) раковин в колониях Cepaea nemoralis в долине реки Арьеж в Пиренеях (Франция). (Lamotte, 1951.*)

Сосна Торрея (Pinus torreyana) -- узкоэндемичный южнокалифорнийский вид, представленный двумя небольшими изолированными популяциями. Материковая популяция вблизи Сан-Диего состоит из 3400 с небольшим деревьев. Вторая популяция на острове Санта-Роза, в 280 км от первой, содержит 2000 деревьев. Каждая из этих популяций единообразна по морфологическим признакам. Между популяциями существуют незначительные морфологичеокие различия (Ledig, Conkle, 1983*).

Биохимические данные, полученные в результате электрофоретичеокого анализа 25 ферментных систем, соответствующих примерно 59 локусам, совпадают с этими морфологическими данными. В выборках, взятых из каждой популяции, все особи оказались гомозиготными по всем ферментным локусам. Кроме того, в пределах каждой популяции особи генетически идентичны. Одна от другой эти две популяции отличаются по двум из 59 ферментных локусов (Ledig, Conkle, 1983).

Такое единообразие и незначительная междемовая дифференциация обусловлены, вероятно, дрейфом генов. Численность популяции сосны Торрея из окрестностей Сан-Диего, возможно, сократилась в период засухи 8500--3000 лет назад, и в это время могло произойти закрепление генов. Островная популяция могла возникнуть из небольшого числа семян или даже одного семени, занесенного из материковой популяции (Ledig, Conkle, 1983).

Аллели, определяющие группы крови в популяциях человека

Некоторые из самых веских данных в пользу дрейфа генов в природных популяциях относятся к человеку. На всем протяжении истории человечества во многих частях земного шара размеры популяций благоприятствовали дрейфу генов. На стадии собирательства и охоты были обычны небольшие изолированные или полуизолированные популяции, состоявшие из 200-- 500 взрослых особей. В разных частях света и сейчас существуют небольшие изолированные сельскохозяйственные или рыболовецкие общины. Некоторые религиозные секты образуют небольшие изолированные популяции, скрещивающиеся внутри себя, потому что религиозные верования запрещают их членам браки с посторонними.

Благодаря большому количеству данных, собранных по группам крови системы АВО и других систем в больших и малых популяциях человека, a также простоте генетической основы этих систем, группы крови служат удобным показателем генетического сходства или различия между популяциями. Полиморфизм по группам крови системы АВО был кратко описан в гл. 3.

Интересным примером служит полярное племя эскимосов, обитающих вблизи Туле на севере Гренландии. Это небольшое племя, в состав которого входит 271 человек или менее, на протяжении многих поколений находилось в полной изоляции. До тех пор пока они не встретились с другим племенем эскимосов, обитающим в северной части Баффиновой Земли и затратившим несколько лет на их поиски, полярные эскимосы считали себя единственными обитателями Земли.

Таблица 16.2. Частота аллелей, определяющих группы крови системы AB0 в популяциях эскимосов в Гренландии (Laughlin, 1950)

Оказалось, что популяция полярных эскимосов заметно отличается от главных популяций эскимосов по частоте аллелей, определяющих группы крови. В более крушшх популяциях гренландских эскимосов частота аллеля I^A составляет 27--40% (табл. 16.2). Сходные частоты аллеля I^A обнаружены в популяциях эскимосов Баффиновой Земли, Лабрадора и Аляски. Но племя полярных эскимосов отклоняется от этой нормы, так как у них частота аллеля I^A равна 9% (табл. 16.2). Вместе с тем частота аллеля I⁰ у полярных эскимосов очень высока по сравнению с частотами этого аллеля в популяциях эскимосов в Гренландии и в других местах (Laughlin, 1950).

Заметная локальная дифференциация по группам крови АВО наблюдается также в других небольших изолированных популяциях человека: в племенах аборигенов в южной части Австралии, в религиозной секте баптистов в восточной части Северной Америки, в европейской общине Рима и в некоторых горных и островных деревенских общинах в Японии (Birdsell, 1950; Glass et al., 1952; Dunn, Dunn, 1957; Nei, Imaizumi, 1966).

Религиозная секта баптистов была основана в Германии в начале XVIII в., a позднее её члены эмигрировали на восток США. Члены этой секты вступают в брак главным образом друг с другом, в результате чего они на протяжении многих поколений оставались репродуктивно изолированными от популяций, среди которых они жили в Германии и Америке. Некоторые общины баптистов очень малы; в состав одной общины на юге Пенсильвании в период её изучения в начале пятидесятых годов входило всего 90 взрослых. Весьма примечательно, что пенсильванские баптисты отличаются от обычных немцев и американцев немецкого происхождения по группам крови и по другим признакам (Glass et al., 1952).

Таблица 16.3. Частота аллелей, определяющих группы крови системы AB0 у трёх родственных популяций, принадлежащих к европеоидной расе (Glass et al., 1952)

В табл. 16.3 приведены частоты аллелей гена I у пенсильванских баптистов и у родственных им по расовой принадлежности популяций в Западной Германии и восточной части США. Совершенно очевидно, что популяции Западной Германии и США сходны по частоте разных генов. Что касается пенсильванских баптистов, то они отличаются как от своих германских предков, так и от своих нынешних американских соседей; частота аллеля I^A у них существенно выше, a аллель I^B близок к исчезновению. Пенсильванские баптисты отличаются от популяции своих предков и своих теперешних соседей и по другим признакам, например по форме мочки уха или по типу волос. В этой маленькой скрещивающейся в себе группе были обнаружены существенные отличия частот аллелей пяти разных генов от частот, типичных для окружающих популяций (Glass et al., 1952*).

Аллели гена I не нейтральны в селективном отношении. В некоторых популяциях человека обнаружена положительная корреляция между заболеваемостью язвой желудка и генотипом I°I° и между заболеваемостью раком желудка и генотипами I^АI^А и I^AI⁰. Данные о селективном значении аллелей гена I используют иногда в качестве довода против роли дрейфа в случае этого гена. Этот довод основан, однако, на неверном представлении о том, что дрейф генов и отбор -- взаимоисключающие силы.

Вывод о том, что в маленьких популяциях частоты аллелей в значительной степени регулируются дрейфом генов, вытекает из вероятностных законов и подтверждается результатами экспериментальных исследований. Следующий вопрос касается возможной роли дрейфа генов в природных популяциях. Играет ли дрейф генов существенную роль в эволюции?

Вопрос этот долго оставался предметом споров, которые в последнее время, по-видимому, улеглись. Противники дрейфа генов утверждали, что если в том или ином случае можно показать действие отбора, то тем самым дрейф генов исключается, поскольку необходимость в нем отсутствует (Fisher, Ford, 1947; Ford, 1955; 1964; 1971; Mayr, 1963*). При этом подразумевается противопоставление дрейфа генов отбору, в котором последний всегда побеждает. Однако на самом деле, как полагают Райт и его последователи, к числу которых принадлежит и автор данной книги, в эволюционном отношении гораздо важнее сопоставить значение совместного действия отбора и дрейфа генов с действием одного только отбора.

Майр (Mayr, 1942; 1954; 1963; 1970) давно уже выдвинул принцип основателя, получивший общее признание. В одном из разделов своей книги он резко критикует дрейф (Mayr, 1963). По крайней мере в двух своих публикациях Майр (Mayr, 1954; 1963) рассматривает принцип основателя как концепцию, отличную от дрейфа генов. Другие эволюционисты (например, Dobzhansky, Spassky, 1962; Grant, 1963) считают эффект основателя особым случаем дрейфа, и именно с такой точки зрения он рассмотрен в предыдущем разделе.

Еще одно возражение, выдвигаемое против роли дрейфа генов, состоит в том, что эффективность этого фактора в природных популяциях не была доказана. При этом считается возможным распространять способы доказательств, применяемые для экспериментальных популяций, на гораздо более сложные ситуации в природе, что неправомерно. Мы не можем контролировать переменные факторы в природных популяциях подобно тому, как мы это делаем в экспериментах, и поэтому не можем точно идентифицировать и измерять все факторы, действующие в природе. Однако мы можем искать в природе ситуации, согласующиеся (или несогласующиеся) с теоретическими и экспериментальными данными. Наилучшим доказательством значения дрейфа генов в микроэволюции служит характер случайной локальной дифференциации в серии перманентно или периодически изолированных маленьких колоний. Дифференциация подобного типа была многократно обнаружена в различных группах животных и растений, популяции которых представляют собой систему колоний. Эта дифференциация, если и не доказывает, что дрейф генов играет важную роль в популяционных системах такого типа, то по крайней мере сильно склоняет к такому мнению.

Плата за отбор

Естественный отбор имеет как позитивный, так и негативный аспекты. Он влечет за собой предпочтительное выживание и размножение одних генотипов и предпочтительную элиминацию и невозможность размножения других. Данная глава посвящена второму аспекту.

Утрата популяцией некоторой доли генотипов в результате действия отбора совершенно очевидна в тех случаях, когда избирательная элиминация проявляется в форме смертности в дарвиновском смысле, т. е. имеется налицо труп, который можно увидеть. Однако отбор, как мы видели ранее, обусловливает, кроме того, успех или неудачу только в фазе размножения. Особи, обладающие данным генотипом, могут быть физически крепкими, но ввиду низкой плодовитости их вклад в следующее поколение окажется пониженным. В этом случае нет трупа, который можно было бы увидеть. Однако частота генов, определяющих низкую плодовитость, снижается, и они в конечном счете могут совершенно исчезнуть. Невозможность размножения той или иной особи, обусловленная отбором в его негативном аспекте, проявляется ли она в форме избирательной смертности или неудавшегося размножения как такового, известна под названием генетической гибели (или гибели, обусловленной отбором). Генетическая гибель снижает репродуктивный потенциал популяции. Популяция обладала бы более высокой численностью, если бы не потери за счет генетической гибели. Поэтому генетическая гибель представляет собой, по крайней мере, потенциально, некое бремя для популяции. Это бремя называют генетическим грузом. Генетический груз определяется как 1 -- средняя приспособленность популяции (Wallace, 1968). Его можно представить себе также как общую сумму всех случаев генетической гибели в расчете на поколение. Различают несколько типов генетического груза (Brues, 1969; Crow, 1970), в том числе такие главные его типы, как мутационный груз, сегрегационный груз, груз, связанный с оказавшимися не на месте особями, и субституционный груз. Эти типы груза связаны с разными типами отбора. Мутационный груз -- неизбежный побочный продукт мутационного процесса. Этот процесс порождает вредные мутации, которые должны быть выметены стабилизирующим отбором. Сегрегационный груз существует в популяциях, которые используют преимущества, создаваемые превосходством гетерозигот. При этом в каждом поколении происходит выщепление менее приспособленных гомозигот, понижающих среднюю приспособленность популяции. Гомозиготы представляют собой плату за уравновешивающий отбор. Груз, вносимый особями, оказавшимися «не на месте» («misplaced-individual load»), возможен в полиморфной популяции, находящейся в неоднородной среде, где некоторые особи неизбежно окажутся вне своей специфической ниши или субниши. В этих случаях может вступать в действие дизруптивный или уравновешивающий отбор или отбор обоих типов одновременно. Направленный отбор порождает субституционный груз. Замещение старого аллеля новым, превосходящим его аллелем влечет за собой генетическую гибель носителей старого аллеля. Сумма случаев генетической гибели, происходящих при полном замещении какого-либо гена -- суммарный субституционный груз,-- может быть очень велика, поскольку частота старого аллеля, обреченного на замещение, в начале этого процесса обычно бывает высокой.

Полиморфизм по белкам и сегрегационный груз

Электрофоретические исследования ферментов, проведённые на ряде популяций дрозофил, позвоночных животных и растений, показали, что для довольно значительной части ферментных локусов характерен полиморфизм. Так, у Drosophila melanogaster из 19 ферментных локусов полиморфны были 42% локусов, у D. pseudoobscura и D. willistoni доля полиморфных локусов была сравнима с этой (см. табл. 3.3^>). Принято считать, что процент полиморфных локусов, выявляемых методами электрофореза, можно принять за показатель полиморфности генотипа в целом; тем самым повышается оценка общего количества генетического полиморфизма.

Многочисленность полиморфных генов -- как выявленных, так и предсказываемых путем экстраполяции данных по выявленным генам -- противоречит ожиданиям, основанным на данных о генетическом грузе. Каждый случай сбалансированного полиморфизма в данной популяции создаёт определённый сегрегационный груз, поскольку такой полиморфизм влечет за собой непрерывное выщепление гомозигот, жизнеспособность которых понижена. С возрастанием числа независимых локусов со сбалансированным полиморфизмом этот сегрегационный груз возрастает по экспоненте. Казалось бы, в какой-то момент популяция окажется не в состоянии нести этот сегрегационный груз. А между тем высокополиморфные популяции дрозофилы процветают.

Одна школа исследователей во главе с Кимурой попыталась разрешить эту дилемму, постулировав, что полиморфизм по белкам на самом деле не поддерживается отбором. Согласно их гипотезе, аллели большинства генов, детерминирующих ферменты, селективно нейтральны и дрейфуют с различными частотами в популяциях (Kimura, 1968; 1983; Kimura, Ohta, 1971b; King, Jukes, 1969). Поэтому сегрегационный груз отсутствует. Нейтральная теория Кимуры действительно решала бы проблему, если бы гены ферментов были селективно нейтральны.

Но действительно ли нейтральны эти гены? Имеются данные, что по крайней мере некоторые ферментные гены не нейтральны в отношении отбора (см. гл. 32). Каково положение вещей? Спор между нейтрализмом и селекционизмом остается пока неразрешенным. Представляется вероятным, что некоторые полиморфные гены селективно нейтральны или почти нейтральны, тогда как другие, вероятно, находятся под контролем уравновешивающего отбора. Гены последнего класса должны поэтому вносить какой-то вклад в сегрегационный груз. Вопрос о том, каким образом популяция выдерживает этот груз, ещё предстоит выяснить.

Одна возможность состоит в том, что ферментные локусы, выявляемые электрофоретическими методами, не репрезентативны для генотипа в целом. Это предположение противоречит общепринятому, хотя и несформулированному допущению, но соответствует некоторым имеющимся данным (см. гл. 32). Поэтому было бы неверно оценивать общую частоту генетического полиморфизма на основании простой экстраполяции данных о частоте полиморфизма по белкам. Суммарный генетический полиморфизм вполне может оказаться значительно меньше, чем это считают. В таком случае и сегрегационный груз также был бы менее обременителен для популяции.

Плата за отбор по Холдейну

Субституционный груз тесно связан с тем, что Холдейн (Haldane, 1957; 1960) назвал платой за отбор и что составляет основной предмет обсуждения этой главы. По холдейновской концепции плата за отбор -- это общее число случаев генетической гибели в процессе полного замещения одного гена. Следовательно, цена отбора -- это то же самое, что и кумулятивный субституционный груз за ряд поколений, а приращение платы за отбор -- то же самое, что субституционный груз за поколение.

Две пионерские работы Холдейна (Haldane, 1957; 1960) содержат математический анализ суммарного, или кумулятивного, субституционного груза в зависимости от величины популяции в каждом поколении. Он рассматривал влияние, оказываемое на эту зависимость интенсивностью отбора и другими факторами, а также влияние платы за отбор на скорость эволюции. Эта проблема была вновь исследована рядом ученых, сформулировавших её по-новому. Дальнейшее изложение основано на работах Холдейна (Haldane, 1957; 1960*), Кроу и Кимуры (Krow, Kimura, 1970*) и Флейка (Flake, личное сообщение).

Число особей, элиминируемых отбором в процессе полного замещения одного аллеля другим (?D), во много раз больше числа взрослых особей в любом отдельно взятом поколении (N). Между ?D и N существует вполне определённая зависимость, выражаемая коэффициентом платы (С). В общем случае, если N константа, то ?D = C·N.

Значение С для одного локуса в гаплоидной системе (которая в алгебраическом смысле гораздо проще, чем диплоидная система) можно вычислить следующим образом. Плата за отбор в расчете на одно поколение равна отношению

где щ₁ -- приспособленность аллеля, которому благоприятствует отбор, щ -- средняя приспособленность популяции, а q -- частота менее приспособленного аллеля. Суммарная плата за полное замещение одного аллеля другим составит при этом

Значение С зависит, таким образом, от исходной частоты аллеля, которому благоприятствует отбор, и от скорости замещения. Это значение велико в случае низкой исходной частоты аллеля, которому благоприятствует отбор, и уменьшается с повышением исходной частоты. Кроу и Кимура (Crow, Kimura, 1970*) приводят следующие значения С для разных изменений частот генов (q) в диплоидной системе при отсутствии доминантности:

При постоянной исходной частоте генов значение С изменяется в зависимости от скорости замещения. Скорость замещения зависит в свою очередь от интенсивности отбора, и поэтому s или щ входят в формулу для вычисления величины С. Суммарное число случаев генетической гибели в процессе замещения одного гена другим оказывается практически независимым от интенсивности отбора; но число поколений, на которые распространяются эффекты генетической гибели, измеряется интенсивностью отбора (s).

Холдейн (Haldane, 1957*) получил численные оценки платы за отбор для типичного случая. Он исходил из того, что существует некая обширная диплоидная популяция, содержащая благоприятный мутантный аллель с низкой исходной частотой. Предполагалось, что этот новый аллель обладает умеренным селективным преимуществом по сравнению со старым аллелем. При этих условиях суммарное число случаев генетической гибели в процессе полного замещения одного гена другим обычно в 10-- 20, а иногда даже в 100 раз выше числа размножающихся особей в одном поколении (С=10--100). Для простого случая следует ожидать, что в среднем число случаев генетической гибели в процессе замещения гена примерно в 30 раз больше числа взрослых особей на одно поколение (?D = 30N, С=30).

Плата за отбор и скорость эволюции

Если скорость замещения (s) высока, то замещение одного гена другим теоретически могло бы происходить быстро. Однако на самом деле популяция может оказаться не в состоянии выдержать ту цену, в которую обходится интенсивный отбор. Слишком сильное давление отбора может привести популяцию к гибели.

Число случаев генетической гибели, которое может выдержать популяция в каждом отдельном поколении, строго ограничено. Поэтому процесс замещения одного гена другим должен происходить на протяжении многих поколений, для того чтобы популяция могла постоянно сохранять достаточную численность; это условие устанавливает верхний предел скорости эволюционного изменения для отдельного гена. В том случае, когда ?D= 30N, замещение гена может произойти за 300, но никак не за 30 поколений (Haldane, 1957).

Плата за отбор по двум или большему числу независимых генов ещё выше. Эта плата возрастает экспоненциально с увеличением числа независимых генов, одновременно подвергающихся отбору (Haldane, 1957). Поэтому в популяции, непрерывно сохраняющей жизнеспособность, теоретическая максимальная скорость, с которой может происходить эволюционное изменение по нескольким или многим генам одновременно, должна быть гораздо ниже, чем для любого признака, определяемого единичным геном. Таким образом, если замещение единичного гена может произойти всего за 100 поколений, то на замещение двух независимых генов, отбор по которым происходит одновременно, может потребоваться минимум 200 поколений.

Как отмечалось выше, скорость замещения для любого данного числа независимых генов, определяющих отдельные признаки, каждый из которых детерминирован единичным геном, строго ограничена. Ограничение скорости эволюции становится ещё более жестким, если этот же самый комплекс независимых генов входит в качестве составной части в новое адаптивное сочетание генов, потому что при этом быстрому замещению множественных генов препятствуют два связанных между собой фактора. К высокой цене отбора, направленного на замещение множественных генов, добавляется непрерывное разрушение благоприятного сочетания генов в результате полового процесса. Ограничивающее действие этих двух факторов проявляется с особой силой, когда аллели, входящие в состав нового сочетания генов, всё ещё редки в данной популяции.

Все эти соображения заставляют считать, что эволюционные изменения сложных признаков и сочетаний признаков обычно происходят с умеренной быстротой или медленно. Эмпирические данные относительно скоростей эволюции в некоторых линиях, эволюционирующих медленно или с умеренной быстротой, укладываются в теоретические пределы, устанавливаемые платой за отбор (Haldane, 1957).

Известно, однако, несколько примеров быстро протекающей эволюции, скорость которой превышает теоретический предел. Один из них будет здесь описан.

Некоторые расы Mimulus guttatus (Scrophulariaceae) занимают в шт. Юта местообитания постплейстоценового возраста. Считается, что возраст этих местообитаний составляет 4000 лет. Следовательно, расовая дифференциация у Mimulus guttatus происходила в шт. Юта в течение 4000 лет, за которые это травянистое растение могло пройти через 4000 поколений (Lindsay, Vickery, 1967*). Различия в признаках между расами другого травянистого растения Potentilla glandutosa (Rosaceae) обусловлены аллельными различиями по крайней мере в 100 генах (Clausen, Hiesey, 1958*). Допустим, что генетические различия между расами Mimulus того же порядка, что и у Potentilla. В таком случае замещение 100 генов должно было произойти за 4000 поколений, т. е. в среднем за каждые 40 поколений замещалось по одному гену. Эту оценку следует считать умеренной в отношении как времени, так и числа генов.

Таким образом, скорость эволюции некоторых организмов, очевидно, превышала потолок, устанавливаемый терпимой платой за отбор. Возникает естественный вопрос: как это им удалось?

Сцепление генов и взаимодействие генов и их влияние на ограничение, налагаемое платой за отбор

В своей первоначальной модели Холдейн постулировал большую величину популяции, независимость двух или большего числа генов, одновременно претерпевающих замещение, и ряд других условий. Эти условия, несомненно, нередко реализуются в природе. Столь же верно, что в природных популяциях часто встречаются отклонения от этих условий. Некоторые из таких отклонений ослабляют ограничение, налагаемое на скорость эволюции платой за отбор (ср. Grant, Flake, 1974b).

Допустим, что отдельные гены, входящие в новое адаптивное сочетание генов, тесно сцеплены между собой и образуют суперген. Гены, входящие в состав этого супергена, могут замещаться с такой же скоростью и при той же цене, что и один менделевский ген. Цена отбора для одного супергена не выше, чем для единичного менделевского гена. Если гены, составляющие суперген, тесно сцеплены между собой, то популяция может приобрести новое адаптивное сочетание генов за сроки, ограниченные такой же платой за отбор, как и при замещении одного гена (Grant, Flake, 1974b).

Некоторые типы взаимодействий между генами также, очевидно, снижают цену замещения многих генов. Так, вероятно, обстоит дело в тех случаях, когда селективные преимущества или недостатки отдельных генов, подвергающихся отбору одновременно, связаны между собой. Различные аллели, которым благоприятствует отбор, могут иногда встречаться вместе в одном генотипе; и наоборот, различные аллели, которым отбор не благоприятствует, могут встречаться также вместе в одном альтернативном генотипе. В таком случае генетическая гибель, обусловленная многочисленными отдельными генами, сведется к гибели сравнительно небольшого числа особей. Это в свою очередь сделает возможной более высокую скорость эволюции для признака, контролируемого множественными генами (Mayr, 1963; Maynard Smith, 1968; Mettler, Gregg, 1969). К таким же выводам пришли некоторые другие авторы, использующие другие модели и терминологию (King, 1966; Crow, 1970; Felsenstein, 1971).

Влияние структуры популяции на ограничение, налагаемое платой за отбор

Отклонения от условия одной большой непрерывной популяции также могут снизить ограничение, налагаемое платой за отбор на скорость замещения множественных генов. Рассмотрим популяционные структуры двух типов: серию популяций-основательниц и подразделенную, или колониальную, популяционную систему (Grant, Flake, 1974a).

Следует помнить, что цена отбора достигает наивысшего уровня при низкой частоте тех аллелей, которым благоприятствует отбор. Если бы частоту этих аллелей можно было повысить за счет случайных неселективных факторов, то это позволило бы избежать наиболее обременительной части общего субституционного груза. Механизм для подобных изменений существует в популяциях-основательницах.

У вида, обладающего тенденцией к расселению, обширная полиморфная предковая популяция может дать начало серии дочерних колоний, закладываемых одной или несколькими особями. Такие дочерние колонии, или популяции-основательницы, берут начало от неслучайной выборки из предкового генофонда. Аллели, бывшие ранее редкими, могут достигнуть средней или высокой частоты под действием частично случайных факторов в период закрепления некоторых из новых дочерних колоний. Эти колонии просто избегают значительной части субституционного груза. И в них может сохраняться более низкая цена отбора при всех дальнейших повышениях частот генов вплоть до полного замещения.

Селективная гибель неумолимо собирает с популяции среднюю пошлину за любую данную интенсивность отбора. Популяция, однако, обладает определённым репродуктивным потенциалом, который позволяет компенсировать нормальную долю случайной гибели, а также известную часть случаев генетической гибели. При некоторых типах популяционной структуры уровень случайной смертности может варьировать, повышаясь или понижаясь. В тех случаях, когда случайная смертность понижается, создаются условия для более высокой генетической гибели.

Возьмем в качестве стандарта обширную непрерывную популяцию. Общая сумма случаев селективнной и случайной гибели устанавливает для нее предел скорости эволюции. Рассмотрим теперь популяцию такого же размера, как стандартная, и подверженную тем же самым внешним воздействиям, но разделенную на части. В такой разделенной популяции уровень случайной смертности будет различным в разных колониях. Колонии с более низкой случайной смертностью могут выдержать более тя желое, чем в среднем, бремя селективной гибели, а поэтому могут эволюционировать с более высокой скоростью, чем большая стандартная популяция (Grant, Flake, 1974a).

Другие способы сокращения платы за отбор

Высказывались и некоторые другие мнения относительно возможностей сокращения платы за отбор. Сам Холдейн (Haldane, 1957) указал, что генетическая гибель была бы менее опасной для популяции, если бы она затрагивала эмбриональные или ювенильные стадии, а не взрослых особей. Поэтому факторы, благоприятствующие экспрессии генов и их подверженности отбору на ранних стадиях развития, могли бы сделать плату за отбор более терпимой.

Уоллес (Wallace, 1968; 1970) полагает, что принятое им разграничение жесткого и мягкого отбора (см. гл. 13) может иметь значение для объяснения ограничений, налагаемых платой за отбор. Фактически плата за отбор связана с жестким отбором. При мягком отборе носители неблагоприятного аллеля элиминируются в результате генетической гибели только при суровых условиях среды, но не в пермиссивных условиях.

В своей первой работе Холдейн (Haldane, 1957) подразумевал одно обстоятельство, которое впоследствии не обсуждалось, а именно что каждая данная популяция обладает постоянным репродуктивным потенциалом, несколько, но не сильно превышающим тот, который обеспечивает одно лишь замещение. Предполагается, что это превышение удерживается на низком уровне за счет сильной межвидовой конкуренции. Генетическая гибель должна происходить за счет этого репродуктивного избытка.

Такое положение может быть изменено. Сравним популяцию, входящую в состав многовидового сообщества и испытывающую сильную межвидовую конкуренцию, со сходной популяцией, живущей в открытом местообитании. Первая популяция может сохранить свое место в сообществе лишь при условии, что смертность в ней не превысит какого-то определённого уровня. Для второй популяции такого ограничения не существует. Отсутствие межвидовой конкуренции даёт ей возможность выдержать более высокий уровень генетической гибели, обеспечивая тем самым более быстрое замещение генов. Холдейн (Haldane, 1957) лишь вкратце затронул эту возможность.

Существуют, таким образом, разнообразные возможности для быстрой эволюции путем естественного отбора.