Каминская Э.А. Общая генетика

Подождите немного. Документ загружается.

популяции обеспечивается не только разнообразием клонов, обла-

дающих различной генетической структурой и вследствие этого —

разными возможностями к адаптации, но и свойственной ей сменой

поколений, размножающихся либо бесполым, либо половым путем.

Это способствует насыщению популяции гетерозиготами, что обус-

ловливает определенный уровень ее комбинативной изменчивости.

Генетическая структура популяции самоопыляющихся организ-

мов (сем. Злаковые — ячмень, пшеница; сем. Бобовые) характери-

зуется выраженной в той или иной степени гомозиготностью по ряду

генов. Однако самоопыление, приводя к гомозиготации популяции,

вовсе не делает ее генетически однородной. При самоопылении осо-

бей, гетерозиготных по одной паре аллелей, например Ла, в ряду по-

колений число гетерозигот будет постоянно уменьшаться, но при

этом выщепятся по крайней мере две генетически неодинаковые го-

мозиготные чистые линии: АА и аа (рис. 137). Если учесть, что го-

мозиготация идет не по одной, а по многим парам аллелей, легко

предположить, сколько чистых линий с различной комбинацией го-

мозигот по каждой паре аллелей может образоваться в популяции.

Например, гомозиготация по двум парам аллелей обусловливает

формирование четырех чистых линий: ААВВ, ААвв, ааВВ и аавв.

Чистая линия представляет собой потомство одного гомозигот-

ного организма. Особи в пределах чистой линии генетически одно-

Генетическая структура популяций

самоопылителей

'257

родны и имеют сходный фенотип — различия особей внутри чистой

линии носят, как правило, модификационный характер (например,

у злаков одного вида сходные по генотипу особи могут различаться

по длине колоса, числу колосков в колосе, размеру и по массе семян).

Степень гомозиготности чистой линии может изменяться вследствие

возникновения у ее особей мутаций, что создает определенный уро-

вень гетерозиготности.

Поскольку популяция самоопылителей состоит из различных по

генетической структуре чистых линий, то она оказывается в целом

и генетически и фенотипически неоднородной. Фонд генетической

изменчивости такой популяции составляют генотипические и фено-

типические различия между ее чистыми линиями. Прекрасной ил-

люстрацией этого являются селекционные опыты (отбор по массе

семян) в популяциях и чистых линиях фасоли, проведенные В. Ио-

ганнсеном в 1903 г. Оказалось, что изменчивость по массе семян в

исходной популяции фасоли представляет собой вариационный ряд

с крайними значениями 150 и 750 мг. Иоганнсен провел отбор семян

с массой 250—350 мг и 550—650 мг и высеял их отдельно. В потом-

стве средняя масса семян была соответственно 443,4 и 518,7 мг. При

дальнейшем отборе крупных и мелких семян в чистых линиях изме-

нений средней массы семян не наблюдалось ни в одном из носледую-

'258

щих шести поколений (рис. 138). На основании полученных данных

Иоганнсен сделал вывод, что изменчивость особей в прицелах чи-

стых линий ограничивается модификациями и потому отбор в них

бесперспективен. Отбор действует лишь на популяцию, так как она

представляет собой генетически неоднородный материал.

Таким образом, в популяции самоопылителей проявляется тен-

денция к гомозиготации и распаду популяции на генетически одно-

родные чистые линии. Однако в связи с тем что наряду с самоопыле-

нием иногда возможно перекрестное опыление, а также вследствие

постоянно возникающих мутаций, в популяции всегда сохраняется

известный уровень гетерозиготности по отдельным локусам. Это обу-

словливает определенную пластичность ее в процессе приспособле-

ния к среде обитания. Если же при гомозиготации в популяции прои-

исходит выщепление вредных мутаций, наступает ее депрессия и даже

вырождение.

Генетическая структура популяций

перекрестноразмножающихся организмов

Как уже отмечалось, любая популяция представляет собой

множество особей, связанных родственными узами. Однако род-

ственные связи в популяциях самоопылителей и в популяциях пе-

рекрестноразмножающихся особей неодинаковые. При перекрестном

оплодотворении возникают еще и брачные узы. Они характерны для

так называемых менделевских популяций — сообществ скрещиваю-

щихся друг с другом особей. К таким популяциям относятся попу-

ляции большинства видов животных и растений. Предполагается,

что все особи этих популяций с одинаковой вероятностью способны

к случайному свободному скрещиванию, которое называется пан-

миксией. Поэтому популяция перекрестноразмножающихся орга-

низмов, где случайное свободное скрещивание особей осуществля-

ется при отсутствии естественного отбора, называется панмиктиче-

ской. Однако существование такой популяции в природе малове-

роятно. Она является идеализированной моделью,-удобной для изу-

чения закономерностей наследственности и изменчивости в популя-

циях перекрестноразмножающихся организмов.

Закономерности наследования в панмиктической популяции.

При перекрестном размножении в популяции идет постоянная, не-

прерывная гибридизация, в результате чего она становится макси-

мально гетерозиготной по многим генам. В основе гетерозиготности

популяции лежат такие явления, как генетическая разнородность

особей, вступающих в скрещивание, и постоянный процесс реком-

бинации генов при перекрестном половом размножении. Следова-

тельно, гибридные особи каждого последующего поколения имеют

шансы все более отличаться друг от друга, а также от особей преды-

дущих поколений и генотипически и фенотипически. Примером слу-

жит большая фенотипическая разнородность у перекрестноопы-

ляющейся ржи, чем у самоопыляющейся пшеницы.

Свободное скрещивание особей и непрерывное возникновение

'259

новых комбинаций генов, как покажется на первый взгляд, может

привести к беспорядочной изменчивости популяции. Однако именно

свободное скрещивание предохраняет ее от хаоса в наследовании

и приводит к состоянию относительного равновесия генотипов, ал-

лелей и фенотипов. Четвериков писал: «В самом механизме свобод-

ного скрещивания заложен аппарат, стабилизирующий численно-

сти компонентов данного сообщества. Всякое изменение соотноше-

ний этих численностей возможно только извне и возможно только

до тех пор, пока действует та внешняя сила, которая это равновесие

нарушает». На самом деле, если предположить, что аллели по одному

локусу встречаются в популяции с одинаковой частотой, например

А=а~ 0,5, и в каждом поколении женские и мужские особи про-

дуцируют с одинаковой частотой гаметы Л и а, то с помощью решет-

ки Пеннета легко проследить, что после одной генерации в попу-

ляции сохранится такое же соотношение аллелей:

Частота аллеля А в гибридном потомстве составит 0,25(ЛЛ) +

+ 0,25(Ла) =0,5; аллеля а — 0,25(аа) + 0,25(Аа) = 0,5. В данном

случае свободное скрещивание не нарушило генного равновесия в

популяции. Эта закономерность обнаруживается и при других со-

отношениях частот аллелей, например Л = 0,6; а = 0,4.

В 1904 г. К. Пирсон установил закон стабилизирующего скре-

щивания, сущность которого, как пишет Четвериков, сводится к то-

му, что «в условиях свободного скрещивания при любом исходном

соотношении численности гомозиготных и гетерозиготных родитель-

ских форм в результате первого же скрещивания внутри сообщества

устанавливается состояние равновесия...» и, как бы ни было наруше-

но извне это равновесие, «...в результате первого же за тем скрещи-

вания внутри сообщества устанавливается новое равновесие и сохра-

няется до тех пор, пока какая-нибудь внешняя сила вновь не выведет

его из этого состояния».

В 1908 г. существование закона стабилизирующего скрещива-

ния подтвердили английский математик Г. Харди и немецкий врач

В. Вайнберг. Они, независимо друг от друга, предложили формулу

(формула Харди — Вайнберга), отражающую характер распределе-

ния аллелей, генотипов и фенотипов в популяции. Обозначив частоту

гена А буквой р, а гена а—q, распределение аллелей в популяции

можно представить в обобщенном виде:

'260

В условиях свободного скрещивания соотношение аллелей и гено-

типов в описанной популяции будет выглядеть следующим образом:

АА :2pqAa:q

aa.

Формула Харди — Вайнберга отражает соотношение в популя-

ции особей с доминантными и рецессивными признаками, относи-

тельную частоту гомозигот и гетерозигот, частоту аллелей по одному

локусу. С помощью этой формулы можно рассчитать и заданной

популяции указанные частоты. Например, в Балтиморе в популяции

из 5000 человек 3200 (64 %) способны свертывать язык трубочкой

(доминантный признак, детерминированный геном R), а 1800 (36 %)

человек такой способностью не обладают (рецессивный ген г). Сле-

довательно, частота встречаемости лиц с генотипами RR и Rr равна

0,64, а гомозигот rr(q

) — 0,36. Исходя из этого, частота гена г

равна 0,6(У0,36). А поскольку р-\- q= 1, то р= 1 —<7 = 0,4, т. е. часто-

та аллеля R (р) составляет 0,4. По формуле Харди — Вайнберга мож-

но определить частоту гомозигот RR и гетерозигот Rr. Если р = 0,4,

то р

= 0,16. Значит, частота встречаемости лиц с генотипом RR со-

ставит 16 %. Частота гетерозигот равна 2pq — 0,48, или 48 % (2Х

X 0,4X0,6).

Таким образом, пользуясь формулой Харди — Вайнберга и имея

данные по частоте встречаемости в популяции какого-либо рецес-

сивного признака (например, альбинизм, глухота), можно опреде-

лить примерную частоту гена и его гетерозиготных носителей в по-

пуляции. Она отражает связь между частотами аллелей одного гена,

соотношение в популяции особей с генотипами АА, Аа и аа, а также

закономерности наследования в популяции. Однако эта формула

применима только для панмиктических популяций и не пригодна для

популяций самоопылителей. Причем в популяциях свободно скре-

щивающихся особей ее можно использовать лишь для простых слу-

чаев моногенного аутосомного наследования. При этом частота опре-

деленных фенотипов зависит не только от частоты аллеля, но и от

того, доминантен он или рецессивен.

Следует отметить, что формулу Харди — Вайнберга можно при-

менять для определения частот генов и генотипов в популяции лишь

на какой-то данный момент ее существования при следующих усло-

виях:

а) популяция должна быть достаточно многочисленной, что по-

зволяет избежать ошибок в статистическом анализе;

б) для всех особей популяции должна быть одинаковая вероят-

ность к скрещиванию;

в) все особи должны с одинаковой вероятностью образовывать

все типы гамет;

г) все типы гамет должны быть одинаково жизнеспособными;

д) мутации гена, по которому ведется расчет, должны быть очень

редкими (чтобы их частотой можно было бы пренебречь) или же

частота прямых и обратных мутаций должна быть одинаковой;

'261

е) все особи должны быть одинаково жизнеспособными (исклю-

чается действие естественного отбора);

ж) популяция должна быть максимально изолированной, а про-

цессы миграции редкими или же вовсе отсутствовать.

Однако в природных условиях постоянно действуют внешние

факторы (мутационный процесс, естественный отбор, миграция осо-

бей из одной популяции в другую и т. д.), изменяющие генетическую

структуру популяции. В результате из поколения в поколение изме-

няется равновесное состояние популяции по разным аллелям и ге-

нотипам. В связи с этим формула Харди — Вайнберга не может

полностью отражать характер генетической структуры популяции

на протяжении всей ее жизни, но позволяет регистрировать частоты

генов и генотипов в разные периоды жизни популяции и тем самым

определять направление ее изменчивости, т. е. генетическую дина-

мику.

Генетическая динамика панмиктической популяции. Одним из

важнейших факторов, обусловливающих генетическую динамику

популяции, является мутационный процесс. Известно, что живые

организмы способны мутировать даже в естественной среде обита-

ния. Частота спонтанных мутаций по каждому отдельному локусу

хромосомы, равно как и частота мутирования генов одной особи,

обычно невысокая. Но в целом суммарное количество мутаций в по-

пуляции может достигать значительного уровня. Накопление их в ге-

нофонде называется мутационным давлением. Мутационное давление

нарушает в популяции равновесие аллелей и генотипов.

В первые годы изучения мутагенеза в генетике существовало

мнение, что мутации возникают лишь в искусственных популяциях

в лабораторных условиях. Однако в 1925 г. Четвериков с сотрудни-

ками установили, что природные популяции насыщены мутациями

(он называл их геновариациями) и что в естественных условиях му-

тации возникают так же закономерно, как и в лабораторных усло-

виях. Они исследовали генофонд природных популяций четырех

среднерусских видов дрозофилы (Dr. obscura, Dr. phalerata, Dr.

vibrissina и Dr. transversa). При проведении эксперимента ученые

исходили из того, что в природных свободно скрещивающихся по-

пуляциях могут непрерывно совершаться два противоположных про-

цесса: накопление рецессивных гетерозиготных, а потому скрытых,

геновариаций (мутаций) и элиминация менее жизнеспособных генов

вследствие борьбы за существование и естественного отбора. Значит,

популяция в каждый данный момент имеет определенный запас

рецессивных мутаций, находящихся в гетерозиготном состоянии,

которые можно выявить экспериментально путем инбридинга. Это

и подтвердилось результатами инбредного анализа, проведенного

на большом количестве особей потомства, полученного от 239 отлов-

ленных в природе самок: обнаружена их гетерозиготность по мень-

шей мере по 632 генам, выявлено около 33 типов мутаций^и все они,

за исключением одной, сцепленной с полом, носили рецессивный

аутосомный характер. Эти данные послужили доказательством су-

'262

шествования в природе процесса накопления гетерозиготных рецес-

сивных мутаций.

На распространение мутаций в популяции оказывают влияние

многие факторы. Одним из таких факторов является характер самой

мутации (доминантна или рецессивна), а также влияние ее на жиз-

неспособность особи. Доминантная мутация проявляется в фенотипе

даже у гетерозиготы и сразу может быть подвергнута действию от-

бора в зависимости от степени ее вредности: мутация либо элимини-

руется из популяции, либо в ней накапливается. Нередко мутации,

вредные в гомозиготном состоянии, могут оказаться полезными или

нейтральными в гетерозиготе. Рецессивные мутации способны дли-

тельное время находиться в популяции в скрытом состоянии. Четве-

риков отмечает, что «вид как губка впитывает в себя гетерозиготные

вариации, сам оставаясь фенотипически однородным». Вероятность

встречи двух гетерозигот в достаточно многочисленной популяции

чрезвычайно мала. Следовательно, мало шансов и для проявления

мутации в фенотипе. Четвериков считает, что по «мере накопления

внутри вида скрытых геновариаций все чаще то одна, то другая бу-

дут обнаруживаться в гомозиготном состоянии и вид внешне начнет

обнаруживать все большую генотипическую изменчивость». Обычно

говорят, что молодой вид неустойчив, изменчив, а с возрастом стаби-

лизируется и становится мономорфным. В действительности же,

как отмечает Четвериков, чем старее вид, тем больше внутри него

геновариаций и тем больше он становится и внешне и наследственно

изменчивым: «генотипическая изменчивость растет пропорционально

возрасту вида». В многочисленной популяции больше шансов на

возникновение и накопление мутаций, но фенотипическое проявление

рецессивных мутаций возможно только в том случае, если их кон-

центрация станет достаточно высокой или численность популяции

значительно уменьшится. В таких* условиях возможно выщепление

рецессивной мутации в гомозиготном состоянии. Четвериков пишет:

«Частота проявления геновариации обратно пропорциональна чис-

ленности сообщества». Мутационное давление нарушает генетиче-

ское равновесие в популяции, однако если скорости прямого и обрат-

ного мутирования будут примерно одинаковыми, оно существенно

не изменится.

При изучении генетического состава природных популяций жи-

вотных и растений выявляется его высокая гетерогенность — в них

обнаруживается значительное количество рецессивных мутаций, ко-

торые в гетерозиготном состоянии не изменяют фенотип и адаптив-

ную способность популяции в целом, но в гомозиготном состоянии

оказывают то или иное влияние на выживаемость, продолжитель-

ность жизни и плодовитость особей. При этом даже хорошо приспо-

собленная к условиям обитания популяция несет скрытый резерв

вредных мутаций, способных снижать адаптивные свойства особей.

Например, Четвериков в природных популяциях дрозофилы обнару-

жил огромное число вредных мутаций, оказывающих летальное

действие или снижающих плодовитость особей. Это может привести

к так называемой генетической гибели особей, т. е. к гибели, обуслов-

'263

ленной естественным отбором (избирательная смертность особи или

ее исключение из процесса размножения). Генетическая гибель осо-

бей нередко вызывает уменьшение численности популяции и пред-

ставляет собой некое потенциальное бремя для популяции, назы-

ваемое генетическим грузом. Понятие «генетический груз» обозна-

чает и накопление вредных мутаций, снижающих степень приспо-

собленности особей к условиям обитания, и избирательную гибель

менее приспособленных гомозигот. Генетический груз популяции

человека — это насыщенность популяции генами наследственных

болезней.

Генетическая структура популяции может значительно изменять-

ся вследствие действия естественного отбора. Под естественным от-

бором понимают полное или частичное устранение какой-то группы

особей от размножения. Это может быть обусловлено гибелью особей

в результате действия вредных мутаций, а также снижением плодо-

витости особей, что уменьшает шансы на оставление ими потомства.

Именно поэтому эволюционно более значимы те мутации, которые

изменяют жизнеспособность и плодовитость особей и обеспечивают

тем самым их дифференцированное выживание в условиях действия

естественного отбора.

Доминантные летальные мутации подвергаются действию отбора

сразу же после их фенотипического проявления уже в гетерозигот-

ном состоянии. Если доминантный ген обладает полной пенетрант-

ностью и экспрессивностью, он элиминируется из популяции.

Рецессивные мутации долгое время не попадают под действие

отбора. Это объясняется тем, что они, не проявляясь фенотипи-

чески у гетерозигот, накапливаются в течение ряда поколений

и проявляются у гомозигот только в том случае, когда их концентра-

ция в популяции достигнет определенного предела и повысится

вероятность встречи при половом процессе особей, гетерозиготных

по одинаковым рецессивным мутациям. Такие гомозиготы подвер-

гаются действию естественного отбора, и если рецессивные мутации

оказываются вредными, они элиминируются. Однако элиминация

гомозигот вовсе не приводит к уменьшению частоты рецессивного

гена

в популяции. Напротив, она при этом будет увеличиваться

вследствие того, что возрастает доля гетерозигот-поставщиков

рецессивных генов. В связи с этим возрастает и вероятность

новых выщеплений рецессивного гена в гомозиготном состоянии.

Рецессивные мутации, находясь в гетерозиготном состоянии,

составляют, таким образом, фонд скрытой генетической изменчивости

популяции. С позиций анализа данной изменчивости, а также роли

естественного отбора как одного из главных факторов эволюцион-

ного процесса еще в 40—50-х годах были сформулированы две

прямо противоположные гипотезы относительно генетической струк-

туры природных популяций.

Согласно классической гипотезе Меллера, исходная популяция

является максимально гомозиготной почти по всем генам дикого типа

и лишь в некоторых локусах может быть гетерозиготной по мутант-

ному аллелю. Всякая же вновь возникшая мутация находится в гете-

'264

розиготном состоянии и, как правило, вредна. Она проявляется

фенотипически в потомстве при родственных скрещиваниях. Следо-

вательно, генетическая изменчивость особей популяции оказывается

незначительной и генетическое разнообразие носит в основном

межпопуляционный характер. Действие естественного отбора в такой

популяции сводится к удалению вредных мутаций. Это означает,

что процесс видообразования здесь практически не идет по крайней

мере до той поры, пока не возникает новая мутация. Эволюция

возможна, если в результате мутации случайно возникнет «удачный»

аллель и его частота в популяции под действием естественного

отбора постепенно увеличится. Тогда новый аллель становится

аллелем дикого типа и полностью или почти полностью вытесняет

старый аллель дикого типа.

Сторонники так называемой балансовой гипотезы (в частности,

Ф. Добржанский) предполагают, что исходная популяция макси-

мально гетерозиготна и в ее генофонде в скрытом состоянии присутст-

вует целый ряд аллелей (в том числе вредных) по большому числу

локусов. Гомозиготные же локусы встречаются только у потомков

от близкородственных скрещиваний. В такой популяции возможна

селективная форма отбора, в результате которого вредные мутантные

аллели элиминируются, и тогда частоты аллелей во многих локусах

постепенно изменяются. В данном случае эволюционный процесс

носит адаптивный характер и допускается видообразование.

Таким образом, сторонники классической и балансовой гипотез

характеризуют изменчивость популяций с абсолютно разных позиций.

По мнению первых, мутационная изменчивость в популяции

постоянно уменьшается вследствие направленного действия естест-

венного отбора. По мнению же вторых, естественный отбор не

только сохраняет, но даже увеличивает наследственную измен-

чивость в популяции.

Эти две крайние позиции попытался объединить Р. Левонтин

(1978) на основании так называемой неоклассической гипотезы

М. Кимуры (1965). Согласно данной гипотезе, большая часть мута-

ций в популяции оказывается вредной и подвергается очищающему

действию стабилизирующего отбора. Реже возникают нейтральные

мутации (например, замещение аминокислоты на поверхности бел-

ковой молекулы вдали от ее активного центра, не изменяющее

функции белка), не оказывающие существенного влияния на важные

в эволюционном отношении признаки (на жизнеспособность и плодо-

витость особей) и поэтому не подвергающиеся действию отбора.

Они, по мнению Левонтина, представляют собой «генетический

хлам». Очень редко в популяции возникают благоприятные мутации.

Они закрепляются действием естественного отбора и являются

материалом адаптивной эволюции. Левонтин в отличие от ряда

исследователей, полагающих, что в основе эволюционного процесса

лежит эволюция отдельных локусов, считает, что точкой приложе-

ния естественного отбора может быть только особь, т. е. генотип

в целом как интегрированная система взаимодействия разных локу-

сов хромосом.

18.

Зак. 5107

В процессе естественного отбора иногда выявляется селективная

ценность генотипов. Так, у человека доминантный мутантный ген S

детерминирует серповидно-клеточную анемию. Эта мутация заклю-

чается в замене в глобиновой части молекулы гемоглобина в б-м

положении глутаминовой кислоты валином. По данным В. П. Эфро-

имсона (1968), в браках лиц SsXSs из 409 потомков 263 имели

серповидную клеточность, а 146 — нормальный гемоглобин (соот-

ношение 2:1), что указывало на летальность гена 5 в гомозиготном

состоянии: дети с генотипом 5S умирали в возрасте с 3 месяцев

до 2 лет. В регионах, где широко распространена малярия, нор-

мальные люди, имеющие в генотипе гены 55 и неизмененную форму

эритроцитов, в итоге погибают, так как малярийный плазмодий

паразитирует в нормальных эритроцитах. Лица же, гетерозиготные

по гену S(Ss\ наиболее жизнеспособны — они не умирают от анемии

и не болеют малярией (плазмодий не живет в эритроцитах изменен-

ной формы; рис. 139). Частота гена S в малярийно опасных районах

удерживается в популяции на довольно высоком уровне: около

20 % коренного населения Африки составляют лица с генотипом S5.

В то же время концентрация гена S в популяции уменьшается

в регионах, где нет опасности заражения малярией. Например,

только 8—9 % негров США являются гетерозиготными носителями

гена S. Явление преимущественного выживания гетерозигот на-

зывается наследственным сбалансированным полиморфизмом.

Действие естественного отбора в условиях, когда из популяции

элиминируется определенный ген или генотип, значительно изменяет

соотношение частот аллелей и генотипов. Но при свободном скрещи-

вании, до тех пор пока не действует изоляция; как отмечал Четве-

'266