Принципы эволюции - (реферат)

Принципы эволюции - (реферат)

Рис. 2. 3. Интерпретация механизма наследования цвета глаз и формы крыла у дрозофилы (объяснения см. в тексте).

Первым признаком, хромосомную локализацию которого Удалось установить (в результате ряда ключевых экспериментов, проведенных главным образом в США между 1900 и 1910 гг. ), был пол. У млекопитающих и у дрозофилы одна хромосома (назовем ее хромосомой X) имеется у особей женского пола в двух экземплярах, а у особей мужского пола—только в одном. Вместо второй Х-хромосомы у самцов имеется отличная от нее Y-хромосома. Таким образом, самки несут хромосомы XX и образующиеся у них яйцеклетки содержат одну Х-хросому, а самцы несут хромосомы XY и образующиеся у них сперматозоиды содержат либо Х, либо Y-хромосому. Если допустить, что находящиеся в этих хромосомах ген или гены контролируют пол, то становится возможным объяснить наблюдаемое соотношение полов 1 : 1 при помощи следующей простой схемы:

(Отметим, что у птиц и у некоторых насекомых наблюдается обратная картина: гетерогаметны самки, а самцы гомогаметны. ) Соотношение полов рассматривается более подробно в разд. 3. 7. Половые хромосомы X и Y морфологически отличаются от остальных хромосом (аутосом) и друг от друга. Поэтому можно ожидать, что они содержат уникальные аллели, которые не могут переходить из одной хромосомы в другую в результате кроссинговера. Это может привести к отклонениям от предсказаний Менделя; явление это известно под названием сцепления с полом. Например, аллель, определяющий красный цвет глаз У Дрозофилы, о котором говорилось выше, как и аллель белого Цвета глаз, локализован в Х-хромосомах. В Y-хромосомах этих аллелей нет. Красный цвет глаз доминирует над белым. Когда Морган скрещивал красноглазых самок с белоглазыми самцами, все потомство fj оказалось красноглазым. При скрещивании красноглазых самцов и самок из fi он получил красноглазых и белоглазых мух в соотношении 3: 1, но все белоглазые мухи были мужского пола. Отношение красноглазых самок к красноглазым самцам составляло 2: 1. Если, заменив обозначения, принятые на стр. 27, обозначить аллель красных глаз черезXw, а аллель белых глаз — через Xw, то нетрудно дать объяснение! наблюдаемым результатам: Рациональное объяснение этого дает рис. 2. 5. Вообще чем больше генов участвует в определении данного признака, тем более непрерывна изменчивость по этому признаку.

Такая ассоциация генов с морфологически различными хромосомами служит очень хорошим подтверждением того, что гены организованы в хромосомы. 3. Непрерывно изменяющиеся признаки. Мендель сконцентрировал внимание на признаках, резко отличающихся один от другого, однако большинству признаков свойственна непрерывная изменчивость. Так, например, организмы по общим размерам обычно не распадаются на дискретные классы, а образуют непрерывный ряд от минимальных до максимальных для данной группы размеров. Кроме того, чаще всего особи распределяются по данному признаку таким образом, что большая их часть концентрируется вблизи среднего значения признака, а по обе стороны от него частота постепенно сходит на нет (см. , например, рис. 2. 4). В течение некоторого времени полагали, что эта изменчивость выходит за рамки менделевской генетики; У. Ф. Уэлдон (W. F. Weldon) примерно в 1900 г. даже подверг критике данные самого Менделя, поскольку при более тщательном анализе оказалось, что большая часть так называемых дискретных признаков горошка подвержена значительной изменчивости (например, степень морщинистости семян и интенсивность их зеленой окраски). Однако в 1909 г. X. Нильсен-Эле (Н. Nilssen-Ehle) показал, что менделевские факторы могут контролировать количественные признаки, если один такой признак детерминируется большим числом генов (полигены), каждый из которых обладает небольшим, аддитивным действием (см. стр. 26).

Рис. 2. 4. Частотное распределение величины помета у мышей и числа щетинок на вентральной поверхности брюшка у дрозофилы. В обоих случаях кривая распределения приближается к нормальной (гауссовой) кривой. (Futuyama D. J. , Evolutionary Biology, Sinauer Associates, Massachusetts, 1979. )

Помимо генетической основы изменчивости признаков существует еще и влияние окружающих условий. Например, на общие размеры животного или растения решающее влияние оказывают те условия, в которых оно развивается. Возможно, все признаки организма представляют собой продукт воздействия генетических и средовых факторов, так что нормальные распределения, подобные изображенным на рис. 2. 4, —результат сочетания этих факторов. Передается по наследству только та компонента этой изменчивости, которая обусловлена генами; ее выражают как Долю общей изменчивости и называютнаследуемостью (часто обозначается как h2). Измерение наследуемости имеет важное значение для селекционеров и животноводов; ее можно определить по соотношению между признаками родительских особей и потомков, выращенных в тех же условиях.

Рис. 2. 5. Схема, иллюстрирующая возникновение фенотипической изменчивости при корпускулярной наследственности.

Допустим, что “сила”данного признака зависит от соотношения доминантных и рецессивных аллелей. В таком случае, чем больше число расщепляющихся локусов, определяющих этот признак, тем больше число возможных сочетаний доминантных и рецессивных признаков, а тем самым и число возможных фенотипических классов. (Strickberger M. W. , Genetics, Macmillan, New York, 1968. )

Вильгельм Людвиг Иогансен (W. L. Johansen), специалист по генетике растений, был одним из первых ученых, обратив- J ших внимание (примерно в 1900 г. ) на то, что каждый организм—продукт среды, в которой он обитает, и генов, которые он содержит. На этой основе Иогансен различалфенотип, то есть, организм, который мы видим, и генотип —совокупность содержащихся в нем генов, и это проведенное им разграничение сохранило свое важное значение по сей день.

4. Мейотшеский драйв. Аллели, кодирующие один и тот же признак, находятся в отдельных хромосомах (гомологичных хромосомах), так что каждая клетка данной родительской особи содержит обычно некоторое число пар гомологичных хромосом (диплоидное состояние). При формировании гамет гомологичные-хромосомы должны быть отделены одна от другой, с тем чтобы каждая гамета в конечном итоге получила по одной хромосоме от каждой пары (гаплоидное состояние). Этот процесс разделения известен под названием мейоза и лежит в основе первого закона Менделя—закона расщепления. Мейоз обеспечивает формирование гетерозиготной особью одинакового числа гамет, содержащих разные аллели. Однако некоторые процессы, детерминируемые генами, способны нарушить эти результаты. Такие процессы могут быть обусловлены событиями, как предшествующими мейозу, так и следующими за ним; и те и другие приводят к так называемому мейотическому драйву. Обзор по этой проблеме см. (16).

Один интересный пример связан с так называемыми генами SD (segregation distorter), обнаруженными у дрозофилы (5). В этом случае гомологичные хромосомы конъюгируют, но гены SD оказывают на своих партнеров такое воздействие, что те в дальнейшем образуют нежизнеспособные сперматозоиды. Существование подобных SD-генов проявляется более четко в тех случаях, когда они редки, потому что при этом у них больше шансов оказаться в гетерозиготном состоянии. По мере того как они становятся более обычными, конъюгация между ними происходит чаще и они разрушаются. Поэтому следует ожидать, что гены SD сбалансированы в популяциях на довольно низких уровнях.

    2. 2. Хромосомные и химические основы наследственности.
    2. 2. 1. Цитологические основы наследственности.

За последние три десятилетия XIX в. в изучении клеточной основы жизни были достигнуты выдающиеся успехи. Ряд исследователей, главным образом немецких, открыли, что гаметы представляют собой клетки и что клетка—это не просто комочек однородного вещества, а некая структура, состоящая из ядра и цитоплазмы. Благодаря усовершенствованию микроскопов и разработке специальных методов окрашивания стало возможным более детально рассмотреть ядро. Оказалось, что оно также неоднородно: в нем были обнаружены нитевидные структуры, состоящие из вещества, названногохроматином; соответственно структуры эти получили название хромосом. Мнение о том, что хромосомы —подходящие кандидаты на роль материальных носителей наследственности, впервые высказал Август Вейсман (August Weismann, 1834—1914). Он представлял себе наследственность как передачу материала — того, что он называл зародышевой плазмой, —от родителей потомкам и предполагал, что зародышевая плазма, сохраняя непрерывность и обособленность, проходит через весь онтогенез данного индивидуума и“выплескивается” в следующее поколение, покидая сому —свое прежнее тело. Эти взгляды Вейсмана были основаны на его наблюдениях, которые показывали, что у многих животных образование половых клеток и их обособление от соматических тканей происходит на очень ранней стадии эмбрионального развития. Отсюда проводившееся им разграничение между зародышевой плазмой и сомой. В своей“Эволюционной теории”, вышедшей в 1903 г. , Вейсман еще более сузил границы зародышевой плазмы и свел ее к ядру половых клеток, а затем—к хромосомам и хроматину (впервые эти термины были предложены В. Вальдейером в 1888 г. ). Он это сделал потому, что, судя по гистологическим данным, хромосомы вели себя именно так, как им следовало себя вести, если бы они представляли собой вещество наследственности: они удваивались и разделялись на две равные группы при делении соматических клеток; число их уменьшалось вдвое при образовании гамет, предшествующем смешиванию мужского и женского вкладов во время оплодотворения. В настоящее время мы называем эти два процесса соответственно митозом и мейозом.

Итак, на основе всех полученных данных менделевские факторы получили название генов (термин, введенный В. Л. Иоган-сеном в 1888 г. ), которые, как предположили исследователи, находятся в хромосомах. Эта теория, конечно, коренным образом отличалась от теории слитной наследственности, которой придерживался Дарвин. Зародышевая линия была отделена от сомы, а тем самым и от приобретенных признаков. Гены дискретны и не сливаются. Кроме того, хромосомная теория позволяла лучше осмыслить данные некоторых экспериментов по скрещиванию, например данные Моргана по сцеплению у дрозофилы (см. разд. 2. 1. 2).

    2. 2. 2. Химические основы наследственности.

Локализация генов в хромосомах была установлена, однако не все биологи были так уверены, как Вейсман, в их чисто химической природе. Сам Т. Г. Морган в своей книге“Механизм менделевской наследственности”(Т. Н. Morgan, A. H. Sturte-vant, H. J. Muller, С. В. Bridges, Mechanism of Mendelian Heredity, H. Holt and Co. , 1915) писал: “Предположение, что частицы хроматина, неотличимые одна от другой и почти гомогенные при исследовании любыми известными методами, могут в силу своей материальной природы наделять всеми свойствами жизни, превосходит воображение даже самого убежденного материалиста”.

Создание разнообразия, или, иными словами, генетической информации, из единообразия—вот в чем заключался главный вопрос, а ответ на него состоял в том, что хроматин оказался не таким гомогенным, каким он представлялся. Данные хими-деского анализа показали, что хроматин—это нуклеиновая кислота, состоящая из повторяющихся субъединиц (нуклеоти-дов), соединенных друг с другом связями, в образовании которых участвуют остатки либо рибозы (рибонуклеиновые кислоты, РНК), либо дезоксирибозы (дезоксирибонуклеиновые кислоты, ДНК).

Крупнейший шаг вперед в этой области был сделан в середине пятидесятых годов нашего века, когда Дж. Д. Уотсон (James D. Watson) и Фрэнсис Крик (Francis Crick) расшифровали строение ДНК на основе химических данных в сочетании с рентгеновскими“снимками”ее молекулы. Каждая нуклеиновая кислота состоит из двух цепей, соединенных химическими связями, так что структура в целом имеет вид веревочной лестницы. Перекладинами этой лестницы служат связи между нуклеотидами, причем нуклеотиды расположены таким образом, что против определенной большой единицы может находиться только одна определенная малая единица. Поэтому говорят, что две стороны лестницы комплементарны. Эта лестница свернута наподобие гибкого электрического провода, образуя ныне знаменитую двойную спираль (см. рис. 2. 6).

Вслед за созданием модели структуры ДНК был высказан ряд соображений относительно ее функций. Во-первых, последовательность оснований в молекуле ДНК может быть различной и в этой последовательности может быть закодирована генетическая информация. Хроматин оказался негомогенным. Во-вторых, комплементарность означает, что если отделить две стороны“веревочной лестницы”одну от другой, то каждая из них могла бы служить матрицей для построения другой. Следовательно, информация может точно и безошибочно реплицироваться и передаваться от одной клетки другой и от родителей потомкам (рис. 2, 6, Г).

Рис. 2. 7. Транскрибирование ДНК в мРНК и трансляция в белки. Трансляция происходит на субклеточных органеллах—рибосомах; молекулы транспортной РНК (тРНК) выбирают из клеточного фонда аминокислот нужную аминокислоту и переносят ее на соответствующее место на матрице. Образующийся таким образом белок может затем выполнять в клетке структурные или ферментативные функции. (Calow P. , Biological Machines, Edward Arnold Publ. , London, 1976. )

Наконец, спиральная структура означает, что эта жизненно важная генетическая информация защищена от превратностей внешнего мира. Время от времени в процессе репликации возникают случайные нарушения, ведущие к тому, что в классической генетике называли мутациями. Подобные события должны быть редкими и могут вызываться внешними факторами (например, облучением), но они не направлены на удовлетворение каких-либо определенных“потребностей”.

Рис. 2. 6. Строение ДНК. А. Нуклеотиды (В), соединенные в цепь. Б. Комплементарные цепи, образующие “веревочную лестницу” при помощи водородных связей (прерывистые линии). В, “Веревочная лестница”, свернутая в двойную спираль. Г. Репликация: цепи раскручиваются, и каждая из них служит матрицей для образования комплементарной цепи.

Все эти положения, разработанные Уотсоном и Криком, оказались в основном верными и вызвали бурное развитие исследований по молекулярной генетике. Было известно, что ядро и нуклеиновые кислоты играют ключевую роль в синтезе белка, а поскольку белки принимают важнейшее и непосредственное участие в построении клетки (в виде строительных блоков) и в регуляции ее функций (в виде ферментов), то нетрудно видеть, каким образом нуклеиновые кислоты могли бы определять признаки организма. Нуклеиновые кислоты состоят из повторяющихся субъединиц—нуклеотидов, а белки состоят из аминокислот; поэтому можно было допустить, что последовательность нуклеотидов кодирует последовательность аминокислот. Поскольку, однако, аминокислот различных типов в белках больше, чем нуклеотидов в нуклеиновых кислотах (соотношение их составляет примерно 5: 1), одна аминокислота не может кодироваться только одним нуклеотидом. Теоретически было нетрудно показать, что лишь группы из трех нуклеотидов (триплеты) могут обеспечить достаточное разнообразие (43, или 64 альтернативные комбинации), а вскоре существование три-плетного кода было установлено экспериментально. У эукариот перенос генетической информации при синтезе белка происходит в два этапа: от дезоксирибонуклеиновых кислот (ДНК) к рибонуклеиновым кислотам (РНК)—процесс, известный под названием транскрипции, и от РНК к белкам —трансляция. Упрощенная схема переноса генетической информации представлена на рис. 2. 7.

    2. 2. 3. Связь классической и молекулярной генетики.

Какая часть ДНК или какое ее количество эквивалентно одному менделевскому гену? Задать такой вопрос естественно, но ответить на него невозможно. Во-первых, следует отметить, что в нуклеиновых кислотах закодированы не форма носа, цвет волос или другие подобные признаки, а молекулы, необходимые для создания и поддержания этих признаков! Во-вторых, с точки зрения молекулярной конституции организма подразделение его на признаки, принятое в генетике, весьма произвольно. Например, какая-либо одна молекула, образованная одной частью ДНК, может содержаться в носе, волосах и глазе. Это с неизбежностью привело к тому, что концепцию гена оказалось необходимым пересмотреть, определив его в терминах дискретных частей генома, то есть тех его частей, которые продуцируют конкретные белки. Однако не все гены кодируют синтез белков; некоторые из них регулируют активность других генов, а поэтому первые получили название структурных генов, а вторые— генов-регуляторов. Примерно 30 —70% ДНК млекопитающих представлено повторяющимися участками, и если они вообще несут какую-либо функцию, то, вероятно, эта функция регуляторная (см. , однако, разд. 3. 8). Наконец, начинают появляться данные о том, что участки ДНК, кодирующие определенные белки, не обязательно физически дискретны и статичны. Гены и фрагменты генов могут перемещаться в молекуле ДНК, и такие подвижные гены были обнаружены как у микроорганизмов, так и у эукариот. Менделевская концепция физически дискретных (корпускулярных) генов становится менее определенной.

Связь между ДНК, менделевскими факторами и признаками организма не столь проста, как представлялось прежде, но под наблюдения классических менделистов можно тем не менее подвести химическую основу. Установленные ранее явления доми-нантности и рецессивности рассматриваются теперь в таких аспектах, что можно без труда показать связь этих явлений с определенными химическими реакциями (разд. 2. 1. 2). Эпистаз (разд. 2. 1. 2) можно интерпретировать в понятиях взаимодействующих генов и генных продуктов. Нетрудно, например, представить себе, как может происходить химическое воздействие на экспрессию на уровне как самого гена, так и любого из ряда последовательных генных продуктов химическими факторами, содержащимися во внутренней и во внешней среде. Наконец, мутацию можно интерпретировать как ошибку в репликации ДНК. Такая ошибка может ограничиваться замещением одного нукле-отида другим (точковая мутация) или же выражаться в структурной перестройке целых хромосом (хромосомные мутации, в том числе нехватки, удвоения, транслокации и инверсии).

    2. 2. 4. Снова ламаркизм?

Даже до того, как была полностью расшифрована структура нуклеиновых кислот, стало ясно, что информация должна передаваться в направлении ДНК—Мэелки, а не наоборот. Это положение, известное как “центральная догма молекулярной биологии”, соответствует представлениям Вейсмана о том, что генетическая информация передается в одном направлении—от зародышевой плазмы к соме. Однако, несмотря на то что центральная догма' и концепция Вейсмана совместимы, между ними все же есть различие. Первая запрещает поток информации от цитоплазмы клетки к ее ядру, а вторая—от клеток одного типа (соматических) к клеткам другого типа (зародышевой линии). Обе отрицают ламаркизм. Но если центральная догма нерушима, вейсманизм уязвим, по крайней мере в принципе. Известны, например, вирусы, способные переносить нуклеиновые кислоты из одной бактериальной клетки, выращиваемой в культуре, в другую такую клетку, и это, в сущности, составляет один из основных методов генетической инженерии. Нет причин, в силу которых не могла бы происходить такая же передача информации от клетки к клетке в многоклеточных организмах, а раз так, то почему информация не может передаваться от соматических клеток половым? Исходя из этих соображений Э. И. Стеель в своей книге“Соматический отбор и приспособи-тельная эволюция”(Е. J. Steele, Somatic Selection and Adaptive Evolution, Croom Helm, 1980) недавно вновь обратился к ламаркизму.

Известно, что в соматических клетках иногда возникают случайные мутации. Полезные мутации, то есть мутации, благоприятные для несущей их клетки, могут распространиться, так как они дают возможность своим носителям делиться быстрее, чем другие клетки; это в особенности относится к клеткам, участвующим в борьбе с инфекцией. Чем больше они преуспевают, тем более многочисленными они могут оказаться. Таким образом, мутантный ген размножается, а при этом повышаются его шансы на то, что он будет захвачен вирусами и перенесен в другие клетки, возможно в том числе и в клетки зародышевой линии. По-видимому, у любого индивидуума существует период отбора соматических мутаций, предшествующий прохождению мутаций сквозь фильтр дарвиновского естественного отбора. Стеель считает, что этот процесс должен ускорять эволюцию и позволяет легче объяснить эволюцию таких сложных и координированных органов, как глаз. Экспериментальных данных, которые бы подтверждали эти идеи, пока что немного, но они, во всяком случае, правдоподобны. Вместе с тем эта теория сталкивается с рядом трудностей.

Во-первых, не все клетки организма способны размножаться —это относится, в частности, к нервным и мышечным клеткам, так что соматический отбор, очевидно, возможен не во всех случаях. Во-вторых, распространение мутаций среди соматических клеток нельзя автоматически расценивать как доказательство их полезности. Именно так ведут себя онкогенные мутации, однако они летальны. Но если даже окажется, что идеи Стееля верны, то ничего таинственного в них нет, и нет никаких причин возрождать таинственное стремление к удовлетворению неких особых потребностей в качестве основы для объяснения разнообразия живых существ и их способности к адаптации. В сущности, можно сказать, что гипотеза Стееля все еще опирается главным образом на случайную изменчивость и естественный отбор, а сделанный им вклад сводится к тому, что отбор происходит не только между организмами, но и внутри них. Еще в 1881 г. Вильгельм Ру в своей книге“Борьба частей в организме”(Wilhelm Roux, Der Kampf der Theile im Organismus, Leipzig) также высказал предположение, что в организме, возможно, происходит борьба (а следовательно, отбор) между тканями и органами за ограниченные ресурсы, получаемые с пищей, и что она может оказаться важной силой в эволюции. По иронии судьбы, Вейсман также признавал возможность внутриорганизменного отбора, считая, что он может играть важную роль в морфогенетической пластичности, но затем отбросил его как несущественный элемент эволюции.

    2. 3. Неодарвинизм и популяционная генетика.

Разрешив отдельные проблемы, с которыми столкнулась теория Дарвина, менделизм вместе с тем породил и ряд новых. Во-первых, стали высказываться предположения, что такие генетические явления, как доминирование, возможно, играют более важную роль в определении признаков популяции, чем сам естественный отбор. Ведь проводимые в лаборатории скрещивания между особями, гомозиготными по доминантным и особями, го-мозиготными по рецессивным генам, приводят к численному превосходству доминант (см. разд. 2. 1. 1). Во-вторых, дискретная, корпускулярная природа наследственных факторов должна означать, что изменения этих факторов также дискретны и что каждое изменение, по всей вероятности, будет иметь значительный эффект. Изменчивость, следовательно, носит характер больших скачков, а не мелких непрерывных изменений, как это представлял себе Дарвин.

Де Фриз в своей книге “Мутационная теория”(De Vries, The Mutation Theory, Open Court Publ. Co. , 1909) проводил различие между непрерывной индивидуальной изменчивостью и дискретными скачкообразными изменениями. Он применял термин- мутация только к последним (однако, как должно было стать очевидным из всего сказанного выше, этот термин применяется теперь в более общем смысле для обозначения любого спонтанного случайного изменения, большого или малого). Как считал де Фриз, именно эти мутации контролируют эволюционное изменение и играют более важную роль, чем сам естественный отбор. Ранние менделисты, подобно де Фризу, преуменьшали эффективность естественного отбора и подчеркивали первостепенное значение менделевских соотношений и мутаций в формовке эволюции. На некоторых дарвинистов это произвело такое впечатление, что они начали высказывать сомнения в обоснованности менделизма, и между этими двумя группами начались ожесточенные дебаты. Другие эволюционисты, понимая важность менделизма и таящиеся в нем возможности, вознамерились примирить его с дарвиновской теорией. Поскольку возникшая в результате их усилий синтетическая теория эволюции выходила за рамки механизмов, предложенных Дарвином, ее часто называют неодарвинизмом. Немалую роль в решении этой проблемы сыграл переход от рассмотрения последствий скрещивания между двумя особями к последствиям скрещивания между особями в популяциях; менделевские соотношения превратились, таким образом, в частоты различных генотипов в дайной популяции, а генетические и эволюционные изменения выражались в изменениях частот соответствующих генов. В результате генетика превратилась в популяционную генетику, которая развивалась параллельно с неодарвинизмом. В дальнейших разделах настоящей главы дан обзор основных моментов этого развития л показано, как популяционная генетика пыталась ответить на ключевые вопросы, поставленные менделистами.

    2. 3. 1. Уравнение Харди—Вайнберга

В 1908 г. Дж. Харди (G. H. Hardy) и В. Вайнберг (W. Wein-berg) независимо друг от друга занялись изучением следующего вопроса, поднятого менделистами: могут ли изменения генных частот происходить под влиянием одних только ограничений, налагаемых законами Менделя? Для того чтобы ответить на этот вопрос, они представили себе популяцию, в которой происходит случайное скрещивание (панмиксия) и численность которой достаточно велика, чтобы полученные результаты можно было считать статистически достоверными. Отметим, что в подобной ситуации (в отличие от экспериментов Менделя) нельзя точно знать, какие именно будут происходить скрещивания, однако можно строить предположения о вероятности тех или иных скрещиваний на основе частоты особей, несущих определенные гены. Харди и Вайнберг допустили, что в их воображаемой популяции имеются два аллеля, Л и а, с первоначальными частотами соответственнор и q, так чт p + q=\ (то есть это условие позволяет описать все возможные случаи, поскольку в данном локусе нет других аллелей). При этом могут образоваться следующие дишюидные генотипы: АА, Аа и аа. Харди и Вайнберг допускали свободное скрещивание, так что вероятность встречи двух А-гамет и образования особи АА равна р2. Это следует из основной теоремы теории вероятностей, согласно которой вероятность совместного появления двух последовательных событий (скажем, выпадения два раза подряд орла при бросании монеты) равно произведению вероятностей каждого из них, то есть

вероятность выпадения орла равна ~- •_-, или (g-)2. Рассуждая подобным же образом, получим, что вероятность aa=q2, а вероятность Aa=pq. Согласно правилу Менделя, частота гетерозигот должна быть вдвое выше частоты каждой из гомозигот, так что ожидаемые частоты будут следующими: p2 + 2pq + qz. Частота гена А в новом поколении выражается формулой (p2+pq)/(p2 + + 2pq + q2), которую можно преобразовать к виду (p(p + q))f J(p + q)2, а поскольку p + q = l, она сводится к р. Однако общая частота генов в этом локусе равна, согласно определению, 1, так что частота " аллелейа составляет (1 — р), то есть q (опять-таки по определению). Итак, частоты генов остались в точности прежними и будут продолжать оставаться такими в каждом из последующих поколений. Следовательно, менделевские механизмы сами по себе не вызывают изменений в частотах генов и поэтому не могут быть важным фактором, направляющим эволюционное изменение. Очевидно, в этом должны участвовать другие факторы. 2. 3. 2. Холдейн, Фишер и значение отбора

Может ли естественный отбор распознавать мелкие различия в генетически детерминированных признаках, оказывающие лишь небольшое воздействие на выживание и размножение их носителей? Могли ли эти мелкие случайные различия сами по себе вызывать существенные изменения? Или же нам следует допустить, что основным материалом для эволюции служат крупные скачкообразные изменения? Эти вопросы поставили Дж. Б. С. Холдейн в своей книге“Генетическая теория эволюции”(J. В. S. Haldane, Genetlcal Theory of Evolution, Longmans, 1930) и Р. А. Фишер в“Факторах эволюции”(R. A. Fisher, The •Causes of Evolution, Oxford, 1932). Эти две книги сыграли чрезвычайно важную формирующую роль в дальнейшем развитии неодарвинизма. Еще одной важной фигурой в его развитии был Сьюэлл Райт (Sewall Wright). Однако, подход Райта к этим вопросам настолько отличался от позиций Холдейна и Фишера, что мы рассмотрим его отдельно в разд. 2. 3. 3.

И Фишер, и Холдейн выражали интенсивность отбора через изменения в частотах генов. Те аллели, частота которыхотносительно других аллелей выше, считаются более приспособленными, поэтому изменение относительных частот аллелей служит мерой“неодарвиновской”приспособленности. (Обратите внимание, что нельзя ограничиваться рассмотрением абсолютных изменений, так как при понижении абсолютной плотности данного аллеля в популяции он все же может оставлять больше своих представителей, чем другие аллели, если плотность этих других аллелей уменьшается быстрее. В таком случае он все еще более приспособлен, поскольку в преобладающих в данной среде условиях он по сравнению с другими аллелями оказался более преуспевающим. ) Проще всего начать анализ с динамики генов в гаплоидных популяциях (то есть в популяциях, в которых каждая особь содержит по одному аллелю на локус); в табл. 2. 2 представлены основные расчеты для двух аллелей (Л и а) в такой популяции. Холдейн измерял приспособленность, сравнивая чистые скорости приростаR, то есть делил значение R для каждого аллеля на максимальное значение R, так что приспособленность наиболее преуспевающего аллеля становится равной 1, а приспособленность других аллелей— какой-то доле 1. Этот индекс обычно обозначают буквой w и называют селективной или адаптивной ценностью. В некоторых случаях эту величину можно записать в виде 1 —w ( = s), что выражает степень, в которой данный ген подвергается отрицательному отбору; s называют коэффициентом отбора.

Таблица 2. 2. Вычисление приспособленности в гаплоидной популяции

    Аллель
    Численность в одном поколении
    Численность в одновременном следующем поколении

Чистый прирост за период между нулевым временем и временем t Показатель приспособленности ' Холдейна (относительно Л)

    А
    N0
    Nt
    Nt
    --- = RA
    N0
    1
    а
    N0
    nt
    nt
    ---- = Ra
    n0
    Ra/RA

Это крайне упрощенный пример. Время генерации у аллелей А и а может быть различным, и в таком случае придется вносить поправку путем деления всех величин на время генерации. Если поколения перекрываются (то есть особи, составляющие популяцию в данный момент времени, имеют разный возраст) и размножение у разных поколений происходит несинхронно, то положение еще более осложняется, потому что в этом случае нет стандартных интервалов, которые можно было бы использовать для сравнения изменений частоты аллелейА и а. Поэтому Фишер предпочел использовать в качестве меры приспособленности относительные скорости размножения генов в данной популяции, так как в экстремальном случае непрерывного размножения (какие-то особи из тех или иных поколений приносят потомков все время) эту скорость можно вычислить из изменений абсолютной численности (например, N для аллеля А и п для аллеля а) на протяжении какого-либо промежутка времени. Подобный мультипликативный рост описывается уравнениямиdN/dt—rAN и dn/dt = ran, которые после интегрирования приобретают вид Nt = N0erAt и п( = поега( (е — основание натуральных логарифмов, r — константа, t — время, А к а — аллели, к которым относится данный параметр). Коэффициент г, который Фишер назвал“мальтузианским параметром”(поскольку Мальтус был одним из первых, создавших модель мультипликативного роста), представляет собой меру скорости распространения каждого гена и поэтому служит показателем приспособленности. Обратите внимание, что если мы примемt за среднее время генерации, как в случае прерывистого роста, то тогда

и если, из соображений удобства, мы примем tA = ta=\, то RalRA = era~-rAn поэтому In wa=ra—га- Следовательно, эти два показателя приспособленности связаны друг с другом. Популицонные генетики обычно предпочитают пользоваться холдейновской мерой приспособленности, тогда как эволюционные экологи часто используют меру, предложенную Фишером. В этом разделе мы в дальнейшем будем пользоваться параметрамиw и s, а к коэффициенту r вернемся в разд. 3. 4. (Более подробное рассмотрение коэффициента r и его ограничений в качестве меры приспособленности можно найти у Чарлзуорта (3). ) Уравнения для диплоидного случая гораздо сложнее, чем для гаплоидного, потому что степень распространения или сокращения данного аллеля в популяции зависит от того, с какими аллелями он становится связанным в гетерозиготах. Так, например, вредный рецессивный ген будет защищен от элиминации отбором, если он в гетерозиготном состоянии связан с благоприятными доминантными аллелями. И напротив, отбор, направленный против вредного доминантного аллеля, ведет к элиминации благоприятных рецессивных аллелей, если они связаны с ними в гетерозиготах.

Приспособленность генотипов можно вычислить в основном таким же способом, как и приспособленность составляющих их аллелей. Это довольно искусственный способ, потому что гомо-зиготы одного поколения могут вносить вклад в гетерозиготы другого и наоборот (то есть поставляются последующим поколениям гены, а не генотипы). Тем не менее из этих частот генотипов можно вывести изменение частоты аллелей при условии, что мы располагаем дополнительной информацией: а) о начальных частотах аллелей и б) о степени доминирования. Мы делаем это, используя адаптивные ценности и коэффициенты отбора, а не мальтузианские параметры, однако аналогичным образом можно использовать и последние (9). Простейший возможный случай относится к одному локусу с двумя аллелями, например Л и а, с частотами соответственнор и q. Большая часть рассуждений в популяционной генетике основана на системе именно такого типа. Допустим, что в результате отбора равновесие Харди—Вайнберга в некоей воображаемой популяции сдвигается следующим образом:

Изменение, происшедшее с каждым генотипом (то есть эквивалент R в табл. 2. 2), составит поэтому АА = 0, 32/0, 16 = 2; Аа — = 0, 52/0, 48=1, 08; аа = 0, 16/0, 36=0, 44; на основе этого можно получить значение приспособленности для каждого генотипа, разделив каждое из полученных чисел на 2 (то есть на самое большое значение).

Отсюда (W и S набраны прописными, так как они обозначают генотипы, а не свойства генов; этого мы будем придерживаться по всей книге). Возвращаясь к начальным данным, можно получить новые частоты генотипов, установившиеся после отбора, из произведения исходных частот и значенийW, приведя каждое из них к долям единицы путем деления на сумму этих отдельных членов. Эту сумму иногда обозначают черезW, и она равна средней, по всем W.

В табл. 2. 3 эти результаты представлены в обобщенном виде. | Из первоначальных частот генов и значенийW мы можем теперь! вычислить конечные частоты аллелей (то есть q' и р'). Отсюда час-| тота аллеля а после отбора будет равна

Изменение частоты (А2) за одно поколение равно поэтому q'—q. Приведенные выше уравнения обычно записывают не через W, a через 5, но это лишь обычная замена переменных. Аналогичным образом р' — это просто 1 — q'.

Таблица 2. 3. Обобщение результатов вычисления изменений в частотах генотипов, рассмотренных в тексте

    АА
    Аа
    аа
    Всего
    Частота до отбора
    Р2
    2рд
    2pq
    1
    Приспособленность
    Waa
    Waa
    Waa
    Пропорциональный вклад
    Waap2
    Waa2pq
    Waaq2
    W
    Частота после отбора в одном поколении
    Waap2
    W
    Waa2pq
    W
    Waaq2
    1

Скорость и характер изменения генных частот от поколения к поколению зависят: 1) от степени доминантности или рецессивности данного аллеля (которая изменяет соотношение значений: W, то есть при доминировании waa= WAa =/= Waa, а в отсутствие доминирования или при сверхдоминировании Waa =/= waa =/= Wqq). 2) от того, какому аллелю благоприятствует отбор (например как уже говорилось, вредный рецессивный аллель может быть скрыт в гетерозиготе, что замедлит его элиминацию; или же благоприятный рецессивный аллель в гетерозиготном состояние будет элиминироваться отбором, что задержит его распространение в популяции); 3) от интенсивности отбора. Использование этих величин приводит к тому, что представленные выше уравнения для изменения частот аллелей приобретают другой вид; вывод всех этих уравнений можно найти в большинстве учебников по популяционной генетике. Однако решения этих уравнений нельзя найти аналитически (то есть исходя из алгебраически уравнений); их можно получить только подстановкой конкретных вещественных чисел вместоq и W (то есть моделированием). Результаты, полученные на одной такой модели, действительно построенной Холдейном, приведены в табл. 2. 4. Они относятся к случаю, в котором доминантный аллель обладает преимуществом при относительно низком давлении отбора. Это показывает, что изменение частоты генов зависит от их исходной частоты. При очень низких частотах отбор действует медленнее, чем при промежуточных, а по мере приближения данного аллеля к закреплению (то есть вытеснению другого аллеля) скорость изменения его частоты заметно снижается. Это происходит потому, что менее благоприятный аллель сохраняется в гетерозиготах и его трудно вытеснить полностью. Рецессивному аллелю, обладающему преимуществом, закрепиться при низких частотах еще труднее, поскольку, находясь в гетерозиготном состоянии, он элиминируется из популяции отбором, направленным против менее благоприятного доминантного аллеля, однако закрепление такого рецессивного аллеля происходит быстрее. Ряд моделей, в которых 5> или равно 0, 001 и в которых рассматривались разные соотношения между Wгомоз. и Wгетероз. , показывает, что сдвиги в генных частотах благоприятных аллелей от 0, 1% до более чем 50% особей данной популяции происходят за менее чем 104 поколений. К этому числу мы еще вернемся.

Таблица 2. 4. Число поколений, необходимых для того, чтобы произошло да! ное изменение в частоте доминантного аллеля, если доминант оставляют 1000 потомков на 999 потомков рецессивов, т. еWaa = 0, 999 или Saa = 0, 01

    Р
    Число поколений
    0, 001 до 1% 6920
    1 до 50% 4819
    50 до 99% 11664
    99 до 99, 999' 309780

Если под действием отбора частота благоприятного аллел возрастает, то отбор должен также повышать среднюю приспособленность популяции в целом (то естьW). Кроме того, поскольку изменение частоты происходит медленнее всего, когда частота одного аллеля очень низка или высока, изменение это, вероятно, будет наибольшим при промежуточных частотах, то есть когдазначения частот аллелей наиболее близки друг к другу. Это интуитивная формулировка принципа, который был строго доказан Фишером и считался основной чертой эволюции путем естественного отбора. Его часто называютосновной теоремой естественного отбора Фишера, которая формулируется следующим образом: “скорость повышения приспособленности любого организма в любое время равна его генетической дисперсии по приспособленности в это время”. Формулировка Фишера неудачна, так как под “организмом” он несомненно имел в виду популяцию. Генетическая дисперсия по W тем больше, чем ближе частоты аллелей и, следовательно, разброс значений W. Фишер называл свою теорему основной, потому что она строго определяла зависимость между двумя краеугольными камнями дарвиновской теории—изменчивостью внутри популяций и скоростями эволюционного изменения. Однако эта зависимость оказалась не столь несомненной, как полагал Фишер. Так, например, если приспособленность сама зависит от генетической дисперсии (что представляется правдоподобным в некоторых ситуациях; см. разд. 3. 5), то скорость изменения приспособленности не должна быть связана с этой дисперсией простой зависимостью. Кроме того, Фишер вывел свою зависимость для случая одного локуса с двумя аллелями; если же рассматривать примеры с участием более чем одного локуса, то зависимость между этими двумя переменными может оказаться значительно сложнее (см. разд. 2. 3. 3). Есть также и другие потенциальные неясности и проблемы (11). Таким образом, вытекающее из основной теоремы Фишера следствие, что действие естественного отбора всегда направлено намаксимизацию приспособленности, нельзя принимать безоговорочно, и из этого в свою очередь вытекает ряд следствий, которые необходимо учитывать при изучении адаптации (см. гл. 3). С основной теоремой Фишера связана еще одна концепция— концепция генетического груза (различие между максимальной потенциальной приспособленностью популяции и W). Это различие создается любым процессом, порождающим генетическую изменчивость, в том числе мутационным процессом (мутационный груз) и процессом генетической перестройки, обусловленной расщеплением (сегрегационный груз). Как и основная теорема Фишера, а возможно, именно из-за нее, концепция генетического груза небесспорна и вызывает разногласия, а поэтому в дальнейшем мы о ней говорить не будем.

Вернемся теперь к вопросам, поставленным в начале этого раздела: насколько отбор важнее, чемповторные мутации? Обратите внимание на то, что для повышения частоты данного аллеля в результате мутирования при отсутствии отбора необходимо, чтобы данная мутация время от времени возникала вновь, то есть повторялась. Рассмотрим мутирование в одном направлении от Л к а, происходящее с частотойи. Вообще обычно происходит также обратное мутирование от а к А, уравновешивающее эффект первого процесса. Однако мы пренебрежем обратными мутациями и используем наиболее благоприятную систему для изменения частоты аллеля путем мутаций. Согласно оценке Холдейна, сделанной на основе наблюдений по дрозофиле и примуле, частота мутаций равна примерно 10~6 на один ген; эта оценка была подтверждена в дальнейшем исследованиями, проводившимися на других организмах. Холдейн вычислил потенциальное воздействие мутаций следующим образом: частота аллеляА в первом поколении потомков (pi) равна (1—и)р<> (где ро — исходная частота Л), а во втором поколении потомков (р2) она равна (1 — и)р! или (1 — и)2р0 и так далее. Записав эти формулы в общем виде, pt=(\ — и)*р0, и разделив правую и левую части на ро, а затем прологарифмировав, получим

Теперь мы можем использовать это уравнение для выяснения того, сколько потребуется поколений при частоте мутаций 1: 106, чтобы сдвинуть частоту аллеляа (то есть д) с 0, 1 до 50%. Если р=\—д, то, следовательно, частота аллеля А должна при этом измениться от 99, 9 до 50%; поэтому

Вспомним, что соответствующее значение для действия слабого отбора составляло менее 104 поколений. Таким образом, даже при самых благоприятных допущениях для мутационного процесса и неблагоприятных для естественного отбора последний оказывается гораздо более мощным (почти на два порядка) фактором изменения, чем первый.

Конечно, при этом все еще остается открытым вопрос относительно важности крупных мутаций по сравнению с мелкими. Фишер, как и Дарвин (см. разд. 1. 5), утверждал, что вероятность ценности любой мутации обратно пропорциональна ее величине, поскольку вряд ли можно ожидать, что значительное резкое изменение окажется совместимым с другими признаками, с которыми оно должно образовать единое целое. К этому вопросу мы вернемся в гл. 5.

    2. 3. 3. Сьюэлл Райт, адаптивные ландшафты и случай.

Приведенные выше анализы были основаны на рассмотрении пар аллелей, находящихся в одном и том же локусе. Однако большая часть фенотипических признаков контролируется совокупностями генов с участием многих аллелей и локусов. Эти гены могут быть в разной степени сцеплены друг с другом; кроме того, между ними могут происходить различные взаимодействия (см. разд. 2. 1. 2). Следовательно, приспособленность определенных аллелей в одном локусе зависит от аллелей, лежащих в дру* гих локусах, и, в сущности, на нее оказывает влияние вся генетическая среда, в которой они находятся. Быть может, группы сцепления, целые хромосомы или даже геномы представляют собой более значимые единицы отбора, чем отдельные гены (см. разд. 3. 8). К сожалению, генетика таких полигенных систем чрезвычайно сложна, а поэтому мы не можем охватить ее в такой мере, как случай двух аллелей, лежащих в одном локусе. Мы исходим из допущения, что основные принципы остаются теми же, даже если существуют различия в деталях. Однако здесь возможны серьезные исключения.

Другой основатель неодарвинизма, Сьюэлл Райт (Sewall Wright), разработал концептуальную систему, позволяющую рассмотреть взаимодействие между генами и их влияние на приспособленность (см. Wright, 1931, Genetics, 16, 99—159). Она получила название адаптивного ландшафта или пространства приспособленности. В этой системе каждая из осей я-мерного пространства определяет частоту каждого гена в данной попу-ляции, _причем последняя ось определяет среднюю приспособленностьW, так что каждое сочетание генов определяет некую частную приспособленность. Так, в простейшей из возможных трехмерной модели две оси соответствуют частоте двух аллелей в каждом из двух локусов, а пространство между этими осями— всем возможным сочетаниям этих генов. Третья ось соответствует значениям W для каждого сочетания. Итак, мы имеем трехмерный ландшафт (более сложные ситуации порождают п-мер-ный ландшафт, с которым столь же трудно иметь дело, как и просто представить его себе). Пример адаптивного ландшафта изображен на рис. 2. 8. В этой модели наиболее приспособленная популяция находится на вершине“холмов”, а действие отбора направлено на то, чтобы заставить популяции подниматься на вершины холмов и закрепляться на них. Не все адаптивные пики будут или должны быть заняты, поскольку число потенциально возможных сочетаний аллелей у одного вида больше числа самих видов. В связи с этим многие пики ни разу не будут“опробованы”и некоторые из них будут выше чем другие. На какой пик поднимутся популяции, зависит от близости популяций к этим пикам и, следовательно, от исходных генетических условий до начала отбора. В этом теория Райта существенно отличается от модели“два аллеля — один локус”, которая предсказывает, что W всегда будет максимальным (то есть популяции должны подниматься только на самые высокие пики), а из того обстоятельства, что это не есть непременное условие, вытекает ряд следствий, имеющих значение для вопросов, относящихся к адаптациям организмов, которые мы рассмотрим в гл. 3.

Рис. 2. 8. Адаптивный ландшафт при различных частотах двух хромосомных инверсий у одного из представителей прямокрылых. BL— инверсия Blundell; TD —инверсия Tidbinbilla. (Shorrocks В. , The Genesis of Diversity, Hodder a. Stoughton, London, 1978, по данным Lewontin R. C. , White M. J. D. , Evolution, 1960, 13, 561—564. )

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5