Естественный отбор: количественная характеристика

В качестве количественной характеристики отбора обычно используется относительная приспособленность, называемая также адаптивной или селективной ценностью генотипа, под которой понимается способность особей данного генотипа к выживанию и размножению. Приспособленность обозначется буквой w и колеблется в пределах от 0 до 1. При w=0 передача наследственной информации следующему поколению не возможна из-за гибели всех особей; при w=1 полностью реализуются потенциальные возможности к размножению. Величина, обратная приспособленности генотипа, называется коэффициентом отбора и обозначается буквой S: S=1-w , w=1-S. Коэффициент отбора определяет скорость уменьшения частоты того или иного генотипа. Чем больше коэффициент отбора и чем, следовательно, меньше приспособленность каких-либо генотипов, тем выше давление отбора.

Особенно эффективно отбор идет против доминантных мутаций, поскольку они проявляются не только в гомозиготном, но и в гетерозиготном состоянии. При S = 1 популяция за одно поколение избавляется от доминантных летальных мутаций. Например, доминантным аллелем обусловлено тяжелое заболевание у человека - ахондроплазия. Из-за нарушения роста длинных костей для таких больных характерны короткие, часто искривленные конечности и деформированный череп. Гомозиготы по этому аллелю совершенно нежизнеспособны (S = 1). У гетерозигот число детей впятеро меньше по сравнению со здоровыми людьми, т.е. w = 0,2; S = 0,8.

В качестве доминантных мутаций можно рассмотреть и некоторые хромосомные перестройки. Так, больные с синдромом Дауна, как правило, не оставляют потомства (S = 1), и популяция избавляется от этого вредного гена за одно поколение. Но почему тогда заболевания, обусловленные доминантными мутациями, не исчезают бесследно? Это объясняется непрерывным действием мутационного процесса, поддерживающего присутствие вредных аллелей в популяции. Так, частота возникновения аллеля ахондроплазии равна 1 на 20 000 гамет, a частота новорожденных детей с этой болезнью в потомстве здоровых родителей составляет 1:10 000.

Многие рецессивные мутации обладают пониженной приспособленностью и будут устраняться отбором. Если рецессивные гомозиготы обладают нулевой приспособленностью, то популяция избавится от них также за одно поколение. Но отбор против рецессивных аллелей затруднен, потому что большая их часть находится в гетерозиготном состоянии (под прикрытием нормального фенотипа) и они как бы ускользают от действия отбора. Подсчитано, что если часота "вредного" рецессивного аллеля равна 0,01, то потребуется 100 поколений только для того, чтобы снизить частоту аллеля вдвое, и 9900 поколений, чтобы снизить ее до 0,0001. Особенно трудно избавить от рецессивных мутаций большие популяции, так как в них вероятность перевода таких мутаций в гомозиготное состояние очень мала.

Нередко наблюдается отбор в пользу гетерозигот, когда обе гомозиготы имеют пониженную приспособленность по сравнению с гетерозиготами. Хорошо известным примером такого отбора в популяциях человека является серповидноклеточная анемия - болезнь крови, широко распространенная в Азии и Африке. В результате наследственного дефекта в молекуле гемоглобина эритроциты принимают форму серпа и не способны переносить кислород. Люди, гомозиготные по рецессивному аллелю серповидноклеточности (ss), гибнут в возрасте 14-18 лет. Несмотря на это частота данного аллеля достигает в ряде районов земного шара от 8 до 20%. При этом высокая концентрация летального аллеля (s) наблюдается только в районах, где распространена особая форма малярии, вызывающая большую смертность населения. Оказалось, что естественный отбор покровительствует особям, гетерозиготным по гену серповидноклеточности (Ss). Гетерозиготы (Ss) более устойчивы к малярии по сравнению с гомозиготами (SS) по нормальному аллелю, у которых высокая смертность от малярии. Гомозиготы по рецессивному аллелю (ss) хотя и устойчивы к малярии, но гибнут от серповидно-клеточной анемии. Так, сложное разнонаправленное действие отбора на устойчивость к малярии и на устранение аллеля серповидноклеточности приводит к существованию в состоянии длительного равновесия двух генетически различных форм - гомо- и гетерозигот по серповидно-клеточной анемии. Это явление носит название сбалансированного полиморфизма.

Понятие ЕСТЕСТВЕННОГО ОТБОРА определяется как дифференциальное воспроизводство генетически отличных индивидов или генотипов внутри популяции. Дифференциальное воспроизводство вызывается различиями между индивидами по таким факторам как смертность, плодовитость, успешность в поиске полового партнера, жизнеспособность потомства. Естественный отбор основывается на наличии в популяции генетических вариаций, имеющих отношение к репродукции, между индивидами. Когда популяция состоит из особей, не различающихся между собой по подобным характеристикам, она не подвержена естественному отбору. Отбор приводит к изменению аллельных частот с ходом времени, однако, одни лишь изменения в частотах из поколения в поколение совсем не обязательно являются признаком того, что действует естественный отбор. Другие процессы, например, случайный дрейф , также могут вызывать такие изменения.

ПРИСПОСОБЛЕННОСТЬ генотипа, обычно обозначаемая как w, является мерой способности индивида к выживанию и воспроизводству. Однако, поскольку размер популяции обычно ограничен "вместимостью" окружающей среды, в которой существует популяция, эволюционный успех особи определяется не АБСОЛЮТНОЙ, а ОТНОСИТЕЛЬНОЙ приспособленностью в сравнении с остальными генотипами в популяции. В природе приспособленность какого-либо генотипа не остается постоянной в каждом поколении и во всех вариантах окружающей среды. Тем не менее, присваивая постоянное значение приспособленности каждому генотипу, мы можем формулировать простые теории, которые пригодны для понимания динамики измений в генетической структуре популяции, вызываемых естественным отбором. В простейшем классе моделей мы предполагаем, что приспособленность организма определяется только его генетической конституцией. Мы также предполагаем, что все локусы вносят независимый вклад в приспособленность индивида, следовательно, каждый локус можно рассматривать отдельно.

Большинство новых мутаций, появляющихся в популяции, уменьшают приспособленность их носителей. Отбор будет действовать против подобных мутаций, которые в конечном счете элиминируются из популяции. Этот тип отбора называется негативным . По воле случая мутантный аллель может иметь такую же приспособленность как и "наилучший". Подобные мутации являются селективно нейтральными и отбор не влияет на их дальнейшую судьбу. Чрезвычайно редко могут появляться мутации, дающие некоторые селективные преимущества их носителям. Такие мутации будут подвергаться позитивному отбору.

Рассмотрим один локус с двумя аллелями A1 и A2. Каждому

1 2 аллелю можно присвоить некоторое значение приспособленности. Следует отметить, что в диплоидных организмах приспособленность определяется взаимодействием между двумя аллелями какого-либо локуса. При двух аллелях существует три возможных варианта гаплоидного генотипа: A1  A1 , A1 A2 и A2 A2 , и их приспособленности, соответственно, могут быть обозначены W11 , W12 и W22 . Пусть частота аллеля A в популяции равна p, а частота аллеля A равна q = 1 - p. Можно показать, что при случайном спаривании частоты генотипов A1 A1 , A1 A2 и A2 A2 равны, соответственно, p* , 2*p*q и q* . Если в популяции выполняются данные соотношения, говорят, что она находится в равновесии Харди - Вайнберга .

В общем случае трем генотипам присваиваются следующие значения приспособленности и начальных частот: 

Генотип:              A1A1             
A1A2              A2A2 
 
Приспособленность:    W11                W12         
     W12 

Частота:              p*                2*p*q              q*

Рассмотрим теперь динамику изменений аллельных частот, вызываемых отбором. Пусть частоты трех генотипов и их приспособленности обозначены так, как указано выше, тогда относительный вклад каждого генотипа в последующее поколение будет:

p** W11, 2*p*q*W12 и q** W22 для A1 A1, A1 A2 и A2 A2 ,

соответственно. Таким образом, в следующем поколении частота аллеля A2 будет равна: 

               p*q*W12 + q** W22 
     q' = ******************************     (3.1)
        p** W11    + 2*p*q*W12    + q**
W22
Изменение частоты аллеля A2 за поколение обозначим как 2 dq = q' - q. Можно показать, что: 
       p*q*[p*(W12- W11) + q*(W22-
W12)]
dq = ***************************************    (3.2)
      p** W11+ 2*p*qW12+ q** W22
В дальнейшем будем полагать, что аллель A1 является первоначальным "диким типом" и рассмотрим динамику изменений аллельных частот после "появления" в популяции нового мутантного аллеля A2 . Для удобства положим приспособленность генотипа A1 A1 равной 1. Приспособленность новых генотипов A1A2 и A2A2 будет зависеть от взаимодействия между аллелями A1 и A2 . Например, если A2 полностью домининантен по отношению к A1 , тогда W11, W12 и W22 могут быть выражены как 1, 1 + s и 1 + s, соответственно. Если A2 полностью рецессивен, то приспособленности будут 1, 1 и 1 + s соответственно, где s - разность между приспособленностью генотипов, содержащих аллель A 2 и приспособленностью генотипов A1 A1 . Положительное значение s показывает увеличение, а отрицательное - уменьшение приспособленности по сравнению с A1 A 1 .

В дальнейших разделах будут рассмотрены два типа взаимодействий между аллелями:

1) кодоминирование

2) сверхдоминирование . Кодоминирование представляет собой случай направленного отбора, тогда как сверхдомиирование - случай стабилизирующего отбора.

 

Ссылки: