Почему дрейф генов считают одним из факторов эволюции кратко

Обновлено: 06.07.2024

Генетика как наука может быть интересна с нескольких точек зрения. Она позволяет ответить на ряд интригующих вопросов и, как говорится, раскрыть интригу. Но, прежде чем углубляться в некоторые вопросы, давайте вспомним курс биологии школьной программы. Разберемся с некоторыми понятиями, чтобы двигаться дальше.

Эволюция – процесс, происходящий в период, превышающий срок жизни одного поколения, и заключающейся в изменении наследуемых черт организма.

Элементарные факторы эволюции – все факторы, под действием которых происходит изменение генетической структуры популяции.

Популяция – группа организмов одного вида, долгое время обитающая на одной территории (ареале) и частично или полностью изолированная от организмов других таких же групп.

Ген – единица наследственного материала, в которой закодированы определенные признаки.

Генотип – совокупность генов организма и их отношений между собой.

Генофонд – это совокупность всех генных вариаций определенной популяции.

Эти три понятия проще понять, если провести аналогию. Ген – это отдельно взятый кирпичик. Генотип – это уже стена, сложенная из этих кирпичей. Генофонд – это дом, с его стенами, крышей, окнами, дверями и т.д.

Элементарных эволюционных факторов известно несколько:

мутации – скачкообразные и устойчивые изменения отдельных признаков, которые потом передаются по наследству. Это случайный процесс, в результате которого образуется материал для дальнейшего естественного отбора;
комбинативная изменчивость – образование новых комбинаций уже имеющихся генов;
волны жизни или популяционные волны – периодические и эпизодические колебания численности популяции, которые могут быть вызваны:
- сезонными изменениями (температура, влажность, освещенность и т.д.)
- природными катаклизмами (наводнения, извержения вулкана и т.д.);
- освоение новых мест обитания;
Особенности и причины дрейфа генов

Чтобы разобраться в этом вопросе, необходимо познакомиться с еще одним понятием – аллель.

Аллели — формы состояния одного и того же гена, занимающие одинаковое положение в гомологичных (парных) хромосомах и отвечающие на внешние различия одного и того же признака. Большая часть генов в каждом организме представлено двумя аллелями, один из которых унаследован от отца, а другой – от матери.

Классический пример аллелей из курса школьного учебника по биологии – желтый и зеленый цвет семян гороха из опытов Менделя.

В качестве примера аллелей можно привести другие проявления действия генов:

Пара признака цвета лепестков у Ночной красавицы. Красный – преобладающий, белый – подавляемый. Но здесь возникает интересное сочетание. Когда оба гена встречаются вместе, то цвет получается розовый. Это проявление гетерозиготного (содержащий разные аллели) состояния генов.

Чтобы понять это, воспользуемся схемой.

Для удобства гены обозначим так: А – красный цвет, а – белый. Гены всегда идут парами.

Если встречается сочетание АА – цветок красный, если аа – цветок белый. Это гомозиготный (содержащий одинаковые аллели) вид сочетания генов.

Сочетание Аа (генерозиготное) дает розовый цветок.

В процессе дрейфа генов происходит случайное и, чаще всего, ненаправленное изменение часты аллелей в популяции. Этот процесс очень хорошо заметен в небольших популяциях. Происходит это потому, что частота мутантного аллеля меняется очень быстро. В итоге, через несколько поколений, эта мутация либо полностью исчезает, либо становится преобладающей.

Причины дрейфа генов

Рассмотрим более подробно основные причины дрейфа генов.
1. Волны жизни или популяционные волны. Исходя из названия, можно сказать, что в данном случае происходит волнообразное изменение численности того или иного вида.
Эти изменения могут зависеть от различных факторов. Одним из таких факторов является 11-летний период активности Солнца. Изменение активности Солнца оказывает свое воздействие на все живое. Конечно, на кого-то сильнее, на кого-то меньше. Соответственно, меняется и частота генов (малочисленные – на пике волны могут проявиться внешне, и на спаде – исчезнуть из генофонда). Волны меняют интенсивность природного отбора и его направление.

Группы людей, которые предпочли изоляцию по разным причинам (кастовым, религиозным или географическим) также подвержены дрейфу генов.

Например, инки — замкнутая каста правителей в Южной Америке имели группу крови, не встречавшуюся ни у древних, ни у современных американцев.

Гренландские норманны — были прекрасно физически развитыми людьми. За 200 лет изоляции от Европы они превратились в чахлых ревматиков и подагриков с искривленными позвоночниками. Женщины потеряли способность к деторождению. В итоге – они вымерли.

Примеры дрейфа генов

Кроме естественных причин, волны жизни вызывает и деятельность человека – взрывной рост численности кроликов в Австралии, увеличение популяции домовой мухи в городах и другие.

В современном мире антропогенное влияние на окружающую среду проявляется все сильнее. Природа реагирует адекватным образом. И здесь изменяется не только численность популяций разных видов, но и происходят многочисленные мутации. С последствиями таких мутаций человечество сталкивается все чаще и не всегда знает, что с этим делать.

Последствия этого эффекта не очень благоприятны для популяции в целом. На Земле последствием этого эффекта является неравномерное распределение наследственных заболеваний человечества.

Например, необычная сильная засуха, кратковременное увеличение численности хищников. Это может привести к резкому сокращению популяции. А когда эта кратковременная причина исчезнет, развивать и увеличивать популяцию будут случайно выжившие особи. Набор генов у них будет характерным для них, а не для исходной популяции.

Примеры дрейфа генов из жизни животных

Очень низкой генетической изменчивостью характеризуются практически все виды, находящиеся сейчас на грани вымирания или ранее прошедшие через период очень низкой численности.

Еще один пример – зубр. В 1930-х годах все дикие виды были истреблены и остались только те, что содержались в питомниках и заповедниках. Попытка восстановить популяцию зубров была успешной, но, как и в случае и гепардами, новые популяции имеют очень низкое генетическое разнообразие.

Чтобы восстановить популяцию зубров, использовали бизонов. Виды прекрасно скрещивались друг и с другом и давали плодовитое потомство. Это очень важно, потому что часто гибридные растения и животные оказываются бесплодными. Дальнейшее скрещивание гибридных животных с зубрами, привело к снижению количества генов бизонов в популяции зубров до нескольких процентов.

Многие популяции животных, обитающих сейчас на земле, проходили этот сложный период.

В конце 19 века в результате охотничьего промысла почти полностью были истреблены популяции северных морских слонов. Восстановившиеся популяции на сегодня имеют очень маленькое количество генетических вариантов.

Роль дрейфа генов в эволюции

Дрейф генов выступает как фактор эволюции видов, вместе такими факторами как естественный отбор, мутационный процесс, комбинативная изменчивость и изоляции.

Благодаря дрейфу генов частоты аллелей случайным образом меняются в локальных (местных) популяциях. Изменения эти происходят до тех пор, пока они не достигают равновесия. Происходит утрата одного аллеля и фиксация другого.

В разных популяциях гены дрейфуют независимо, т.е. результат дрейфа оказывается разным. В одних популяциях останется и закрепится один набор генов, в других – другой. Поэтому, в целом, дрейф генов ведет, с одной стороны, к снижению генетического разнообразия внутри популяции (гомозиготности). С другой стороны – увеличивает различия между популяциями, ведет к их дивергенции.

Дивергенция – это расхождение свойств и признаков у первоначально близких групп организмов в ходе эволюции.

Дивергенция уже может служить основой для видообразования.

Кроме положительных моментов, дрейф генов может нести с собой и не всегда приятные последствия.

Одним из таких последствий может быть сохранение вредных аллелей, даже вопреки естественному отбору. Разные последствия может иметь размножение и распространения в популяции редких аллелей. Полное исчезновение тех или иных аллелей меняет генетическую картину популяции.

Процесс эволюции идет независимо от нас. Человек, изучая генетику и получая в свой арсенал инструменты, с помощью которых он может воздействовать на геном, хочет улучшить свою жизнь и жизнь планеты. В чем-то он добился и добивается успехов.

Но вмешательство в эту область таит в себе много непознанного и, возможно, опасного.

Дрейф генов

В прошлом дрейф генов расценивался как один из самых незначительных факторов эволюции, но проведённые во второй половине XX века исследования показали, что его роль недооценивалась. Современные учёные считают, что генетический дрейф действует на популяцию одновременно с естественным отбором. При этом существует прямая зависимость между процессом дрейфа генов и численностью популяции – чем численность ниже, тем эффект, оказываемый генетическим дрейфом, более заметен и ярко выражен. Но всё это действует только до определённого предела, и, в случае резкого сокращения численности популяции до минимального значения (так называемое бутылочное горлышко) последствия будут непредсказуемы, так как в таких условиях шансы на выживание у каждого отдельно взятого организма будут случайными.

Что такое дрейф генов

Эффект бутылочного горлышка и дрейф генов

Это случайные изменения частот аллелей и генотипов, происходящие в небольшой полиморфной популяции при смене поколений. Такие случайные изменения приводят к двум характерным последствиям: сначала к флуктуациям частоты аллеля из поколения в поколение, а в конце концов к полному закреплению или элиминации данного аллеля. Влияние дрейфа генов на изменение частот аллелей в данной популяции зависит прежде всего от её размеров. Также этот процесс иногда называют эффектом Райта или генетико-автоматическим процессом. Также дрейф генов может приводить к следующим последствиям:
- Рост гомозиготности популяции.
- Сохранение вредных аллелей вопреки естественному отбору.
- Размножение редких аллелей.
- Полное исчезновение каких-либо аллелей.
Основные причины, приводящие к дрейфу генов
- Популяционные волны
- Эффект бутылочного горлышка
- Освоение новых территорий
- Изоляция
Популяционные волны и дрейф генов

Эффект основателя и дрейф генов

Для начала нужно вспомнить определение популяционных волн. Это периодические или непериодические колебания численности популяции у разных организмов – животных, растений, даже микроорганизмов. Факторы, влияющие на популяционные волны, могут быть самыми разными: сезонными (приход зимы, наступление засухи) и непериодическими (природные катастрофы, например, извержение вулкана). Также при освоении каким-либо видов животных или растений новых территорий может наблюдаться резкий рост численности популяции. Во всех вышеперечисленных случаях из-за дрейфа генов частоты некоторых аллелей могут значительно изменяться. При резком уменьшении численности популяции (например, в результате сокращения кормовых ресурсов, пожара и т. д.) остаться в живых могут особи с редкими генотипами. Если в дальнейшем популяция восстановится за счёт этих особей, то частоты сохранившихся генотипов в генофонде популяции возрастут.

20 интересных фактов о Джузеппе Верди

55 интересных фактов о Каире

Дрейф генов как фактор эволюции

Благодаря дрейфу частоты аллелей могут случайно меняться в локальных популяциях, пока они не достигнут точки равновесия – утери одного аллеля и фиксации другого, причём разных популяциях гены дрейфуют независимо. Соответственно, результаты генетического дрейфа оказываются разными в разных популяциях – в одних фиксируется один набор аллелей, в других – другой. Таким образом, дрейф генов ведёт, с одной стороны, к уменьшению генетического разнообразия внутри популяций, а с другой стороны — к увеличению различий между популяциями, к их дивергенции по ряду признаков. Дивергенция, в свою очередь, может служить основой для видообразования. Это отвечает на вопрос, почему дрейф генов считают одним из факторов эволюции. Он действует наряду с естественным отбором, мутационным процессом, комбинативной изменчивостью и изоляцией, которые также являются факторами эволюции.

Пример дрейфа генов

Современная популяция гепардов – хороший пример дрейфа генов, так как в относительно недалёком прошлом она прошла через эффект бутылочного горлышка

Представьте себе небольшую популяцию животных или растений, в которой, к примеру, у 3% особей присутствуют какие-то генетические отличия. Если эти 3% погибнут, что не исключено, их гены исчезнут из популяции. Но если их отличие делают их более приспособленными (или если им просто повезёт, как, например, в случае эффекта бутылочного горлышка), гены этих 3% могут закрепиться в дальнейшей популяции. Другой пример: ареал популяции постепенно расширяется, и на новые территории попадают особи, отличающиеся от сородичей генами. Просто потому, что они попали на новые, пригодные для освоения территории, первыми, у них больше шансов размножиться и передать свои гены дальше – это называется эффектом основателя. Современные учёные полагают, что многообразие видов на Земле, в частности, в морях и океанах, в какой-то мере обусловлено именно эффектом основателя.

В ходе эволюции популяций дрейф генов взаимодействует с другими факторами эволюции, прежде всего с естественным отбором. Соотношение вкладов этих двух факторов зависит как от интенсивности отбора, так и от численности популяций. При высокой интенсивности отбора и высокой численности популяций влияние случайных процессов на динамику частот генов в популяциях становится пренебрежимо малым. Наоборот, в малых популяциях при небольших различиях по приспособленности между генотипами дрейф генов приобретает решающее значение. В таких ситуациях менее адаптивный аллель может зафиксироваться в популяции, а более адаптивный может быть утрачен.

Как мы уже знаем, наиболее частым последствием дрейфа генов является обеднение генетического разнообразия внутри популяций за счет фиксации одних аллелей и утраты других. Мутационный процесс, напротив, приводит к обогащению генетического разнообразия внутри популяций. Аллель, утраченный в результате дрейфа, может возникать вновь и вновь за счет мутирования.

Поскольку дрейф генов – ненаправленный процесс, то одновременно с уменьшением разнообразия внутри популяций, он увеличивает различия между локальными популяциями. Этому противодействует миграция. Если в одной популяции зафиксирован аллель А, а в другой а, то миграция особей между этими популяциями приводит к тому, что внутри обеих популяций вновь возникает аллельное разнообразие.

Эффект основателя. Животные и растения, как правило, проникают на новые для вида территории (на острова, на новые континенты) относительно малыми группами. Частоты тех или иных аллелей таких группах могут значительно отличаться от частот этих аллелей в исходных популяциях. За вселением на новую территорию следует увеличение численности колонистов. Возникающие многочисленные популяции воспроизводит генетическую структуру их основателей. Это явление американский зоолог Эрнст Майр, один их основоположников синтетической теории эволюции, назвал эффектом основателя.

Эффект основателя играл, по-видимому, ведущую роль в формировании генетической структуры видов животных и растений, населяющих вулканические и коралловые острова. Все эти виды происходят от очень небольших групп основателей, которым посчастливилось достигнуть островов. Ясно, что эти основатели представляли собой очень маленькие выборки из родительских популяций и частоты аллелей в этих выборках могли сильно отличаться. Вспомним наш гипотетический пример с лисицами, которые, дрейфуя на льдинах, попадали на необитаемые острова. В каждой из дочерних популяций частоты аллелей резко отличались друг от друга и от родительской популяции. Именно эффект основателя объясняет удивительно разнообразие океанических фаун и флор и обилие эндемичных видов на островах. Эффект основателя сыграл важную роль и в эволюции человеческих популяций. Обратите внимание, что аллель В полностью отсутствует у американских индейцев и у аборигенов Австралии. Эти континенты были заселены небольшими группами людей. В силу чисто случайных причин среди основателей этих популяций могло не оказаться ни одного носителя аллеля В. Естественно, этот аллелей отсутствует и в производных популяциях.

Дрейф генов и молекулярные часы эволюции. Конечным результатом дрейфа генов является полное устранение одного аллеля из популяции и закрепление (фиксация) в ней другого аллеля. Чем чаще тот или иной аллель встречается в популяции, тем выше вероятность его фиксации вследствие дрейфа генов. Расчеты показывают, что вероятность фиксации нейтрального аллеля равна его частоте в популяции.

Каждый аллель из тех, что мы наблюдаем в популяциях, когда-то возник в результате мутации. Мутации происходят со средней частотой 10 -5 на ген на гамету на поколение. Следовательно, чем меньше популяция, тем меньше вероятность, что в каждом поколении хотя бы одна особь в этой популяции окажется носителем новой мутации. В популяции, состоящей из 100000 особей, в каждом новом поколении с вероятностью близкой к единице найдется новый мутантный аллель, но частота его в популяции (1 на 200000 аллелей) и, следовательно, вероятность его фиксации будет очень низкой. Вероятность того, что эта же мутация в том же поколении возникнет у хотя бы одной особи в популяции, состоящей из 10 особей, ничтожно мала, но если такая мутация все же произойдет в этой популяции, то частота мутантного аллеля (1 на 20 аллелей) и шансы на его фиксацию будут относительно высокими.

Американские исследователи Э. Цукуркендл и Л.Поллинг впервые обнаружили, что количество различий в последовательности аминокислот в гемоглобине и цитохроме с у разных видов млекопитающих тем больше, чем раньше разошлись их эволюционные пути. В дальнейшем эта закономерность была подтверждена на огромном экспериментальном материале, включающем десятки разных генов и сотни видов животных, растений и микроорганизмов. Оказалось, что молекулярные часы идут, как и следует из теории дрейфа генов, с постоянной скоростью. Калибровка молекулярных часов производится для каждого гена в отдельности, поскольку разные гены могут различаться по частоте возникновения нейтральных мутаций. Для этого оценивают количество замен накопленных в определенном гене у представителей таксонов, время дивергенции которых надежно установлено по палеонтологическим данным. После того, как молекулярные часы откалиброваны, их можно использовать для того, чтобы измерять время дивергенции между разными таксонами, даже в том случае, когда их общий предок пока не обнаружен в палеонтологической летописи.

1. Почему популяционные волны численности усиливают эффекты дрейфа генов?

2. Какую роль играет дрейф генов в формировании островных фаун и флор?

3. Объясните принцип молекулярных часов эволюции и его применение в эволюционных исследованиях.

Дрейф генов – случайное ненаправленное изменение частот аллелей в популяции. Обычно это явление характерно для малых популяций, здесь действие случайных процессов приводит к замтеным последствиям. В малых популяциях частота мутантного аллеля меняется быстро, случайным образом, и с высокой вероятностью происходит либо утрата аллеля, либо его высокая концентрация.

Пример: в искусственно созданных популяциях концентрация нормального (А) и мутантного (а) аллелей оставила 50%. Спустя несколько поколений оказалось, что в некоторых популяциях все особи стали гомозиготными по мутантному аллелю(а), в других популяциях он был вовсе утрачен, и, наконец, часть популяций содержала как нормальный, так и мутантный аллель.

То есть в результате дрейфа генов: во –первых, может возрастать генетическая однородность популяции(гомозиготность), во-вторых, в популяции может утрачиваться аллель, снижающий жизнеспособность особей, в – третьих, может возрастать концентрация редких аллелей.

Генетический полиморфизм и генетический груз естественных и человеческих попу-ляций. Механизмы возникновения и поддержания генетического полиморфизма.

Наличие в популяции нескольких равновесно сосуществующих генотипов в

концентрации, превышающей по наиболее редкой форме 1%1, называют

полиморфизмом. Наследственный полиморфизм создается мутациями и

комбинативной изменчивостью. Он поддерживается естественным отбором и бывает

адаптационным (переходным) и гетерозиготным (балансированным).

Адаптационный полиморфизм возникает, если в различных, но закономерно

изменяющихся условиях жизни отбор благоприятствует разным генотипам. Так, в

популяциях двухточечных божьих коровок Adalia bipunctata при уходе на зимовку

преобладают черные жуки, а весной—красные (рис. 11.7). Это происходит потому,

что красные формы лучше переносят холод, а черные интенсивнее размножаются в

летний период.Балансированный полиморфизм возникает, если отбор благоприятствует

гетерозиготам в сравнении с рецессивными и доминантными гомозиготами. Так, в

опытной численно равновесной популяции плодовых мух Drosophila melanogaster,

содержащей поначалу много мутантов с более темными телами (рецессивная

мутация ebony), концентрация последних быстро падала, пока не стабилизировалась

на уровне 10% (рис. 11.8). Анализ показал, что в созданных условиях гомозиготы по

мутации ebony и гомозиготы по аллелю дикого типа менее жизнеспособны, чем

гетерозиготные мухи. Это и создает состояние устойчивого полиморфизма по

соответствующему локусу. Балансированный полиморфизм придает популяции ряд ценных свойств, что определяет его биологическое значение. Генетически разнородная популяция осваивает более широкий спектр условий жизни, используя среду обитания более полно. В ее генофонде накапливается больший объем резервной наследственной

изменчивости. В результате она приобретает эволюционную гибкость и может,

изменяясь в том или ином направлении, компенсировать колебания среды в ходе

которую приспособленность реальной популяции отличается от приспособленности

называют генетическим грузом. Он является своеобразной платой за экологическую

и эволюционную гибкость. Генетический груз — неизбежное следствие

Общий план строения Хордовых. Узловые моменты в прогрессивной эволюции хордовых и их рекапитуляции в онтогенезе человека.

Хордовые представляют собой наиболее высокоорганизованный тип в

животном мире. Их общими чертами являются следующие.

1. Внутренний осевой скелет представлен хордой, которая присутствует в

эмбриогенезе у всех представителей типа, а у высших дополняется, а затем и

2. Над хордой располагается центральная нервная система в виде нервной

трубки с полостью — невроцелем.

3. В боковых стенках глотки находятся жаберные щели, соединяющие ее

полость с внешней средой. У рыб и некоторых земноводных они сохраняются в

течение всей жизни, у высших хордовых — только в эмбриональном периоде. 4. Тело построено метамерно. У низших хордовых и у зародышей высших

сегментация распростраянется на все системы органов, у высших ярко выражена

только в эмбриональном периоде. Позже частично сохраняется только в опорно-

двигательном аппарате, нервной и кровеносной системах.

5. Органами поддержания равновесия и движения являются конечности,

причем у низших хордовых большее значение имеют непарные, а у высших —парные6. 6.Общий план строения хордовых представлен на рис. 13.14. На спинной

стороне расположена нервная трубка, под ней — хорда или заменяющий ее

позвоночник. Глубже находится пищеварительная трубка с развивающейся из нее

дыхательной системой, а под ней — вентральный пульсирующий кровеносный

сосуд или сердце. По бокам от нервной трубки и хорды лежат сомиты, а по бокам от

кишки — спланхнотомы, внутри которых расположен целом.

Рис. 13.14. Общий план строения хордового животного. А — вид сбоку; Б —

1—нервная трубка, 2—хорда, 3—плавники, 4—сегменты тела, 5—пищеварительная

трубка, 6—пульсирующий сосуд или сердце. 7—жаберные щели в глотке, 8—целом,

На каких бы стадиях ни происходили эволюционные изменения, в онтогенезе обычно наблюдается известное повторение (рекапитуляция) развития предков. Это результат филогенетической обусловленности индивидуального развития.Онтогенез – не только предпосылка филогенетического развития, но и его результат. По этой причине изучение путей эволюционного процесса у современных животных и растений возможно путем анализа особенностей их эмбрионального развития.Изменения группы в филогенезе могут возникнуть лишь посредством изменений в онтогенезе. Обычно эти изменения индивидуального развития касаются поздних стадий развития. Самые же ранние стадии сохраняют значительное сходство с соответствующими ста-диями развития предковых и родственных форм – гласит Закон зародышевого сходства

© 2014-2022 — Студопедия.Нет — Информационный студенческий ресурс. Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав (0.005)

Читайте также: