Генетический процесс в популяции

То же самое имеет место  и в случае генетических пулов. Все  гены составляют некоторый "парк генов". Выбор генов ограничен теми, которые  присутствуют в пуле. В действительности это означает, что молодой человек  или молодая женщина, вступающие в брак, "выбирают" из этого  пула генов, даже если брак не определяется теми видами генов, носителями которых  являются он или она. Поскольку понять и распознать можно лишь очень  небольшое число признаков человека, брак представляет собой почти случайную "выборку" генетического пула.

Знание популяционной  генетики помогает разрешить многие проблемы. Эти знания становятся в  руках генетика ценным орудием. Во-первых, они помогают лучше понять популяции, их структуру и историю. Важно  знать, насколько часто встречаются  в популяции некоторые гены; особенно это касается генов, определяющих состояние  здоровья человека. Диабеты, слабоумие, мышечная дистрофия и многие другие болезни имеют, по-видимому, генетическую основу. Чем больше мы будем знать  о том, как эти 

болезни распределяются в  популяциях, тем большего успеха можно  будет добиться в борьбе с ними. От разрешения таких проблем зависит  благосостояние всей популяции.

Другой из современных  проблем является оценка генетических последствий действия излучения  больших энергий. В наш атомный  век необходимо иметь надежные средства для определения частоты вредных  генов в популяции. Проводя время  от времени такие определения, можно  будет узнать - увеличивается ли общее число вредных мутаций, вызываемых космическими лучами, медицинскими и зубоврачебными процедурами, промышленными  источниками ядерной энергии.

Таким образом, популяция  становится важным объектом генетических исследований. С течением времени  популяции развиваются, потому что  количество аллелей и их виды изменяются. Биологи, изучающие 

8

современные популяции, следят за изменением частоты различных  аллелей. Эти исследования дают биологам возможность знать, что происходит с генами в популяциях.

 

ПОКОЛЕНИЯ В ПОПУЛЯЦИЯХ

Генетический пул в  популяции изменяется очень медленно. Многие виды генов обычно присутствуют в популяции в очень больших  количествах. Однако относительные  количества различных аллелей одного гена в генетическом пуле изменяются очень медленно. Соотношение аллелей  определенного вида остается из поколения  в поколение постоянным. Например, представим себе популяцию, состоящую  только из блондинов. В этой популяции  все гены пула, определяющие цвет волос, будут одинаковыми, т. е. все они  будут вызывать одинаково белокурый  цвет волос. Предположим, что члены  этой популяции образуют супружеские  пары только в пределах этой популяции. Это означает, что каждый ребенок, родившийся в этой популяции, будет  нести набор генов из пула данной популяции, но гены цвета волос всегда будут давать светлые волосы. Таким  образом, у всех детей волосы будут  светлыми, и в пул генов следующего поколения эти дети несут гены светлых волос. Количество генов, определяющих светлый цвет волос, останется таким  же и в следующем поколении - 100 %.  Хотя система наследования цвета волос пока еще не вполне выяснена. Предположим, что аллель темных волос доминантна по отношению к аллели светлых волос. Теперь давайте представим себе популяцию, состоящую наполовину из гомозиготных блондинов, а наполовину - из гомозиготных брюнетов. Тогда в пуле гены аллели светлых волос составят половину, другая же половина будет состоять из аллелей темных волос. Если блондины будут жениться только на блондинках, а брюнеты - только на брюнетках, тогда соотношение аллелей светлых и темных волос останется постоянным. Предполагается, что все пары имеют одинаковое число детей. Теперь рассмотрим случай, когда блондин женится на брюнетке или наоборот. В этом случае каждый из их детей образует равное количество аллелей темных и светлых волос. Они смогут передать эти аллели своему потомству с равной степенью вероятности. Таким образом, их потомство будет нести половину аллелей светлых волос, половину - темных. Частоты же этих двух аллелей останутся неизменными. Частоты генов в пределах пула имеют тенденцию сохраняться постоянными из поколения в

9

поколение. Это справедливо, независимо от исходных частот генов  и не зависит от того, как образуются пары в пределах данной популяции. Это  справедливо и для популяций  животных и растений, размножающихся половым путем. Единственное условие, чтобы скрещивание было произвольным относительно изучаемого признака.

 

КАК ИЗМЕНЯЮТСЯ ПОПУЛЯЦИИ

Если частоты всех генов, присутствующих в популяции, имеют  тенденцию оставаться постоянными, что же тогда вызывает изменение  генетического состава? Существует несколько факторов, способных внести изменения в частоту данного  гена. Это мутация, отбор, миграция и  изоляция.

При мутации, если одна аллель гена мутирует в другую (например, аллель темных волос в результате мутации  превращается в аллель светлых волос), число генов светлых волос  будет увеличиваться в популяции. Однако после мутации пул генов  восстанавливает свою стабильность - и частоты генов сохраняются  на этом новом уровне. Если в течение длительного времени аллель будет мутировать в другую, частота второй аллели в популяции может подняться до высокого уровня.

Отбор на языке генетики означает, что у одних аллелей  популяции появляется преимущество перед другими в смысле выживания. На примере гена, обуславливающего гемофилию, можно проследить действие отбора. Больные гемофилией, у которых  резко снижена свертываемость крови, вряд ли будут иметь так же много  детей, как и носитель аллели, определяющей нормальную свертываемость крови: отбор  действует против этого признака и против контролирующей его аллели. Таким образом, частота аллелей  гемофилии в популяции будет  уменьшаться, но полное исчезновение аллели гемофилии маловероятно. Эта аллель сохраняется в популяции, поскольку  наблюдается определенная частота  мутаций нормальных аллелей в  аллели гемофилии.

Миграция. Очень малое  количество популяций является полностью  изолированным от других популяций  в пределах одного и того же вида. Время от времени некоторое количество индивидуумов популяции может оставлять  ее, тогда как новые особи могут  присоединяться к популяции. И, конечно, эти индивидуумы вносят и свои гены. Когда особи покидают

10

популяцию, они при этом забирают свои гены из пула данной популяции  и вносят их в пул генов другой, к которой они присоединяются. С генетической точки зрения такие  миграции индивидуумов со слегка различающимися наборами генов приводят к изменениям пулов генов обеих популяций. Например, если бы все блондины покинули какую-то популяцию, частота аллелей  светлых волос в этой популяции  упала бы очень резко.

Изоляция. Когда большие  популяции распадаются на более малочисленные, как это часто бывает, пулы генов этих меньших популяций могут сильно различаться между собой. Если, например, большая популяция, состоящая из блондинов и брюнетов, распадается на более малочисленные группы, частота генов светлых волос в одной из таких групп может быть очень высокой, тогда как в другой небольшой группе она может быть весьма низкой. В каждой новой популяции произвольное скрещивание восстанавливает равновесие генов, однако в двух изолированных популяциях эти равновесия могут быть совершенно разными.

 

КАК ПРОИСХОДИТ ИЗОЛЯЦИЯ ГЕНЕТИЧЕСКИХ ПУЛОВ

Итак, существует несколько  путей, ведущих к постепенному изменению  популяций. В результате мутации, отбора, миграций и изоляций, так же как  и под влиянием других факторов, популяции с течением времени  могут очень сильно изменяться.

Когда большая популяция  распадается на несколько меньших, может оказаться, что каждая из этих меньших популяций будет слегка отличаться. Отчасти это происходит потому, что условия обитания каждой из этих популяций несколько отличаются от условий обитания других популяций. Если миграция между популяциями  полностью исключена, тогда со временем различия между популяциями становятся все более отчетливыми. В таком  случае отсутствуют возможности  обмена генами.

Ситуацию, подобную только что  описанной, наблюдал Дарвин на Галапагосских островах. Он заметил, что вьюрки, обитающие на различных островах, при всем своем сходстве имеют поразительные отличия. Ему удалось насчитать 13 различных видов вьюрков. Все эти виды были близкородственными, но каждый из них был приспособлен к своим условиям обитания. Дарвин решил, что раз они так похожи, значит они должны иметь

11

общего предка. Наблюдение над галапагосскими вьюрками и другие наблюдения, сделанные Дарвином во время путешествия, послужили основой теории эволюции путем естественного отбора. Популяции могут быть разделены большими водными пространствами и другими естественными барьерами (пустыней, рекой, ущельем и т. п.).

Различные популяции красивых* белок, живущих на северном и южном  краях (Большой Каньон), очевидно, принадлежали когда-то к одному и тому же виду, но в течение длительного периода  изоляции белки постепенно стали  отличаться друг от друга. Белки северного  края имеют черное брюшко и белый  хвост, тогда как белки южного края имеют белую шерсть на нижней поверхности тела и серый хвост. Поскольку они не скрещиваются, биологи  считают их двумя разными видами. Местообитание этих белок ограничено плато, где они питаются молодой  корой сосен, поэтому Большой  Каньон представляет для них непреодолимое  препятствие.

Когда идет речь о двух изолированных  популяциях (например, белки), мы, в сущности, имеем дело с двумя пулами генов, т. е. с генами двух изолированных  друг от друга популяций. Это пулы генов, которые постепенно приобретают  различия путем мутаций. Это виды аллелей, частота которых в популяции  постепенно изменяется в процессе отбора.

Препятствия для скрещивания  необязательно должны носить географический характер. Популяции организмов могут  жить на одной и той же территории и все-таки не скрещиваться между  собой. Их пулы генов сохраняются  раздельными. В человеческих популяциях, например, пулы генов могут оставаться изолированными, несмотря на то, что члены популяций живут на одной и той же территории. Людям, принадлежащим к некоторым религиозным группам, разрешается вступать в брак только с людьми той же группы. Несмотря на то, что они в повседневной жизни общаются со многими другими людьми, с генетической точки зрения их гены остаются разделенными на разные пулы.

 

ПРОИСХОЖДЕНИЕ НОВЫХ РАЗНОВИДНОСТЕЙ

Итак, когда две популяции  оказываются по какой-либо причине  изолированными, их пулы генов начинают изменяться. Спустя длительное время  эти изменения могут стать  очень сильными. Иногда это приводит к

12

тому, что члены двух популяций  становятся неспособными к скрещиванию  и производству плодовитого потомства. Иногда брачные периоды двух близкородственных  популяций становятся настолько  различными, что уже не перекрываются  друг другом. В этом случае скрещивание  и обмен генами становится невозможным. Например, в штате Индиана (США) время  размножения одного вида жабы наступает  раньше, чем у другого, близкого ему  вида. Несмотря на то, что жабы этих видов живут в одном и том  же месте и могут скрещиваться в лабораторных условиях, пулы их генов  почти полностью изолированы  естественными условиями. Эти виды будут, вероятно, становиться все  более и более отличными друг от друга, хотя когда-то они принадлежали к одному виду.

У растений пыльца некоторых  популяций не прорастает при попадании  на рыльца пестиков другой популяции. Это другой вид генетической изоляции, который может приводить к  образованию отличающихся разновидностей.

Мало-помалу, по мере того, как  пулы генов становятся все более  изолированными, популяции становятся все более отличными. Со временем они становятся легко отличимыми друг от друга. Такие популяции называют подвидами одного вида. Иногда подвиды скрещиваются между собой, но обычно этого не происходит. Они являются частично изолированными от членов других популяций того же вида.

Итак, большие популяции  подразделяются на меньшие популяции. Со временем пулы генов становятся частично изолированными, и в каждой популяции появляются новые генетические характеристики. Таким образом, в  пределах вида возникают новые разновидности.

 

ПРОИСХОЖДЕНИЕ НОВЫХ СОРТОВ, ПОРОД И ВИДОВ

Еще на заре истории человек  научился использовать различные растения и животных в пищу, для изготовления одежды, перевозок и охраны. Человек  для достижения своей цели пользовался, по существу, теми же процессами, какие  происходят в природе: он стремился  изменить генетические пулы популяций. Хотя человек и не знал, каким  образом увеличить количество мутаций  среди своих животных и растений, он мог обратить внимание на вариации в природе. Он мог применить отбор, решая, от каких организмов следует  получить потомство.

13

Процесс отбора родительских пар для получения потомства  носит название искусственного отбора. Он отличается от естественного отбора тем, что гарантирует выживание  только тех форм, свойства которых  полезны для человека. Человек  понимает роль генетической изоляции в получении желательных ему  форм животных и растений. Он сохраняет  генетические пулы этих форм отдельно от форм нежелательных, т. е. препятствует их скрещиванию с формами, которые  считает менее желательными. Он ограничивает приток нежелательных генов в  его породе. Таким путем генетические пулы пород сохраняются постоянными и изменяются лишь за счет мутаций, которые нельзя предотвратить.

Через много поколений  человек сумел достигнуть замечательного успеха в улучшении домашних растений и животных. В большинстве случаев  этот успех достигается отбором  очень незначительных улучшений. В  последние годы человек, вооруженный  знаниями и методами генетики, смог применить новые средства для  разрешения старых проблем. Одним из наиболее ярких примеров применения известных генетических законов  было создание гибридных сортов кукурузы.

Наши современные представления  о происхождении видов опираются  все на те же знания, которые были собраны Дарвином, и те наблюдения, которые были сделаны с того времени и до сих пор. Кроме того, они связаны с современными представлениями популяционной генетики семей. Мы уже видели, как популяции, когда пулы их генов изолированы, постепенно изменяются, и со временем в природе образуются отчетливые разновидности. Среди видов растений и животных мы находим примеры любой степени изоляции между популяциями одного и того же вида. Члены различных популяций могут быть очень похожими и могут легко скрещиваться. Члены других изолированных популяций могут быть настолько различными, что скрещивание между ними происходит с большим трудом.

В настоящее время в  общих чертах ясно, как происходит образование новых видов. В простейшем случае, когда имеются только две  популяции одного вида, можно представить  себе следующую серию приблизительных  событий.

1. Две популяции одного  вида становятся настолько изолированными, что скрещивание между ними  происходит редко; обычно популяции  разделены большими расстояниями  или другими препятствиями географического  характера, однако продуктивная  изоляция может быть вызвана  только 

14

сезонными и функциональными  причинами или поведением в период

размножения. Поскольку пулы генов становятся изолированными, индивидуумы  одной популяции не могут больше скрещиваться с индивидуумами другой.

2. В результате длительной  репродуктивной изоляции пулы  генов двух популяций становятся  генетически различными. Со временем  эти две популяции становятся  настолько различными, что гены  двух индивидуумов одной популяции  не могут больше "объединяться" с генами представителей другой  популяции так, чтобы у них  рождалось жизнеспособное и плодовитое  потомство. 

3. Когда это случается,  барьер нескрещиваемости становится непреодолимым. Можно говорить, что существует два вида там, где раньше существовал один. Даже если эти два вида теперь живут рядом, они будут оставаться разными и, вероятно, различия между ними будут продолжать увеличиваться. Они больше не скрещиваются, а эмбрионы, образовавшиеся в результате случайного спаривания, не развиваются. На месте одного вида образовывается два новых.