Лекция 3. Генетические основы эволюции (2 часа).

План;

1. Мутации как основной материал для эволюционного процесса.

2. Комбинативная изменчивость как источник генетической изменчивости диплоидных и полиплоидных организмов.

3. Генофонд популяции. Правило Харди-Вайнберга. Дрейф генов. Миграция.

По реакционной способности молекулы ДНК относятся к химически инертным веществам. Известно, что роль вещества наследственности может выполнять не только ДНК, но и РНК (некоторые вирусы). Считается, что выбор в пользу ДНК обусловлен её более низкой по сравнению с РНК реакционной способностью.

Рассмотренный выше механизм репликации отличается высокой точностью воспроизведения структуры ДНК. При удвоении ДНК ошибки возникают в среднем с частотой 1-10^-6 комплементарных пар оснований. В поддержании высокой точности репликации важная роль принадлежит ферменту ДНК-полимеразе, осуществляющему отбор необходимых нуклеотидов из числа имеющихся в ядерном соке нуклеозидтрифосфатов (АТФ, ТТФ, ГТФ, ЦТФ), точное присоединение их к матричной цепи ДНК и включение в растущую дочернюю цепь. Частота включения неправильных нуклеотидов на этой стадии составляет 1-10^–5 пар оснований, которые связаны с возникновением изменённых форм азотистых оснований. В этой ситуации включается механизм самокоррекции, осуществляемый ДНК-полимеразой (или тесно связанным с ней ферментом — редактирующей эндонуклеазой). Самокоррекция заключается в отщеплении ошибочно включённого в цепь ДНК нуклеотида, не спаренного с матрицей. Следствием самокоррекции является снижение частоты ошибок в 10 раз (с 1-10^–5 до 1-10^–6).

Несмотря на эффективность самокоррекции, в ходе репликации после удвоения ДНК в ней обнаруживаются ошибки, но большинство изменений устраняется благодаря действию механизма репарации (молекулярного восстановления) исходной нуклеотидной последовательности ДНК, основанного на наличии в молекуле ДНК двух комплементарных цепей. Искажение последовательности нуклеотидов в одной из них обнаруживается специфическими ферментами. Затем соответствующий участок удаляется и замещается новым, синтезированным на второй комплементарной цепи ДНК (эксцизионная или дорепликативная репарация) или, в том случае, когда эксцизионная репарация не исправляет изменения, возникшего в одной цепи ДНК, в ходе репликации происходит фиксация этого изменения и оно становится достоянием обеих цепей ДНК (пострепликативная репарация). Примером такой пострепликативной репарации может служить восстановление нормальной структуры ДНК при возникновении тиминовых димеров (Т–Т), когда они не устраняются самопроизвольно под действием видимого света (световая репарация) или в ходе дорепликативной эксцизионной репарации. Ковалентные связи, возникающие между рядом стоящими остатками тимина, делают их неспособными к связыванию с комплементарными нуклеотидами. В результате, во вновь синтезируемой цепи ДНК появляются разрывы, узнаваемые ферментами репарации. Восстановление целостности новой полинуклеотидной цепи одной из дочерних ДНК осуществляется благодаря рекомбинации с соответствующей ей нормальной материнской цепью другой дочерней ДНК. Образовавшийся в материнской цепи пробел заполняется путём синтеза на комплементарной ей полинуклеотидной цепи. Проявлением такой пострепликативной репарации, осуществляемой рекомбинацией между цепями двух дочерних молекул ДНК, можно считать нередко наблюдаемый обмен материалом между сестринскими хроматидами.

В ходе до- и пострепликативной репарации восстанавливается большая часть повреждений структуры ДНК, но если всё же в наследственном материале возникает слишком много повреждений и часть из них не ликвидируется, включается система индуцируемых ферментов репарации (SOS-система). Эти ферменты заполняют пробелы, восстанавливая целостность синтезируемых полинуклеотидных цепей без точного соблюдения принципа комплементарности, когда сами процессы репарации иногда являются источником стойких изменений в структуре ДНК (мутаций). Названная реакция также относится к SOS-системе. Совместное действие ферментов репликации и репарации обеспечивает достаточно низкую частоту ошибок в молекулах ДНК, которая поддерживается 1х10^–9 парами изменённых нуклеотидов на генном уровне. Вместе с тем, даже этот уровень достаточен для образования за время существования жизни на Земле значительного генетического разнообразия в виде генных мутаций.

Некорректированные изменения химической структуры генов, воспроизводимые в последовательных циклах репарации и проявляющиеся у потомства в виде новых вариантов признаков, называют генными мутациями, и выделяют три их группы:

– мутации первой группы заключаются в замене одних оснований другими;

– вторая группа мутаций обусловлена сдвигом рамки считывания, происходящим при изменении количества нуклеотидных пар в составе гена;

– третью группу представляют мутации, связанные с изменением порядка нуклеотидных последовательностей в пределах гена (инверсии) вследствие поворота участка ДНК на 180^о.

Ген представляет собой элементарную единицу функции наследственного материала. Это означает, что фрагмент молекулы ДНК, соответствующий отдельному гену и определяющий благодаря содержащейся в нём биологической информации возможность развития конкретного признака, является далее неделимым в функциональном отношении. Минимальное количество наследственного материала, способное, изменяясь, приводить к появлению вариантов признака, соответствует элементарной единице мутационного процесса и называется мутоном.

Часть генных мутаций по типу вставок и выпадений нуклеотидных пар происходит вследствие неравноценного обмена между молекулами ДНК при кроссинговере, т.е. при нарушении рекомбинации между ними. Это сопровождается сдвигом рамки считывания и приводит к нарушению синтеза пептидной цепи с заданными свойствами. Наблюдения показывают, что для искажения записанной в гене биологической информации достаточно вставки или выпадения одной пары нуклеотидов (презентация). Из сказанного следует, что элементарная единица рекомбинации — рекон — на молекулярном уровне соответствует одной паре нуклеотидов.

Возникающие самопроизвольно или под влиянием различных внешних воздействий изменения нуклеотидных последовательностей приводят к тому, что один и тот же ген может существовать в нескольких вариантах, различающихся по содержащейся в них биологической информации. Конкретную форму существования гена, определяющую возможность развития конкретного варианта данного признака, называют аллелем. Аллели гена располагаются в одном и том же участке — локусе — определённой хромосомы, которая в норме может одновременно содержать лишь один из серии аллелей. Это делает аллели альтернативными (взаимоисключающими) вариантами существования гена.

Изменения химической структуры могут возникать в различных участках гена. Если они совместимы с жизнью, т.е. не приводят к гибели клеток или организмов — носителей данных мутаций, все они сохраняются в генофонде вида.

Присутствие в генофонде вида одновременно различных аллелей гена называют множественным аллелизмом. Причиной множественного аллелизма являются случайные изменения структуры гена (мутации), сохраняемые в процессе естественного отбора в генофонде популяции. Многообразие аллелей, рекомбинирующихся при половом размножении, определяет степень генотипического разнообразия среди представителей одного вида, что имеет большое эволюционное значение, повышая жизнеспособность популяций в меняющихся условиях их существования. Кроме эволюционного и экологического значения аллельное состояние генов оказывает большое влияние на функционирование генетического материала. В диплоидных соматических клетках эукариот большинство генов представлено двумя аллелями, которые совместно влияют на формирование признаков.

Изменения структуры гена, как правило, являются неблагоприятными, снижая жизнеспособность клетки, организма (вредные мутации), и иногда приводят к их гибели (летальные мутации). Реже возникающие мутации существенно не отражаются на жизнеспособности их носителей, поэтому их рассматривают как нейтральные. Наконец, крайне редко возникают аллели, оказывающие благоприятное действие (полезные мутации), обеспечивая их носителям преимущественное выживание. В большинстве случаев вновь возникший аллель гена выступает как рецессивный по отношению к распространённому в природе аллелю «дикого» типа, т.е. не проявляется в сочетании с ним. Но иногда мутантная форма гена может быть доминантной, т.е. подавлять проявление «дикого» аллеля, который чаще встречается в генофонде популяции.

В результате генных мутаций изменяется смысл биологической информации. Последствия этого могут быть двоякого рода. В условиях обитания, изменяющихся незначительно, новая информация обычно снижает выживаемость. При резкой смене условий существования, при освоении новой экологической ниши наличие разнообразной информации для популяции полезно. В связи с этим интенсивность мутационного процесса в природных условиях поддерживается на уровне, не вызывающем катастрофического снижения жизнеспособности вида. Важная роль в ограничении неблагоприятных последствий мутаций принадлежит антимутационным механизмам, возникшим в эволюции. Кроме названных механизмов снижения частоты изменений в генофонде популяции, важным фактором защиты против неблагоприятных последствий генных мутаций служит парность хромосом в диплоидном кариотипе соматических клеток эукариот, благодаря парности аллелей генов, который препятствует фенотипическому проявлению мутаций, если они имеют рецессивный характер. Определённый вклад в снижении вредных последствий генных мутаций вносит явление экстракопирования генов, кодирующих жизненно важные макромолекулы. Оно заключается в наличии в генотипе нескольких десятков, а иногда и сотен идентичных копий таких генов. Примером могут служить гены рРНК, тРНК, гистоновых белков*, без которых жизнедеятельность любой клетки невозможна. При наличии экстракопий мутационное изменение в одном или даже нескольких одинаковых генах не ведёт к катастрофическим для клетки последствиям. Существенное значение имеет также функциональная неравнозначность замен аминокислот в полипептиде. Если новая и сменяемая аминокислоты сходны по физико-химическим свойствам, изменения третичной структуры и биологических свойств белка незначительны. Так, мутантные гемоглобины HbS и HbC человека отличаются от нормального гемоглобина HbA заменой в 6-м положении β-цепи глутаминовой кислоты соответственно на валин или лизин. Первая замена резко изменяет свойства гемоглобина и приводит к развитию тяжёлого заболевания — серповидно-клеточной анемии. При второй замене свойства гемоглобина изменяются в гораздо меньшей степени. Причиной этих различий является то, что глутаминовая кислота и лизин проявляют сходные гидрофильные свойства, тогда как валин — это гидрофобная аминокислота.

Таким образом, перечисленные механизмы способствуют сохранению отобранных в ходе эволюции генов и, одновременно, накоплению в генофонде популяции различных аллелей, формируя резерв наследственной изменчивости. Последний определяет высокую эволюционную пластичность популяции, благодаря чему клетки и многоклеточные организмы могут рассматриваться как самопрограммирующиеся многоцелевые информационные системы, способные изменяться во времени. Иными словами, мутантная (изменённая) последовательность передаётся по наследству всем дочерним молекулам (презентация 2.2.4). Поэтому на молекулярном уровне дарвиновский отбор можно представить как отбор наиболее приспособленных последовательностей. Самые убедительные доказательства естественного отбора были получены в молекулярно-генетических исследованиях.

Несмотря на эволюционно отработанный механизм, позволяющий сохранять постоянную физико-химическую и морфологическую организацию хромосом в ряду поколений, под влиянием различных факторов эта организация может измениться. В основе изменения структуры хромосом, как правило, лежит первоначальное нарушение её целостности — разрывы, которые сопровождаются различными перестройками, называемыми хромосомными мутациями или аберрациями.

Разрывы хромосом происходят закономерно в ходе кроссинговера, когда они сопровождаются обменом соответствующими участками между гомологами. Нарушение кроссинговера, при котором хромосомы обмениваются неравноценным генетическим материалом, приводит к появлению новых групп сцепления, где отдельные участки выпадают — делеции — или удваиваются — дупликации. При таких перестройках изменяется число генов в группе сцепления (презентация 2.2.10).

Разрывы хромосом могут возникать также под влиянием различных мутагенных факторов, главным образом, физических (ионизирующего и других видов излучения), некоторых химических соединений, вирусов.

Нарушение целостности хромосомы может сопровождаться поворотом её участка, находящегося между двумя разрывами, на 180^о — инверсиями. В зависимости от того, включает ли данный участок область центромеры или нет, различают перицентрические и парацентрические инверсии.

Фрагмент хромосомы, отделившийся от неё при разрыве, может быть утрачен клеткой при очередном митозе, если он не имеет центромеры. Чаще такой фрагмент прикрепляется к одной из хромосом (транслокация). Нередко две повреждённые негомологичные хромосомы взаимно обмениваются оторвавшимися участками (реципрокная транслокация). Возможно присоединение фрагмента к своей же хромосоме, но в новом месте (транспозиция). Таким образом, различные виды инверсий и транслокаций характеризуются изменением локализации генов.

Хромосомные перестройки, как правило, проявляются в изменении морфологии хромосом. Метацентрические хромосомы превращаются в субметацентрические и акроцентрические и наоборот (презентация 2.2.11), появляются кольцевые и полицентрические хромосомы (презентация 2.2.12). Особую категорию хромосомных мутаций представляют аберрации, связанные с центрическим слиянием или разделением хромосом, когда две негомологичные структуры объединяются в одну — робертсоновская транслокация, или одна хромосома образует две самостоятельные хромосомы (през. 2.2.13). При таких мутациях не только появляются хромосомы с новой морфологией, но и изменяется их количество в кариотипе.

Описанные структурные перестройки хромосом, как правило, сопровождаются изменением генетической программы, получаемой клетками нового поколения после деления материнской клетки, так как изменяется количественное соотношение генов (при делециях и дупликациях), меняется характер их функционирования в связи с изменением взаимного расположения в хромосоме (при инверсии и транспозиции) или с переходом в другую группу сцепления (при транслокации). Чаще всего такие структурные изменения хромосом отрицательно сказываются на жизнеспособности отдельных соматических клеток организма, но особенно серьёзные последствия имеют хромосомные перестройки в предшественниках гамет, сопровождаемые нарушением процесса конъюгации гомологов в мейозе и их последующего расхождения. Так, делеции или дупликации участка одной из хромосом сопровождаются при конъюгации образованием петли гомологом, имеющим избыточный материал (2.2.14)

Реципрокная транслокация между двумя негомологичными хромосомами приводит к образованию при конъюгации не бивалента, а квадривалента, в котором хромосомы образуют фигуру креста благодаря притягиванию гомологичных участков, расположенных в разных хромосомах (през. 2.2.15), а участие в реципрокных транслокациях большего числа хромосом сопровождается формированием ещё более сложных структур (през. 2.2.16).

В случае инверсии бивалент, возникающий в профазе I мейоза, образует петлю, включающую взаимно инвертированный участок (през. 2.2.17).

Конъюгация и последующее расхождение структур, образованных изменёнными хромосомами, приводит к появлению новых хромосомных перестроек. В результате гаметы, получая неполноценный наследственный материал, не способны обеспечить формирование нормального организма нового поколения. Причиной этого является нарушение соотношения генов, входящих в состав отдельных хромосом, и их взаимного расположения.

Однако, несмотря на неблагоприятные, как правило, последствия хромосомных мутаций, иногда они оказываются совместимыми с жизнью клетки и организма, и обеспечивают возможность эволюции структуры хромосом, лежащей в основе биологической эволюции. Так, небольшие по размеру делеции могут сохраняться в гетерозиготном состоянии в ряду поколений. Менее вредными, чем делеции, являются дупликации, хотя большой объём материала в увеличенной дозе (более 10 % генома) приводит к гибели организма.

Нередко жизнеспособными могут быть робертсоновские транслокации, часто не связанные с изменением объёма наследственного материала. Этим можно объяснить варьирование числа хромосом в клетках организмов близкородственных видов. Возможно, существенным моментом в появлении вида Homo sapiens были структурные перестройки хромосом у его обезьяноподобного предка. Установлено, что два плеча крупной второй хромосомы человека соответствуют двум разным хромосомам современных человекообразных обезьян (12-й и 13-й — шимпанзе, 13-й и 14-й — гориллы и орангутана). Вероятно, эта человеческая хромосома образовалась в результате центрического слияния по типу робертсоновской транслокации двух обезьяньих хромосом.

К существенному варьированию морфологии хромосом, лежащему в основе их эволюции, приводят транслокации, транспозиции и инверсии. Анализ хромосом человека показал, что его 4, 5, 12 и 17-я хромосомы отличаются от соответствующих хромосом шимпанзе перицентрическими инверсиями.

Таким образом, изменения хромосомной организации, чаще всего оказывающие неблагоприятное воздействие на жизнеспособность клетки и организма, с определённой вероятностью могут быть перспективными, наследоваться в ряду поколений клеток и организмов и создавать предпосылки для эволюции хромосомной организации и наследственного материала.

Возникновение хромосомной организации наследственного материала в эукариотической клетке тесно связано с большим его объёмом по сравнению с прокариотической клеткой. Распределение основной массы генетического материала в ограниченном количестве ядерных структур — хромосом — обеспечивает упорядоченность его пространственной организации по группам сцепления. Относительная самостоятельность хромосом в процессах репликации ДНК и распределения её молекул между дочерними клетками позволяет закономерно воспроизводить и передавать обширную информацию в ряду клеточных поколений, сохраняя постоянство её организации. Наконец, распределение генов по группам сцепления допускает возможность рекомбинации генетического материала гомологичных и негомологичных хромосом при мейозе и оплодотворении.

Эффективность рекомбинации наследственного материала, возрастающая у эукариот благодаря его хромосомной организации, существенно увеличивает степень комбинативной изменчивости у этих организмов. Это является важным эволюционным фактором, обеспечивающим разнообразный исходный материал для естественного отбора.

Причиной структурных изменений генома может быть нарушение тех процессов, которые в норме обеспечивают его устойчивость, в первую очередь — процессов, протекающих в мейозе.

Так, нарушение кроссинговера, приводящее к обмену неравноценными участками ДНК между хроматидами, может привести к утрате или удвоению определённой нуклеотидной последовательности в них. Если это затрагивает структуру отдельного гена, то возможно возникновение генной мутации с изменениями количества нуклеотидов в нём. Если при неравноценном обмене затронут участок хроматиды, содержащий несколько генов, изменяется доза этих генов в геноме. Он либо лишается каких-то генов (делеция), либо эти гены оказываются в геноме в двойном количестве (дупликация). Изменение дозового соотношения отдельных генов наблюдается также при разных видах хромосомных перестроек, необязательно связанных неравноценным кроссинговером.

Нарушение расхождения бивалентов в анафазе I мейоза является причиной изменения количества хромосом в гаплоидном наборе гамет. Нерасхождение отдельного бивалента приводит к появлению одной гаметы, лишённой данной хромосомы, и другой, имеющий эту группу сцепления в двойном количестве. Оплодотворение таких гамет нормальными половыми клетками приводит к появлению особей, в кариотипе которых изменено общее число хромосом за счёт уменьшения (моносомия) или увеличения (трисомия) числа отдельных хромосом. Нарушения структуры генома, заключающиеся в изменении количества отдельных хромосом, называются анэуплодией.

В том случае, если в целом повреждается механизм распределения гомологичных хромосом между полюсами веретена (что наблюдается при его разрушении), клетка остаётся неразделившейся. Во второе деление мейоза она вступает не гаплоидной, а диплоидной. Из неё образуются диплоидные гаметы. Оплодотворение таких гамет приводит к образованию триплоидных организмов. Увеличение в кариотипе зиготы числа наборов хромосом называют полиплоидией. Такие структурные изменения наследственного материала довольно часто в природе встречается у растений, что обеспечивает у них относительно быстрые темпы видообразования. Полиплоидизацию путём искусственного разрушения веретена деления с помощью колхицина широко применяют в селекции при выведении новых сортов растений.

Структурные изменения генома могут выражаться в ином распределении генов по группам сцепления. Когда отдельные хромосомы соединяются по типу робертсоновской транслокации или, наоборот, из одной хромосомы образуются две самостоятельные, это ведёт к изменению числа групп сцепления в геноме. При реципрокных транслокациях между негомологичными хромосомами или при инверсиях изменяется место положения отдельных генов, что нередко сказывается на характере их функционирования (эффект положения).

Любые мутационные изменения в наследственном материале гамет — генеративные мутации — становятся достоянием следующего поколения, если такие гаметы участвуют в оплодотворении. Поэтому отклонения в течение митоза или мейоза в клетках-предшественницах гамет имеют большое эволюционное значение. Если же мутации любого ранга возникают в соматических клетках — соматические мутации, они передаются только потомкам этих клеток, т.е. не выходят за пределы организма. Исключение составляют соматические мутации, возникшие в клетках органов вегетативного размножения, от которых они передаются новому поколению организмов. Одной из причин соматических мутаций являются патологические митозы. При нарушении нормального течения митоза дочерние клетки получают аномальную наследственную программу, и их дальнейшее развитие отклоняется от нормы. Патологические митозы часто наблюдаются в клетках злокачественных опухолей.

Итак, несмотря на существование механизмов, обеспечивающих стабильность структуры генома, на этом уровне организации наследственного материала могут появляться эволюционно значимые изменения. Они способны обеспечить достаточно резкий скачок в ходе исторического развития живой природы.

Генетически популяция характеризуется своим генофондом, который представлен совокупностью аллелей, образующих генотипы организмов популяции. Генофонды природных популяций отличает наследственное разнообразие (генетическая гетерогенность, или полиморфизм), генетическое единство, динамическое равновесие долей особей с разными генотипами.

Наследственное разнообразие заключается в присутствии в генофонде одновременно различных аллелей отдельных генов и разных комбинаций этих аллелей. Первично оно создаётся мутационным процессом. Мутации, будучи обычно рецессивными и не влияя на фенотипы гетерозиготных организмов, сохраняются в генофондах популяций в скрытом от естественного отбора состоянии. Накапливаясь, они образуют резерв наследственной изменчивости. Благодаря комбинативной изменчивости, этот резерв используется для создания в каждом поколении новых комбинаций аллелей. Объём такого резерва огромен. Так, при скрещивании организмов, различающихся по 1000 локусов, каждый из которых представлен десятью аллелями, количество вариантов генотипов достигает 10¹⁰⁰⁰.

Генетическое единство популяции обуславливается достаточным уровнем панмиксии. В условиях случайного подбора скрещивающихся особей источником аллелей для генотипов организмов последовательных поколений является весь генофонд популяции. Генетическое единство проявляется и в том, что при изменении внешних условий её генофонд преобразуется как единое целое, за счёт элиминации неблагоприятных комбинаций аллелей и увеличения частоты благоприятных комбинаций под действием естественного отбора.

Популяция — элементарная единица эволюционного процесса. Поэтому большой интерес представляет собой видовая специфика свойств организма, преобразование генофонда популяции под давлением отбора и некоторых специфических генетических механизмов, часть из которых непосредственным образом связана с особенностями экологии популяций (степенью их самостоятельности, наличием и характером волн численности, спецификой расселения и др.).

Однако специфика и степень сложности генофонда определяют не только микроэволюционные процессы, но и успешное существование популяции в разнообразных и динамических условиях среды. Широкий диапазон индивидуальной изменчивости лежит в основе устойчивости популяций при отклонениях условий от их средних, типичных характеристик. Чем генетически более разнообразна популяция, чем менее специализированы геноадаптации, тем выше экологическая пластичность популяции, что выгодно как в микроэволюционном плане, так и при повседневном приспособлении к текущим условиям среды (Gause, 1947; Шварц, 1972).

Если весь диапазон индивидуальной изменчивости адаптивных свойств в популяции представить в виде вариационной кривой, то её средние (модальные) характеристики отразят «настройку» этих свойств на средние, наиболее типичные и устойчивые условия среды (рис. 2.5.5 а). При изменении этих условий более адаптированными оказываются особи, не входящие в модальную группу, а отклоняющиеся от неё в сторону, адекватную изменённым условиям. Именно эти особи обеспечивают выживание и последующее восстановление популяции (см. рис. 2.5.5 б). Дальнейшая её судьба зависит от того, представляют ли изменения условий устойчивый, повторяющийся процесс или же это закономерное отклонение от нормы. В первом случае вступает в действие направленный отбор, ведущий к перестройке нормы реакции, и, соответственно, всего морфобиологического типа (през. 2.5.5 г). Этот процесс — эволюционный. В случае же незакономерных колебаний условий вокруг устойчивых средних, популяции «выгоднее» сохранить исходный морфобиологический тип (през. 2.5.5 в) с его наиболее генерализованными характеристиками. Это возможно лишь в том случае, если выжившие особи, фенетически весьма отличающиеся от средней нормы, генетически достаточно гетерозиготны, чтобы при скрещиваниях восстановить исходный тип изменчивости. В этом — специфика генетико-экологической реакции на смену условий.

Таким образом, поддержание высокого уровня гетерозиготности представляет собой важную экологическую задачу. Это экологический процесс, обеспечивающий устойчивость популяционной системы в колеблющихся условиях среды. В самом общем виде этот процесс может быть представлен как система специфических внутрипопуляционных отношений, направленных на снижение уровня инбридинга в размножающейся популяции.

Механизмы поддержания генетической гетерогенности. В классической популяционной генетике проблема поддержания определённого соотношения гомо- и гетерозигот в популяции рассматривается с позиций правила Харди-Вайнберга, постулирующего, что в панмиктической популяции, не подверженной давлению отбора, эти параметры стабилизируются уже после одной смены поколений. Поддержание этой стабильности обеспечивается случайным характером скрещиваний (през. 2.5.6).

Частоты аллелей. Закон Харди-Вайнберга. В пределах популяции доля генотипов, содержащих разные аллели одного гена, при соблюдении некоторых условий из поколения в поколение не изменяется. Эти условия описываются основным законом популяционной генетики, сформулированным в 1908 г. английским математиком Дж. Харди (Hardy, 1908) и немецким врачом-генетиком Г. Вайнбергом (Weinberg, 1909), который гласит, что «…в популяции из бесконечно большого числа свободно скрещивающихся особей в отсутствие мутаций, избирательной миграции организмов и давления естественного отбора первоначальные частоты аллелей сохраняются из поколения в поколение».

Допустим, что в генофонде популяции, удовлетворяющей описанным условиям, некий ген представлен аллелями А₁ и А₂, обнаруживаемыми с частотой p и q. Так как других аллелей в этом генофонде не встречается, то p+q=1. При этом q=1–p.

Соответственно, особи этой популяции образуют p гамет с аллелем А₁ и q гамет с аллелем А₂. Если скрещивание происходит случайным образом, то доля половых клеток, соединяющихся с гаметами А₁, равна p, а доля половых клеток, соединяющихся с гаметами А₂–q. Возникающее в результате описанного цикла размножения поколение F₁ образовано генотипами А₁ А₁, А₁ А₂, А₂ А₂, количество которых соотносится как (p+q)(p+q)=p²+2pq+q² (см. рис 2.5.6).

По достижении половой зрелости особи А₁ А₁ и А₂ А₂ образуют по одному типу гамет — А₁ или А₂ — с частотой, пропорциональной числу организмов этих генотипов (p² и q²). Особи А₁ А₂ образуют оба типа гамет с равной частотой 2pq/2.

Таким образом, доля гамет А₁ в поколении F₁ составит p²+2pq/2=p²+p(1-p)=p, а доля гамет А₂ будет равна q²+2pq/2=q²+q(1–q)=q.

Так как частоты гамет с разными аллелями в поколении F₁ в сравнении с родительским поколением не изменены, поколение F₂ будет представлено организмами с генотипами А₁ А₁, А₁ А₂ и А₂ А₂ в том же соотношении p²+2pq+q². Благодаря этому, очередной цикл размножения произойдёт при наличии р гамет А₁ и q гамет А₂. Аналогичные расчёты можно провести для локусов с любым числом аллелей. В основе сохранения частот аллелей лежат статистические закономерности случайных событий в больших выборках.

Уравнение Харди-Вайнберга в том виде, в котором оно рассмотрено выше, справедливо для аутосомных генов. Для генов, сцепленных с полом, равновесные частоты генотипов А₁ А₁, А₁ А₂ и А₂ А₂ совпадают с частотами аутосомных генов: p²+2pq+q². Для самцов (в случае гетерогаметного пола) в силу их гемизиготности возможны лишь два генотипа А₁- или А₂-, которые воспроизводятся с частотой, равной частоте соответствующих аллелей у самок в предшествующем поколении: p и q. Из этого следует, что фенотипы, определяемые рецессивными аллелями сцепленных с хромосомой Х-генов, у самцов встречаются чаще, чем у самок.

Так, при частоте аллеля гемофилии, равной 0,0001, это заболевание у мужчин популяции наблюдается в 10 000 раз чаще, чем у женщин (1 на 10 тыс. — у мужчин и 1 на 100 млн. — у женщин).

Ещё одно следствие общего порядка заключается в том, что в случае неравенства частоты аллеля у самцов и самок, разность между частотами в следующем поколении уменьшается вдвое, причём меняется знак этой разницы. Обычно требуется несколько поколений для того, чтобы возникло равновесное состояние частот у обоих полов. Равновесное состояние для аутосомных генов достигается за одно поколение.

Закон Харди-Вайнберга описывает идеальные условия генетической стабильности популяции. В природе равенство Харди-Вайнберга соблюдается только в популяциях с высокой численностью и только по селективно-нормальным аллелям. В малочисленных популяциях это равенство нарушается дрейфом генов. В любых популяциях аллели, подвергающиеся естественному отбору, меняют свою частоту от поколения к поколению.

Менделевской называется популяция, в которой при размножении аллельные отношения генов подчиняются законам Менделя, т.е. комбинируются, проявляются в фенотипах в зависимости от степени доминирования и расщепляются во втором поколении. В природе эти равновесные менделевские популяции не встречаются. В законе Харди-Вайнберга перечислены условия, закономерно изменяющие генофонды популяций. Это факторы, ограничивающие свободное скрещивание (панмиксию), такие как неслучайное скрещивание, дрейф генов, избирательная миграция и, главное, естественный отбор. То есть, в природе полная случайность скрещиваний возможна лишь в порядке исключения. Для перекрёстно опыляемых растений установлено ограничение обмена генетическим материалом даже в пределах одной ценопопуляции. Это ведёт к генетической структурированности ценопопуляций в виде образования в их пределах форм с различными наборами признаков и степени их наследуемости (Завадский, 1968).

У животных свободная панмиксия возможна лишь в пределах низших таксонов, не обладающих сложной структурой взаимоотношений, да и в этом случае масштабы свободного обмена генетическим материалом всегда в какой-то мере ограничены неравномерностью условий среды и агрегированностью пространственного распределения особей. В популяциях высших животных панмиксия всегда ограничена вследствие иерархических взаимоотношений и соответствующей неравнозначности особей в проявлении различных форм активности, в том числе участия в размножении. В структурированных по взаимоотношениям внутрипопуляционных группах высших животных доминирующие особи имеют преимущества в спариваниях. Это особенно характерно для видов с жёсткой иерархической системой соподчинения.

У животных с менее жёсткой системой доминирования в размножении участвует, соответственно, большая доля самцов в популяции. Но элементы «скрытого» сексуального доминирования имеют место и в этом случае. Так, у территориальных животных из размножения исключаются особи, не сумевшие захватить и удержать участок обитания.

Среди обладающих территорией самцов участие в размножении также неодинаково, что, в первую очередь, связано с их положением в этологической структуре внутрипопуляционных групп. Эта закономерность подтверждена экспериментально: генетический анализ потомства у лабораторных мышей и у групп показал достоверное преобладание у молодых животных признаков самцов-доминантов.

Физиологические механизмы сексуального доминирования прямо связаны с эколого-физиологическими процессами установления и поддержания иерархии. Доминанты, несомненно, представляют собой особей, наиболее успешно приспособившихся к конкретным условиям, способных чётко и адаптивно реагировать на их изменения. Таким образом, сексуальное доминирование адаптивно на уровне популяции как механизм закрепления полезных генотипов доминирующих особей. Но, с другой стороны, направленное уменьшение случайных скрещиваний способствует снижению генетической гетерогенности популяции. Устранение этого противоречия — задача большой биологической важности. Установлено, что даже при самых жёстких формах иерархии сексуальное доминирование регулярно нарушается и в размножение включается дополнительный контингент самцов. Изучение различных видов млекопитающих показывает, что в сложившихся внутрипопуляционных группах доминанты регулярно сменяются. Доминирующую особь может вытеснить внедрившееся в группу новое животное, более сильное и агрессивное. В других случаях место доминанта может занять особь из той же группы в результате «перераспределения» рангов. Так, в опытах с грызунами было замечено, что в искусственных группировках спонтанно происходит смена доминантов. Новыми доминирующими особями становятся либо равноценные прежним по физиологическим качествам самцы, либо особи «пассивного» типа, не участвующие в борьбе за ранг и потому не подвергающиеся стрессорным влияниям внутригрупповой агрессии. Такие особи способны в какой-то момент вытеснить утомлённого борьбой доминанта. Подобное явление иногда удавалось зарегистрировать и в природе при работе с индивидуально помеченными животными. Одно из следствий перестройки внутренней структуры групп — участие в размножении новых особей и соответствующее усложнение генетической структуры.

Аналогичные явления характерны для многих других видов животных. Во всех случаях биологический смысл перестройки системы доминирования многие исследователи связывают с уменьшением вероятности инбридинга и соответствующего упрощения генетической структуры популяций.

Расселение особей за пределы мест рождения известно для многих животных. Широко известны и различные способы распространения семян растений на расстояния, превышающие возможность опыления в масштабах ценопопуляционных локусов и даже ценопопуляций. Процесс этот может быть пассивным (использование течений, ветра, форические связи в экосистемах), но может быть и активным, которое более характерно для животных.

Расселение молодняка у животных выполняет много функций в жизни популяции: «захват» пространства, повышение вероятности переживания неблагоприятных сезонов, смягчение территориальных отношений и т.д. Наряду с этим, в результате дисперсии в пространстве происходит регулярное «перемешивание» особей в популяции, что облегчает панмиксию и ведёт к обогащению генофонда популяции через снижение уровня инбридинга.

У молодых животных стимул к миграции, по-видимому, закодирован в генетической программе онтогенеза, но часто усиливается внутрисемейной агрессией, возникающей к моменту возмужания молодых. Это хорошо известно для многих видов грызунов, зайцеобразных (пищухи) и других млекопитающих.

У стадных животных эквивалентом расселения служат спонтанные перестройки внутренней структуры групп. Помимо смены вожаков известно и расщепление стад, что по биологическому значению в какой-то степени аналогично «внутрипопуляционным миграциям», характерным для обезьян, а также для некоторых групповых хищников — львов, гиеновых собак и др.

У многих копытных молодые самцы образуют холостяцкие стада, широко кочующие по территории — явление, по биологическому смыслу напоминающее процесс расселения молодняка у оседлых видов.

Мощным фактором, нарушающим случайный, стохастический характер спариваний у высших животных, оказывается избирательность по отношению к половым партнёрам. Половая избирательность может быть выражена в разных формах и неодинаково представлена у самцов и самок, но при всём многообразии форм выполняет три важные биологические функции: предотвращает слишком отдалённые (между видами и подвидами) скрещивания, закрепляет адаптивные свойства в пределах популяции и снижает частоту близкородственных скрещиваний, уменьшающих генетическую гетерогенность популяции. Первая из этих функций относится к процессам микроэволюции, две последние имеют важное экологическое значение: избирательное отношение к потенциальным половым партнёрам способствует устойчивости популяции через поддержание оптимального типа её генетической структуры.

В целом проблема форм и механизмов половой избирательности, особенно направленной на устранение близкородственных скрещиваний, остаётся слабо изученной. Но и имеющаяся уже информация показывает, что подбор генетически несходных половых партнёров имеет существенное значение в поддержании генетической структуры популяций.