После публикации знаменитого Чарльза Дарвина «Происхождения видов» в 1859 году люди больше не воспринимают живые существа как неподвижные и статичные сущности в своей эволюционной истории. Согласно постулату теории естественного отбора, живые существа подвергаются случайным мутациям на протяжении поколений, и некоторые признаки фиксируются из-за их полезности, в то время как другие различаются и со временем исчезают.
Например, особь определенного вида бабочек, может подвергнуться мутации в гене, продуцирующем меланин, во время своего развития и, следовательно, иметь полностью черный цвет. Если этот признак передается по наследству и помогает экземпляру оставаться скрытым в коре деревьев в течение более длительного времени, он будет воспроизводиться больше раз, так как его биологическая способность возрастет. Таким образом, эта черта будет распространяться по популяции, поскольку черная бабочка будет воспроизводить больше, чем белая.
С другой стороны, черный цвет бабочки может легче привлечь внимание хищников, и мутировавшая особь становится жертвой, как только она появляется на свет. В этом случае она сразу погибнет, а вредный ген исчезнет из генофонда популяции.
Основы генетического дрейфа
Как мы уже сказали, Дарвин постулировал в «Происхождении видов» естественный отбор как двигатель эволюции популяций, но интересно знать, что это не единственный в природе механизм, который изменяет аллельные частоты живых существ. У нас также есть генетический дрейф, полностью случайный процесс, который является следствием случайной выборки при воспроизводстве и, в целом, имеет тенденцию уменьшать генетическое разнообразие организмов (гомозиготность).
Допустим, у нас есть мини-популяция из 5 мотыльков, 4 белых и один черный. Оказывается, черный цвет действительно полезен для этого вида, потому что он позволяет превосходно имитировать кору деревьев, но, к сожалению, мутировавший черный экземпляр погибает при столкновении с автомобильным стеклом. Его цвет не имеет ничего общего с его смертью, и, несмотря на то, что он имеет положительный характер, он полностью исчезает с лица земли.
Из-за этой «ошибки выборки» полностью жизнеспособные аллели для определенной популяции могут иногда исчезать, не обращая внимания на логические причины или механизмы естественного отбора. В любом случае следует отметить, что генетический дрейф гораздо сильнее проявляется в небольших популяциях: если бы у нас было 5000 бабочек в указанной популяции и 1000 из них были черными, шансы, что все черные исчезнут случайным образом, намного ниже.
В объяснении генетического дрейфа существенную роль играет гораздо больше концепций. Некоторые из них — частоты аллелей, эффективный размер популяции, потенциальные узкие места и т. д. В любом случае, в оставшихся строках мы сосредоточимся на одной из самых известных причин генетического дрейфа в мире зоологии: эффекте основателя.
Что такое эффект основателя?
Эффект основателя — одна из наиболее очевидных причин механизмов генетического дрейфа, наряду с ограничениями ресурсов в данной среде и эволюционным узким местом. В этом конкретном случае мы говорим о потере генетической информации, когда небольшая часть большой популяции становится независимой от нее в другой местности.
Давайте поищем новый пример, потому что цвет бабочек большего не дает. Теперь предположим, что у нас есть популяция из 200 птиц, которые ежегодно совершают трансатлантические миграции с континента на континент для размножения. По какой-то причине во время одного из таких сложных путешествий 10 из этих птиц отделяются от первоначальной стаи в поисках новой территории и, измученные, ищут убежище на маленьком острове.
Если у этого острова есть необходимые ресурсы и явно не хватает хищников, эти 10 птиц могут поселиться на суше острова и решить не мигрировать. Таким образом, новая популяция из 10 особей была создана из другой, состоявшей из 200. Выборка была полностью случайной, и, следовательно, частота аллелей новых особей может сильно отличаться от ожидаемой в общей популяции.
Например, у 1 из 100 птиц клюв может быть больше, чем у остальных, а у 1 из 50 — зеленый, а не желтый. Если окажется, что в результате случайности 3 из этих птиц-основателей демонстрируют эти черты в общей популяции из 10, более чем возможно, что эти аллели будут зафиксированы в будущих поколениях, несмотря на то, что они не являются «нормой». Таким образом, эффект основателя может привести к закреплению признаков у вида, который, будь это большая популяция, никогда бы этого не сделал.
Эффекты
Как вы понимаете, в зависимости от характеристик «основателей» со временем может возникнуть глубокий разрыв между членами первоначальной популяции и новой. Это становится намного интереснее, если мы примем во внимание, что, кроме того, вполне вероятно, что естественный отбор также действует на аллели основателей иначе, чем те, которые присутствуют в большой популяции.
Если мы продолжим предыдущий пример, станет ясно, что пребывание 10 особей в экзотической среде совсем не похоже на жизнь в группе из 200 особей в континентальной местности. Следовательно, выбранные нетипичные признаки (крупный клюв и зеленый цвет) могут быть полезны в долгосрочной перспективе для тех, кто их носит. Например, нам приходит в голову, что зеленый оттенок может имитировать птицу на верхушках пальм, а большой клюв был бы очень полезен, чтобы сломать кокосы и получить доступ к пище.
Таким образом, в дополнение к «ошибке выборки» самого отбора, возможно, что отбор благоприятствует атипичным генотипам (и фенотипам) с течением времени из-за нового навязывания окружающей среды. Таким образом, потомки основателей будут более экологичными и будут иметь самый высокий статистический уровень, пока не достигнут точки максимальной пригодности для использования своей новой ниши.
В этом конкретном и идеальном сценарии можно было ожидать, что островные колонизаторы в конечном итоге станут подвидом, а позже и своим собственным видом на протяжении веков. Когда представитель островной популяции не может воспроизводиться с другим представителем оригинала. Можно сказать, что оба экземпляра принадлежат, в конечном счете, к разным видам. Это наглядный пример того, как эффект основателя может вызвать видообразование в островной среде.
Мы представили идиллическую обстановку, чтобы вы поняли, что такое эффект основателя, но, к сожалению, природа обычно так не работает. Одна из самых больших слабостей небольших популяций состоит в том, что они склонны к гомозиготности и инбридингу, то есть генетическая изменчивость теряется на протяжении поколений из-за отсутствия незнакомых репродуктивных особей. Таким образом, наиболее вероятно, что популяция из 10 особей никогда не начнется, и если это произойдет, потомство через 3-4 поколения окажется нежизнеспособным.
Также возможно, что по какой-либо причине особь, которая ранее увеличивала эволюционную жизнеспособность, со временем перестает делать это.
Если нет генетического разнообразия (если одни и те же аллели всегда фиксированы), все особи в небольшой популяции будут более или менее одинаково подготовлены к изменениям окружающей среды, поэтому риск исчезновения значительно возрастет. Эффект основателя может способствовать видообразованию, но также и полному исчезновению популяции из-за отсутствия генетического разнообразия.