Природний добір і дрейф генів: зміна генофонду популяції
~20 хв · 9 розділів · 9 тестових запитань
Природний добір спрямовано змінює частоти алелів і формує адаптації, а дрейф генів випадково закріплює чи вилучає алелі в малих популяціях. Розглянь ефекти засновника й «пляшкового горла» та навчися порівнювати дію цих чинників на генофонд за описом ситуації.
Природний добір — центральне поняття синтетичної теорії еволюції. Його визначають як переважне (диференційне) виживання й розмноження особин, які мають спадкові ознаки, корисні в конкретних умовах середовища. Ключове слово тут — «розмноження»: вирішальним є не те, чи особина дожила до старості, а скільки плідних нащадків вона залишила. Саме нащадки успадковують її алелі й передають їх далі.
Добір діє на фенотипи — зовнішні прояви ознак, — але змінює генофонд популяції. Як це відбувається? Уявімо популяцію, в якій є два варіанти (алелі) одного гена: A (корисний за нових умов) і a (нейтральний або шкідливий). Особини з алелем A залишають у середньому більше нащадків, тому частка алеля A в наступному поколінні зростає, а частка a — знижується. Так поступово, покоління за поколінням, змінюється генетичний склад популяції.
Щоб добір міг діяти, необхідні три умови:
спадкові відмінності між особинами (без спадкової мінливості добору нема з чого вибирати);
надлишок нащадків (народжується більше особин, ніж може вижити);
боротьба за існування — конкуренція за ресурси, хижацтво, дія хвороб тощо.
Важливо зрозуміти: спадкова мінливість (мутації та комбінації генів) виникає випадково й ненаправлено. Мутації не з'являються «на замовлення» середовища. Але з цього хаосу випадкових варіантів добір «складає» пристосування — адаптації. У цьому полягає творча роль добору: він не створює нові алелі, а відбирає наявні варіанти й накопичує їх у поколіннях, формуючи складні пристосування.
Пристосованість завжди відносна: вона відповідає тим умовам, у яких діяв добір. Якщо умови змінюються, раніше корисна ознака може втратити значення або навіть стати шкідливою. Це називають відносністю адаптацій (детальніше — у темі «Адаптація: закономірності формування, властивості і відносний характер»).
Добір добре помітний там, де покоління змінюються швидко. Наприклад:
Стійкість бактерій до антибіотиків: коли лікарі застосовують антибіотик, гинуть чутливі бактерії, а поодинокі стійкі мутанти виживають і розмножуються. Згодом уся популяція стає стійкою. Препарат не створює стійкості, а лише відбирає наявних стійких мутантів.
Стійкість комах до інсектицидів (наприклад, ДДТ) — той самий механізм.
Стійкість щурів до отрут — у популяціях, де отруту застосовували роками, зростає частка особин із генами, що забезпечують детоксикацію.
У всіх цих випадках добір змінює частоти алелів спрямовано — у бік кращого пристосування до наявних умов.
Класичний приклад дії природного добору, який можна спостерігати «наживо», — промисловий меланізм березового п'ядуна (Biston betularia). До середини XIX століття в Англії переважала світла форма цього метелика: на світлих стовбурах беріз, укритих лишайниками, її не помічали птахи. Темну форму вперше зафіксували біля Манчестера 1848 року.
Промислова революція змінила умови. Кіптява заводів знищила лишайники на стовбурах і зачорнила кору. Тепер на темному тлі добре помітними стали світлі метелики — птахи частіше скльовували саме їх, а темні залишалися непоміченими й розмножувалися. Наприкінці XIX століття частка темних метеликів біля Манчестера сягнула близько 98 %. Темне забарвлення визначає домінантний алель, тому воно швидко поширилося в популяції.
Чи справді винні птахи? Британський генетик Бернард Кеттлвелл у 1950-х роках провів експеримент: він випускав помічених метеликів обох форм у різних лісах і повторно виловлював їх. У закіптюженому лісі повторно виловлювали більшу частку темних метеликів, у чистому — світлих. Спостереження підтвердили вибіркове поїдання метеликів птахами: виживання форми залежало від того, наскільки вона помітна на конкретному тлі.
Після ухвалення законів про чисте повітря (з 1956 року) викиди скоротилися, лишайники повернулися на стовбури, і частка світлої форми знову зросла. Напрям добору змінився разом з умовами: тепер перевагу отримали світлі метелики.
Головний висновок із цієї історії: добір змінив частоту спадкового темного варіанта, а не створив мутацію «на вимогу» середовища. Дослідження британської форми carbonaria датують мутацію приблизно 1819 роком, тому не можна стверджувати, що цей алель обов'язково існував до промислового забруднення. Темні метелики з'являлися й раніше, але за світлих умов добір їх вилучав; коли умови змінилися, той самий наявний алель став корисним і поширився.
Явище зміни забарвлення тварин у відповідь на промислове забруднення називають промисловим меланізмом. Воно показує, як швидко добір може змінити генофонд популяції, коли умови середовища різко змінюються.
Дрейф генів (термін запропонував американський генетик С. Райт; у працях М. П. Дубініна й Д. Д. Ромашова ці процеси називали генетико-автоматичними) — це випадкові ненаправлені зміни частот алелів у ряду поколінь, не пов'язані з корисністю алелів. Випадковим є те, які особини загинуть, які залишать нащадків і які гамети зустрінуться під час запліднення. Якщо таких випадкових подій багато, частоти алелів «гуляють» самі по собі — незалежно від того, корисний алель чи шкідливий.
Чому дрейф найсильніший у малих популяціях? Порівняймо з підкиданням монети. За 10 підкидань легко отримати співвідношення сторін 7 : 3 — випадковість помітна. А за 10 000 підкидань результат буде майже 50 : 50, бо випадкові відхилення взаємно компенсуються. Так само й у популяціях: у великій популяції випадкові відхилення частот алелів компенсуються, а в малій — накопичуються з покоління в покоління.
Наслідки дрейфу генів
закріплення (фіксація) алеля — його частота сягає 1, тобто алель стає єдиним у популяції;
втрата алеля — його частота падає до 0;
зменшення генетичного різноманіття й частки гетерозигот;
випадкові відмінності між ізольованими малими популяціями одного виду.
Ключова особливість: дрейф може закріпити шкідливий алель і вилучити корисний. Саме тому в малих ізольованих громадах людей окремі спадкові хвороби трапляються значно частіше, ніж у великих популяціях: якщо хвороботворний алель випадково опинився в кількох засновниках ізольованої групи, він може поширитися незалежно від того, що хвороба знижує пристосованість.
Малою популяція буває й тимчасово — на спаді коливань чисельності (популяційних хвиль). Коли чисельність різко падає, частоти алелів змінюються випадково, а збіднений генофонд успадковують нащадки навіть після відновлення чисельності.
Два особливі випадки дрейфу генів — ефект засновника й ефект «пляшкового горла» — часто плутають, хоча механізми в них різні.
Ефект засновника
Кілька особин утворюють нову популяцію й несуть лише вибірку алелів вихідної популяції. Якщо ця вибірка випадкова щодо досліджуваних алелів, їхні частоти в новій популяції можуть відрізнятися від вихідних — без жодного добору. Класичний приклад — ізольована острівна популяція, заснована кількома переселенцями: у ній можуть випадково опинитися рідкісні в материковій популяції алелі.
Ефект «пляшкового горла»
Різке скорочення чисельності популяції залишає малу вибірку генофонду — ніби рідина, що проходить крізь вузьке горло пляшки. Для пояснення змін дрейфом в умові задачі має бути вказана випадковість виживання щодо досліджуваних алелів (наприклад, «незалежно від генотипу випадково вціліло 15 особин»). Після відновлення чисельності втрачені алелі не відновлюються автоматично — генофонд залишається збідненим. При цьому добір може діяти одночасно з дрейфом.
Порівняння природного добору й дрейфу генів
Ознака | Природний добір | Дрейф генів |
|---|---|---|
Спрямованість | є — у бік кращого пристосування до умов | немає — зміни випадкові |
Залежність від корисності ознаки | є — корисні алелі поширюються | немає — може закріпити навіть шкідливий алель |
Розмір популяції | діє в популяціях будь-якого розміру | діє в популяціях будь-якого розміру, але сильніший у малих |
Результат | пристосування, зростання частки корисних алелів | випадкове закріплення або втрата алелів, збіднення генофонду |
Спільне в них те, що обидва змінюють частоти алелів, тобто є чинниками мікроеволюції. У дуже малій популяції дрейф може переважити добір: випадковість «забиває» навіть чітку перевагу корисного алеля.
Як розрізнити чинники в задачі? Шукай маркери в описі. Якщо зміна пов'язана з умовами середовища й корисністю ознаки («темних метеликів рідше помічають птахи») — це добір. Якщо зміна пов'язана з випадковою подією й малою чисельністю («після події незалежно від генотипу випадково вціліло 10 особин») — це дрейф.
Приклад 1. Модель добору на березовому п'ядуні
У навчальній моделі на темне тло саджають рівну кількість світлих і темних паперових метеликів. Птахи частіше поїдають світлих метеликів. Після кількох «поколінь» частка темних метеликів зростає. Який чинник зміни генофонду демонструє ця модель?
Розв'язання: У моделі птахи вибірково поїдають світлих метеликів, бо вони помітніші на темному тлі. Темні метелики залишають більше нащадків, і частка темного алеля зростає. Це класична схема природного добору: різний репродуктивний успіх залежно від фенотипу.
Відповідь: природний добір через різний репродуктивний успіх.
Чому інші варіанти неправильні:
«Цілеспрямована поява потрібних мутацій» — мутації виникають випадково, а не «на замовлення» середовища.
«Успадкування потемніння, набутого за життя» — набуті ознаки не успадковуються (ламаркізм).
«Дрейф генів незалежно від забарвлення» — дрейф випадковий, а тут зміна залежить від помітності, тобто від корисності ознаки.
Приклад 2. Ситуації й чинники (логічні пари)
Установи відповідність між описом ситуації (1–4) і чинником зміни генофонду (А–Д).
1 Нову популяцію ящірок на острові заснували кілька особин, що випадково допливли на колоді; частоти алелів у новій популяції відрізняються від материкової.
2 Із тисячі особин у популяції через виверження вулкана незалежно від генотипу випадково вціліло 15; після відновлення чисельності генофонд збіднів.
3 Після застосування антибіотика вижили лише поодинокі стійкі бактерії; через багато поколінь майже всі бактерії стійкі.
4 Птахи-мігранти залетіли на острів, розмножилися й передали місцевій популяції нові алелі.
А Ефект засновника
Б Ефект «пляшкового горла»
В Природний добір
Г Потік генів (міграція)
Д Мутації (зайве)
Розв'язання: Ситуація 1 — випадкова мала вибірка засновує нову популяцію → ефект засновника (А). Ситуація 2 — різке скорочення чисельності, випадкове виживання → ефект «пляшкового горла» (Б). Ситуація 3 — переважне виживання стійких бактерій через корисну ознаку → природний добір (В). Ситуація 4 — перенесення алелів мігрантами → потік генів (Г).
Відповідь: 1 — А, 2 — Б, 3 — В, 4 — Г.
Приклад 3. Два твердження про дрейф генів
Оціни правильність двох тверджень.
I. Дрейф генів сильніше змінює частоти алелів у малих популяціях, ніж у великих.
II. Дрейф генів закріплює переважно корисні алелі.
Розв'язання: Твердження I правильне — у малих популяціях випадкові відхилення не компенсуються й накопичуються. Твердження II неправильне: дрейф випадковий і не залежить від корисності алеля; він може закріпити як корисний, так і шкідливий алель.
Відповідь: правильне лише I.
Приклад 4. Чим дрейф генів відрізняється від природного добору?
Вибери правильне твердження.
Розв'язання: Основна відмінність дрейфу генів від природного добору — випадковість змін частот алелів, яка не залежить від корисності ознак. Добір спрямовано збільшує частоту корисних алелів, а дрейф може випадково закріпити будь-який алель.
Відповідь: зміни частот алелів випадкові й не залежать від корисності ознак.
Чому інші варіанти неправильні:
«Змінює частоти алелів у популяції» — це спільна риса обох чинників, а не відмінність.
«Спричиняє нові мутації» — ні дрейф, ні добір не створюють мутацій.
«Діє лише у великих популяціях» — навпаки, дрейф сильніший у малих.
Вважають дрейф генів спрямованим, як добір. Насправді дрейф випадковий: він може закріпити навіть шкідливий алель, якщо той випадково опинився в малій популяції.
Вважають, що добір створює потрібні мутації. Насправді мутації виникають випадково, а добір лише змінює частоти наявних алелів: за нових умов одні спадкові варіанти дають більше нащадків, ніж інші.
Пояснюють потемніння березового п'ядуна тим, що метелики «пристосувалися» за життя (засмага) або їх зафарбувала кіптява. Насправді колір спадковий; кіптява лише змінила тло, на якому птахи по-різному помічають метеликів.
Вважають, що дрейф однаково сильний у великих і малих популяціях. Насправді у великих популяціях випадкові відхилення взаємно компенсуються, тому дрейф майже непомітний.
Плутають ефект засновника (нову популяцію засновують кілька особин) з ефектом «пляшкового горла» (різко скоротилася наявна популяція). Різниця в тому, чи утворюється нова популяція, чи скорочується вже наявна.
Вважають, що з відновленням чисельності після «пляшкового горла» відновлюється й генетичне різноманіття. Насправді втрачені алелі не повертаються — генофонд залишається збідненим, якщо не надійдуть нові мутації чи мігранти.
Вважають, що антибіотик «навчає» бактерій стійкості. Насправді антибіотик убиває чутливих бактерій, а стійкі мутанти, які вже існували в популяції, виживають і розмножуються.
Тема природного добору й дрейфу генів належить до теми 5.5 програми НМТ (пункт змісту «фактори зміни генетичної структури популяції»). Від тебе вимагають знати причини й наслідки дрейфу генів і роль природного добору у формуванні адаптацій.
У демоваріанті НМТ-2026 тема 5.5 є основною в завданні № 24 — це вибір однієї відповіді з чотирьох (А–Г) за цитатою з наукової праці, 1 бал. Також вона може бути додатковою в № 23 — за рисунком, де основна тема — 5.4 «Адаптація як загальна властивість біологічних систем».
Логічні пари (завдання 25–28): 1–4 → А–Д, одна буква зайва, за кожну правильну пару 1 бал, максимум — 4 бали. На цю тему таке завдання могло б мати вигляд «ситуація → чинник» (природний добір, дрейф генів, ефект засновника, «пляшкове горло», потік генів).
Стратегія розв'язування:
Шукай маркери. «Корисна в цих умовах ознака, більше нащадків» → природний добір. «Мало особин, випадково вціліли (незалежно від генотипу)» → дрейф генів.
Для ефекту засновника маркер — «утворення нової популяції кількома особинами». Для «пляшкового горла» — «різке скорочення чисельності наявної популяції».
Довідкових матеріалів на НМТ немає — потрібно знати визначення й уміти розрізняти чинники.
Чому дрейф генів майже непомітний у великих популяціях?
У великій популяції випадкові відхилення частот алелів від покоління до покоління взаємно компенсуються, як при багаторазовому підкиданні монети. Чим більша популяція, тим менша похибка вибірки. У малій популяції випадковість не компенсується, і частоти алелів можуть суттєво змінитися за кілька поколінь.
Чи може дрейф генів закріпити шкідливий алель?
Так, може. Оскільки дрейф випадковий і не залежить від корисності алеля, шкідливий алель може випадково опинитися в усіх або майже в усіх особин малої популяції. Саме тому в ізольованих людських громадах частота деяких спадкових хвороб буває набагато вищою, ніж у великих популяціях.
Хіба кіптява не могла прямо зробити метеликів темними?
Ні, кіптява не впливає на колір самих метеликів. Забарвлення березового п'ядуна визначається алелями генів і є спадковим. Кіптява лише змінила колір стовбурів дерев, на яких сидять метелики. На потемнілих стовбурах світлі метелики стали помітнішими для птахів, а темні — менш помітними. Птахи вибірково поїдали світлих метеликів, тому частка темних у популяції зросла.
Чим ефект засновника відрізняється від ефекту «пляшкового горла»?
Ефект засновника виникає, коли кілька особин утворюють нову популяцію (наприклад, на острові). Ефект «пляшкового горла» — коли різко скорочується вже наявна популяція, і залишається мала випадкова вибірка. В обох випадках результатом є збіднення генофонду, але механізми різні: у першому — заснування нової популяції, у другому — різке падіння чисельності наявної.
Чому бактерії так швидко стають стійкими до антибіотиків?
Бактерії мають короткий життєвий цикл, величезну чисельність і високу частоту мутацій. Серед мільярдів бактерій завжди є поодинокі стійкі мутанти. Коли застосовують антибіотик, чутливі бактерії гинуть, а стійкі виживають і швидко розмножуються. За кілька днів чи тижнів уся популяція може стати стійкою. Це не «навчання», а природний добір наявних варіантів.
Природний добір — переважне розмноження носіїв корисних спадкових ознак; змінює частоти алелів спрямовано й формує адаптації.
Добір не створює мутацій, а відбирає наявні: поширення темного варіанта березового п'ядуна зумовлене його перевагою в певних умовах.
Дрейф генів — випадкова зміна частот алелів, найсильніша в малих популяціях.
Наслідки дрейфу: закріплення чи втрата алелів незалежно від корисності, збіднення генофонду.
Ефект засновника — нову популяцію засновують кілька особин; «пляшкове горло» — різко скорочується наявна популяція.
Обидва чинники змінюють генофонд, але спрямований лише добір; у дуже малій популяції дрейф може переважити добір.