Развитие ряда новых методических приемов привело к расширению возможностей генетической инженерии на клеточном уровне. Определяющую роль сыграл метод гибридизации соматических клеток.
В 1960 г. Ж. Барский показал, что соматические клетки животных способны сливаться и объединять генетическую информацию двух родительских клеток. В 1965 г. Г. Харрис обнаружил, что частота гибридизации соматических клеток резко повышается при введении в смесь клеток частиц РНК-содержащего вируса парагриппа типа Сендай, инактивированного ультрафиолетовым светом. Под влиянием частиц вируса происходит слипание клеток и их последующее слияние друг с другом. Оказалось, что в таких условиях возможна гибридизация клеток, происходящих от далеких форм, таких, как клетки крысы и мыши, мыши и человека, раковой клетки и нормальной клетки человека и т. д.
Эксперименты по слиянию клеток коснулись и мира растений. Оказалось возможным получать протопласты клеток растений, обрабатывая в гипертонической среде клетки мезофилла ферментами пектиназой и целлюлазой, действующими на соединительные части листа и клеточные оболочки. В гипертонической среде протопласты клеток растений выглядят как зеленые сферические образования, отделенные от окружающей среды только цитоплазматической мембраной. Эта модель сразу же привлекла к себе пристальное внимание как уникальный материал для изучения генетики растений. Несмотря на то, что культура тканей была разработана задолго до открытия способа культивирования изолированных протопластов, преимущества последней модели очевидны. Протопласты могут быть с высокой эффективностью клонированы на чашках Петри, что открывает подходы в селекции растений с использованием методов генетики микроорганизмов. Для некоторых видов растений (табак„ морковь, томат и др.) из отдельного протопласта после регенерации клеточной оболочки и образования каллуса возможно формирование целого растения
Подобно животным клеткам, обработанным инактивированным вирусом Сеида, протопласты растительных клеток также способны к слиянию. В данном случае в качестве индуктора выступают азотнокислый натрий, полиэтиленгликоль и другие соединения. Однако растительные модели от животных отличает принципиальная возможность клонирования целого растения с суммой признаков родителей из слившихся в единый протопласт двух партнеров по гибридизации. При слиянии клеток разных видов получены соматические, или парасексуальные, гибриды. Для генетической инженерии растительных клеток этот путь открывает большие перспективы.
Клеточный и организменный уровни тесно взаимообусловлены. В текущей время интенсивно разрабатываются методы искусственного оплодотворения яйцеклеток млекопитающих и человека в пробирке и выращивания в этих условиях эмбриона. В модельных опытах с клетками животных стало возможным переносить ядро из одной клетки в другую, обеспечивать слияние в одно целое двух или нескольких эмбрионов на разных стадиях развития, дробить их на два или большее число, включать посторонние клетки в эмбрион и т. д.
Для генетической инженерии на уровне организмов большой интерес представляют случаи получения аллофенных мышей, т. е. особей, содержащих генотипически разные ткани, произошедшие из клеток, полученных от разных родителей. Такие особи с генотипически разнокачественными тканями возникают при вмешательстве на самых ранних стадиях развития. Рождающийся мышонок является аллофенным, он несет ткани от разных родителей, т. е. объединяет их фенотипы. Можне получить аллофенные особи от трех, четырех и большего числа родителей. Аллофенные мыши, составленные из клеток даже гистонесовместимых родителей, развиваются нормально, без иммунных нарушений. Это показывает, что иммунологическая толерантность не просто выражение генотипа животного, она является итогом развития.
Большие перспективы открывает внесение ядра соматических клеток в безъядерные яйцеклетки. Дж. Гердон в 1962 г. в опытах с амфибией Xenopus laevis показал, что пересадка ядра из клеток кишечного эпителия головастиков в яйцеклетки, в которых ядро было убито ультрафиолетовым светом, дает полноценно развитых особей.
В принципе при пересадке в безъядерные яйцеклетки ядер из соматических клеток одной и той же особи мы имеем метод получения клона генотипически тождественных особей. При осуществлении таких приемов для млекопитающих они могут приобрести важнейшее практическое значение. В стадах популяциях крупного рогатого скота, овец и других животных встречаются генотипически уникальные животные особенно высокой продуктивности: с большими удоями молока, густотой и длиной шерсти и т. д. Методами селекции их генотип в целом из-за расщепления не воспроизводим в потомстве. Клонирование посредством пересадки ядер из соматических клеток таких особей, учитывая возможность получения практически неограниченного количества ядер от одного животного, в безъядерные яйцеклетки открыло бы путь к колоссальному повышению производительности в сельском хозяйстве.
Новые возможности для изучения взаимодействия ядра с цитоплазмой на уровне соматических клеток дает метод реконструкции клеток млекопитающих после соединения ядра и цитоплазмы из разных источников. Клетки разделялись на ядро (кариопласт) и на цитоплазму (цитопласт) в присутствии цитохолазина. Меченный ~Н-тимидином кариопласт с помощью инактивированного вируса Сендай был введен в цитопласт. Такие реконструированные клетки размножались.
Разработка методов микрохирургии яйцеклеток создала возможность клонирования млекопитающих. Удаление одного пронуклеуса из оплодотворенного яйца позволило осуществить развитие на базе генома оставшегося гаплоидного пронуклеуса. После удвоениянабора появляются полностью гомозиготные особи. Поскольку такими особями могут быть только самки, так как особи с половыми хромосомами — УУ — погибают, обычное половое размножение при получении клона невозможно. Клонирование может быть достигнуто лишь при повторении процедуры удаления из оплодотворенной яйцеклетки мужского пронуклеуса. Повторяя эту процедуру у потомков, можно получить группу особей, идентичных друг другу по генотипу, подлинно гомозиготных, повторяющих генотип исходного материнского генома, т. е. образовать клон из особей млекопитающих.
Понятие о виде и популяции. Понятие о частотах генов и генотипов. Математические модели в популяционной генетике. Закон Харди - Вайнберга, возможности его применения.
Биологический вид — это совокупность особей, занимающих определенный ареал, имеющих морфологическое, физиологическое, генетическое и поведенческое сходство, свободно скрещивающихся между собой и дающих плодовитое потомство.
Основные критерии вида следующие:
1) репродуктивная и генетическая изоляция — особи одного вида свободно скрещиваются друг с другом и не скрещиваются с особями других видов;
2) морфологический — сходство в строении особей одного вида;
3) физиологический — сходство физиологических процессов у особей одного вида;
4) биохимический — специфика белков и ферментов и сходство обменных процессов у особей одного вида;
5) этологический — сходство поведения у особей одного вида;
6) экологический — сходство условий существования у особей одного вида;
7) географический — одинаковое расселение особей вида на определенной территории.
Особи вида расселены на занимаемой ими территории неравномерно. Вследствие этого вид распадается на более мелкие единицы, относительно изолированные друг от друга. Они называются популяциями.
Популяция- это совокупность особей одного вида, длительно населяющих одну территорию, относительно изолированных от других групп особей этого вида, свободно скрещивающихся между собой и дающих плодовитое потомство.
Совокупность генов популяции называется генофондом. Генофонды популяций составляют генофонд вида. Особи одной популяции имеют разные генотипы (АА, Аа, аа), т.е. обладают генетическим полиморфизмом в отличие от чистых линий, представляющих совокупность однородных гомозиготных особей (либо АА, либо аа). Отбор не может идти в чистых линиях, он идет только в популяциях.
По численности особей популяции могут быть большие и малые.
Большие человеческие популяции включают более 4 тыс. человек.
Малые человеческие популяции подразделяются на демы и изоляты.
Демы имеют численность от 1,5 до 4 тыс. человек. Внутригрупповые браки, в них составляют 80 - 90%, приток генов из других групп — 1 - 2%.
Изоляты — наименьшие популяции людей численностью до 1,5 тыс. человек. Внутригрупповые браки составляют в них свыше 90%, а приток генов из других групп — менее 1%.
Популяции называются панмиксными, если в них происходит случайное, ничем не ограниченное скрещивание между особями, свободный выбор партнера.
Под идеальной популяцией понимают бесконечно большую по численности особей популяцию, которая характеризуется полной панмиксией, отсутствием мутаций и: естественного отбора. Понятно, что в природе такие популяции не существуют, но большие по численности популяции по своим характеристикам приближаются к идеальной.
Изменчивость генофонда может быть описана либо частотами генов, либо частотами генотипов. Если мы знаем соотношение между генотипами и соответствующими им фенотипами, то по частотам наблюдаемых фенотипов мы можем рассчитать частоты соответствующих генотипов.
Частоты аллелей можно рассчитать по частотам генотипов, учитывая, что в гомозиготах содержится по два одинаковых аллеля, а в гетерозиготах – по одному аллелю каждого типа. Таким образом, что бы получить частоту аллелей каждого типа, нужно к частоте индивидуумов, гомозиготных по данному аллелю, прибавить половину частоты гетерозигот по этому аллелю. Если частоты генотипов представить как: гомозиготных (АА) – D, (аа) – R, гетерозиготного (Аа) – H, то частоты аллелей считаются как:
p = D + 1/2 H
q = R + 1/2 H
Одна из причин, по которым генетическую изменчивость популяций часто предпочтительнее описывать, используя частоты аллелей, а не генотипов, состоит в том, что различных аллелей обычно бывает гораздо меньше, чем генотипов. При двух аллелях число возможных генотипов равно трем, при трех аллелях – шести, при четырех – десяти. В общем случае, если число различных аллелей одного локуса равно k, то число возможных генотипов равно k(k + 1)/2.
Закон Харди-Вайнберга дает возможность рассчитать частоты генов и генотипов в ситуациях, когда не все генотипы могут быть выделены фенотипически в результате доминантности некоторых аллелей. В качестве приме-Ра опять обратимся к ФКУ. Предположим, что частота встречаемости гена фКУ (т.е. частота встречаемости аллеля-мутанта) в некой популяции составляет Q = 0,006. Из этого следует, что частота встречаемости нормального аллеля равна р = 1 - 0,006 = 0,994. Частоты генотипов людей, не страдающих Умственной отсталостью в результате ФКУ, составляют р2 = 0,9942= 0,988 ^я генотипа аа и 2pq =2-0,994-0,006 = 0,012 для генотипа аа.
Однако, как мы уже определили, большинство аллелей-мутантов встречаются не у гомозигот (q2= 0,000036), а у гетерозигот (2pq = 0,012). Следовательно, даже тотальная стерилизация умственно отсталых приведет лишь < незначительному снижению частоты аллеля-мутанта в популяции: в дочернем поколении частота умственной отсталости будет примерно такой же, как в исходном поколении. Для того чтобы существенно снизить частоту встречаемости аллеля-мутанта, диктатору и его потомкам пришлось бы осуществлять подобного рода отбор или стерилизацию на протяжении многих поколений.
Как уже отмечалось, закон Харди-Вайнберга имеет две составляющие, из которых одна говорит о том, что происходит в популяции с частотами аллелей, а другая — с частотами генотипов, содержащих данные гены, при переходе от поколения к поколению. Напомним, что равенство Харди-Вайнберга не учитывает воздействия множества внутренних и внешних факторов, определяющих состояние популяции на каждом шагу ее эволюционного развития. Закон Харди-Вайнберга выполняется, когда в популяции: 1) отсутствует мутационный процесс; 2) отсутствует давление отбора; 3) популяция бесконечно велика; 4) популяция изолирована от других популяций и в ней имеет место панмиксия. Обычно процессы, определяющие состояние популяции, разбиваются на две большие категории — те, которые влияют на генетический профиль популяции путем изменения в ней частот генов (естественный отбор, мутирование, случайный дрейф генов, миграция), и те, которые влияют на генетический профиль популяции путем изменения в ней частот встречаемости определенных генотипов (ассортативный подбор супружеских пар и инбридинг). Что же происходит с частотами аллелей и генотипов при условии активизации процессов, выступающих в роли «природных нарушителей» покоя популяций?
Математические модели популяционной генетики количественно характеризуют динамику распределения частот генов в эволюционирующей популяции [1-4,6,8]. Есть два основных типа моделей: 1) детерминистические модели и 2) стохастические модели.
Детерминистические модели предполагают, что численность популяции бесконечно велика, в этом случае флуктуациями в распределении частот генов можно пренебречь, и динамику популяции можно описать в терминах средних частот генов.
Стохастические модели описывают вероятностные процессы в популяциях конечной численности.
Здесь мы кратко охарактеризуем основные уравнения и математические методы популяционной генетики. Наше изложение будет основываться на рассмотрении наиболее характерных примеров. Уравнения моделей мы будем приводить в основном в демонстрационных целях – без вывода, с пояснением смысла этих уравнений; тем не менее, мы будем приводить ссылки на литературу, в которой сделаны соответствующие математические выводы.
2.1. Детерминистические модели
Рассмотрим популяцию диплоидных1) организмов, которые могут иметь несколько аллелей2) A1, A2,..., AK в некотором локусе3). Мы предполагаем, что приспособленности организмов определяются в основном рассматриваемым локусом. Обозначая число организмов и приспособленность генной пары Ai Aj через nij и Wij, соответственно, мы можем определить частоты генотипа и гена Pij и Pi, а также средние приспособленности генов Wi в соответствии с выражениями [1,2,4]:
Pij = nij /n, Pi = S j Pij, и Wi =Pi-1 S j Wij Pij, (1)
где n – численность популяции, индекс i относится к классу организмов {Ai Aj}, j = 1,2,..., K, которые содержат ген Ai. Популяция предполагается панмиктической4): при скрещивании новые комбинации генов выбираются случайным образом из всей популяции.
Для панмиктической популяции приближенно справедлив принцип Харди-Вайнберга [1]:
Pij =Pi Pj, i, j = 1,..., K. (2)
Уравнение (2) означает, что во время скрещивания генотипы формируются пропорционально частотам генов.
Эволюционная динамика популяции в терминах частот генов Pi может быть описана следующими дифференциальными уравнениями [1,2,4]:
dPi /dt = Wi Pi - <W> Pi - S j uji Pi + S j uij Pj, i = 1,..., K, (3)
где t – время, <W> = S ij Wij Pij – средняя приспособленность в популяции; uij – параметры, характеризующие интенсивности мутационных переходов Aj --> Ai, uii =0 (i, j = 1,..., K). Первое слагаемое в правой части уравнения (3) характеризует отбор организмов в соответствии с их приспособленностями, второе слагаемое учитывает условие S i Pi = 1, третье и четвертое слагаемые описывают мутационные переходы.
Отметим, что подобные уравнения используются в модели квазивидов [5], см Лекция 2
Пренебрегая мутациями, мы можем анализировать динамику генов в популяции посредством уравнений:
dPi /dt = Wi Pi - <W> Pi, i = 1,..., K. (4)
Используя (1), (2), (4), можно получить (при условии, что величины Wij постоянны), что
скорость роста средней приспособленности пропорциональна дисперсии приспособленности V = S i Pi (Wi - <W>)2 [1,3]:
d<W>/dt = 2 S i Pi (Wi - <W>)2. (5)
Таким образом, средняя приспособленность – неубывающая величина. В соответствии с (4), (5), величина L = Wmax - <W> есть функция Ляпунова для рассматриваемой динамической системы (Wmax – локальный или глобальный максимум приспособленности, в окрестности которого рассматривается динамика популяции) [3]. Это означает, что величина L всегда уменьшается до тех пор, пока не будет достигнуто равновесное состояние (dPi /dt = 0).
Уравнение (5) характеризует фундаментальную теорему естественного отбора (Р.Фишер,1930), которая в нашем случае может быть сформулирована следующим образом [3]:
"В достаточно большой панмиктической популяции, наследование в которой определяется одним n-аллельным геном, а давление отбора, задаваемое Wij, постоянно, средняя приспособленность популяции возрастает, достигая стационарного значения в одном из состояний генетического равновесия. Скорость изменения средней приспособленности пропорциональна аддитивной генной дисперсии и обращается в нуль при достижении генетического равновесия."
Описанная модель – простой пример модели, использующей детерминистический подход. В рамках этого подхода был разработан широкий спектр аналогичных моделей, которые описывают различные особенности динамики генных распределений, например, учитывают несколько генных локусов, возраст особей, число мужских и женских особей, пространственную миграцию особей, подразделение популяции на субпопуляции и т.п. Многие из моделей и расчетов были предназначены для интерпретации конкретных генетических экспериментальных данных [1,3,4].
2.2. Стохастические модели
Детерминистические модели позволяют эффективно описывать динамику распределения генов в эволюционирующих популяциях. Однако эти модели основаны на предположении бесконечного размера популяции, которое является слишком сильным для многих реальных случаев. Чтобы преодолеть это ограничение, были разработаны вероятностные методы теоретической популяционной генетики [1,3,4,6-8]. Эти методы включают анализ с помощью цепей Маркова (в частности, метод производящих функций) [4,7], и диффузионные [1,3,4,6,8] методы.
Ниже мы кратко рассмотрим основные уравнения и характерные примеры применения диффузионного метода. Этот метод достаточно нетривиален и его применение приводит к достаточно содержательным результатам.
2.2.1. Прямое и обратное уравнения Колмогорова
Рассмотрим популяцию диплоидных организмов с двумя аллелями A1 и A2 в некотором локусе. Численность популяции n предполагается конечной, но достаточно большой, так что частоты гена могут быть описаны непрерывными величинами. Мы также предполагаем, что численность популяции n постоянна.
Введем функцию j = j (X,t|P,0), которая характеризует плотность вероятности того, что частота гена A1 равна X в момент времени t при условии, что начальная частота (в момент t = 0) была равна P. В предположении малого изменения частот генов за одно поколение, динамика популяции может быть описана приближенно следующими дифференциальными уравнениями в частных производных [1,3,4,8]:
¶ j /¶ t = - ¶ (Md X j)/¶ X + (1/2)¶ 2(VdX j)/¶ X 2, (6)
¶ j/¶ t = Md P ¶ j /¶ P + (1/2)Vd P ¶ 2j/¶ P 2, (7)
где Md X, Md P и VdX, Vd P – средние значения и дисперсии изменения частот X, P за одно поколение, соответственно; единица времени равна длительности одного поколения. Уравнение (6) есть прямое уравнение Колмогорова. (В физике это уравнение называют уравнением Фоккера-Планка), уравнение (7) – обратное уравнение Колмогорова.
Первые слагаемые справа в уравнениях (6), (7) описывают давление отбора, которое обусловлено разностью приспособленностей генов A1 и A2. Вторые слагаемые характеризуют случайный дрейф частот, который обусловлен флуктуациями в популяции конечной численности.
Используя уравнение (6), можно определять динамику частот генов во времени. Уравнение (7) позволяет оценивать вероятности фиксации генов.
Предполагая, что 1) приспособленности генов A1 и A2 равны 1 и 1 - s, соответственно и 2) вклады генов в приспособленности генных пар A1 A1, A1 A2 и A2 A2 аддитивны, можно получить, что величины Md X, Md P и VdX, Vd P определяются следующими выражениями [1,3,4,8]:
Md X = sX(1-X), Md P = sP(1-P), Vd X = X(1-X)/(2n), Vd P = P(1-P)/(2n). (8)
2.2.2. Случай чисто нейтральной эволюции
Если эволюция чисто нейтральная (s = 0), то уравнение (6) принимает вид:
¶ j/¶ t = (1/4n)¶ 2[X(1-X)j]/¶ X 2. (9)
Это уравнение было решено аналитически М. Кимурой [1,6]. Само решение имеет сложный вид, основные результаты этого решения сводятся к следующему: 1) в конечной популяции фиксируется только один ген (A1 либо A2); 2) типичное время перехода от начального распределения к конечному составляет величину порядка 2n поколений. Отметим, что этот результат согласуется с оценками лекции 4, где была рассмотрена несколько иная модель "чисто нейтральной" эволюции.
2.2.3. Вероятность фиксации гена
Используя уравнение (7), мы можем оценить вероятность фиксации гена A1 в конечной популяции. Действительно, рассматривая асимптотику при времени, стремящемся к бесконечности (t --> inf), мы можем положить ¶ j /¶ t = 0 и X = 1; тогда аппроксимируя вероятность u(P), которую нужно найти, величиной u(P) = j (1, inf |P,0)/(2n) (здесь u(P) = j(1, inf |P,0)DX, где DX = 1/2n – минимальный шаг изменения частоты в популяции, см. также [3] для более строгого рассмотрения) и комбинируя (7), (8), мы получаем:
s du /dP + (1/4n) d 2u /dP 2 = 0. (10)
Решая это простое уравнение при естественных граничных условиях: u (1) = 1, u (0) = 0, мы получим вероятность фиксации гена A1 в конечной популяции [1,3,6]:
u(P) = [1 - exp (- 4nsP)] [1 - exp (- 4ns)]-1. (11)
Выражение (11) показывает, что если 4ns < < 1, то имеет место нейтральная фиксация гена: u(P) » P, если 4ns > > 1, то отбирается предпочтительный ген A1: u(P) » 1; размер популяции nc ~ (4s)-1 есть граничное значение, разделяющее области "нейтрального" и "селективного" отбора.
Итак, математические методы популяционной генетики описывают динамику частот генов в эволюционирующих популяциях. Детерминистические методы используются при описании динамики частот в среднем; стохастические методы учитывают флуктуации в популяциях конечной численности.
Методы изучения природных популяций. Факторы динамики генетического состава популяции (дрейф генов), мутационный процесс, межпопуляционные миграции, действие отбора.
Основные факторы генетической эволюции в популяциях - С. С. Четвериков, Р. Фишер, С. Райт, Н. II. Дубинин, Д. Д. Ромашов и др. заложили основы современных идей о факторах, определяющих генетическую эволюцию популяций. Использование формул Харди - Вайнберга позволяет рассчитать генетический состав в популяции в данный момент и определить тенденции его изменений в ряду поколений. В целом популяции видов испытывают постоянную эволюцию их генетической структуры. Основными факторами такой эволюции являются:
1) мутации; 2) отбор (естественный и искусственный); 3) генетико-автоматические процессы, или, по-другому, дрейф генов - процессы чисто случайных изменений концентраций аллелей или зависимых от других генетических процессов - сопряженный дрейф аллелей; 4) миграции - естественные процессы смешения популяций или искусственное скрещивание друг с другом разных пород, сортов и видов.
С. С. Четвериков, Р. Фишер, С. Райт, Н. II. Дубинин, Д. Д. Ромашов и др. заложили основы современных идей о факторах, определяющих генетическую эволюцию популяций. Использование формул Харди - Вайнберга позволяет рассчитать генетический состав в популяции в данный момент и определить тенденции его изменений в ряду поколений. В целом популяции видов испытывают постоянную эволюцию их генетической структуры. Основными факторами такой эволюции являются:
1) мутации;
2) отбор (естественный и искусственный);
3) генетико-автоматические процессы, или, по-другому, дрейф генов - процессы чисто случайных изменений концентраций аллелей или зависимых от других генетических процессов - сопряженный дрейф аллелей;
4) миграции - естественные процессы смешения популяций или искусственное скрещивание друг с другом разных пород, сортов и видов.
1. Мутации изменяют частоту генов в популяциях. Частота мутирования гена — 10-5 – 10-7 на поколение. Учитывая большое количество генов у человека (порядка 30 0000), до 6% его гамет несут мутантные гены. Доминантные мутации проявляются уже в первом поколении и сразу же подвергаются действию естественного отбора. Рецессивные мутации (возникают значительно чаще) сначала накапливаются в популяции и только с появлением рецессивных гомозигот начинают проявляться фенотипически и подвергаться действию естественного отбора.
Насыщенность природных популяций рецессивными мутациями называется генетическим грузом и имеет большое значение для выживания вида. Генетическим грузом в человеческих популяциях объясняется появление до 5% потомков с генетическими дефектами. Накопление мутантных аллелей способствует комбинативной изменчивости, приводящей к генетической гетерогенности (генетическому полиморфизму) природных популяций. Средняя степень гетерозиготности в популяциях растений составляет 17%, у беспозвоночных — 13,4%, у позвоночных — 6,6%, у человека — около 6,7%. Мутационный процесс обеспечивает разнообразие эволюционного материала.
2. Дрейф генов - это случайные колебания частот генов в малых популяциях. Предположим, что на необитаемый остров попало зерно гетерозиготного самоопыляемого растения. Исходная популяция будет состоять на 100% из гетерозиготных особей (Аа). В первом поколении уже будет содержаться только 50% гетерозиготных особей: Р: Аа х Аа, F1 будет: АА + 2Аа + аа. Гомозиготы (АА и аа) дадут только гомозиготных потомков, а гетерозиготы — расщепление 1:1 (поровну гомо- и гетерозигот), поэтому в F2 уже будет 25% гетерозигот.
3. Изоляция - это ограничение свободы скрещивания. Она способствует дивергенции — разделению популяций на отдельные группы и изменению частот генотипов. Различают географический (горные хребты, реки, проливы и т.п.), генетический (неполноценность гибридов, различные наборы хромосом), экологический (различные экологические ниши, размножение при разных температурах) и морфофизиологический (различия в строении половых органов) типы изоляции. В человеческих популяциях наиболее существенной является эколого-этологическая изоляция, включающая религиозные и морально-этические ограничения браков. В малых человеческих популяциях (демах, изолятах) наблюдаются дрейф генов и инбридинг (родственные браки). Эти браки нежелательны, они приводят к инбредной депрессии, так как у родственников высокая степень вероятности гетерозиготности по одному и тому же рецессивному патологическому гену. Например, частота больных фенилкетонурией при неродственных браках составляет 1:15000, а при родственных — 1:7000, альбинизмом — 1:40000 и 1:3000 соответственно.
Мерой генетических последствий инбридинга служит коэффициент инбридинга - это вероятность того, что у какой-либо особи в данном локусе окажутся два аллеля, идентичные по происхождению. У детей одной супружеской пары вероятность одинаковых аллелей в одном локусе равна 1/2. У их детей эта вероятность становится 1/4 (1/2xl/2). При вступлении в брак двоюродных сибсов коэффициент инбридинга равен 1/16 (1/4х l/4).
Аутбридииг — неродственные браки. Они поддерживают высокий уровень гетерозиготности. Повышению гeтерозиготности человеческих популяций способствует миграция, масштабы которой огромны особенно в последний десятилетия. Иммиграция поставляет новые аллели или новые комбинации генотипов, а эмиграция изменяет со отношение различных генотипов в популяции. Повышение уровня гетерозиготности является одной из причин акселерации (ускорения развитияи повышения массы тела и роста людей).
4. Естественный отбор элиминирует из популяции менее удачные комбинации генов и избирательно сохраняет более удачные генотипы, тем самым, изменяя частоту генов в популяциях.
Интенсивность естественного отбора даже в современных человеческих популяциях довольно высокая: спонтанные аборты составляют примерно 50% всех зачатий; мертворождения — 3%; ранняя детская смертность— 2%; не вступают в брак около 20% людей; примерно 10% браков бесплодны. Таким образом, около 75% людей не вносят свой вклад в генофонд будущих поколений.
Помимо естественного отбора в популяциях (в том числе и человеческих) может действовать и контротбор — это отбор неблагоприятных в обычных условиях среды признаков. Например, в странах Западной Африки частота патологического гена серповидно-клеточной анемии довольно высока, в то время как в странах умеренного климата он не встречается. Такая распространенность данного гена объясняется устойчивостью гетерозигот к тропической малярии. Гомозиготы по гемоглобину А (АА) имеют нормальный гемоглобин А, способный связывать и переносить кислород, но болеют и умирают от тропической малярии. Гомозиготы рецессивные (аа) болеют серповидно-клеточной анемией, их гемоглобин 8 не связывает кислород и они погибают в раннем детском возрасте от его недостатка. Гетерозиготы (Аа) содержат и гемоглобин А (переносит кислород) и гемоглобин S (обеспечивает устойчивость к тропической малярии) и выживают в эндемичных по тропической малярии зонах.