Статистика и евгеника Karl Carl Pearson 1857

Статистика и евгеника Karl (Carl) Pearson (1857 – 1936) «Проблема эволюции это статистическая проблема. … Чтобы уверенно истолковывать наши наблюдения, мы должны обратиться к математике больших чисел, к теории массовых явлений. … Разве нельзя спросить, как случилось, что основатель нашей современной теории наследственности* так редко обращался к статистике? …» * — имеется в виду Дарвин (descent theory)

Генетика и менделизм Невозможность отбора по непрерывно изменяющимся признакам. Закон чистоты гамет. Термин «генетика» William Bateson (1861 – 1926) Первые случаи сцепления генов (вместе со своим учеником – Р. Пеннетом)

Мутационная теория Естественный отбор – не нужен. Виды возникают в результате мутационных скачков. Hugo de Vries (1848 – 1935) Естественный отбор не эффективен в чистых линиях. Эффективен ли по количественным признакам? Wilhelm Ludvig Johannsen (1857 – 1927)

Дарвинизм Менделизм Биометрика и статистика Популяционная генетика p 2 + 2 pq + q 2 = 1

Мутационный процесс в природных популяциях • Мутационный процесс происходит в природных популяциях • Большинство мутаций понижают жизнеспособность. • Каждая новая мутация появляется чаще в рецессивном состоянии, что приводит к высокой гетерозиготности долго существующих видов Сергей Сергеевич Четвериков (1880 – 1959)

Ортодоксальные дарвинисты p и q – частоты, n - численность (в отсутствие отбора) Sir Ronald Fisher (1890 – 1961) Скорость уменьшения дисперсии В отсутствие мутаций Edmund Brisco "Henry" Ford (1901 - 1988) => Без отбора и мутаций дисперсия уменьшается чрезвычайно медленно (дрейф – фигня)

Ортодоксальные дарвинисты Теория доминантности: Новые мутации рецессивны Идёт слабый отбор на увеличение приспособленности гетерозигот. Может происходить смена доминирования. Sir Ronald Fisher (доказательство на (1890 – 1961) смородиновой пяденице) Edmund Brisco "Henry" Ford (1901 - 1988)

Менее ортодоксальные дарвинисты Коэффициент отбора Доминантный мутантный ген зафиксируется со скоростью ~2 s. Вообще, число поколений, необходимых для заданного изменения частоты гена, обратно пропорционально интенсивности отбора. John Burdon Sanderson Haldane. Если мутантные аллели сами по себе вредны, (1892 – 1964) но в сочетании приобретают преимущества – «метастабильное состояние» . Отклонение от равновесия более вероятно для небольших популяций.

И ещё более неортодоксальные… На основе больших подразделённых популяций сформулировал «теорию смещающегося равновесия» : I этап – случайный дрейф генов в отдельных демах II этап – массовый отбор внутри дема III этап – отбор между демами. Sewall Green Wright (1889 – 1988) Вид, представляющий большую панмиктическую популяцию, быстро достигает адаптивного плато.

Непосредственные предпосылки теории нейтральности Исходный ген теряет адаптивное значение, а мутантный аллель получает преимущество. Отбор против мутанта в таком случае, вызывает смертность равную D=-2 ln(p), p – исходная частота аллеля. Груз для одной замены равен L(p)=-2 ln(p)+2. Тогда для вида, в котором полмиллиона особей, при нормальной скорости мутирования, груз равен 30. То есть каждый родитель должен оставить e^15 потомков. Что-то тут не так… 木村資生 (1924 – 1994)

Непосредственные предпосылки теории нейтральности Richard Charles Lewontin: для 18 локусов Drosophila pseudoobscura средняя гетерозиготность равно 12%, а полиморфных локусов – 30%. По расчётам Холдейна гетерозиготность должна была быть в пределах 7 -12%, причем по числу локусов, большему 12, одновременно не могут идти процессы замещения. Обычно это не коррелирует условиями окружающей среды. с

Большинство нуклеотидных замен должны быть следствием случайной фиксации селективно нейтральных или почти нейтральных мутаций.

Начало 60 -х Linus Carl Pauling 1901 -1994 Emil Zuckerkandl (1849 -1910)

В начале 1960 -х годов молекулярные биологи определили аминокислотные последовательности других небольших белков таких, как инсулины, разных групп организмов и стало ясно, что дивергенция Linus Carl Pauling последовательностей между 1901 -1994 видами увеличивается с временем дивергенции, но белки разных видов продолжают выполнять ту же функцию, сохраняются постоянными лишь аминокислоты активных центров ферментов Emil Zuckerkandl (1849 -1910)

Нейтральные мутации На тот момент нейтральными могли: • • предполагаться Синонимичные замены Замены в некодирующих участках ДНК Мутации в интронах + (позже) псевдогены Такие мутации фиксируются с гораздо большими скоростями, чем несинонимичные

Нейтральные мутации 根井正利, род 1931

Факторы молекулярной эволюции Дрейф генов (нейтральные мутации) По Кимуре основные Очищающий отбор (вредные мутации) Положительный отбор (полезные мутации – редко)

Случайные факторы, действующие на селективно эквивалентные аллели

БОЛЬШИНСТВО эволюционных замен обусловлено случайным генетическим дрейфом почти эквивалентных мутаций. Существование отбора – отрицательного и положительного – не отвергается.

Критика критики При расчёте груза Кимура вслед за Холдейном предполагал, что все нуклеотидные позиции подвержены естественному отбору. Однако, если принять во внимание то, что не весь геном – гены, и ген – единица эволюции, то оценка не будет выше предела, за которым невозможна теоретически репродукция. Но если принять за единицу аминокислоту – то будет выше.

Почти нейтральная теория

Замечания 1) Различия в приспособленности могут обуславливаться разницей в энергии между синонимичными кодонами. 2) Предполагается наличие вредных мутаций, выметаемых очищающим отбором. Однако, для элиминации вредной мутации нужен определенный селекционный коэффициент (выше определённого порога) 3) Предполагается, что мутация в одном локусе, не влияет на остальные. Однако существуют сети взаимодействий между генами.

Применение теории нейтральности. Поиск отбора. 1)Подсчёт числа синонимичных замен на синонимичный сайт (ds) 2)Подсчёт числа несинонимичных замен на несинонимичный сайт (dn) 3)Нулевая гипотеза dn=ds – нейтральность 4)Если значимо ds>dn – очищающий отбор 5)Если значимо ds

Применение теории нейтральности. Молекулярные часы Сравнение числа замен у разных таксонов, принимая постоянной скорость замен. Таким образом, можно определить филогенетическое расстояние между таксонами. Но! НА САМОМ ДЕЛЕ СКОРОСТЬ НЕПОСТОЯННА.

Итог 1) Менделевская изменчивость + Дарвиновский отбор + математика и статистика => Популяционная генетика 2) Отбор есть. Но он не всесилен. 3) Дрейф есть. И он тоже не всесилен. 4) Мутации есть. И они могут быть нейтральны. Теоретически. 5) Даже если и большинство мутаций не нейтральны, то теория нейтральности – полезная вещь. So… Многие вещи просто происходят. А потом просто случайно меняются. Настолько случайно, насколько они не вредны и не полезны.