Кіріспе
Генетикалық өзгерісті бір популяциядан екінші популяцияға беру – популяциялық генетикада ген ағыны (көші-қон және аллель ағыны деп те аталады) генетикалық материалды бір популяциядан екінші популяцияға беру болып табылады. Егер ген ағынының қарқыны жеткілікті жоғары болса, екі популяцияның аллель жиіліктері теңеседі де, оларды бір тиімді популяция деп қарастыруға болады. Дрейфке байланысты популяциялардың айырылуына жол бермеу үшін "бір ұрпаққа бір мигрант" жеткілікті екені дәлелденді. Іріктеу қысымы жеткілікті күшті болса, популяциялар аллель алмасып тұрған жағдайда да іріктеу нәтижесінде айырылуы мүмкін. Ген ағыны – популяциялар арасындағы генетикалық әртүрлілікті таратудың маңызды механизмі. Мигранттар аллель жиіліктерін (геннің белгілі бір вариантының қанша пайыз екенін) өзгерту арқылы популяциялар арасындағы генетикалық әртүрліліктің таралуын өзгертеді. Ген ағынының жоғары қарқыны екі топ арасындағы генетикалық айырмашылықты азайтып, біртектілікті арттырады. Кейбір жағдайларда, ген ағынына алып келетін таралу, түрдің немесе популяцияның гендік қорына жаңа генетикалық варианттардың қосылуына (адаптивті интрогрессия) оңтайлы іріктеу арқылы әкелуі мүмкін. Әртүрлі популяциялар арасындағы ген ағынының қарқынына әсер ететін бірнеше фактор бар. Ген ағынының қарқыны аз қозғалатын, фрагменттелген ортада тіршілік ететін, популяциялар арасындағы қашықтықтары үлкен және популяция мөлшері шағын түрлерде төмен болады деп күтіледі. Қозғалыс таралу қарқынында маңызды рөл атқарады, өйткені жоғары қозғалысқа ие жеке тұлғалардың көшіп кету мүмкіндігі жоғары. Жануарлар өсімдіктерге қарағанда көбірек қозғалатын болса да, гүл тозаңдары мен тұқымдар жануарлар, су немесе жел арқылы үлкен қашықтыққа тасымалдануы мүмкін. Ген ағыны шектелген жағдайда, популяция ішіндегі туысқа бастық көбейту (инбридинг) артады, бұл инбридинг коэффициенті (F) арқылы өлшенеді. Мысалы, көптеген арал популяциялары географиялық оқшаулану мен шағын популяция мөлшеріне байланысты ген ағынының төмен деңгейін көрсетеді. Қара аяқты тау қасқыры Австралия жағалауындағы әртүрлі аралдарда тіршілік ететін, туысқа бастық көбейтуге бейім бірнеше популяцияға ие. Популяцияның оқшаулануы соншалық, ген ағынының болмауы туысқа бастық көбейтудің жоғары деңгейіне әкелді.
In population genetics, gene flow (also known as migration and allele flow) is the transfer of genetic material from one population to another. If the rate of gene flow is high enough, then two populations will have equivalent allele frequencies and therefore can be considered a single effective population. It has been shown that it takes only "one migrant per generation" to prevent populations from diverging due to drift. Populations can diverge due to selection even when they are exchanging alleles, if the selection pressure is strong enough. Gene flow is an important mechanism for transferring genetic diversity among populations. Migrants change the distribution of genetic diversity among populations, by modifying allele frequencies (the proportion of members carrying a particular variant of a gene). High rates of gene flow can reduce the genetic differentiation between the two groups, increasing homogeneity. In some cases dispersal resulting in gene flow may also result in the addition of novel genetic variants under positive selection to the gene pool of a species or population (adaptive introgression.) There are a number of factors that affect the rate of gene flow between different populations. Gene flow is expected to be lower in species that have low dispersal or mobility, that occur in fragmented habitats, where there is long distances between populations, and when there are small population sizes. Mobility plays an important role in dispersal rate, as highly mobile individuals tend to have greater movement prospects. Although animals are thought to be more mobile than plants, pollen and seeds may be carried great distances by animals, water or wind. When gene flow is impeded, there can be an increase in inbreeding, measured by the inbreeding coefficient (F) within a population. For example, many island populations have low rates of gene flow due to geographic isolation and small population sizes. The Black Footed Rock Wallaby has several inbred populations that live on various islands off the coast of Australia. The population is so strongly isolated that lack of gene flow has led to high rates of inbreeding.
Гендер ағынын өлшеу
Популяциялар арасындағы гендер ағыны деңгейін жеке тұлғалардың таралуын бақылау және олардың көбейтуге қабілеттілігін тіркеу арқылы бағалауға болады. Бұл тікелей әдіс тек кейбір организмдер үшін ғана қолайлы, көбінесе популяциялық сынамалар арасындағы аллель жиіліктерін салыстыру арқылы гендер ағынын анықтайтын жанама әдістер қолданылады. Бұл формула популяциялар арасындағы жалпы молекулалық маркерлік өзгешеліктің үлесін есептейді, ол локустар бойынша орташа есептелген. Егер бір ұрпаққа бір мигрант келсе, инбридинг коэффициенті 0,2-ге тең болады. Бірақ, егер бір ұрпаққа 1-ден аз мигрант келсе (миграция болмаса), инбридинг коэффициенті тез өсіп, фиксация мен толық дивергенцияға ( = 1) әкеледі. Көбінесе кездесетін көрсеткіш < 0,25. Бұл миграция болып жатыр дегенді білдіреді. Популяция құрылымының өлшемдері 0-ден 1-ге дейін ауытқиды. Гендер ағыны миграция арқылы жүргенде, инбридингтің зиянды әсерлері азайтылуы мүмкін. Себебі Ulmus pumila желмен тозаңданады, ал кейбір өсімдіктер жәндіктер арқылы тозаңданады. Түрлер бір ортада тіршілік ете алады, бірақ репродуктивтік тосқауылдар, фрагментация, арнайы тозаңдаушылар немесе шектеулі гибридтеу немесе сәйкессіз гибридтердің пайда болуы салдарынан гендер ағыны өте шектеулі болуы мүмкін. Криптикалық түрлер – генетикалық әдістерді қолданбастан, адамдардың айта алмайтын түрлер. Сонымен қатар, гибридтік және жабайы популяциялар арасындағы гендер ағыны генетикалық ластану, ұқсас жұптасу және гетерозис арқылы генетикалық әртүрліліктің жоғалуына әкелуі мүмкін. Адам популяцияларында генетикалық айырмашылықтар каста, этникалық топ, әдет-ғұрыптар мен дін арасындағы айырмашылықтарға байланысты эндогамиядан да туындауы мүмкін.
Генетикалық құтқару
Гендер ағыны жойылып кету қаупі төнген түрлерге көмек көрсету үшін де пайдаланылуы мүмкін. Түрдің популяциясы шағын болғанда, ішкі селекция қаупі артады және генетикалық әртүрліліктің жоғалуына осалдық танытады. Мұндай популяциялар туыс емес жекелерінің енгізілуінен үлкен пайда көреді, ішкі селекция деңгейін төмендетіп, мүмкін болса популяцияның санын арттырады. Бұл Drosophila melanogaster-дің екі "мойын тұсы" штаммымен зертханада көрсетілді, онда екі популяция арасындағы будандастыру ішкі селекцияның салдарына кері әсер етті және бір ғана емес, екі ұрпақта да тірі қалу мүмкіндігін арттырды.
Генетикалық ластану
Адам қызметі, мысалы, түрлердің қозғалысы және ландшафтты өзгерту генетикалық ластануға, будандастыруға, интрогрессияға және генетикалық батпаққа алып келуі мүмкін. Бұл процестер енгізілген өсімдіктер мен жануарлардың сандық және/немесе тіршілік әрекеттерінің артықшылығы нәтижесінде жергілікті генотиптердің біртектіленуіне немесе ауыстырылуына әкелуі мүмкін. Жергілікті емес түрлер будандастыру және интрогрессия арқылы, сондай-ақ адамның мақсатты түрде енгізуі немесе бұрын оқшауланған түрлерді байланысқа келтіретін тіршілік ортасын өзгерту арқылы жергілікті өсімдіктер мен жануарларды жойылу қаупіне тікелей ұшыратуы мүмкін. Бұл құбылыстар, әсіресе арал және материктік түрлердің арасында кездесетін сирек түрлер үшін зиянды болуы мүмкін. Түрлер арасындағы шағылысу сирек кездесетін түрлердің гендік қорын "батпаққа" айналдыруы мүмкін, нәтижесінде жергілікті популяцияны ығыстыратын гибридтер пайда болады. Бұл табиғи іріктеу және генетикалық дрейф сияқты эволюциялық күштердің тікелей салдары болып табылады, бұл пайдалы қасиеттердің көбеюіне және біртектіленуге әкеледі. Бұл құбылыстың көлемі әрқашан сыртқы түрінен анық көрінбейді. Кез келген қалыпты эволюцияның барысында гендер ағынының белгілі бір деңгейі орын алғанымен, интрогрессиямен немесе онсыз будандастыру сирек кездесетін түрлердің өмір сүруіне қауіп төндіруі мүмкін. Мысалы, Маллард – көптеген басқа қаздармен оңай шағылысатын және кейбір түрлердің сақталуын қауіпке тікейтін қаздың кең таралған түрі.
Қалалық даму
Қалалық популяциялардың гендер ағынына урбанизацияның әсер етуінің екі негізгі моделі бар. Біріншісі – мекендік фрагментация, сондай-ақ қалалық фрагментация деп аталады, онда мекенді бұзатын немесе бөлік-бөлік ететін ландшафт өзгерістері генетикалық әртүрлілікті азайтады. Екіншісі – қалалық жеңілдету моделі деп аталады, және кейбір популяцияларда антропогендік ландшафт өзгерістері гендер ағынын қамтамасыз етеді деп ұсынады. Қалалық жеңілдету гендер ағынымен байланысты популяцияларды біріктіреді, оқшаулануды азайтады және әдетте мұндай геномдық құрамы болмайтын аймаққа гендер ағынын арттырады. Қалалық жеңілдету әртүрлі жолдармен жүзеге асуы мүмкін, бірақ көптеген механизмдер бұрын бөлектелген түрлерді тікелей немесе жанама түрде байланысқа келтіруді қамтиды. Қалаландыру арқылы мекендік ортаны өзгерту мекендік фрагментацияға әкеледі, бірақ сонымен қатар кедергілерді жойып, екі бұрын бөлектелген түрді байланыстыратын жол немесе дәліз жасай алады. Бұл тиімділігі түрдің таралу қабілетіне және әртүрлі ортаға бейімделу қабілетіне, антропогендік құрылымдарды пайдаланып саяхаттауға байланысты. Адамның тудырған климаттық өзгерістері – оңтүстікте мекендейтін жануарларды салқындатылған температураға қарай солтүстікке қарай ығыстырудың тағы бір механизмі, онда олар бұрынғы ареалдарында болмаған басқа популяциялармен қарым-қатынасқа түседі. Тікелейірек айтқанда, адамдар жаңа ортаға жергілікті емес түрлерді енгізеді, бұл ұқсас түрлердің гибридтесуіне әкелуі мүмкін. Бұл қалалық жеңілдету моделі адам денсаулығына зиян келтіретін батыс қара жесір кенесінде (Latrodectus hesperus) сынақтан өтті. Майлз және авторлар тобы қалалық және ауылдық кене популяцияларындағы геномдық деңгейдегі жалғыз нуклеотидтік полиморфизмнің өзгеру деректерін жинады және ауылдық популяциялармен салыстырғанда қалалық батыс қара жесір кенесінде гендер ағынының жоғарылағанын анықтады. Сонымен қатар, бұл кенелердің геномдары қалалық популяцияларға қарағанда ауылдық популяцияларда көбірек ұқсас болды, бұл Батыс қара жесір кенесінің қалалық популяцияларындағы жоғары әртүрлілікті және, демек, бейімделуді көрсетеді. Фенотиптік тұрғыдан алғанда, қалалық кенелер ірі, қара және агрессивті, бұл қалалық ортада тіршілік етуге мүмкіндік береді. Бұл нәтижелер қалалық жеңілдетуді қолдайды, өйткені бұл кенелер ауылдық ортамен салыстырғанда қалалық ортада жылдам таралып, әртараптануға қабілетті. Алайда, бұл гендер ағынын арттырғанмен, қалалық жеңілдетудің әрқашан ортаға пайдалы емес екендігінің мысалы, өйткені батыс қара жесір кенесінде өте улы у бар, сондықтан адам денсаулығына қауіп төндіреді. Қалалық жеңілдетудің тағы бір мысалы – АҚШ-тың солтүстігі мен Канаданың оңтүстігіндегі көшіп жүретін бобкаттар (Lynx rufus). Marrote және авторлар тобы Ұлы көлдер аймағындағы бобкаттардағы он төрт түрлі микросателлиттік локустарды секвенциялады және географиялық бойламасының антропогендік ландшафт өзгерістерімен және бобкат популяциясының гендер ағынымен өзара әрекеттесетінін анықтады. Жер бетіндегі температураның жоғарылауы бобкат популяциясын солтүстікке қарай жылжытса, адамның белсенділігінің артуы бобкаттардың солтүстікке қарай көшіп кетуіне де мүмкіндік береді. Адамның белсенділігінің артуы жолдар мен қозғалыстың көбеюіне әкеледі, бірақ сонымен қатар жолдарды күтіп ұстау, аралау және қарды тығыздау артады, бұл бобкаттардың жүруіне қолайлы жағдай жасайды. Бобкаттардың көші-қон жолдарына антропогендік әсер гендер ағынына арналған дәлізді ашу арқылы қалалық жеңілдетудің мысалы болып табылады. Алайда, оңтүстік ареалда жолдар мен қозғалыстың көбеюі орманды жабындының азаюымен байланысты, бұл бұл аймақтар арқылы бобкат популяциясының гендер ағынын тежейді. Біраз ирониялық жайт, бобкаттардың солтүстікке қарай қозғалысы адамның тудырған жаһандық жылынудан туындайды, бірақ сонымен қатар солтүстік ареалдардағы адамның белсенділігінің артуымен мүмкін болады, бұл бұл мекендерді бобкаттар үшін қолайлы етеді. Қалалық жеңілдетудің салдары түрлерге қарай әртүрлі болады. Қалалық жеңілдетудің оң әсері гендер ағыны жақсарғанда, жақсы бейімделуді қамтамасыз ететін және пайдалы аллельдерді енгізген кезде пайда болуы мүмкін, бұл биологиялық әртүрлілікті арттырады. Бұл табиғатты қорғау үшін маңызды: мысалы, қалалық жеңілдету жойылып бара жатқан тарантула түріне пайда әкеледі және популяцияның өсуіне көмектеседі. Теріс әсерлер гендер ағыны бейімделуге жарамсыз болғанда және пайдалы аллельдердің жоғалуына әкелгенде пайда болады. Ең нашар жағдайда, бұл гибридтік популяция арқылы геномдық жоғалуға әкелуі мүмкін. Экосистеманың жалпы денсаулығы мен биологиялық әртүрлілігі тұрғысынан қалалық жеңілдетудің міндетті түрде пайдалы емес екенін және әдетте қалалық адаптер зиянкестерге қатысты екенін ескеру маңызды. Вирустар түрлер арасында гендерді тасымалдай алады. Бактериялар өлі бактериялардан гендерді қосып алады, тірі бактериялармен гендер алмасады және түрлер арасында плазмидалар алмаса алады. "Тізбектелген салыстырулар көптеген гендердің әртүрлі түрлер арасында, тіпті филогенетикалық 'домендер' шегінен өтетін жақындағы көлденең тасымалдануын көрсетеді. Осылайша, түрдің филогенетикалық тарихын жеке гендер үшін эволюциялық ағаштарды анықтау арқылы нақты анықтау мүмкін емес". Биолог Гогартен "түпнұсқа метафорасы ағаш жақындағы геномдық зерттеулерден алынған деректерге енді сәйкес келмейді" деп ұсынады. Биологтар жеке геномдарда біріктірілген әртүрлі тарихтарды сипаттау үшін мозаика метафорасын пайдалануы керек және көлденең гендердің тасымалдануының бай алмасуын және ынтымақтастық әсерлерін визуализациялау үшін өрілген желі метафорасын пайдалануы керек. "Көлденең гендердің тасымалдануының қатысуында организмнің филогенезіне жеке гендерді филогенетикалық маркерлер ретінде пайдалану қиын. Көнеленудің қарапайым моделін сирек кездесетін көлденең гендердің тасымалдану оқиғаларымен біріктіру, өмірдің үш домені арасында ортақ болатын барлық гендерді қамтитын жалғыз соңғы ортақ ата-тектің болмағанын көрсетеді. Әрбір қазіргі молекуланың өзінің тарихы бар және жеке молекулалық ата-тектің іздерін қалдырады. Алайда, бұл молекулалық ата-тектер әртүрлі уақытта әртүрлі организмдерде болуы мүмкін".
Гибридтеу
Кейбір жағдайларда, егер түрдің туыс түрі болса және бұрынғы тосқауылдарды жою немесе адамның араласуы арқылы көбеюге мүмкіндік туса, түрлер будандасып, гендер мен оларға сәйкес қасиеттерін алмаса алады. Мұндай алмасу әрқашан айқын болмайды, себебі кейде будандар сыртқы пішінімен бастапқы түрден ешқандай айырмашылығы жоқ болып көрінеді, бірақ мтДНК-ны тексеру арқылы будандасу орын алғаны анықталады. Дифференциалдық будандасу кейбір қасиеттер мен ДНК-ның басқаларына қарағанда оңай алмасуынан да болады, бұл табиғи іріктеудің немесе оның болмауының нәтижесінде оңай транзакцияға мүмкіндік береді. Егер енгізілген түр жергілікті түрді ығыстыра бастаса, жергілікті түрлерге қауіп туындайды және биологиялық әртүрлілік төмендейді, сондықтан бұл құбылыс генетикалық әртүрлілікті арттыратын гендер ағынының жағымды мысалы емес, керісінше, теріс құбылыс болып саналады. Интрогрессия – бір түрдің аллельдерінің басқын түрдің аллельдерімен алмасуы. Гибридтер кейде ата-аналық ұрпақтан гөрі нашаррақ болатынын және осы себепті қатаң бақыланатын генетикалық мәселе екенін ескеру қажет, өйткені консервациялық генетиканың басты мақсаты – түрдің генетикалық тұтастығын сақтау және биологиялық әртүрлілікті қорғау.
Мысалдар
Гендер ағыны халықтың тіршілікке бейімділігін арттыра алады, бірақ халықтың жағдайына және олардың қоныстанған ортасына байланысты теріс салдарлары да болуы мүмкін. Гендер ағынының әсері жағдайға байланысты. Фрагменттелген популяция: Галапагос аралдары сияқты фрагменттелген ландшафттар географиялық айырмашылықтардың нәтижесінде бейімделу сәулеленуі үшін өте қолайлы орын. Дарвиннің құстар тобы географиялық ерекшеліктерге байланысты белгілі бір дәрежеде аллопатриялық түрленуге ұшыраған болуы мүмкін, бірақ бір аралда олардың неге сонша көп түрлі екенін түсіндірмейді. Бұл бейімделу сәулеленуіне, яғни ресурстар үшін бәсекелестікке байланысты әртүрлі белгілердің эволюциясына байланысты. Гендер ағыны белгілі бір уақытта қай ресурстар көп болса, соған қарай жүзеге асады. Арал популяциясы: Теңіз игуанасы Галапагос аралдарының эндемик түрі, бірақ ол құрлықтағы игуананың құрлықтағы ата-тегінен пайда болған. Географиялық оқшаулануға байланысты екі түрдің арасындағы гендер ағыны шектеулі болды, ал әртүрлі орта теңіз игуанасының арал ортасына бейімделуіне себеп болды. Мысалы, олар жүзу қабілетін дамытқан жалғыз игуана. Адам популяциясы: Еуропада *Homo sapiens* неандертальдермен араласып, осы популяциялар арасында гендер ағынына әкелді. Бұл гендер ағыны қазіргі еуропалық популяцияда неандертальдердің аллельдерінің пайда болуына себеп болды. Әлемдегі адам эволюциясы бойынша екі теория бар. Біріншісі – көп аймақтық модель, онда қазіргі заманғы адамның әртүрлілігі Африкадан шыққан *Homo erectus*-тың таралуының нәтижесі ретінде қарастырылады, содан кейін жергілікті айырмашылықтар қазіргідей аймақтық популяциялардың қалыптасуына әкелді. Гендер ағыны ұқсастықтың белгілі бір деңгейін сақтау және түрленудің алдын алуда маңызды рөл атқарады. Ал, біртұтас шығу тегі теориясы Африкада пайда болған *Homo sapiens*-тың жалпы ата-тегі болғанын, ол қазіргі анатомиялық ерекшеліктерін көрсеткенін болжайды. Бұл теория параллель эволюцияның қажеттілігін азайтады. Адамның араласуымен туындаған гендер ағыны: Қауіп төнген түрлердің тұтқында генетикалық басқаруы – адамдардың *ex situ* жағдайында гендер ағынын тудыруға тырысатын жалғыз тәсілі. Мысалы, алып панда халықаралық өсіру бағдарламасының бөлігі болып табылады, онда генетикалық әртүрлілікті арттыру үшін зоологиялық ұйымдар арасында генетикалық материалдар алмасылады. Төмен репродуктивті сәттілікке байланысты, жаңа/ерітілген спермамен жасанды ұрықтандыру әдісі әзірленді, бұл жас балапандардың тірі қалу деңгейін арттырды. 2014 жылғы зерттеуде өсіру орталықтарында генетикалық әртүрліліктің жоғары деңгейі және ішкі көсемдіктің төмен деңгейі анықталды. Өсімдіктер: Маймыл гүлдерінің екі популяциясы әртүрлі тозаңдаушыларды (арылар мен құстарды) пайдаланатыны анықталды, бұл гендер ағынын шектеді, генетикалық оқшаулануға әкелді және ақырында екі түрлі түрді – *Mimulus lewisii* және *Mimulus cardinalis*-ты құрады. Сика елігі: Сика елігі Батыс Еуропаға енгізілді және ол жергілікті қызыл елікпен оңай көбейеді. Сика елігінің осылай көшірілуі интрогрессияға әкелді және аймақта "таза" қызыл еліктер жоқ, олардың барлығын гибридтер деп жіктеуге болады. Bobwhite quail: Bobwhite quail популяциясын көбейту және аң аулау үшін АҚШ-тың оңтүстік бөлігінен Онтариоға көшірді. Бұл көшірудің нәтижесінде пайда болған гибридтер жергілікті популяцияға қарағанда нашар бейімделген және солтүстік қыста тіршілікке шыдамады.