Введение
Балансирующий отбор — это ряд селективных процессов, посредством которых в генофонде популяции активно поддерживается множество аллелей (различных вариантов гена) с частотами, превышающими ожидаемые только под действием генетического дрейфа. Балансирующий отбор встречается реже, чем очищающий отбор. Он может происходить различными механизмами, в частности, когда гетерозиготы по рассматриваемым аллелям обладают большей приспособленностью, чем гомозиготы. Таким образом, поддерживается генетический полиморфизм. Свидетельства балансирующего отбора можно обнаружить по количеству аллелей в популяции, поддерживаемых на уровне выше частоты мутаций. Все современные исследования показали, что эта значительная генетическая изменчивость широко распространена в панмиктических популяциях. Существует несколько механизмов (которые не являются взаимоисключающими в какой-либо конкретной популяции), посредством которых балансирующий отбор поддерживает полиморфизм. Два основных и наиболее изученных механизма — это преимущество гетерозигот и частотно-зависимый отбор.
Преимущество гетерозигот
В преимуществе гетерозигот, или гетеротической балансирующей селекции, особь, гетерозиготная по определенному генному локусу, имеет более высокую приспособленность, чем гомозиготная особь. Полиморфизмы, поддерживаемые этим механизмом, называются сбалансированными полиморфизмами. Из-за неожиданно высокой частоты гетерозигот и повышенного уровня приспособленности гетерозигот, преимущество гетерозигот также может называться «супердоминантностью» в некоторых источниках. Хорошо изученным примером является серповидноклеточная анемия у человека – наследственное заболевание, повреждающее эритроциты. Серповидноклеточная анемия вызывается наследованием аллеля гемоглобина (HgbS) от обоих родителей. У таких людей гемоглобин в эритроцитах чрезвычайно чувствителен к недостатку кислорода, что приводит к сокращению продолжительности жизни. Человек, унаследовавший ген серповидноклеточной анемии от одного родителя и нормальный аллель гемоглобина (HgbA) от другого, имеет нормальную продолжительность жизни. Однако эти гетерозиготные особи, известные как носители серповидноклеточного признака, время от времени могут испытывать проблемы. Гетерозиготы устойчивы к малярийному паразиту, который ежегодно уносит жизни большого числа людей. Это пример балансирующей селекции между сильным отбором против гомозиготных больных серповидноклеточной анемией и отбором против гомозигот HgbA при малярии. Гетерозигота имеет постоянное преимущество (более высокую приспособленность) везде, где существует малярия. Поддержание аллеля HgbS посредством положительной селекции подтверждается значительными данными о том, что приспособленность гетерозигот снижается в регионах, где малярия не распространена. Например, в Суринаме аллель сохраняется в генофонде потомков африканских рабов, поскольку в Суринаме наблюдаются постоянные вспышки малярии. Однако на Кюрасао, где также проживает значительное население, происходящее от африканских рабов, широко распространенной малярии нет, и, следовательно, отсутствует селективное давление для поддержания аллеля HgbS. На Кюрасао частота аллеля HgbS снизилась за последние 300 лет и в конечном итоге будет утрачена из генофонда из-за пониженной приспособленности гетерозигот.
Выбор в зависимости от частоты
Частотно-зависимый отбор происходит, когда приспособленность фенотипа зависит от его частоты относительно других фенотипов в данной популяции. При положительном частотно-зависимом отборе приспособленность фенотипа возрастает по мере увеличения его распространенности. При отрицательном частотно-зависимом отборе приспособленность фенотипа снижается по мере увеличения его распространенности. Например, при переключении хищников на разные типы добычи, редкие морфы добычи оказываются более приспособленными, поскольку хищники концентрируются на более распространенных морфах. По мере того как хищничество снижает численность распространенного морфа добычи, ранее редкий морф становится более распространенным. Таким образом, морфа с преимуществом становится морфой с недостатком. Это может приводить к колебаниям численности морф добычи. Взаимодействия между хозяином и паразитом также могут вызывать отрицательный частотно-зависимый отбор, что согласуется с гипотезой Красной Королевы. Например, паразитизм пресноводного новозеландского улитки (Potamopyrgus antipodarum) трематодой Microphallus sp. приводит к снижению частоты наиболее распространенных генотипов на протяжении нескольких поколений. Чем чаще встречается генотип в поколении, тем более он уязвим к паразитизму со стороны Microphallus sp. Важно отметить, что в этих примерах ни один фенотипический морф и ни один генотип полностью не исчезают из популяции, и ни один фенотипический морф и ни один генотип не фиксируются. Таким образом, полиморфизм поддерживается отрицательным частотно-зависимым отбором.
Фитнес меняется во времени и пространстве
Приспособленность генотипа может существенно различаться между личиночной и взрослой стадиями, или между разными частями ареала обитания. Изменчивость во времени, в отличие от изменчивости в пространстве, сама по себе недостаточна для поддержания нескольких типов, поскольку, как правило, тип с наибольшим геометрическим средним значением приспособленности вытеснит остальные, однако существует ряд механизмов, обеспечивающих стабильное совместное существование.
Более сложные примеры
Виды в естественной среде обитания зачастую гораздо сложнее, чем типичные примеры, приводимые в учебниках.
Снежный орешек
Лесной улиточный виноград, Cepaea nemoralis, знаменит богатым полиморфизмом своей раковины. Эта система контролируется рядом множественных аллелей. Отсутствие полос – доминантный признак, а формы полос контролируются модифицирующими генами (см. эпистаз). В Англии на улиток регулярно охотится заряженная дроздовая малиновка Turdus philomelos, которая разбивает их о «наковальни» (большие камни). Здесь накапливаются фрагменты раковин, позволяющие исследователям анализировать добытых улиток. Дрозды охотятся, полагаясь на зрение, и избирательно ловят те формы, которые наименее соответствуют среде обитания. Колонии улиток встречаются в лесах, живых изгородях и на лугах, и хищничество определяет пропорции фенотипов (морф) в каждой колонии. На улиток также действует второй вид отбора, при котором определенные гетерозиготы имеют физиологическое преимущество перед гомозиготами. Кроме того, вероятно апостатическое отбраковывание, при котором птицы предпочитают наиболее распространенную морфу. Это эффект «паттерна поиска», когда преимущественно визуальный хищник продолжает нацеливаться на морфу, которая ранее принесла успех, даже если доступны другие морфы. Полиморфизм сохраняется почти во всех средах обитания, хотя пропорции морф значительно варьируются. Аллели, контролирующие полиморфизм, формируют суперген с настолько тесной сцепленностью, что она почти абсолютна. Этот механизм предотвращает появление большого количества нежелательных рекомбинантов в популяции. У этого вида хищничество птиц, по-видимому, является основной (но не единственной) селективной силой, поддерживающей полиморфизм. Улитки обитают на неоднородном фоне, и дрозды умело обнаруживают плохо маскирующиеся особи. Наследование физиологического и криптического разнообразия также поддерживается гетерозиготным преимуществом в супергене. Недавние исследования включали изучение влияния цвета раковины на терморегуляцию, а также рассматривается более широкий спектр возможных генетических факторов.
Полиморфизм хромосом у дрозофилы
В 1930-х годах Теодосиус Добжанский и его коллеги собрали Drosophila pseudoobscura и D. persimilis из диких популяций в Калифорнии и соседних штатах. Используя технику Пейнтера, они изучили политенные хромосомы и обнаружили, что все дикие популяции были полиморфны по хромосомным инверсиям. Все мухи выглядят одинаково, независимо от того, какие инверсии они несут, поэтому это пример скрытого полиморфизма. Накопленные данные свидетельствовали о том, что причиной является естественный отбор: значения для гетерозиготных инверсий третьей хромосомы часто были значительно выше, чем следовало бы ожидать при нулевой гипотезе: если ни одна форма не имеет преимущества, то число гетерозигот должно соответствовать Ns (число в выборке) = p2 + 2pq + q2, где 2pq – число гетерозигот (см. равновесие Харди-Вайнберга). Используя метод, изобретенный Л’Эретье и Тейсье, Добжанский разводил популяции в популяционных клетках, что позволяло проводить кормление, разведение и отбор проб, предотвращая при этом побег особей. Это позволило исключить миграцию как возможное объяснение полученных результатов. Штаммы, содержащие инверсии с известной начальной частотой, можно поддерживать в контролируемых условиях. Было установлено, что различные типы хромосом не колеблются случайным образом, как это было бы, если бы они были селективно нейтральными, а стабилизируются на определенных частотах. В разных областях были обнаружены различные пропорции хромосомных морф. Например, у D. robusta наблюдается полиморфный градиент вдоль 29-километрового трансеккта вблизи Гатлинбурга, штат Теннесси, проходящего с высоты 305 метров до 1220 метров. Кроме того, одни и те же участки, отобранные в разное время года, показали значительные различия в пропорциях форм. Это указывает на регулярный цикл изменений, который адаптирует популяцию к сезонным условиям. Для этих результатов естественный отбор является наиболее вероятным объяснением. Наконец, морфы не могут поддерживаться на наблюдаемом высоком уровне только мутациями, и дрейф не может быть объяснением при большой численности популяции. К 1951 году Добжанский был убежден, что хромосомные морфы поддерживаются в популяции благодаря селективному преимуществу гетерозигот, как и в большинстве случаев полиморфизма.
Values for heterozygote inversions of the third chromosome were often much higher than they should be under the null assumption: if no advantage for any form the number of heterozygotes should conform to Ns (number in sample) = p2+2pq+q2 where 2pq is the number of heterozygotes (see Hardy–Weinberg equilibrium). Using a method invented by L'Heretier and Teissier, Dobzhansky bred populations in population cages, which enabled feeding, breeding and sampling whilst preventing escape. This had the benefit of eliminating migration as a possible explanation of the results. Stocks containing inversions at a known initial frequency can be maintained in controlled conditions. It was found that the various chromosome types do not fluctuate at random, as they would if selectively neutral, but adjust to certain frequencies at which they become stabilised. Different proportions of chromosome morphs were found in different areas. There is, for example, a polymorph ratio cline in D. robusta along an 18 mile (29 km) transect near Gatlinburg, TN passing from 1000 feet (305 m) to 4,000 feet. Also, the same areas sampled at different times of year yielded significant differences in the proportions of forms. This indicates a regular cycle of changes which adjust the population to the seasonal conditions. For these results selection is by far the most likely explanation. Lastly, morphs cannot be maintained at the high levels found simply by mutation, nor is drift a possible explanation when population numbers are high. By 1951 Dobzhansky was persuaded that the chromosome morphs were being maintained in the population by the selective advantage of the heterozygotes, as with most polymorphisms.