Популяционная генетика: основы и развитие

Введение

Подраздел генетики

Популяционная генетика – это раздел генетики, изучающий генетические различия внутри и между популяциями и являющийся частью эволюционной биологии. Исследования в этой области биологии рассматривают такие явления, как адаптация, видообразование и структура популяций. Популяционная генетика сыграла ключевую роль в формировании современной эволюционной теории. Её основоположниками были Сьюолл Райт, Дж. Б. С. Холдейн и Рональд Фишер, которые также заложили основы смежной дисциплины – количественной генетики. Традиционно являясь высокоматематической дисциплиной, современная популяционная генетика включает в себя теоретические исследования, лабораторные работы и полевые исследования. Модели популяционной генетики используются как для статистического анализа данных о последовательностях ДНК, так и для подтверждения или опровержения гипотез. Отличительной особенностью популяционной генетики, в отличие от более новых, ориентированных на фенотип подходов к моделированию эволюции, таких как теория эволюционных игр и адаптивная динамика, является её акцент на генетических явлениях, таких как доминирование, эпистаз, степень, в которой генетическая рекомбинация нарушает неравновесие сцепления, а также случайные процессы мутаций и генетического дрейфа. Это делает её подходящей для сопоставления с данными популяционной геномики.

История

Генетика популяций началась как примирение менделевского наследования и биостатистических моделей. Естественный отбор вызовет эволюцию только в том случае, если в популяции достаточно генетической изменчивости. До открытия менделевской генетики одной из распространенных гипотез было гипотеза смешения наследственных признаков. Однако при смешении наследственности генетическая изменчивость быстро теряется, что делает эволюцию посредством естественного или полового отбора маловероятной. Принцип Харди — Вайнберга предоставляет решение проблемы поддержания изменчивости в популяции с менделевским наследованием. Согласно этому принципу, частоты аллелей (вариаций в гене) останутся постоянными в отсутствие отбора, мутаций, миграции и генетического дрейфа. Следующим ключевым шагом стала работа британского биолога и статистика Рональда Фишера. В серии статей, начиная с 1918 года и завершающейся его книгой 1930 года «Генетическая теория естественного отбора», Фишер показал, что непрерывная изменчивость, измеряемая биометриками, может быть обусловлена совместным действием множества дискретных генов, и что естественный отбор способен изменять частоты аллелей в популяции, что приводит к эволюции. В серии статей, начатых в 1924 году, другой британский генетик Дж. Б. С. Холдейн разработал математический аппарат для описания изменения частоты аллелей в одном генном локусе в широком диапазоне условий. Холдейн также применил статистический анализ к реальным примерам естественного отбора, таким как эволюция березового мотылька и индустриальный меланизм, и показал, что коэффициенты отбора могут быть выше, чем предполагал Фишер, что приводит к более быстрой адаптивной эволюции в качестве стратегии камуфляжа в условиях повышенного загрязнения. Американский биолог Сьюолл Райт, имевший опыт в экспериментах по селекции животных, сосредоточился на комбинациях взаимодействующих генов и влиянии инбридинга на небольшие, относительно изолированные популяции, демонстрирующие генетический дрейф. В 1932 году Райт ввел понятие адаптивного ландшафта и утверждал, что генетический дрейф и инбридинг могут отвести небольшую изолированную субпопуляцию от адаптивного пика, позволяя естественному отбору направить ее к другим адаптивным пикам. Работы Фишера, Холдейна и Райта заложили основу дисциплины популяционной генетики. Это объединило естественный отбор с менделевской генетикой, что стало критически важным первым шагом в разработке единой теории эволюции. Утверждается, что популяционная генетика определяет ядро современного синтеза. В течение первых нескольких десятилетий XX века большинство полевых натуралистов продолжали верить, что ламаркизм и ортогенез дают наилучшее объяснение сложности, которую они наблюдали в живом мире. В ходе современного синтеза эти идеи были отброшены, и сохранились только эволюционные причины, которые могли быть выражены в математической структуре популяционной генетики. Был достигнут консенсус относительно того, какие эволюционные факторы могут влиять на эволюцию, но не относительно их относительной важности. В Великобритании Э. Б. Форд, пионер экологической генетики, на протяжении 1930-х и 1940-х годов эмпирически демонстрировал силу отбора, обусловленного экологическими факторами, включая способность поддерживать генетическое разнообразие посредством генетических полиморфизмов, таких как типы крови человека. Работа Форда в сотрудничестве с Фишером способствовала смещению акцента в ходе современного синтеза в сторону естественного отбора как доминирующей силы.

Population genetics began as a reconciliation of Mendelian inheritance and biostatistics models. Natural selection will only cause evolution if there is enough genetic variation in a population. Before the discovery of Mendelian genetics, one common hypothesis was blending inheritance. But with blending inheritance, genetic variance would be rapidly lost, making evolution by natural or sexual selection implausible. The Hardy–Weinberg principle provides the solution to how variation is maintained in a population with Mendelian inheritance. According to this principle, the frequencies of alleles (variations in a gene) will remain constant in the absence of selection, mutation, migration and genetic drift. The next key step was the work of the British biologist and statistician Ronald Fisher. In a series of papers starting in 1918 and culminating in his 1930 book The Genetical Theory of Natural Selection, Fisher showed that the continuous variation measured by the biometricians could be produced by the combined action of many discrete genes, and that natural selection could change allele frequencies in a population, resulting in evolution. In a series of papers beginning in 1924, another British geneticist, J. B. S. Haldane, worked out the mathematics of allele frequency change at a single gene locus under a broad range of conditions. Haldane also applied statistical analysis to real world examples of natural selection, such as peppered moth evolution and industrial melanism, and showed that selection coefficients could be larger than Fisher assumed, leading to more rapid adaptive evolution as a camouflage strategy following increased pollution. The American biologist Sewall Wright, who had a background in animal breeding experiments, focused on combinations of interacting genes, and the effects of inbreeding on small, relatively isolated populations that exhibited genetic drift. In 1932 Wright introduced the concept of an adaptive landscape and argued that genetic drift and inbreeding could drive a small, isolated sub population away from an adaptive peak, allowing natural selection to drive it towards different adaptive peaks. The work of Fisher, Haldane and Wright founded the discipline of population genetics. This integrated natural selection with Mendelian genetics, which was the critical first step in developing a unified theory of how evolution worked. have asserted that population genetics defines the core of the modern synthesis. For the first few decades of the 20th century, most field naturalists continued to believe that Lamarckism and orthogenesis provided the best explanation for the complexity they observed in the living world. During the modern synthesis, these ideas were purged, and only evolutionary causes that could be expressed in the mathematical framework of population genetics were retained. Consensus was reached as to which evolutionary factors might influence evolution, but not as to the relative importance of the various factors. In Great Britain E. B. Ford, the pioneer of ecological genetics, continued throughout the 1930s and 1940s to empirically demonstrate the power of selection due to ecological factors including the ability to maintain genetic diversity through genetic polymorphisms such as human blood types. Ford's work, in collaboration with Fisher, contributed to a shift in emphasis during the modern synthesis towards natural selection as the dominant force.

Нейтральная теория и динамика фиксации происхождения

Оригинальный, современный синтез в популяционной генетике исходит из того, что мутации предоставляют достаточное количество исходного материала, и фокусируется исключительно на изменении частот аллелей в популяциях. Основными процессами, влияющими на частоты аллелей, являются естественный отбор, генетический дрейф, генный поток и повторные мутации. Фишер и Райт имели фундаментальные разногласия относительно относительной роли отбора и дрейфа. Появление молекулярных данных обо всех генетических различиях привело к нейтральной теории молекулярной эволюции. Согласно этой теории, многие мутации вредны и поэтому не наблюдаются, а большинство остальных нейтральны, то есть не подвергаются отбору. Поскольку судьба каждой нейтральной мутации определяется случайностью (генетическим дрейфом), направление эволюционных изменений зависит от того, какие мутации возникают, и поэтому не может быть описано только моделями изменения частот (существующих) аллелей. Подход, рассматривающий происхождение и фиксацию, обобщает этот принцип, распространяя его на мутации, не являющиеся строго нейтральными, и рассматривает скорость конкретного изменения как произведение скорости мутации и вероятности фиксации. Время до фиксации такого аллеля приблизительно равно .

Эпистаз

Эпистаз означает, что фенотипический и/или эффект приспособленности аллеля в одном локусе зависит от того, какие аллели присутствуют в других локусах. Естественный отбор действует не на отдельный локус, а на фенотип, который формируется в процессе развития из полного генотипа. Однако многие популяционно-генетические модели половых видов являются моделями "одного локуса", где приспособленность особи рассчитывается как произведение вкладов от каждого из её локусов, что фактически предполагает отсутствие эпистаза. В действительности, взаимосвязь между генотипом и приспособленностью гораздо сложнее. Популяционная генетика должна либо детально моделировать эту сложность, либо описывать её с помощью какого-либо упрощенного усредненного правила. Эмпирически, полезные мутации, как правило, дают меньший прирост приспособленности, когда добавляются к генетическому фону, который уже обладает высокой приспособленностью: это известно как эпистаз с убывающей отдачей. Когда вредные мутации также оказывают меньший эффект на приспособленность на фоне высокой приспособленности, это называется "синергетическим эпистазом". Однако, эффект вредных мутаций в среднем стремится быть близким к мультипликативному, или даже проявлять обратную закономерность, известную как "антагонистический эпистаз". Синергетический эпистаз играет центральную роль в некоторых теориях очистки мутационной нагрузки и эволюции полового размножения.

Мутация

Генетический процесс мутации происходит внутри организма, приводя к наследственным изменениям генетического материала. Этот процесс часто характеризуется описанием начального и конечного состояний или типа изменений, произошедших на уровне ДНК (например, мутация T в C, делеция 1 п.н.), генов или белков (например, нуль-мутация, мутация с потерей функции), или на более высоком фенотипическом уровне (например, мутация, влияющая на цвет глаз). Одиночные нуклеотидные замены часто являются наиболее распространенным типом мутации, но возможны и многие другие типы, возникающие с различной частотой, которая может демонстрировать систематические асимметрии или смещения (смещение мутаций). Мутации могут включать дупликацию больших участков ДНК, обычно посредством генетической рекомбинации. Это приводит к вариации числа копий в популяции. Дупликации являются основным источником материала для эволюции новых генов. Другие типы мутаций иногда создают новые гены из ранее некодирующих участков ДНК. В распределении эффектов приспособленности (DFE) для новых мутаций лишь малая часть мутаций является полезной. Мутации с выраженными эффектами, как правило, вредны. Исследования на мухе *Drosophila melanogaster* показывают, что если мутация изменяет белок, кодируемый геном, то это, вероятно, будет вредно: около 70% таких мутаций оказывают негативное воздействие, а остальные либо нейтральны, либо слабо полезны. Этот биологический процесс мутации в популяционно-генетических моделях представляется одним из двух способов: либо как детерминированное давление рецидивирующих мутаций на частоты аллелей, либо как источник вариации. В детерминированной теории эволюция начинается с заданного набора аллелей и протекает посредством сдвигов в непрерывных частотах, как если бы популяция была бесконечной. Возникновение мутаций в организмах представляется как популяционный уровень "силы" или "давления" мутации, то есть как сила бесчисленных событий мутации с масштабированной величиной *u*, приложенной к сдвигу частот *f*(A1) в *f*(A2). Например, в классической модели баланса мутации и отбора сила мутационного давления повышает частоту аллеля, а отбор против его вредных эффектов понижает частоту, так что равновесие достигается при *f* = *u*/ *s*. Эта концепция мутационного давления наиболее полезна для рассмотрения последствий вредных мутаций, таких как мутационная нагрузка и ее влияние на эволюцию скорости мутации. Трансформация популяций под действием мутационного давления маловероятна. Холдейн утверждал, что это потребовало бы высоких скоростей мутации, не сдерживаемых отбором, а Кимура пришел к еще более пессимистичному выводу, что даже это маловероятно, поскольку процесс занял бы слишком много времени (см. эволюцию под действием мутационного давления). Однако эволюция под действием мутационного давления возможна в определенных обстоятельствах и давно рассматривается как возможная причина потери неиспользуемых признаков. Например, пигменты больше не нужны животным, живущим в темноте пещер, и, как правило, теряются. Экспериментальный пример – потеря споруляции в экспериментальных популяциях *B. subtilis*. Споруляция – это сложный признак, кодируемый многими локусами, поэтому скорость мутации для потери признака оценивалась как необычно высокая. Потеря споруляции в этом случае может происходить посредством рецидивирующих мутаций, без необходимости отбора на потерю способности к споруляции. При отсутствии отбора на потерю функции скорость эволюции потери зависит больше от скорости мутации, чем от эффективного размера популяции, что указывает на то, что ею движет скорее мутация, чем генетический дрейф. Роль мутации как источника новизны отличается от этих классических моделей мутационного давления. Когда популяционно-генетические модели включают процесс мутационного введения или возникновения, зависящий от скорости, то есть процесс, который вводит новые аллели, включая нейтральные и полезные, свойства мутации могут оказывать более прямое влияние на скорость и направление эволюции, даже если скорость мутации очень низка. То есть спектр мутаций может стать очень важным, особенно смещения мутаций – предсказуемые различия в частоте возникновения различных типов мутаций, поскольку смещение во введении вариаций может наложить смещение на ход эволюции. Мутация играет ключевую роль в других классических и современных теориях, включая ратчет Мюллера, субфункционализацию, концепцию ошибки катастрофы Эйгена и гипотезу мутационной опасности Линча.

The genetic process of mutation takes place within an individual, resulting in heritable changes to the genetic material. This process is often characterized by a description of the starting and ending states, or the kind of change that has happened at the level of DNA (e. g,. a T to C mutation, a 1 bp deletion), of genes or proteins (e. g., a null mutation, a loss of function mutation), or at a higher phenotypic level (e. g., red eye mutation). Single nucleotide changes are frequently the most common type of mutation, but many other types of mutation are possible, and they occur at widely varying rates that may show systematic asymmetries or biases (mutation bias). Mutations can involve large sections of DNA becoming duplicated, usually through genetic recombination. This leads to copy number variation within a population. Duplications are a major source of raw material for evolving new genes. Other types of mutation occasionally create new genes from previously noncoding DNA. In the distribution of fitness effects (DFE) for new mutations, only a minority of mutations are beneficial. Mutations with gross effects are typically deleterious. Studies in the fly Drosophila melanogaster suggest that if a mutation changes a protein produced by a gene, this will probably be harmful, with about 70 percent of these mutations having damaging effects, and the remainder being either neutral or weakly beneficial. This biological process of mutation is represented in population genetic models in one of two ways, either as a deterministic pressure of recurrent mutation on allele frequencies, or a source of variation. In deterministic theory, evolution begins with a predetermined set of alleles and proceeds by shifts in continuous frequencies, as if the population is infinite. The occurrence of mutations in individuals is represented by a population level "force" or "pressure" of mutation, i. e., the force of innumerable events of mutation with a scaled magnitude u applied to shifting frequencies f(A1) to f(A2). For instance, in the classic mutation–selection balance model, the force of mutation pressure pushes the frequency of an allele upward, and selection against its deleterious effects pushes the frequency downward, so that a balance is reached at equilibrium, given (in the simplest case) by f = u/s. This concept of mutation pressure is mostly useful for considering the implications of deleterious mutation, such as the mutation load and its implications for the evolution of the mutation rate. Transformation of populations by mutation pressure is unlikely. Haldane argued that it would require high mutation rates unopposed by selection, and Kimura concluded even more pessimistically that even this was unlikely, as the process would take too long (see evolution by mutation pressure). However, evolution by mutation pressure is possible under some circumstances and has long been suggested as a possible cause for the loss of unused traits. For example, pigments are no longer useful when animals live in the darkness of caves, and tend to be lost. An experimental example involves the loss of sporulation in experimental populations of B. subtilis. Sporulation is a complex trait encoded by many loci, such that the mutation rate for loss of the trait was estimated as an unusually high value, Loss of sporulation in this case can occur by recurrent mutation, without requiring selection for the loss of sporulation ability. When there is no selection for loss of function, the speed at which loss evolves depends more on the mutation rate than it does on the effective population size, indicating that it is driven more by mutation than by genetic drift. The role of mutation as a source of novelty is different from these classical models of mutation pressure. When population genetic models include a rate dependent process of mutational introduction or origination, i. e., a process that introduces new alleles including neutral and beneficial ones, then the properties of mutation may have a more direct impact on the rate and direction of evolution, even if the rate of mutation is very low. That is, the spectrum of mutation may become very important, particularly mutation biases, predictable differences in the rates of occurrence for different types of mutations, because bias in the introduction of variation can impose biases on the course of evolution. Mutation plays a key role in other classical and recent theories including Muller%27s ratchet, subfunctionalization, Eigen's concept of an error catastrophe and Lynch's mutational hazard hypothesis.

Генетический дрейф

Генетический дрейф – это изменение частот аллелей, вызванное случайной выборкой. То есть, аллели у потомства представляют собой случайную выборку аллелей у родителей. Генетический дрейф может приводить к полному исчезновению вариантов генов и, таким образом, снижать генетическое разнообразие. В отличие от естественного отбора, который изменяет частоту вариантов генов в зависимости от их репродуктивного успеха, изменения, вызванные генетическим дрейфом, не обусловлены экологическим или адаптивным давлением и с одинаковой вероятностью могут увеличить или уменьшить частоту аллеля. Эффект генетического дрейфа сильнее для аллелей, представленных небольшим числом копий, чем для аллелей, представленных большим числом копий. Популяционная генетика генетического дрейфа описывается с помощью ветвящихся процессов или диффузионного уравнения, описывающего изменения частоты аллелей. Эти подходы обычно применяются к моделям популяционной генетики Райта-Фишера и Морана. Если предположить, что генетический дрейф – единственная эволюционная сила, действующая на аллель, то после t поколений во многих реплицированных популяциях, начинающихся с частот аллелей p и q, дисперсия частот аллелей между этими популяциями составит…

Рональд Фишер считал, что генетический дрейф играет в эволюции, в лучшем случае, незначительную роль, и эта точка зрения оставалась доминирующей на протяжении нескольких десятилетий. Ни одно направление в популяционной генетике не рассматривало генетический дрейф как центральную силу само по себе, но некоторые придавали ему значение в сочетании с другими неселективными факторами. Теория сдвига баланса Сеуолла Райта утверждала, что важна комбинация структуры популяции и генетического дрейфа. Нейтральная теория молекулярной эволюции Мотоо Кимуры утверждает, что большинство генетических различий внутри и между популяциями обусловлено сочетанием нейтральных мутаций и генетического дрейфа. Роль генетического дрейфа, возникающего из-за ошибки выборки, в эволюции подверглась критике Джона Гиллеспи и Уилла Провина, которые утверждают, что отбор на сцепленных участках является более важным стохастическим фактором, выполняющим работу, которую традиционно приписывали генетическому дрейфу, вызванному ошибкой выборки. Математические свойства генетического следа отличаются от свойств генетического дрейфа. Направление случайного изменения частоты аллелей автокоррелировано между поколениями. Обычно существует географический ареал, в пределах которого особи более тесно связаны друг с другом, чем особи, случайно отобранные из общей популяции. Это описывается как степень генетической структурированности популяции. [[Файл:Великая стена большая.jpg|thumb|Великая Китайская стена является препятствием для потока генов некоторых наземных видов. Поток генов – это обмен генами между популяциями или видами, разрушающий структуру. Примеры потока генов внутри вида включают миграцию и последующее размножение организмов или обмен пыльцой. Перенос генов между видами включает образование гибридных организмов и горизонтальный перенос генов. Модели популяционной генетики могут использоваться для выявления популяций, демонстрирующих значительную генетическую изоляцию друг от друга, и для реконструкции их истории. Изоляция популяции приводит к инбридинговой депрессии. Миграция в популяцию может вносить новые генетические варианты, потенциально способствуя эволюционному спасению. Если значительная доля особей или гамет мигрирует, это также может изменить частоты аллелей, например, приводя к миграционной нагрузке. В присутствии потока генов для того, чтобы две расходящиеся популяции перекрестноопыляемого вида стали новыми видами, необходимы другие барьеры для гибридизации.

Ronald Fisher held the view that genetic drift plays at the most a minor role in evolution, and this remained the dominant view for several decades. No population genetics perspective have ever given genetic drift a central role by itself, but some have made genetic drift important in combination with another non selective force. The shifting balance theory of Sewall Wright held that the combination of population structure and genetic drift was important. Motoo Kimura's neutral theory of molecular evolution claims that most genetic differences within and between populations are caused by the combination of neutral mutations and genetic drift. The role of genetic drift by means of sampling error in evolution has been criticized by John H Gillespie and Will Provine, who argue that selection on linked sites is a more important stochastic force, doing the work traditionally ascribed to genetic drift by means of sampling error. The mathematical properties of genetic draft are different from those of genetic drift. The direction of the random change in allele frequency is autocorrelated across generations. There is usually a geographic range within which individuals are more closely related to one another than those randomly selected from the general population. This is described as the extent to which a population is genetically structured. [[File:Greatwall large. jpg|thumb|The Great Wall of China is an obstacle to gene flow of some terrestrial species. Gene flow is the exchange of genes between populations or species, breaking down the structure. Examples of gene flow within a species include the migration and then breeding of organisms, or the exchange of pollen. Gene transfer between species includes the formation of hybrid organisms and horizontal gene transfer. Population genetic models can be used to identify which populations show significant genetic isolation from one another, and to reconstruct their history. Subjecting a population to isolation leads to inbreeding depression. Migration into a population can introduce new genetic variants, potentially contributing to evolutionary rescue. If a significant proportion of individuals or gametes migrate, it can also change allele frequencies, e. g. giving rise to migration load. In the presence of gene flow, other barriers to hybridization between two diverging populations of an outcrossing species are required for the populations to become new species.

Связь

Если все гены находятся в состоянии равновесия сцепления, эффект аллеля в одном локусе можно усреднить по генофонду в других локусах. В реальности, один аллель часто находится в неравновесии сцепления с генами в других локусах, особенно с генами, расположенными близко друг к другу на одной и той же хромосоме. Рекомбинация разрушает это неравновесие сцепления слишком медленно, чтобы избежать генетического попутного движения (genetic hitchhiking), когда аллель в одном локусе достигает высокой частоты из-за сцепления с аллелем, находящимся под отбором в соседнем локусе. Сцепление также замедляет скорость адаптации, даже в половых популяциях. Эффект неравновесия сцепления в замедлении скорости адаптивной эволюции обусловлен сочетанием эффекта Хилла-Робертсона (задержки в объединении благоприятных мутаций) и фонового отбора (задержки в отделении благоприятных мутаций от вредных попутных мутаций). Сцепление представляет проблему для популяционно-генетических моделей, рассматривающих один генный локус за раз. Однако его можно использовать как метод для выявления действия естественного отбора посредством селективных проходов (selective sweeps). В крайнем случае бесполой популяции сцепление является полным, и популяционно-генетические уравнения могут быть выведены и решены в терминах движущейся волны частот генотипов вдоль простого ландшафта приспособленности. Большинство микробов, таких как бактерии, являются бесполыми. Популяционная генетика их адаптации характеризуется двумя контрастными режимами. Когда произведение скорости благоприятных мутаций и размера популяции мало, бесполые популяции следуют "сукцессионному режиму" динамики фиксации происхождения, при этом скорость адаптации сильно зависит от этого произведения. Когда произведение значительно больше, бесполые популяции следуют режиму "параллельных мутаций" со скоростью адаптации, менее зависящей от произведения, характеризующейся клональной интерференцией и появлением новой благоприятной мутации до фиксации предыдущей.

Объяснение уровней генетической вариации

Нейтральная теория предсказывает, что уровень нуклеотидного разнообразия в популяции будет пропорционален произведению численности популяции и нейтральной скорости мутаций. Тот факт, что уровни генетического разнообразия изменяются в гораздо меньшей степени, чем численность популяций, известен как "парадокс вариации". Хотя высокий уровень генетического разнообразия изначально был одним из аргументов в пользу нейтральной теории, парадокс вариации стал одним из самых весомых аргументов против неё. Очевидно, что уровни генетического разнообразия значительно варьируют внутри вида в зависимости от локальной скорости рекомбинации, как из-за явления генетического автостопа, так и из-за фонового отбора. Большинство современных решений парадокса вариации предполагают наличие некоторого уровня отбора на сцепленных участках. Например, один анализ показывает, что в более крупных популяциях происходит больше селективных заметаний, которые удаляют больше нейтрального генетического разнообразия. Отрицательная корреляция между скоростью мутаций и численностью популяции также может играть роль. История жизни оказывает большее влияние на генетическое разнообразие, чем история популяции; например, виды с r-стратегией обладают большим генетическим разнообразием. Гены, подвергающиеся положительной селекции, имеют избыток дивергентных сайтов по сравнению с полиморфными сайтами. Этот тест также можно использовать для получения оценки доли замещений, зафиксированных положительной селекцией, по всему геному, обозначаемой как α. Согласно нейтральной теории молекулярной эволюции, это значение должно быть близко к нулю. Высокие значения, следовательно, интерпретируются как опровержение нейтральной теории в масштабе всего генома.

Демографические выводы

Самый простой тест на структуру популяции у половозрелых, диплоидных видов – проверить, соответствуют ли частоты генотипов пропорциям Харди — Вайнберга в зависимости от частот аллелей. Например, в простейшем случае одного локуса с двумя аллелями, обозначенными A и a, с частотами p и q, случайное скрещивание предсказывает freq(AA) = p² для гомозигот AA, freq(aa) = q² для гомозигот aa и freq(Aa) = 2pq для гетерозигот. При отсутствии структуры популяции пропорции Харди — Вайнберга достигаются в течение 1–2 поколений случайного скрещивания. Чаще всего наблюдается избыток гомозигот, что указывает на структуру популяции. Степень этого избытка можно количественно оценить как коэффициент инбридинга, F.

Индивидуумы могут быть сгруппированы в K подпопуляции. Степень структуры популяции можно рассчитать с помощью FST, которая является мерой доли генетической изменчивости, объясняемой структурой популяции. Генетическая структура популяции может быть сопоставлена с географической структурой, и можно выявить генетическое смешение. Теория коалесценции связывает генетическое разнообразие в выборке с демографической историей популяции, из которой она взята. Обычно предполагается нейтральность, поэтому для таких анализов выбирают последовательности из более нейтрально эволюционирующих участков геномов. Ее можно использовать для вывода родственных связей между видами (филогенетика), а также для изучения структуры популяции, демографической истории (например, «бутылочных горлышек» популяции, роста популяции), биологического расселения, динамики «источник — приемник» и интрогрессии внутри вида. Другой подход к демографическому выводу основан на спектре частот аллелей.

Эволюция генетических систем

Предполагая, что существуют локусы, контролирующие саму генетическую систему, создаются модели популяционной генетики для описания эволюции доминирования и других форм устойчивости, эволюции полового размножения и частот рекомбинации, эволюции скоростей мутаций, эволюции эволюционных конденсаторов, эволюции дорогостоящих сигнальных признаков, эволюции старения и эволюции кооперации. Например, большинство мутаций вредны, поэтому оптимальная скорость мутации для вида может представлять собой компромисс между ущербом от высокой частоты вредных мутаций и метаболическими затратами на поддержание систем, снижающих скорость мутаций, таких как ферменты репарации ДНК. Важным аспектом этих моделей является то, что отбор достаточно силен, чтобы удалять вредные мутации и тем самым преодолевать мутационный сдвиг в сторону деградации, только если коэффициент отбора *s* превышает обратную величину эффективной численности популяции. Это известно как дрейфовый барьер и связано с почти нейтральной теорией молекулярной эволюции. Теория дрейфового барьера предсказывает, что виды с большой эффективной численностью популяции будут иметь высокооптимизированные и эффективные генетические системы, в то время как виды с малой численностью популяции будут иметь раздутые и сложные геномы, содержащие, например, интроны и транспозоны. Однако, несколько парадоксально, виды с большой численностью популяции могут быть настолько устойчивы к последствиям определенных типов ошибок, что у них эволюционируют более высокие частоты ошибок, например, при транскрипции и трансляции, чем у видов с малой численностью популяции.