Численность населения - Population size

В популяционная генетика и экология населения, численность населения (обычно обозначается N) - количество индивидуальных организмы в численность населения. Размер популяции напрямую связан с количеством генетического дрейфа и является основной причиной таких эффектов, как «узкие места» популяции и эффект основателя.[1] Генетический дрейф является основным источником уменьшения генетического разнообразия в популяциях, что приводит к фиксации и потенциально может привести к событиям видообразования.[1]

Генетический дрейф

Из пяти условий, необходимых для поддержания Равновесие Харди-Вайнберга, бесконечный размер популяции всегда будет нарушаться; это означает, что всегда имеет место некоторая степень генетического дрейфа.[1] Меньшая численность населения приводит к увеличению генетический дрейф, что, как предполагалось, дает этим группам эволюционное преимущество для приобретения сложности генома.[2] Альтернативная гипотеза утверждает, что, хотя генетический дрейф играет большую роль в развитии сложности малых популяций, отбор является механизмом, с помощью которого большие популяции развивают сложность.[3]

Узкие места населения и эффект основателя

Проблемы с населением возникают, когда размер популяции сокращается на короткий период времени, уменьшая генетическое разнообразие в популяции.

В эффект основателя происходит, когда несколько особей из более крупной популяции создают новую популяцию, а также уменьшает генетическое разнообразие, и первоначально было описано Эрнст Майр.[4] Эффект основателя - это уникальный случай генетического дрейфа, поскольку меньшая популяция-основатель уменьшила генетическое разнообразие, что приведет к более быстрому перемещению аллелей в популяции к фиксация.

Моделирование генетического дрейфа

Генетический дрейф обычно моделируется в лабораторных условиях с использованием популяций бактерий или цифрового моделирования. В цифровых организмах сгенерированная популяция претерпевает эволюцию на основе различных параметров, включая различную приспособленность, изменчивость и набор наследственности для отдельных организмов.[3]

Розен и др. использовать отдельные бактериальные штаммы на двух разных средах, одна с простыми питательными компонентами, а другая с питательными веществами, которые помогают популяциям бактерий эволюционировать более неоднородно.[2] Также использовалось цифровое моделирование, основанное на дизайне бактериального эксперимента, с различными присвоениями пригодности и эффективных размеров популяции, сравнимыми с размерами используемых бактерий, на основе как малых, так и больших популяций.[2] Как в простой, так и в сложной среде, меньшие популяции демонстрировали большую изменчивость, чем большие популяции, которые не демонстрировали значительного разнообразия приспособленности.[2] Меньшие группы населения улучшили физическую форму и быстрее адаптировались в сложной среде, в то время как большие группы адаптировались быстрее, чем небольшие группы в простой среде.[2] Эти данные демонстрируют, что последствия увеличения изменчивости в небольших популяциях зависят от окружающей среды: более сложные или сложные среды позволяют вариациям, присутствующим в небольших популяциях, давать большее преимущество.[2] Анализ показывает, что меньшие группы населения имеют более значительный уровень приспособленности из-за неоднородности внутри группы независимо от сложности окружающей среды; адаптивные реакции увеличиваются в более сложных средах.[2] Адаптации в бесполых популяциях также не ограничиваются мутациями, поскольку генетические вариации в этих популяциях могут управлять адаптацией.[5] Хотя небольшие популяции, как правило, сталкиваются с большим количеством проблем из-за ограниченного доступа к широко распространенным полезным мутациям, адаптация в этих популяциях менее предсказуема и позволяет популяциям быть более пластичными в своих реакциях на окружающую среду.[2] Повышение приспособленности с течением времени в небольших бесполых популяциях, как известно, прямо положительно коррелирует с размером популяции и скоростью мутаций, а вероятность фиксации полезной мутации обратно пропорциональна размеру популяции и скорости мутаций.[6]

Лабар и Адами используют цифровые гаплоидные организмы для оценки различных стратегий накопления сложности генома. Это исследование показало, что и дрейф, и отбор эффективны в малых и больших популяциях соответственно, но этот успех зависит от нескольких факторов.[3] Данные наблюдения за инсерционными мутациями в этой цифровой системе демонстрируют, что небольшие популяции развивают больший размер генома из-за фиксации вредных мутаций, а большие популяции развивают больший размер генома из-за фиксации полезных мутаций.[3] Было отмечено, что небольшие популяции имеют преимущество в достижении полной геномной сложности из-за обусловленной дрейфом фенотипической сложности.[3] При моделировании делеционных мутаций только самые большие популяции имели какое-либо значительное преимущество в пригодности.[3] Это моделирование демонстрирует, что меньшие популяции исправляют вредные мутации за счет увеличения генетического дрейфа.[3] Это преимущество, вероятно, ограничено высокими темпами исчезновения.[3] Большие популяции усложняются за счет мутаций, повышающих экспрессию определенных генов; Удаление вредных аллелей не ограничивает развитие более сложных геномов в более крупных группах, и не требуется большого количества инсерционных мутаций, которые приводят к появлению полезных или нефункциональных элементов в геноме.[3] Когда делеционные мутации происходят чаще, самые большие популяции имеют преимущество, которое предполагает, что большие популяции обычно имеют эволюционное преимущество для развития новых признаков.[3]

Критическая скорость мутации

Критическая частота мутации, или порог ошибки, ограничивает количество мутаций, которые могут существовать в самовоспроизводящейся молекуле до того, как генетическая информация будет уничтожена в последующих поколениях.[7]

Вопреки выводам предыдущих исследований,[8] Было отмечено, что критическая частота мутаций зависит от размера популяции как в гаплоидной, так и в диплоидной популяциях.[9] Когда в популяции менее 100 особей, критическая частота мутаций может быть превышена, но это приведет к потере генетического материала, что приведет к дальнейшему сокращению популяции и вероятности исчезновения.[9] Это «ограничение скорости» распространено среди небольших адаптированных бесполых популяций и не зависит от частоты мутаций.[10]

Эффективная численность популяции (Nе)

В эффективная численность населения (Nе) определяется как «количество размножающихся особей в идеализированное население который показал бы такое же количество дисперсии частоты аллелей под случайным генетический дрейф или такое же количество инбридинг как рассматриваемое население ". Nе обычно меньше чем N (абсолютная численность населения), и это имеет важные приложения в генетика сохранения.[11]

Перенаселение может указывать на любой случай, в котором популяция любого вида животных может превышать грузоподъемность своего экологическая ниша.[12]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ а б c Райт С. (ноябрь 1929 г.). «Эволюция господства». Американский натуралист. 63 (689): 556–561. Дои:10.1086/280290.
  2. ^ а б c d е ж г час Розен Д.Е., Хабец М.Г., Гендель А., де Виссер Дж. А. (март 2008 г.). «Неоднородные адаптивные траектории малых популяций на сложных фитнес-ландшафтах». PLOS ONE. 3 (3): e1715. Дои:10.1371 / journal.pone.0001715. ЧВК  2248617. PMID  18320036.
  3. ^ а б c d е ж г час я j ЛаБар Т., Адами С. (декабрь 2016 г.). «Различные эволюционные пути к сложности для малых и больших популяций цифровых организмов». PLOS вычислительная биология. 12 (12): e1005066. Дои:10.1371 / journal.pcbi.1005066. ЧВК  5140054. PMID  27923053.
  4. ^ Provine WB (июль 2004 г.). "Эрнст Майр: генетика и видообразование". Генетика. 167 (3): 1041–6. ЧВК  1470966. PMID  15280221.
  5. ^ Ланг Г.И., Ботштейн Д., Десаи М.М. (июль 2011 г.). «Генетическая изменчивость и судьба полезных мутаций в бесполых популяциях». Генетика. 188 (3): 647–61. Дои:10.1534 / genetics.111.128942. ЧВК  3176544. PMID  21546542.
  6. ^ Герриш П.Дж., Ленски Р.Э. (1998). «Судьба конкурирующих полезных мутаций в бесполой популяции». Genetica. 102-103 (1–6): 127–44. Дои:10.1023 / а: 1017067816551. PMID  9720276.
  7. ^ Эйген М. (октябрь 1971 г.). «Самоорганизация материи и эволюция биологических макромолекул». Die Naturwissenschaften. 58 (10): 465–523. Дои:10.1007 / bf00623322. PMID  4942363.
  8. ^ Гиллеспи JH (ноябрь 2001 г.). «Имеет ли значение размер популяции вида для его эволюции?». Эволюция; Международный журнал органической эволюции. 55 (11): 2161–9. Дои:10.1111 / j.0014-3820.2001.tb00732.x. JSTOR  2680348. PMID  11794777.
  9. ^ а б Aston E, Channon A, Day C, Knight CG (27 декабря 2013 г.). «Уровень критических мутаций экспоненциально зависит от размера популяции в гаплоидных и диплоидных популяциях». PLOS ONE. 8 (12): e83438. Дои:10.1371 / journal.pone.0083438. ЧВК  3873944. PMID  24386200.
  10. ^ Арьян Дж. А., Виссер М., Зейл К. В., Герриш П. Дж., Бланшар Дж. Л., Ленски Р. Э. (январь 1999 г.). «Уменьшение отдачи от скорости распространения мутаций в бесполых популяциях». Наука. 283 (5400): 404–6. Дои:10.1126 / science.283.5400.404. JSTOR  2896813. PMID  9888858.
  11. ^ Husemann M, Zachos FE, Paxton RJ, Habel JC (октябрь 2016 г.). «Эффективная численность популяции в экологии и эволюции». Наследственность. 117 (4): 191–2. Дои:10.1038 / hdy.2016.75. ЧВК  5026761. PMID  27553454.
  12. ^ Справочное бюро населения PRB (декабрь 1988 г.). «Что такое перенаселение?». Обмен образованием между населением. 17 (4): 1–2. PMID  12281798.