Узкое место среди населения - Population bottleneck

Ограничение численности населения, за которым следует выздоровление или исчезновение

А узкое место населения или генетическое узкое место резкое уменьшение размера численность населения из-за экологических явлений, таких как голод, землетрясения, наводнения, пожары, болезни и засухи, или деятельности человека, например геноцид и планирование населения. Такие события могут уменьшить разброс в Генофонд населения; после этого меньшее население, с меньшим генетическое разнообразие, остается передать гены будущим поколениям потомство через половое размножение. Генетическое разнообразие остается низким, увеличивается только тогда, когда происходит поток генов из другой популяции, или очень медленно увеличивается со временем как случайный мутации происходят.[1][самостоятельно опубликованный источник ] Это приводит к снижению устойчивости популяции и ее способности адаптироваться и выживать. выбор изменения окружающей среды, такие как изменение климата или изменение доступных ресурсов.[2] В качестве альтернативы, если выжившие в узком месте - это люди с наибольшим генетическим фитнес, частота более приспособленных генов в Генофонд увеличивается, а сам пул уменьшается.

В генетический дрейф вызванный узким местом населения, может изменить пропорциональное случайное распределение аллели и даже привести к потеря аллелей. Шансы на инбридинг и генетический однородность может увеличиваться, что может привести к инбридинговая депрессия. Меньшая численность популяции также может вызывать накопление вредных мутаций.[3]

Проблемы с населением играют важную роль в биология сохранения (увидеть минимальная жизнеспособная популяция размер) и в контексте сельского хозяйства (биологическое и борьба с вредителями ).[4]

Ученые стали свидетелями нехватки популяции американских бизонов, куриц прерий, северных морских слонов, золотых хомяков и гепардов. Новозеландские черные малиновки столкнулись с проблемой пяти особей, все потомки одной самки. Генетики нашли доказательства прошлых узких мест у панд, золотистых курносых обезьян и людей.

Минимальный жизнеспособный размер популяции

Основная статья: Минимальная жизнеспособная популяция

В биология сохранения, минимальный размер жизнеспособной популяции (MVP) помогает определить эффективная численность населения когда население подвержено риску вымирание.[5][6] Последствия узкого места популяции часто зависят от количества особей, оставшихся после узкого места, и от того, как это соотносится с минимальным жизнеспособным размером популяции.

Эффекты основателя

Несколько иная форма узкого места может возникнуть, если небольшая группа становится репродуктивно (например, географически) отделенной от основной популяции, например, через событие учредителя, например если несколько представителей вида успешно колонизируют новый изолированный остров, или в рамках небольших программ разведения в неволе, например, животных в зоопарке. В качестве альтернативы, инвазивные виды могут испытывать затруднения с населением из-за событий основателя, когда попадают в зону их вторжения.[7]

Примеры

Люди

Смотрите также: Эффект основателя § Среди человеческих популяций

Согласно модели 1999 г., сильное узкое место среди населения, или, точнее говоря, полноценное видообразование, произошла среди группы Австралопитеки когда они перешли в вид, известный как человек прямоходящий два миллиона лет назад. Считается, что должны были возникнуть дополнительные узкие места, поскольку человек прямоходящий начали ходить по Земле, но текущих археологических, палеонтологических и генетических данных недостаточно, чтобы дать много надежной информации о таких предполагаемых узких местах. Тем не менее, нельзя исключать возможность возникновения серьезного узкого места для всего вида в последнее время.[8]

В исследовании 2005 года, проведенном в Университете Рутгерса, было высказано предположение, что до-1492 коренное население из Америка являются потомками всего 70 особей, пересекших сухопутный мост между Азией и Северной Америкой.[9]

Теория катастрофы Тоба

Основная статья: Теория катастрофы Тоба

Спорный Теория катастрофы Тоба, представленные в конце 1990-х - начале 2000-х годов, предполагают, что узкое место человек популяция возникла примерно 75000 лет назад, предполагая, что человеческая популяция сократилась, возможно, до 10 000–30 000 особей.[10] когда Тоба супервулкан в Индонезии вспыхнул и вызвал серьезное изменение окружающей среды. Было предложено существование параллельных узких мест среди шимпанзе, гориллы, макаки резус, орангутаны и тигры.[11] Гипотеза была основана на геологических свидетельствах внезапное изменение климата и дальше слияние доказательства некоторых генов (в том числе митохондриальная ДНК, ДНК Y-хромосомы и немного ядерные гены )[12] и относительно низкий уровень генетической изменчивости у людей.[10]

Однако последующие исследования, особенно в 2010-х годах, как представляется, опровергли как аргумент климата, так и аргумент генетики. Недавние исследования показывают, что масштабы изменения климата были намного меньше, чем полагают сторонники теории.[13] Генетический материал, унаследованный исключительно от отца или матери, можно проследить во времени по материнской или отцовской родословной.[14]

В 2000 г. Молекулярная биология и эволюция В документе предлагается модель трансплантации или «длинное узкое место» для учета ограниченного генетического разнообразия, а не катастрофического изменения окружающей среды.[8] Это согласуется с предложениями, которые в К югу от Сахары число могло упасть в разы до 2000, возможно, на 100000 лет, прежде чем число снова начало увеличиваться в Поздний каменный век.[15]

Другие животные

ГодАмериканец
зубр (эст)
До 1492 г.60,000,000
1890750
2000360,000

Зубр, также называемый зубр (Bison bonasus), столкнулся с исчезновением в начале 20 века. Все животные, живущие сегодня, произошли от 12 особей, и у них чрезвычайно низкая генетическая изменчивость, которая, возможно, начинает влиять на репродуктивную способность быков.[16]

Население Американский бизон (Бизон бизон) упала из-за чрезмерной охоты, что почти привело к исчезновению примерно в 1890 году, хотя с тех пор она начала восстанавливаться (см. таблицу).

Из-за чрезмерной охоты северный морской слон оказался на грани исчезновения к концу 19 века. Хотя они вернулись, генетическая изменчивость в популяции остается очень низкой.

Классическим примером узкого места среди населения является северный морской слон, население которой упало примерно до 30 в 1890-х гг. Хотя сейчас их количество исчисляется сотнями тысяч, возможность возникновения узких мест внутри колоний сохраняется. Доминантные быки способны спариваться с наибольшим количеством самок - иногда до 100. Поскольку большая часть потомства колонии происходит от одного доминирующего самца, генетическое разнообразие ограничено, что делает этот вид более уязвимым для болезней и генетических мутаций. В золотой хомяк является таким же узким местом, причем подавляющее большинство домашних хомяков произошли от одного помета, найденного в Сирийский пустыня около 1930 года, и осталось очень мало диких золотых хомяков.

Ярким примером ограниченного роста населения является Новая Зеландия. Черный Робин, каждый из которых сегодня является потомком одной самки, называемой Old Blue. Популяция черных малиновок все еще восстанавливается с минимальной отметки в пять особей в 1980 году.

В геном из большая панда показывает свидетельство серьезного узкого места около 43000 лет назад.[17] Есть также свидетельства существования по крайней мере одного вида приматов, Золотая курносая обезьяна, который примерно в это время также пострадал от узкого места. Предполагается, что причиной узких мест, наблюдаемых у обоих этих видов, стало неизвестное экологическое событие. Вероятно, узкие места стали причиной низкого генетическое разнообразие наблюдается у обоих видов.

Другие факты иногда можно вывести из наблюдаемого узкого места среди населения. Среди Галапагосские острова гигантские черепахи - сами по себе яркий пример узкого места - сравнительно большая численность населения на склонах Вулкан Альседо значительно менее разнообразна, чем четыре других популяции черепах на том же острове. Анализ ДНК датирует узкое место примерно за 88000 лет до настоящего времени (YBP ).[18] Приблизительно 100 000 лет назад вулкан извергся сильнейшим образом, глубоко погрузив большую часть среды обитания черепах в пемзу и пепел.

До прибытия европейцев Северная Америка, прерии служили средой обитания для куры больших прерий. В Иллинойс Только количество крупных прерийных кур упало с более чем 100 миллионов в 1900 году до примерно 50 в 1990 году. Такое сокращение популяции было результатом охоты и охоты. разрушение среды обитания, но случайные последствия также привели к большой утрате видового разнообразия. Анализ ДНК, сравнивающий птиц 1990 года и середины века, показывает резкий генетический спад в последние десятилетия. В курица из больших прерий в настоящее время имеет низкий репродуктивный успех.[19][ненадежный источник? ]

Ограничение численности популяций также представляет серьезную угрозу стабильности популяций видов. Papilio homerus самая большая бабочка в Америке и согласно МСОП находится под угрозой исчезновения. Исчезновение центральной популяции представляет собой серьезную угрозу ограничения численности населения. Оставшиеся две популяции сейчас географически изолированы, и их ждет нестабильное будущее с ограниченными оставшимися возможностями для потока генов.[20]

Генетические узкие места существуют в гепарды.[21][22]

Селекция

Узкие места также существуют среди чистопородных животных (например, собаки и кошки: мопсы, Персидский ) потому что заводчики ограничивают генофонд несколькими (победившими на шоу) людьми за их внешний вид и поведение. Широкое использование желаемых отдельных животных в ущерб другим может привести к популярный эффект сира.

Селекция за породы собак вызвали сужение узких мест, связанных с конкретными породами.[23] Эти узкие места привели к тому, что у собак в среднем на 2–3% больше генетическая нагрузка чем серые волки.[24] Строгие программы разведения и ограниченность популяции привели к распространению таких заболеваний, как болезни сердца, слепота, рак, дисплазия тазобедренного сустава, катаракта и другие.[23]

Селекция производство высокоурожайных культур вызвало генетические узкие места в этих культурах и привело к генетической однородности.[25] Это сокращение генетического разнообразия многих сельскохозяйственных культур может привести к более широкой восприимчивости к новым болезням или вредителям, что угрожает глобальной продовольственной безопасности.[26]

Растения

Исследования показали, что в геноме животного существует невероятно низкий, почти неопределяемый уровень генетического разнообразия. Сосна воллемская (Воллемия благородная).[27] МСОП обнаружил, что в 2011 году численность популяции составила 80 взрослых особей и около 300 сеянцев и молодых особей, а ранее у сосны Воллеми в дикой природе было менее 50 особей.[28] Низкий размер популяции и низкое генетическое разнообразие указывает на то, что сосна Воллеми пережила серьезное ограничение популяции.

Узкое место в популяции было создано в 1970-х годах благодаря усилиям по сохранению исчезающих Серебряный меч Мауна-Кеа (Сэндвич с аргироксифием ssp. сандвица).[29] Небольшая естественная популяция серебряного меча была увеличена в 1970-х годах за счет пересаженных особей. Было обнаружено, что все пересаженные растения серебристого меча являются потомками первого или последующих поколений только от двух основательниц по материнской линии. Низкое количество полиморфных локусов у пересаженных особей привело к «узкому горлу» популяции, что привело к потере маркерного аллеля в восьми локусах.

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Уильям Р. Кэттон-младший «Узкое место: надвигающийся тупик человечества» Xlibris Corporation, 2009. 290 стр. ISBN  978-1-4415-2241-2[страница нужна ][самостоятельно опубликованный источник ]
  2. ^ Ланде, Р. (1988). «Генетика и демография в биологической консервации». Наука. 241 (4872): 1455–1460. Дои:10.1126 / science.3420403. PMID  3420403.
  3. ^ Lynch, M .; Conery, J .; Бургер, Р. (1995). «Накопление мутаций и вымирание малых популяций». Американский натуралист. 146 (4): 489–518. Дои:10.1086/285812.
  4. ^ Хуфбауэр Р.А., Богданович С.М., Харрисон Р.Г. (февраль 2004 г.). «Популяционная генетика интродукции биологического контроля: митохондриальная ДНК и вариации микросателли в местных и интродуцированных популяциях паризитоидной осы Aphidus ervi». Молекулярная экология. 13 (2): 337–48. Дои:10.1046 / j.1365-294X.2003.02084.x. PMID  14717891. S2CID  45796650.
  5. ^ Gilpin, M.E .; Суле, M.E. (1986). «Минимальные жизнеспособные популяции: процессы исчезновения видов». В Soulé, Майкл Э. (ред.). Биология сохранения: наука о редкости и разнообразии. Сандерленд Масса: Sinauer Associates. С. 13–34. ISBN  978-0-87893-794-3.
  6. ^ Суле, Майкл Э., изд. (1987). Жизнеспособные популяции для сохранения. Кембридж: Cambridge Univ. Нажмите. ISBN  978-0-521-33657-4.[страница нужна ]
  7. ^ Ли, К. Э. (2002). Эволюционная генетика инвазионных видов. Тенденции в экологии и эволюции, 17(8), 386-391.
  8. ^ а б Ястребы Дж., Ханли К., Ли С.Х., Вулпофф М. (январь 2000 г.). «Узкие места в популяции и эволюция человека в эпоху плейстоцена». Молекулярная биология и эволюция. 17 (1): 2–22. Дои:10.1093 / oxfordjournals.molbev.a026233. PMID  10666702.
  9. ^ «В Северной Америке проживает всего 70 человек, согласно выводам исследования». LiveScience. 2005-05-25. Получено 2010-04-01.
  10. ^ а б Докинз, Ричард (2004). «Сказка кузнечика». Сказка предков, паломничество к заре жизни. Бостон: Компания Houghton Mifflin. п. 416. ISBN  0-297-82503-8.
  11. ^ Протеро, Дональд Р. (1 августа 2013 г.). Проверка реальности: как отрицатели науки угрожают нашему будущему. Издательство Индианского университета. п. 263. ISBN  9780253010360.
  12. ^ Амвросий Ш. (июнь 1998 г.). «Узкие места в популяции людей в позднем плейстоцене, вулканическая зима и дифференциация современных людей». Журнал эволюции человека. 34 (6): 623–51. Дои:10.1006 / jhev.1998.0219. PMID  9650103. S2CID  33122717.
  13. ^ «Сомнения по поводу« вулканической зимы »после извержения Тоба. 2013». Phys.org. 2013-05-02. Получено 2015-10-31.
  14. ^ Докинз, Ричард (1995). «Вся Африка и ее потомки». Река вне Эдема. Нью-Йорк: Основные книги. ISBN  0-465-01606-5.[страница нужна ]
  15. ^ Бехар Д.М., Виллемс Р., Судьял Х. и др. (Май 2008 г.). «Рассвет человеческого матрилинейного разнообразия». Американский журнал генетики человека. 82 (5): 1130–40. Дои:10.1016 / j.ajhg.2008.04.002. ЧВК  2427203. PMID  18439549. Сложить резюме – Новости BBC (24 апреля 2008 г.).
  16. ^ Luenser, K .; Fickel, J .; Lehnen, A .; Speck, S .; Людвиг, А. (2005). «Низкий уровень генетической изменчивости европейских зубров (Bison bonasus) из Беловежского национального парка в Польше ». Европейский журнал исследований дикой природы. 51 (2): 84–7. Дои:10.1007 / s10344-005-0081-4. S2CID  34102378.
  17. ^ Чжан, Я-Пин; Ван, Сяо-ся; Райдер, Оливер А .; Ли, Хай-Пэн; Чжан, Хэ-Мин; Йонг, Янге; Ван, Пэн-янь (2002). «Генетическое разнообразие и сохранение исчезающих видов животных». Чистая и прикладная химия. 74 (4): 575–84. Дои:10.1351 / pac200274040575. S2CID  13945117.
  18. ^ Бехерегарай Л.Б., Киофи С., Гейст Д., Гиббс Дж.П., Какконе А., Пауэлл-младший (октябрь 2003 г.). «Гены зафиксировали извержение доисторического вулкана на Галапагосских островах». Наука. 302 (5642): 75. Дои:10.1126 / science.1087486. PMID  14526072. S2CID  39102858.
  19. ^ «Лаборатория глубинной структуры мозга и экологии». Сравнительная группа по мозгу и экологии. Мозг и экология Deepstruc. System Co., Ltd. 2010. Архивировано с оригинал 18 октября 2015 г.. Получено 13 марта, 2011.[ненадежный источник? ]
  20. ^ Ленерт, Мэтью С .; Kramer, Valerie R .; Роулинз, Джон Э .; Вердеция, Ванесса; Дэниелс, Джарет К. (2017-07-10). "Бабочка Ямайки, находящаяся на грани исчезновения: Обзор биологии и состояния сохранности махаона Гомеруса (Papilio (Pterourus) homerus Fabricius)". Насекомые. 8 (3): 68. Дои:10.3390 / насекомые8030068. ЧВК  5620688. PMID  28698508.
  21. ^ Menotti-Raymond, M .; О'Брайен, С. Дж. (Апрель 1993 г.). «Знакомство с генетическим узким местом африканского гепарда». Proc Natl Acad Sci U S A. 90 (8): 3172–6. Дои:10.1073 / пнас.90.8.3172. ЧВК  46261. PMID  8475057.
  22. ^ O'Brien, S .; Roelke, M .; Маркер, L; Ньюман, А; Winkler, C .; Мельцер, Д; Колли, L; Evermann, J .; Буш, М; Вильдт, Д. (22 марта 1985 г.). «Генетическая основа уязвимости видов гепарда» (PDF). Наука. 227 (4693): 1428–1434. Дои:10.1126 / science.2983425. PMID  2983425. Архивировано из оригинал (PDF) на 2006-05-07.
  23. ^ а б Lindblad-Toh, K .; Wade, C.M .; Mikkelsen, T. S .; Карлссон, Э. К. (2005). «Последовательность генома, сравнительный анализ и структура гаплотипов домашней собаки». Природа. 438 (7069): 803. Дои:10.1038 / природа04338. PMID  16341006.
  24. ^ Marsden, C.D .; Ortega-Del Vecchyo, D .; О’Брайен, Д. П .; и другие. (2016). «Узкие места и выборочные зачистки во время одомашнивания увеличили вредоносные генетические вариации у собак». Труды Национальной академии наук. 113 (1): 152–157. Дои:10.1073 / pnas.1512501113. ЧВК  4711855. PMID  26699508.
  25. ^ Национальный исследовательский совет. (1972). Генетическая уязвимость основных сельскохозяйственных культур. Национальные академии.
  26. ^ Hyten, D. L .; Песня, Q .; Zhu, Y .; и другие. (2006). «Влияние генетических узких мест на разнообразие генома сои». Труды Национальной академии наук. 103 (45): 16666–16671. Дои:10.1073 / pnas.0604379103. PMID  17068128.
  27. ^ Peakall, R .; Ebert, D .; Scott, L.J .; Meagher, P. F .; Оффорд, К. А. (2003). «Сравнительное генетическое исследование подтверждает исключительно низкую генетическую изменчивость древнего и находящегося под угрозой исчезновения реликтового хвойного дерева, Wollemia nobilis (Araucariaceae)». Молекулярная экология. 12 (9): 2331–2343. Дои:10.1046 / j.1365-294X.2003.01926.x. PMID  12919472. S2CID  35255532.
  28. ^ Томас, П. (2010). "Wollemia nobilis". Красный список видов, находящихся под угрозой исчезновения МСОП 2011 г.. Дои:10.2305 / IUCN.UK.2011-2.RLTS.T34926A9898196.en.
  29. ^ Robichaux, R.H .; Friar, E. A .; Маунт, Д. В. (1997). "Молекулярно-генетические последствия узкого места в популяции, связанного с реинтродукцией серебряного меча Мауна-Кеа (Сэндвич с аргироксифием ssp. сандвица [Asteraceae]) ". Биология сохранения. 11 (5): 1140–1146. Дои:10.1046 / j.1523-1739.1997.96314.x.

внешняя ссылка