stringtranslate.com

Узкое место в численности населения

Узкое место в численности населения, за которым следует восстановление или исчезновение

Узкое место в популяции или генетическое узкое место — это резкое сокращение численности населения из -за экологических явлений, таких как голод, землетрясения, наводнения, пожары, болезни и засухи ; или человеческая деятельность, такая как геноцид, спецубийство, широкомасштабное насилие или преднамеренная выбраковка. Такие мероприятия могут уменьшить изменчивость генофонда популяции ; после этого остается меньшая популяция с меньшим генетическим разнообразием , чтобы передать гены будущим поколениям потомков . Генетическое разнообразие остается низким, увеличиваясь только тогда, когда происходит приток генов из другой популяции, или очень медленно увеличивается со временем по мере возникновения случайных мутаций . [1] [ источник, опубликованный самостоятельно ] Это приводит к снижению устойчивости населения и его способности адаптироваться и выживать при выборе изменений окружающей среды, таких как изменение климата или изменение доступных ресурсов. [2] Альтернативно, если выжившими в узком месте являются люди с наибольшей генетической приспособленностью , частота наиболее подходящих генов в генофонде увеличивается, а сам пул сокращается.

Генетический дрейф , вызванный узким местом популяции, может изменить пропорциональное случайное распределение аллелей и даже привести к потере аллелей . Шансы на инбридинг и генетическую однородность могут возрасти, что может привести к инбредной депрессии . Меньший размер популяции также может привести к накоплению вредных мутаций. [3]

Узкие места в популяции играют важную роль в биологии сохранения (см. минимальную жизнеспособную численность популяции) и в контексте сельского хозяйства (биологическая борьба и борьба с вредителями ). [4]

Минимальная жизнеспособная численность популяции

В природоохранной биологии размер минимальной жизнеспособной популяции (MVP) помогает определить эффективный размер популяции , когда популяция находится под угрозой исчезновения . [5] [6] Последствия узкого места в популяции часто зависят от количества особей, оставшихся после узкого места, и от того, как оно соотносится с минимально жизнеспособным размером популяции.

Эффекты основателя

Несколько иная форма узкого места может возникнуть, если небольшая группа репродуктивно (например, географически) отделяется от основной популяции, например, в результате события-основателя, например, если несколько представителей вида успешно колонизируют новый изолированный остров или небольшие программы разведения животных в неволе, например животных в зоопарке. Альтернативно, инвазивные виды могут столкнуться с узкими местами в популяциях из-за событий-основателей, когда они попадают в ареал вторжения. [7]

Примеры

Люди

Согласно модели 1999 года, серьезное узкое место в популяции, или, точнее, полноценное видообразование , произошло среди группы австралопитеков , когда они перешли в вид, известный как Homo erectus, два миллиона лет назад. Считается, что с тех пор, как Homo erectus начал ходить по Земле, должны были возникнуть дополнительные узкие места, но нынешние археологические, палеонтологические и генетические данные недостаточны, чтобы дать много достоверной информации о таких предполагаемых узких местах. [8] Тем не менее, генетический анализ 2023 года выявил такое узкое место в популяции предков человека , составлявшее от 100 000 до 1 000 особей «около 930 000 и 813 000 лет назад, [которое] продолжалось около 117 000 лет и привело предков человека на грань исчезновения». [9] [10]

Исследование, проведенное в 2005 году Университетом Рутгерса, предположило, что коренное население Америки до 1492 года является потомками всего 70 человек, которые пересекли сухопутный мост между Азией и Северной Америкой. [11]

Узкое место неолитической Y-хромосомы относится к периоду около 5000 г. до н.э., когда разнообразие мужской Y-хромосомы резко упало до уровня, эквивалентного воспроизводству, происходящему при соотношении между мужчинами и женщинами 1:17. [12] Обнаруженное в 2015 году [13] исследование предполагает, что причиной узкого места было не сокращение числа самцов, а резкое снижение процента самцов, добившихся репродуктивного успеха.

Теория катастрофы Тоба

Спорная теория катастрофы Тоба, представленная в конце 1990-х - начале 2000-х годов, предполагала, что узкое место человеческой популяции произошло примерно 75 000 лет назад, предполагая, что человеческая популяция сократилась примерно до 10 000–30 000 особей [14], когда супервулкан Тоба в В Индонезии произошло извержение, которое вызвало серьезные изменения в окружающей среде. Предполагалось, что параллельные узкие места существуют среди шимпанзе , горилл , макак-резус , орангутанов и тигров . [15] Гипотеза была основана на геологических доказательствах внезапного изменения климата и доказательствах слияния некоторых генов (включая митохондриальную ДНК , ДНК Y-хромосомы и некоторые ядерные гены ) [16] и относительно низком уровне генетической изменчивости у людей. [14]

Однако последующие исследования, особенно в 2010-х годах, похоже, опровергли как аргумент о климате, так и аргумент о генетике. Недавние исследования показывают, что масштабы изменения климата были намного меньшими, чем предполагали сторонники теории. [17]

В 2000 году в статье «Молекулярная биология и эволюция» была предложена модель трансплантации или «длинное узкое место», объясняющая ограниченную генетическую изменчивость, а не катастрофическое изменение окружающей среды. [8] Это согласуется с предположениями о том, что в странах Африки к югу от Сахары их численность могла временами снижаться до 2000, возможно, на протяжении 100 000 лет, прежде чем в позднем каменном веке их численность снова начала расти . [18]

Другие животные

Европейский зубр , также называемый зубром (Bison bonasus), находился на грани исчезновения в начале 20 века. Все животные, живущие сегодня, произошли от 12 особей и имеют чрезвычайно низкую генетическую изменчивость, которая, возможно, начинает влиять на репродуктивную способность быков. [19]

Популяция американского бизона (Bison Bison) сократилась из-за чрезмерной охоты, что почти привело к исчезновению примерно в 1890 году, хотя с тех пор она начала восстанавливаться (см. таблицу).

Чрезмерная охота поставила северного морского слона на грань исчезновения к концу 19 века. Хотя они и вернулись, генетическая изменчивость внутри популяции остается очень низкой.

Классическим примером узкого места в популяции является северный морской слон , популяция которого упала примерно до 30 особей в 1890-х годах. Хотя сейчас их число исчисляется сотнями тысяч, потенциал возникновения узких мест внутри колоний сохраняется. Доминирующие быки способны спариваться с наибольшим количеством самок — иногда до 100. Поскольку большая часть потомства колонии произошла только от одного доминирующего самца, генетическое разнообразие ограничено, что делает вид более уязвимым к болезням и генетическим мутациям.

Золотой хомяк является таким же ограниченным видом: подавляющее большинство одомашненных хомяков произошли от одного помета, найденного в сирийской пустыне около 1930 года, и осталось очень мало диких золотистых хомяков.

Крайним примером узкого места в популяции является новозеландская черная малиновка , каждая особь которой сегодня является потомком единственной самки по имени Old Blue. Популяция черной малиновки все еще восстанавливается после своего минимума, составлявшего всего пять особей в 1980 году.

Геном гигантской панды свидетельствует о серьезном узком месте, существовавшем около 43 000 лет назад . [20] Есть также свидетельства того, что по крайней мере один вид приматов, золотая курносая обезьяна , также страдал от «узкого места» примерно в это время. Предполагается, что неизвестное экологическое событие стало причиной узких мест, наблюдаемых у обоих этих видов. Узкие места, вероятно, стали причиной низкого генетического разнообразия , наблюдаемого у обоих видов.

На основании наблюдаемого узкого места в численности населения иногда можно вывести и другие факты. Среди гигантских черепах Галапагосских островов (которые сами по себе являются ярким примером узкого места) сравнительно большая популяция на склонах вулкана Альседо значительно менее разнообразна, чем четыре другие популяции черепах на том же острове. Анализ ДНК датирует узкое место примерно 88 000 лет назад ( YBP ). [21] Около 100 000 лет назад вулкан сильно извергся, глубоко похоронив большую часть среды обитания черепах под пемзой и пеплом.

Другой пример можно увидеть у больших прерийных кур , которые были распространены в Северной Америке до 20 века. Только в Иллинойсе численность больших прерийных кур упала с более чем 100 миллионов в 1900 году до примерно 46 в 1998 году. [22] Такое сокращение популяции было результатом охоты и разрушения среды обитания , но случайные последствия также привели к большим потерям в видовое разнообразие. Анализ ДНК, сравнивающий птиц 1990-х годов и середины века, показывает резкое генетическое снижение за последние десятилетия. Управление прерийными курами теперь включает в себя усилия по генетическому спасению , включая перемещение прерийных кур между токами для увеличения генетического разнообразия каждой популяции. [22]

Узкое место в популяциях также представляет собой серьезную угрозу стабильности популяций видов. Papilio homerus — самая крупная бабочка в Америке, которая, по данным МСОП, находится под угрозой исчезновения . Исчезновение центрального населения представляет собой серьезную угрозу демографического затруднения. Остальные две популяции в настоящее время географически изолированы, и их ждет нестабильное будущее с ограниченными оставшимися возможностями для потока генов. [23]

У гепардов существуют генетические узкие места . [24] [25]

Селекционное скрещивание

Узкие места также существуют среди чистопородных животных (например, собак и кошек : мопсов , персов ), поскольку заводчики ограничивают свои генофонды несколькими (победившими на выставках) особями из-за их внешнего вида и поведения. Широкое использование желательных отдельных животных при исключении других может привести к эффекту популярного производителя .

Селекционное разведение пород собак привело к возникновению узких мест, связанных с конкретной породой. [26] Эти узкие места привели к тому, что собаки имеют в среднем на 2–3% больше генетической нагрузки , чем серые волки . [27] Строгие программы разведения и узкие места в популяции привели к распространению таких заболеваний, как болезни сердца, слепота, рак , дисплазия тазобедренного сустава и катаракта. [26]

Селекционная селекция для получения высокоурожайных культур привела к генетическим узким местам в этих культурах и привела к генетической однородности. [28] Такое сокращение генетического разнообразия многих сельскохозяйственных культур может привести к увеличению восприимчивости к новым болезням или вредителям, что угрожает глобальной продовольственной безопасности. [29]

Растения

Исследования показали, что в геноме сосны Воллеми ( Wollemia nobilis ) невероятно низкое, почти необнаружимое количество генетического разнообразия . [30] В 2011 году МСОП обнаружил, что популяция насчитывает 80 взрослых особей и около 300 сеянцев и молодых особей, а ранее в дикой природе сосны Воллеми насчитывалось менее 50 особей. [31] Низкий размер популяции и низкое генетическое разнообразие указывают на то, что сосна Воллеми прошла через серьезное ограничение численности популяции.

Узкое место в популяции было создано в 1970-х годах в результате усилий по сохранению находящегося под угрозой исчезновения серебряного меча Мауна-Кеа ( Argyroxiphium sandwicense ssp. Sandwicense ). [32] Небольшая естественная популяция серебряных мечей в 1970-х годах пополнилась за счет вытесненных особей. Было обнаружено, что все высаженные растения серебряного меча являются потомками первого или последующего поколения всего двух основателей по материнской линии. Низкое количество полиморфных локусов у высаженных особей привело к узкому месту в популяции, что привело к потере маркерного аллеля в восьми локусах.

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Уильям Р. Каттон-младший «Узкое место: надвигающийся тупик человечества» Xlibris Corporation, 2009. 290 стр. ISBN  978-1-4415-2241-2 [ нужна страница ] [ самоизданный источник ]
  2. ^ Ланде, Р. (1988). «Генетика и демография в биологическом сохранении». Наука . 241 (4872): 1455–1460. Бибкод : 1988Sci...241.1455L. дои : 10.1126/science.3420403. ПМИД  3420403.
  3. ^ Линч, М.; Конери, Дж.; Бургер, Р. (1995). «Накопление мутаций и вымирание небольших популяций». Американский натуралист . 146 (4): 489–518. дои : 10.1086/285812. S2CID  14762497.
  4. ^ Хуфбауэр Р.А., Богданович С.М., Харрисон Р.Г. (февраль 2004 г.). «Популяционная генетика интродукции биологического контроля: митохондриальная ДНК и микросателлиные вариации в аборигенных и интродуцированных популяциях Aphidus ervi, паразитоидной осы». Молекулярная экология . 13 (2): 337–48. дои : 10.1046/j.1365-294X.2003.02084.x. PMID  14717891. S2CID  45796650.
  5. ^ Гилпин, Мэн; Суле, Мэн (1986). «Минимально жизнеспособные популяции: процессы вымирания видов». В Суле, Майкл Э. (ред.). Биология сохранения: наука о дефиците и разнообразии . Сандерленд Массачусетс: Sinauer Associates. стр. 13–34. ISBN 978-0-87893-794-3.
  6. ^ Суле, Майкл Э., изд. (1987). Жизнеспособные популяции для сохранения . Кембридж: Кембриджский университет. Нажимать . ISBN 978-0-521-33657-4.[ нужна страница ]
  7. ^ Ли, CE (2002). Эволюционная генетика инвазионных видов. Тенденции экологии и эволюции , 17 (8), 386–391.
  8. ^ ab Hawks J, Ханли К., Ли Ш., Вулпофф М. (январь 2000 г.). «Узкие места населения и эволюция человека плейстоцена». Молекулярная биология и эволюция . 17 (1): 2–22. doi : 10.1093/oxfordjournals.molbev.a026233 . ПМИД  10666702.
  9. ↑ Циммер, Карл (31 августа 2023 г.). «Предки человечества почти вымерли, как предполагает генетическое исследование. Численность населения сократилась в результате изменения климата около 930 000 лет назад, заключили ученые. Других экспертов этот анализ не убедил». Нью-Йорк Таймс . Архивировано из оригинала 31 августа 2023 года . Проверено 2 сентября 2023 г.
  10. ^ Ху, Ванцзе; и другие. (31 августа 2023 г.). «Геномный вывод о серьезном узком месте человека во время перехода от раннего к среднему плейстоцену». Наука . 381 (6661): 979–984. doi : 10.1126/science.abq7487. Архивировано из оригинала 1 сентября 2023 года . Проверено 2 сентября 2023 г.
  11. ^ «В Северной Америке проживают всего 70 человек, заключает исследование» . ЖиваяНаука. 25 мая 2005 г. Проверено 1 апреля 2010 г.
  12. ↑ Старр, Мишель (31 мая 2018 г.). «Что-то странное случилось с людьми 7000 лет назад, и мы наконец знаем, почему». сайт sciencealert.com . Проверено 12 сентября 2023 г.
  13. ^ Кармин; и другие. (2015). «Недавнее узкое место в разнообразии Y-хромосомы совпадает с глобальными изменениями в культуре». Геномные исследования . 25 (4): 459–466. дои : 10.1101/гр.186684.114 . ПМЦ 4381518 . 
  14. ^ аб Докинз, Ричард (2004). «Сказка кузнечика». Рассказ предка, паломничество к заре жизни . Бостон: Компания Houghton Mifflin. п. 416. ИСБН 0-297-82503-8.
  15. ^ Протеро, Дональд Р. (1 августа 2013 г.). Проверка реальности: как отрицатели науки угрожают нашему будущему. Издательство Университета Индианы. п. 263. ИСБН 9780253010360.
  16. ^ Амвросий С.Х. (июнь 1998 г.). «Узкие места человеческого населения позднего плейстоцена, вулканическая зима и дифференциация современных людей». Журнал эволюции человека . 34 (6): 623–51. дои : 10.1006/jhev.1998.0219. PMID  9650103. S2CID  33122717.
  17. ^ «Сомнение по поводу« вулканической зимы »после суперизвержения Тоба. 2013» . Физика.орг . 02 мая 2013 г. Проверено 31 октября 2015 г.
  18. ^ 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. ПМК 2427203 . ПМИД  18439549. 
    • Пол Ринкон (24 апреля 2008 г.). «Человеческая линия «почти разделилась надвое»». Новости BBC .
  19. ^ Люэнсер, К.; Фикель, Дж.; Ленен, А.; Спек, С.; 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.
  20. ^ 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.
  21. ^ Бехерегарай Л.Б., Чиофи С., Гейст Д., Гиббс Дж.П., Какконе А., Пауэлл-младший (октябрь 2003 г.). «Гены фиксируют доисторическое извержение вулкана на Галапагосских островах». Наука . 302 (5642): 75. дои :10.1126/science.1087486. PMID  14526072. S2CID  39102858.
  22. ^ аб Муссманн, С.М.; Дуглас, MR; Энтонсами, WJB; Дэвис, Массачусетс; Симпсон, ЮАР; Луи, В.; Дуглас, Мэн (февраль 2017 г.). «Генетическое спасение, большая прерийная курица и проблема сохранения природы в антропоцене». Королевское общество открытой науки . 4 (2): 160736. doi :10.1098/rsos.160736. ISSN  2054-5703. ПМК 5367285 . ПМИД  28386428. 
  23. ^ Ленерт, Мэтью С.; Крамер, Валери Р.; Роулинз, Джон Э.; Вердеция, Ванесса; Дэниелс, Джарет К. (10 июля 2017 г.). «Бабочка Ямайки, находящаяся под угрозой исчезновения: обзор биологии и статуса сохранения махаона Гомера (Papilio (Pterourus) homerus Fabricius)». Насекомые . 8 (3): 68. doi : 10.3390/insects8030068 . ПМК 5620688 . ПМИД  28698508. 
  24. ^ Менотти-Раймонд, М.; О'Брайен, SJ (апрель 1993 г.). «Знакомство с генетическим узким местом африканского гепарда». Proc Natl Acad Sci США . 90 (8): 3172–6. Бибкод : 1993PNAS...90.3172M. дои : 10.1073/pnas.90.8.3172 . ПМК 46261 . ПМИД  8475057. 
  25. ^ О'Брайен, С.; Релке, М.; Маркер, Л; Ньюман, А; Винклер, К.; Мельцер, Д; Колли, Л; Эверманн, Дж.; Буш, М; Вильдт, Д. (22 марта 1985 г.). «Генетическая основа видовой уязвимости гепарда» (PDF) . Наука . 227 (4693): 1428–1434. Бибкод : 1985Sci...227.1428O. дои : 10.1126/science.2983425. PMID  2983425. Архивировано из оригинала (PDF) 7 мая 2006 г.
  26. ^ аб Линдблад-То, К.; Уэйд, CM; Миккельсен, Т.С.; Карлссон, ЕК (2005). «Последовательность генома, сравнительный анализ и структура гаплотипов домашней собаки». Природа . 438 (7069): 803–819. Бибкод : 2005Natur.438..803L. дои : 10.1038/nature04338 . ПМИД  16341006.
  27. ^ Марсден, компакт-диск; Ортега-дель Веккьо, Д.; О'Брайен, ДП; и другие. (2016). «Узкие места и выборочные зачистки во время приручения увеличили вредные генетические вариации у собак». Труды Национальной академии наук . 113 (1): 152–157. Бибкод : 2016PNAS..113..152M. дои : 10.1073/pnas.1512501113 . ПМЦ 4711855 . ПМИД  26699508. 
  28. ^ Национальный исследовательский совет. (1972). Генетическая уязвимость основных сельскохозяйственных культур . Национальные академии.
  29. ^ Хайтен, Д.Л.; Сонг, К.; Чжу, Ю.; и другие. (2006). «Влияние генетических узких мест на разнообразие генома сои». Труды Национальной академии наук . 103 (45): 16666–16671. Бибкод : 2006PNAS..10316666H. дои : 10.1073/pnas.0604379103 . ПМК 1624862 . ПМИД  17068128. 
  30. ^ Пикалл, Р.; Эберт, Д.; Скотт, LJ; Мигер, П.Ф.; Оффорд, Калифорния (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.
  31. ^ Томас, П. (2011). «Волемия благородная». Красный список исчезающих видов МСОП . doi : 10.2305/IUCN.UK.2011-2.RLTS.T34926A9898196.en .
  32. ^ Робишо, Р.Х.; Монах, Э.А.; Маунт, Д.В. (1997). «Молекулярно-генетические последствия узкого места в популяции, связанного с реинтродукцией серебряного меча Мауна-Кеа ( Argyroxiphium sandwicense ssp. Sandwicense [Asteraceae])». Биология сохранения . 11 (5): 1140–1146. дои : 10.1046/j.1523-1739.1997.96314.x. S2CID  83819334.

Внешние ссылки

В Wikimedia Commons есть СМИ, связанные с узким местом в области народонаселения .