Что такое эффект бутылочного горлышка
Что такое эффект бутылочного горлышка в природе?
Итак, что же все-таки подразумевается под бутылочным горлышком? Вероятно, многие из нас хоть раз слышали об этом явлении, но так и не вникли в его определение. Эффект бутылочного горлышка в эволюции — обеднение генофонда особей в тот период, когда происходит масштабное сокращение их числа, которое в дальнейшем восстанавливается. Это явление входит в число факторов эволюции.
Существует еще близкий этому процессу эффект основателя. Это возникновение новой популяции из нескольких особей и ее смещение. Образование нового вида — редкое явление. Оно имеет значение также для оценки расселения древних людей и степени родства между народами. И тот, и другой эффект — дрейф генов.
Совокупность особей, пережившая дрейф генов, уже имеет отличие от исходной и это является следствием случайности и не объясняется генетическими преимуществами. Отметим, что с помощью нашей статьи ты сможешь найти много ответов на интересующие вопросы об этом эффекте и не только.
Это очень интересная тема для рассуждения. Сегодня мы рассмотрим: что это за явление, его значение в эволюции, историю и примеры.
В чем суть эффекта бутылочного горлышка?
Это явление означает, что выживает сильнейший. Суть этого эффекта заключается в том, что при снижении количества особей, выживают лишь более приспособленные к критическим условиям. Простыми словами популяция с большим числом особей очищается, образно говоря, через горлышко бутылки, сохраняя лишь некоторые виды. Это касается и численности человеческой популяции, человечество тоже подвержено данному явлению. Эффект бутылочного горлышка дает возможность уже сейчас моделировать возможные варианты развития будущего.
Эффект основателя
Если подробнее, то эффект основателя — это процесс возникновения новой популяции, из тех особей, которые прошли отбор через «бутылочное горлышко». Такая популяция называется родительской. Оба явления — дрейф генов. Иными словами это случайные изменения генотипов в числе особей при смене поколений. Считается, что эффект основателя приводит к видообразованию и эволюции новых видов. Но нельзя не упомянуть, что без первого феномена не может существовать и второй.
К чему приводят эти эффекты?
Эти явления приводят практически к одному и тому же. В результате этих явлений численность вида резко уменьшается и, следовательно, генетическое разнообразие тоже.
Но с другой стороны обедневший уровень генофонда может привести к тому, что оставшиеся особи не смогут приспособиться к критическим условиям окружающей среды, что повлечет за собой вымирание вида.
Примеры
Можно привести множество примеров эффекта бутылочного горлышка с насекомыми и животными, но давай рассмотрим классический пример.
Эволюционный отбор с гепардом
Образцом такого отбора считаются особи гепардов. За последние годы численность диких гепардов сократилась и теперь составляет менее 20 тысяч особей. Число этих млекопитающих имеет самое малое генетическое разнообразие. Это безусловно сказывается на условиях их жизни. Гепарды склонны к дефектам и различным отклонениям, которые сокращают расположенность к размножению, а также к болезням, передающимся по наследству. С момента сокращения численности млекопитающих прошло не так много времени, чтобы случайные мутации повлекли за собой новое генетическое разнообразие.
Искусственное сокращение численности популяции
Это вызванное человеком явление бутылочного горлышка. Оно применяется для закрепления определенных признаков растений и животных, выгодных для людей. Ярким образцом может послужить истребление шарпеев, согласно изданному в 1950 году декрету, где говорилось о бесполезном существовании домашних животных. На тот момент осталось несколько родов шарпеев в разных частях планеты. В 1970-1975 гг группе любителей собак пришлось разыскивать уцелевших шарпеев и отправлять в Гонконг для спасения от вымирания. Импортированные шарпеи отличались от родительских особей высоким строением ног, высотой в холке и изящностью.
Но истребление применимо и на людей. В наше время депопуляцию можно сравнить с глобальным геноцидом, но это происходит во время войн. Теперь это решение не заводить детей, а получать все удовольствия жизни вплоть до седых волос на голове. Иными словами это сокращает рождаемость в стране до невероятных пределов. Остановить это можно, взяв пример с Канады, которая принимает мигрантов. Они в свою очередь поддерживают число населения.
Может ли восстановиться генетическое разнообразие?
Ответ на этот вопрос входит в определение явления бутылочного горлышка. Да, конечно может, но при соблюдении условий о разнообразии естественной среды. В результате длительной эволюции в среде обитания, пригодной для жизни, возможно полное восстановление генофонда вида.
Однако многообразие человеческой популяции нужно сохранять по-особенному, потому что восстановление вида может принести много трудностей. Нельзя допустить вымирание человечества, поэтому нужно работать над тем, чтобы преобладал естественный прирост населения.
Что можно сказать об эволюции человека?
Около полутора миллионов лет назад число человеческого населения снизилось до 18,5 тысячи человек. В 2008 г появилось мнение, что почти 75 тысяч лет назад после извержения супервулкана Тоба в Индонезии численность человечества снизилась до 2 тысяч человек, но их расположение не могло быть сконцентрировано на узкой территории, они бы вымерли от дефицита пищи.
Высказано также мнение, что из числа всех африканских жителей, предков для всего человечества это событие вынесло всего порядка 10 тысяч человек. Эти примеры и показывают, что человечество тоже подвержено данному явлению.
Но секрет сокращения численности особей заключается еще в эпидемиологическом факторе. Эпидемия стрептококков привела к резкому сокращению числа населения древнего народа, что тоже объясняет этот механизм этого явления. Наглядно видно, что в результате этого эффекта бутылочного горлышка эволюции выживает сильнейший. Однако в наше время человеческую популяцию можно назвать разнообразной, потому что население составляет 7,5 млрд человек по всей поверхности Земли.
Эволюционный процесс абсолютно любого живого вида на нашей планете проходил как стадии расцвета и повышения численности его популяций, так и сокращение числа экземпляров до нескольких тысяч, сотен и менее. В последнем случае принято говорить об эффекте бутылочного горлышка. Рассмотрим подробнее, что это означает.
В чем суть эффекта бутылочного горлышка?
Вам будет интересно: Треонин: формула, полезные вещества, свойства, применение, польза и вред
Эффект основателя
То число особей, которое выжило, пройдя через этап «бутылочного горлышка», дает начало новым поколениям. По отношению к ним это редуцированное число индивидуумов является основателем, или родительской популяцией.
Если число особей вида сократилось до 10 и менее, тогда говорят об экстремальном эффекте основателя. В этом случае в генофонде последующих поколений практически не будет никакого разнообразия аллелей, и одинаковые морфологические признаки будут встречаться достаточно часто.
Таким образом, эффекты основателя и бутылочного горлышка связаны друг с другом в одну эволюционную цепочку: первый следует за вторым.
К чему приводят эти эффекты?
Пример с гепардом
Ярким примером эффекта бутылочного горлышка, который вызван эволюционным отбором, является современный гепард. До того как произошло глобальное обледенение нашей планеты (Четвертичный период), на территории Африки, Евразии и Северной Америки существовало несколько видов гепардов, которые сильно отличались от современного как размерами, так и скоростными способностями. По некоторым оценкам, общая численность гепардов на планете могла достигать сотен тысяч особей.
Во время Четвертичного периода, когда пища стала менее доступной, произошла массовая смертность многих видов живых существ, в том числе и гепардов. Полагают, что численность последних могла составить всего несколько сотен особей. Причем выживали только самые быстрые и имеющие небольшие размеры экземпляры, то есть произошел эффект бутылочного горлышка для гепардов.
Искусственное сокращение численности популяции
Исходя из названия, этот эффект бутылочного горлышка вызван уже вмешательством человека в природу. Примеров можно привести несколько:
Отметим, что применение этот эффект находит и в селекции новых подвидов растений и животных, с целью закрепления выгодных человеку признаков.
Может ли восстановиться генетическое разнообразие?
Ответ на этот вопрос является положительным. Да, может, но для этого необходимо создать соответствующие условия. Даже когда родительская группа особей была незначительной, и в прошлом наблюдался сильный эффект бутылочного горлышка, генетическое разнообразие может быть восстановлено в ходе длительного последующего эволюционного процесса.
Для этого окружающая среда должна предоставлять различные ниши для обитания данного вида, то есть среда сама должна быть разнообразной. Тогда, приспосабливаясь к новым условиям и накапливая постепенно новые мутации, вид может восстановить свой генофонд.
Что можно сказать об эволюции человека?
Различные катаклизмы известной нам истории постоянно уносили десятки и сотни тысяч человеческих жизней, что создавало эффект бутылочного горлышка для Homo Sapiens и других видов человека. Приведем некоторые примеры:
Что касается современной ситуации с человеком, то его генетическое разнообразие является достаточно большим, поскольку население планеты составляет около 7,5 млрд и распределено оно по всей территории Земли (разные условия среды обитания).
Эффект горлышка в истории и России
Эффект бутылочного горлышка — сокращение численности популяции.
На рисунке: Population size = Размер популяции;
Time = Время;
Bottleneck event — Событие, ведущее к «бутылочному горлышку»;
Recovery = Восстановление;
Extinction = Вымирание.
http://www.bogoslov.ru/data/810/328/1234/clip_image002.jpg
http://warrax.net/91-92/etnogenom.html
http://vivovoco.rsl.ru/VV/JOURNAL/NATURE/06_01/HUMGENE.HTM
Эффект «горлышка» в истории и России
Это данные современной науки. Но некоторым пользователям Интернета они крайне не нужны, так как мешают одурачивать посетителей их блогов и читателей их фантастических произведений (под видом строго научных).
Для сравнения — численность ныне живущих шимпанзе (а этот вид находится под угрозой исчезновения) составляет 100—200 тыс. особей.
Так как митохондриальная ДНК наследуется только по материнской линии, у всех ныне живущих людей такая ДНК была получена от «Евы». Поскольку популяционные генетики считают родиной митохондриальной Евы Африку, её иногда называют африканской Евой. При древнейшем разделении предковой популяции людей образовались три главных гаплогруппы, L1, L2, L3. Из них первая преобладает у бушменов и пигмеев. Две других также имеются у африканских народов, но только от гаплогруппы L3 происходят макрогруппы М и N, носители которых мигрировали из Африки в Евразию, а карт их перемещения немало в Интернете..
Существуют альтернативные объяснения митохондриальной генеалогии народов Земли. Например, аналогичное генеалогическое древо получают, если на ранней стадии расселения большинство людей погибло из-за какой-то эпидемии или природной катастрофы, а выжившие представляли собой небольшую группу кровных родственников. Однако попытки построить генеалогию народов на основании исследования других генов не подтверждают гипотезу катастрофы. Кроме того, принимают во внимание обмен генами, который происходил в результате браков между дальними родственниками, в результате чего геномы продолжали смешиваться в популяциях уже после исхода из Африки. Наибольшее разнообразие мутаций, которое наблюдается у африканских народов, также объясняют по-разному. Это может быть результатом длительного проживания предковой популяции в Африке. Но с другой стороны, в Африке времен палеолита население могло быть просто многочисленнее, чем в других регионах.
http://ru.wikipedia.org/wiki/Митохондриальная_Ева
http://ru.wikipedia.org/wiki/Homo_sapiens_sapiens
http://evolbiol.ru/markov_anthropogenes.htm
Сравнение полиморфизмов митохондриальной ДНК и датирование окаменелостей позволяют заключить, что Homo sapiens по женской линии (от «Митохондриальной Евы» — группы женщин, имевших одинаковую Митохондриальную ДНК при популяции вида порядка 10-20 тыс. особей) появились ок. 200 000 лет назад, «Адам» жил несколько позже.[ Cavalli-Sforza L. L., Feldman M. W. The application of molecular genetic approaches to the study of human evolution. Nature genetics, 2003, v. 33, p. 266—275; и др.]
Известно, что в 2009 г. группа ученых под руководством Сары Тишкофф из Университета Пенсильвании опубликовала в журнале Science результаты комплексного исследования генетического разнообразия народов Африки. Установлено, что самой древней ветвью, испытавшей наименьшее количество смешиваний, как раньше и предполагалось, является генетический кластер, к которому принадлежат бушмены и другие народы, говорящие на койсанских языках. Скорее всего, они и являются той ветвью, которая ближе всего к общим предкам всего современного человечества.
Один из главных выводов.
Ок.74 000 лет назад небольшая популяция (ок. 2 000 человек), пережившая последствия очень мощного вулканического извержения (
20-30 лет зимы), предположительно вулкана Тоба в Индонезии, стала предком современных людей в самой Африке. Генетики с учётом археологических данных обосновывают, что 60 000—40 000 лет назад люди современного типа мигрировали в Азию, и оттуда в Европу (40 000 лет), Австралию и Америку (35 000—15 000 лет). Хотя есть и вариации мнений.
http://ru.vlab.wikia.com/wiki/Антропогенез
http://ru.wikipedia.org/wiki/Вулканическая_зима
http://botinok.co.il/node/49879
Эволюция специфических человеческих способностей, таких как развитое сознание, интеллектуальные способности и язык, исследуется с трудом, поскольку их изменения невозможно прямо отследить по останкам гоминид и следам их жизнедеятельности. Для изучения эволюции данных способностей ученые интегрируют достоверный факты различных наук, в том числе физической и культурной антропологии, зоопсихологии, этологии, нейрофизиологии, генетики.
Существует немало менее известных, непроверенных гипотез происхождения человека (вплоть до откровенно фантастических). Например, гипотеза о южноамериканском происхождении «хомо сапиенс», или теории, рассматривающие человека, как потомка китообразных или рукокрылых млекопитающих, или даже инопланетных существ. Выдвигаются и предположения об «обратной эволюции» — согласно этим гипотезам, обезьяны являются продуктом деградации человека. Большинство альтернативных гипотез официальная наука их отрицает. Хотя бы кратко подобные версии учитывать всё же необходимо. http://ru.wikipedia.org/wiki/Homo_sapiens_sapiens
Эффект бутылочного горлышка
Материал из Википедии — свободной энциклопедии
http://ru.wikipedia.org/wiki/Эффект_бутылочного_горлышка
http://ru.wikipedia.org/wiki/Бутылочное_горло
Эффект бутылочного горлышка — сокращение генофонда популяции в результате критического уменьшения численности по различным причинам.
Первоначально популяция имеет большое генетическое разнообразие, вследствие своей многочисленности, благоприятных условий окружающей среды и широкого ареала обитания.
Популяция вымирает, её численность сокращается до нескольких особей. Генофонд обедняется. Снижение численности популяции может происходить периодически (в связи с ежегодным наступлением сезона неблагоприятного для поддержания численности популяции) или единоразово — в результате катастроф.
Численность популяции снова возрастает, но генетическое разнообразие не восстанавливается. Создаются условия для случайного варьирования частот аллелей в популяции — дрейфа генов. Также малые популяции подвержены инбридингу.
Название «эффект бутылочного горлышка» наглядно демонстрирует один из способов отображения численности популяции. Если схематически изобразить численность популяции в один момент времени в виде горизонтальной полоски или эллипса, а численность в последующие моменты — таким же образом, но на пропорциональную величину выше над первым изображением, то случаи резкого снижения численности будут выглядеть, как сужения рисунка в верхней части — то есть — подобно горлышку бутылки.
Но это говорит лишь о том, что почти всё современное человечество продолжает линию женщин, переживших более 100 тысяч лет назад состояние «бутылочного горлышка» в общем прошлом народов планеты. Мужские линии от той поры, вероятнее всего, не выжили.
http://forum.molgen.org/index.php?topic=1216.0; http://forum.molgen.org/index.php/board,34.0.html
Ингибирование рекомбинации
Доказано, что рекомбинация между X и Y хромосомами вредна — она приводит к появлению самцов без необходимых генов в Y хромосоме, и самок с ненужными или даже вредными генами, до этого находящимися только в Y хромосоме. В результате гены полезные самцам накапливались возле определяющих пол генов, и рекомбинация в этой части хромосомы была подавлена для сохранения этого, присущего только самцам района. С течением времени, Y хромосома изменялась в сторону полного ингибирования рекомбинации районов прилежащих к генам, определяющим пол, с X хромосомой. В результате этого процесса 95 % человеческой Y хромосомы не способно к рекомбинации.
Y хромосома человека потеряла 1393 из 1438 изначально имеющихся в ней генов в процессе своего существования. При скорости потери генов 4,6 на миллион лет, Y хромосома человека потенциально может полностью потерять свою функцию в течение следующих 10 миллионов лет[10]. Сравнительный геномный анализ, однако, показывает что многие виды млекопитающих испытывают подобную потерю функций в их гетерозиготных половых хромосомах. Дегенерация возможно является судьбой всех нерекомбинантных половых хромосом из-за трёх общих эволюционных сил: высокой скорости мутирования, неэффективного отбора и генетического дрейфа. С другой стороны, недавние сравнения Y хромосомы человека и шимпанзе показали, что человеческая Y хромосома не потеряла ни одного гена с момента дивергенции человека и шимпанзе около 6—7 миллионов лет назад, что доказывает возможную ошибочность модели линейной экстраполяции.
Человеческая Y хромосома частично подвержена высокой скорости мутирования в связи со средой в которой она находится. Y хромосома передается исключительно через сперматозоиды, которые подвергаются множественным клеточным делениям в процессе гаметогенеза. Каждое клеточное деление предоставляет дополнительную возможность для накопления мутаций пар оснований. К тому же сперматозоиды находятся в высокоокислительной среде яичек, которая стимулирует усислиение мутирования. Эти два условия вместе повышают риск мутирования Y хромосомы в 4,8 раза по сравнению с остальным геномом.
У человека Y-хромосома состоит из 58 миллионов пар азотистых оснований, и приблизительно 2 % ДНК-материала клетки человека. Хромосома содержит 86 генов, которые кодируют 23 белка. Признаки, наследуемые через Y-хромосому, носят название голандрических.
Человеческая Y-хромосома не способна рекомбинироваться с X-хромосомой, за исключением небольших псевдоаутосомных участков на теломерах (которые составляют около 5 % длины хромосомы). Это реликтовые участки древней гомологии между X и Y хромосомами. Основная часть Y-хромосомы, которая не подвержена рекомбинации, называется NRY (англ. non-recombining region of the Y chromosome). Эта часть Y-хромосомы позволяет посредством оценки однонуклеотидного полиморфизма определить прямых предков по отцовской линии.
http://ru.wikipedia.org/wiki/Y-хромосома
http://ru.wikipedia.org/wiki/Y-хромосомный_Адам
http://ru.wikipedia.org/wiki/Митохондриальная_Ева
http://www.mirnov.ru/arhiv/mn818/mn/23-1.php
Профессор Оксфордского университета Брайан Сайкс в 2003 году опубликовал книгу “Проклятие Адама”, в которой обратил внимание на то, что Y-хромосома, которая не имеет пары, постепенно мутирует и разрушается. “Если так пойдет и дальше, уже через 125 тысяч лет от нее не останется и следа. Мужчины вымрут. Да и человеческий род исчезнет с лица Земли, если более стойкие женщины не научатся размножаться без их участия”. Скандальная книга получила большую известность, правда, серьезные генетики не восприняли ее всерьез, обвинив коллегу “в склонности к дешевому популизму”.
Споры спорами. Но никто из реальных учёных гаплогруппы женщин и мужчин как надежные индикаторы развития людей и этносов в последние десятки тысячелетий не отвергает. Могут развиваться новые теории, но они требуют соответствующих убедительных обоснований. Пока этого нет.
Стоит и россиянам помнить о тех 2 тысячах выживших 74 тыс. лет назад в Африке мужчинах и женщинах, мутации в генах потомков которых и дали почти всё многообразие современного человечества. По численности оно в миллионы раз более этих ранних своих пращуров.
Как человечество смогло попасть в «бутылочное горлышко» и выжить
Эффект бутылочного горлышка — явление массового вымирания, при котором выживает лишь небольшая часть популяции, которая в итоге стабилизируется и разрастается вновь. Для такого эффекта характерно сокращение генетического разнообразия, и конечно тут выживает сильнейший. Его можно наблюдать как у животных, так и у человека.
Эффект бутылочного горлышка могут провоцировать, климатические катаклизмы, эпидемии и пандемии, распространение хищников и массовое бесплодие.
Для популяции homo sapiens такой переломный момент наступил около 70 000 лет назад. Когда в результате извержение супервулкана Тобу и последовавшей за ним «ядерной зимы» человеческая популяция сократилась до 2000 человек, которые обитали на территории современной Восточной Европы. Это касается той части нашего вида, которая проживала на территории современной Европы и части Азии.
Эта версия впервые была опубликована в знаменитом и авторитетном научном издании The American Journal of Human Genetics. Основана она на исследовании так называемой митохондриальной ДНК, которая позволяет выяснить состав общих предков. Таким образом, наш вид и все его представители являются весьма близкими родственниками. Митохондриальной ДНК содержится только в яйцеклетках и по ней легко проследить поколения по материнской линии.
Небольшим группам людей, уцелевшим в новых условиях, удалось почти невозможное. Они смогли воссоединиться из разрозненных поселений и вновь восстановить популяцию успешно преодолев эффект бутылочного горлышка. Эти факторы находят подтверждение в наших ДНК.
Комментировал данное исследование Спенсер Уэллс — член американского сообщества National Geographic.
Виды, прошедшие через
«бутылочное горлышко»
Виды животных, находящиеся на грани вымирания или ранее пережившие период низкой численности, характеризуются сниженной генетической изменчивостью.
Классическим примером такого вида является гепард. Все ныне живущие гепарды генетически очень близки друг к другу: даже пересадка маленького участка кожи от одного животного другому не вызывает отторжения. Эффект «бутылочного горлышка», через которое прошла когда-то популяция гепарда, привел к выраженному снижению жизнеспособности вида: гепарды весьма восприимчивы к болезням, характеризуются высокой смертностью и сниженной плодовитостью.
Гепарды
Прошли через «бутылочное горлышко» и два близких вида – зубр и бизон. В 1930х годах зубры, обитающие на воле, были полностью истреблены, а в зоопарках и питомниках осталось лишь несколько десятков особей. Была предпринята попытка восстановления популяции зубров. Она оказалась весьма успешной, но существующие ныне зубры имеют низкое генетическое разнообразие.
Зубр
Интересно, что при восстановлении популяции горных зубров – обитателей Кавказа – на начальных этапах были использованы не только зубры, но и американские бизоны.
Бизон
Зубры и бизоны свободно скрещиваются и дают жизнеспособное плодовитое потомство (на основании этого их иногда считают подвидами одного вида). Благодаря последующим скрещиваниям гибридных особей и их потомков с зубрами доля генов бизонов в полученной популяции зубров оказалась невелика – всего несколько процентов.
Популяции северного морского слона, большой панды, восточной гориллы и даже человека разумного также пережили в своей истории этап очень низкой численности.
Северные морские слоны