5 遗传漂变和自然选择

优势基因占领了整个种群的过程并不是只有自然选择会决定其命运,遗传漂变则给它的生命中增添了一抹沉浮的意味。和单独受到选择影响相比,两个力量共同作用让突变体能更快地提高频率;不过也有可能是漂变拖慢了选择的速度,甚至降低了突变体的频率。

我们可以通过一个模拟实验来看选择和漂变的互作(图13)。在这个模拟中,优势基因的选择系数(selection coefficient)s=0.01 [这个s是什么意思,我也还不知道。是书之前章节讲的内容]。在有效种群大小为50万的种群,这个等位基因以光滑的轨迹增加,就像我们在第五章描述选择效果时做的那个模拟一样(图S6),只是多了点微不足道的波动。种群是5千个时,波动更明显了。而当种群缩水到50个个体时候,漂变的效果强到让这个优势基因完全骚不起来。实际上,这个优势基因在两次模拟中还出局了。

这些例子解释了当选择和漂变同时发挥作用时,一个等位基因是怎么演化的。一些时候,选择的强度比漂变强得多,漂变基本可以忽略。而另外一些时候,漂变淹没了选择的效果。我们可以使用一个简单的经验规则来判断一个等位基因到底在哪种情况里。我们需要创建两个计量值来体现选择的强度和漂变的强度。第五章讲过,选择的强度用选择系数s来表示。而对于漂变,既然我们已经知道漂变强度和有效种群大小Ne成反比关系,我们自然的就想到用有效种群大小的倒数1/Ne表示漂变的强度。我们只用简单比较这两个数值的大小就可以,这方法适用于大部分的基因,它们总会符合两种情况中的一个:s远远大于1/Ne则选择效果强,s远远小于1/Ne则漂变效果强。这就是图13呈现的情况。需要注意的,只有选择和漂变的相对强度有这样的意义,而不是它们的绝对数值大小。

图13:一个优势基因在不同大小的种群中扩散的模拟实验。该突变体一开始在种群中概率是p=0.25,选择的优势度是s=0.01. 每一个图都是五次模拟。Ne=500,000的时候,基因频率的变化情况和无限大的种群单纯受到自然选择的情况一样。随着Ne变小,漂变的效果开始出现,频率的增加之路开始颠簸。当种群小到1/Ne远远大于选择强度的时候,这个优势基因反而更可能因为漂变的作用而丢了,也就是这里种群大小为500和5的情况。

为什么这个例子中,在种群数量小的时候,优势基因反而更容易丢失呢?回想一下在漂变作用的特点那里我们讲过,一个等位基因只受到漂变影响时,最后该基因在种群中全部扩散的概率等于这个等位基因的初始频率。这题中该优势基因的初始频率只有0.25这么低,所以在这种可以看做是只有漂变影响的情形下更可能丢失。

图S6:不同选择系数的有益突变在种群中固定传播的速度。可以看出选择系数越大的突变固定得越快。[可以看出在Ne很大时种群基因频率的变化趋势和这里的无限大理想种群只受到选择影响下基因频率的改变形式是一样的。注意两个图为什么s=0.01的曲线变化率不一样,因为两次实验的起始频率不同。图13的模拟中起始频率是0.25,所以基因频率在500代之前就趋近于固定了。]

上面的分析暗示了一个很震撼的事实:一个突变可以在一些物种中以受到强烈选择的方式演化,而在另外一些物种中则表现的像是选择上呈现中性一样(图14)。[理解这句话,只需要回看上面那个图13。在Ne很小的时候,基因受到的漂变作用完全盖掉了选择的作用,选择几乎没有效果,我们没有看出这个优势基因在后代中频率上升。也就是说这个时候,这个等位基因可以看做是不受到选择影响的,好像是中性性状一样。] 一些生物有极其大的种群。比如果蝇,Ne大概是一百万,而大肠杆菌更是大的夸张。这些物种中,由于选择作用完全吊打漂变作用,导致选择系数小到10^(-5)的适合度优势都能区分出来。这些物种的性状就反映出了精度极高的适应性。一个典型例子就是密码子偏好(codon bias)。之前我们都说密码子的同义突变是选择中性的。可是实际上,编码同一个氨基酸的不同密码子在适合度上还是有难以察觉的差异,[由于碱基的分子结构不同,产生的分子间作用力也就相应的不同,因此蛋白结合不同碱基的情况并非毫无差别,] 不同的密码子在转录翻译的精确度和效率上还是有不同的。因此,这些Ne很大的物种的基因组中倾向于保留效率最高的密码子类别。[这就导致了密码子的偏好,这些物种在合成一些氨基酸时只是用固定几个密码子,而不是谁都可以]。而那些种群小的物种,他们的性状适应性就没有这么精确。比如灰鲸的种群大概只有几万头。选择系数s=10^(-5)的性状在这个物种中就会像中性性状一样演化。

图14:图A)一个突变的单拷贝最终能在种群扩散到固定的概率取决于它的选择系数s和所处种群的有效种群大小Ne.这里我们假设没有新突变的纯合子选择系数为0,多一个单拷贝新突变的杂合子选择系数±s,多两个新突变的纯合子选择系数±2s. 选择系数取正意味着有益突变,取负是有害突变。图中纵坐标的是相对固定率,与完全中性基因的突变固定率做比较,比值越接近一说明这个基因越像个中性基因,而中性基因突变扩散固定的概率等于1/2Ne。对于|Ne·s|<<1的突变,它们在种群中被固定的频率就非常接近于中性基因。图B,C)一个新突变的适合度效果fitness effect的理论分布。在Ne=10,000时,选择系数在-10^(-5) ~ 10^(5)范围内的突变以几乎中性的特点演化;在同样的适合度效果的分布下,Ne=1000的时,-10^(-4) ~ 10^(4)的基因则表现的像是中性的。

两个不明所以的数据图,尤其是BC不太懂。并且也没有直接对应的文献……之后再看看那个适合度效果是什么意思。

2020年1月25日00:44:52

实话,我以前确实听说过密码子偏好,老师上课也讲过密码子的效率其实是不一样的。但这是我第一次知道原来密码子偏好的产生机制是这样的!好神奇的“醍醐灌顶”的感觉。


漂变和选择对种群多样性的相对贡献区别造成了不同类群的生物中多样性的产生有巨大的不同。像是果蝇和细菌这样Ne非常大的种群,在相近物种中,几乎一半的蛋白质氨基酸的差异都源于正向选择positive selection,也就是,这些差异是优势基因固定来的。[也就是说,在这些漂变作用弱而选择作用强的类群中,物种的分化更多的受到选择作用。相近的物种会产生分离是因为它们的遗传信息发生了分化,造成这些分化的那些不同基因在这些类群中更多是通过选择固定有益突变产生的。] 只有另外一半的差异是通过漂变固定下来的。这种差异分化的方式和我们人类所在的类群非常不同,人类和恒河猴的基因差异中,只有大概15%,甚至更低比例的是因为具有适应性而通过选择被固定,其他大部分都是通过漂变固定的。[这个结果非常戏剧性,可以说威胁到了达尔文的演化观点的基础。毕竟达尔文学说的核心思想就是自然选择是演化的主要动力。而这里却说明,对于一些类群,随机性决定了物种的差异,自然选择的作用没有那么强烈。这里的发现让“演化的动力是什么”这个问题有了更深刻的思考。]

[因为漂变对基因没有偏好性,] 所以漂变可以让有害基因也扩散固定。我们早先提过,现代人类在最近的演化史上的Ne只有大概一万。结果就是,很多能使适合度减少s=10^(-5)的突变却能在基因组中固定下来,[而不是被纯化选择筛选出去]。[回想之前说过的,对于Ne小的物种,强效的漂变盖过了选择,使得这些有害突变在还没来得及被选择纯化之前就固定在种群中了。] 这种有害突变的固定在动植物园的小生物种群中是个严重的问题。同样的问题也是很多自然种群灭绝的原因。小种群中由于有害突变的固定而导致的整体适合度的下降被称为近交负荷inbreeding load。(要注意近交负荷和近交衰退inbreeding depression不是一个概念,后者是说和远交亲本的后代相比,近交亲本的后代适合度丢失。我们在第十章会继续讲。)实验研究了一个只有40不到个体的孤立的蝰蛇Vipera berus种群,其中大多是高度纯合的个体。这种群中的雌性都更加瘦弱,并且后代多数畸形、流产。实验人为引入了20个外来种群的成年雌性个体,和这个种群相互杂交,4年后再移除。很快,这个种群的大小就大幅上涨(图15)。来自其他种群的蛇重新引入了这个种群中由于漂变而丢失的那些无害等位基因,这些基因就迅速优化了后代的存活率。

图15:Sweden地区的蝰蛇种群经历的减少和反弹。红线展示的种群中每年雌性个体的数量,蓝色线是每年种群中新生幼体的数量。图中文字,上框:在1992年,20个外来种群的雌性引入Swedish和当地种群杂交。下框:在1996年外来的雌性个体被移除。

2020年1月26日01:38:10


漂变带你飞跃适应低谷(adaptive valley)

适应这件事adaption有些时候是漂变对抗选择而产生的结果。大多数的染色体重排(chromosomal rearrangement,见知识卡片1都是杂合劣势(underdominant的:杂合状态和两个纯合状态相比的适合度都低。回忆一下第五章的关于适应度地形(adaptive landscape/fitness landscape的内容,这样的杂合劣势的适应度地形是一个低谷(valley)。当一个新的重组类型突变出来时,这个突变的频率一般都很低,并且一般会被选择清除出去。不过,要是漂变作用强势一点,这个新的重组表型有可能意外地增加了频率,并且越过了适应度低谷的最低点,(图16)。跨过这个最低点后,选择的效果就开始偏爱这个新的突变,最终推动这个新突变等到另外一侧适应峰(adaptive peak)。种群借助漂变跨越适应低谷的情况称为峰转移(peak shift。一个著名的现代演化生物学家Sewall Wright认为峰转移是适应性产生的重要过程。但是这个观点现在被大多现今生物学家摒弃。

漂变导致种群跨过适应低谷的机会和低谷的深度密切相关,因为低谷的深度体现了杂合子被选择的强度。杂合子适合度仅仅减少1%都会让跨谷行动变成痴心妄想,除非是在特别特别小的种群中。而体现这一点的例子就是,像染色体重排这样大多是杂合劣势的性状在“杂草型植物(weedy plants,知识卡片2)”中出现的比长命植物更频繁。一个可能的解释就是这些杂草采取频繁地“迁移-定殖-扩增-消亡”生活史策略,有更频繁的种群遗传瓶颈事件,也经常自交,这都导致了非常小的有效种群大小。

图16: 漂变产生峰转移事件只有在种群数量非常小并且适应谷非常低的时候才有可能发生。这个图中,上边两个图是一个杂合劣势的适应谷,和两边的纯合子相比,杂合子适应度的选择系数降低了s=0.001。而整个种群的平均适合度w-bar [就是w上多一个横线,这个屑平台打不出来] 在p=0.5的时候有最小值0.9995 [这里我完全不懂是什么鬼。等看了选择相关的内容之后再说吧]。图中的两个黑色尖头显示了对等位基因的选择的方向,在等位基因频率大于或小于0.5的时候,都会被选择看中,像两个纯合子方向选择。两次模拟实验的条件设置中,基因的突变频率是μ= 10^(–4).底下的两个图都是种群繁殖100,000时基因频率的改变过程。左侧的模拟种群大小是10,000,其漂变强度远远小于选择强度(1/Ne << s)。在三次模拟中,只有一次模拟中等位基因频率跨过了低谷,被选择效果相应的推到p>0.5的另外一个纯合子方向。右侧种群大小是1000,此时选择的强度等于漂变的强度(1/Ne = s)。这仅有一次的模拟中可以看出等位基因频率即使嘴上说着喜欢两个适应峰,身体却在两山峰之间反复横跳,一直没有乖乖就范(?)。[翻译成人话:等位基因频率在这次模拟中有向两峰转移的趋势,但是却受到漂变的影响而在两峰之间动荡,并没有很快的被选择到其中一峰后被固定]。
知识卡片 1

2020年1月26日18:00:47 (今日这个内容非常难。而且有很多需要补充的内容。所以先小更新一次。这次尝试了一下制作知识卡片,以后可能会出很多这样的内容(感觉这次排版有点丑))


知识卡片 2

2020年1月27日23:10:21 (只做了个知识卡片,这太费事了hhh 得额外看好多资料才能写好_(:з」∠)_ 


大种群中有益突变的(悲惨)命运

当一个有益突变第一次被搞出来的时候,它一般是孤零零的单身小伙[这里只是随便用了个拟人化的雄性描述,不是有性别刻板的意思]。携带这个单身新突变的个体,可能 (1) 是丁克,对生小崽没有兴趣(大雾);(2) 个体在减数分裂中不小心把带有这个突变的配子丢了。显然,即使和有害突变相比,有益突变有极大的概率在种群中扩散,可是它们最初的命运却常常是夭折。

一个来自种群遗传学的惊人又显而易见的结论就是,在种群中一个单基因的新突变几乎总是要被漂变作用掐死在摇篮里的,不管选择作用有多看好这个新希望。假设一个突变杂合体的适合度优势是s [因为新突变一般都是单次出现,所以这个携带了新突变的个体一般是杂合子],在一个大到漂变作用几乎可以被忽略的种群中,这个基因被固定的概率也只有2s [我也不懂这个咋来的。就很玄学]。一个能把适合度上拱百分之一的突变都是要上天的好基因了,可是即便这样,它还是有98%的概率在几代之中就没了,昙花一现。有些时候,一些顽强不屈的优势突变反反复复地出来刷脸,不断地被突变出来,才能最终占领整个种群。但是大部分的突变没有这样好的命,它们出来显摆的机会太少了,可能纵观地球生命史也就冒过一次泡,又被漂变戳爆了。因此,漂变带来的新突变清除效果给一个物种可以多快适应变化多端的环境加上了一个速度上限。[这也就更解释了为什么濒危物种非常岌岌可危,小的种群数量导致他们的受到漂变的影响很大,新的突变几乎积累不下来,如此恶性循环,很容易就走向灭绝。]

2020年1月31日23:14:22 前两天都咕咕咕了。上面一段可能依然很难理解,因为我把最关键的适应性地形没讲。下次补上。

最后编辑于
©著作权归作者所有,转载或内容合作请联系作者
禁止转载,如需转载请通过简信或评论联系作者。
  • 序言:七十年代末,一起剥皮案震惊了整个滨河市,随后出现的几起案子,更是在滨河造成了极大的恐慌,老刑警刘岩,带你破解...
    沈念sama阅读 157,012评论 4 359
  • 序言:滨河连续发生了三起死亡事件,死亡现场离奇诡异,居然都是意外死亡,警方通过查阅死者的电脑和手机,发现死者居然都...
    沈念sama阅读 66,589评论 1 290
  • 文/潘晓璐 我一进店门,熙熙楼的掌柜王于贵愁眉苦脸地迎上来,“玉大人,你说我怎么就摊上这事。” “怎么了?”我有些...
    开封第一讲书人阅读 106,819评论 0 237
  • 文/不坏的土叔 我叫张陵,是天一观的道长。 经常有香客问我,道长,这世上最难降的妖魔是什么? 我笑而不...
    开封第一讲书人阅读 43,652评论 0 202
  • 正文 为了忘掉前任,我火速办了婚礼,结果婚礼上,老公的妹妹穿的比我还像新娘。我一直安慰自己,他们只是感情好,可当我...
    茶点故事阅读 51,954评论 3 285
  • 文/花漫 我一把揭开白布。 她就那样静静地躺着,像睡着了一般。 火红的嫁衣衬着肌肤如雪。 梳的纹丝不乱的头发上,一...
    开封第一讲书人阅读 40,381评论 1 210
  • 那天,我揣着相机与录音,去河边找鬼。 笑死,一个胖子当着我的面吹牛,可吹牛的内容都是我干的。 我是一名探鬼主播,决...
    沈念sama阅读 31,687评论 2 310
  • 文/苍兰香墨 我猛地睁开眼,长吁一口气:“原来是场噩梦啊……” “哼!你这毒妇竟也来了?” 一声冷哼从身侧响起,我...
    开封第一讲书人阅读 30,404评论 0 194
  • 序言:老挝万荣一对情侣失踪,失踪者是张志新(化名)和其女友刘颖,没想到半个月后,有当地人在树林里发现了一具尸体,经...
    沈念sama阅读 34,082评论 1 238
  • 正文 独居荒郊野岭守林人离奇死亡,尸身上长有42处带血的脓包…… 初始之章·张勋 以下内容为张勋视角 年9月15日...
    茶点故事阅读 30,355评论 2 241
  • 正文 我和宋清朗相恋三年,在试婚纱的时候发现自己被绿了。 大学时的朋友给我发了我未婚夫和他白月光在一起吃饭的照片。...
    茶点故事阅读 31,880评论 1 255
  • 序言:一个原本活蹦乱跳的男人离奇死亡,死状恐怖,灵堂内的尸体忽然破棺而出,到底是诈尸还是另有隐情,我是刑警宁泽,带...
    沈念sama阅读 28,249评论 2 250
  • 正文 年R本政府宣布,位于F岛的核电站,受9级特大地震影响,放射性物质发生泄漏。R本人自食恶果不足惜,却给世界环境...
    茶点故事阅读 32,864评论 3 232
  • 文/蒙蒙 一、第九天 我趴在偏房一处隐蔽的房顶上张望。 院中可真热闹,春花似锦、人声如沸。这庄子的主人今日做“春日...
    开封第一讲书人阅读 26,007评论 0 8
  • 文/苍兰香墨 我抬头看了看天上的太阳。三九已至,却和暖如春,着一层夹袄步出监牢的瞬间,已是汗流浃背。 一阵脚步声响...
    开封第一讲书人阅读 26,760评论 0 192
  • 我被黑心中介骗来泰国打工, 没想到刚下飞机就差点儿被人妖公主榨干…… 1. 我叫王不留,地道东北人。 一个月前我还...
    沈念sama阅读 35,394评论 2 269
  • 正文 我出身青楼,却偏偏与公主长得像,于是被迫代替她去往敌国和亲。 传闻我的和亲对象是个残疾皇子,可洞房花烛夜当晚...
    茶点故事阅读 35,281评论 2 259