Populiacijų genetika ir išsaugojimas. Algimantas Paulauskas. Aniolas Sruoga. Vadovėlio rengimą rėmė

Transcript

1 Vadovėlio rengimą rėmė m. Žmogiškųjų išteklių plėtros veiksmų programos 2 prioriteto Mokymasis visą gyvenimą VP1-2.2-ŠMM-09-V priemonė Studijų programų plėtra Nacionalinėse kompleksinėse programose Projekto pavadinimas: Aukštos kvalifikacijos specialistų, atitinkančių valstybės ir visuomenės poreikius biologinių ir žemės gelmių išteklių naudojimo srityje, rengimo tobulinimas (BIOGEONAUDA-A) Projekto Nr.: VP1-2.2-ŠMM-09-V Populiacijų genetika ir išsaugojimas Algimantas Paulauskas Aniolas Sruoga Kaunas, 2013

2 Apsvarstyta ir rekomenduota leisti Vytauto Didžiojo universiteto Gamtos mokslų fakulteto tarybos (2012 m. rugsėjo 27 d., protokolo Nr. 2012/04) Recenzavo Dr. Vykintas Baublys (Vytauto Didžiojo universitetas) Habil.. dr. Dalius Butkauskas (Gamtos tyrimų centras, Ekologijos institutas) Redagavo Laura Laurinavičienė ISBN... Algimantas Paulauskas, 2013 Aniolas Sruoga, 2013 Vytauto Didžiojo universitetas, 2013

3 Įvadas Evoliucijos eigoje rūšių išnykimai tapo įprastu reiškiniu. Manoma, kad šiandien Žemėje gyvena nuo 3 iki 30 milijonų rūšių, tačiau tai kontrastinga su faktu, kad kadaise egzistavo nuo 5 iki 50 milijardų rūšių. Matyt dauguma rūšių išnyko būtent dėl to, kad evoliucionuojant, naujų rūšių atsiradimo indeksas turi būti labai panašus į išnykimo indeksą. Tačiau, išnykimo indeksas nėra pastovus. Žemėje buvo 5 masiniai išnykimai: Ordoviko, Devono, Permo, Triaso ir Kreidos perioduose. Tarp šių išnykimų buvo ir atsistiktinių rūšių skaičiaus padidėjimo, todėl kai kurių periodų negalima laikyti masinio išnykimo periodais. Geriausiai žinomas masinis išnykimas, kuris įvyko Kreidos periodo pabaigoje, daugmaž prieš 65 milijonus metų, kuris siejamas su dinozaurų išmirimu bei beveik visų augalų ir gyvūnų rūšių ir genčių netekimu. Pavyzdžiui 38 proc. jūrinių gyvūnų genčių išnyko, o tarp sausumos gyvūnų šis procentas buvo netgi aukštesnis (Raup, 1993). Atsižvelgiant į masinius išnykimus ir jų paplitimą praeityje, ar turėtumėme susirūpinti rūšių išnykimu šiandien? Didžiausią nerimą kelia šiandieniniai išnykimo rodikliai. Šių rodiklių reikšmė tokia didelė, kad jie dar vadinami biologinės įvairovės krize, ir jeigu tai tęsis ir toliau, greitu metu gali būti šeštasis masinis išnykimas (Leaky ir Lewin, 1995). Šis išnykimas skirtųsi nuo anksčiau buvusių penkių, tiesiogiai ar netiesiogiai, dėl vienos dominuojančios rūšies veiklos - žmogaus. Biosferos būklė Nuo 1948 m., kai buvo įkurta Pasaulio gamtos išsaugojimo sąjunga (The World Conservation Union, IUCN), buvo pradėta vertinti rūšių ir porūšių apsaugos būklę pasauliniu mastu. Šis procesas pabrėžė rūšis kurioms gresia išnykimas ir skatino šių rūšių išsaugojimą. Siekiant išsaugoti nykstančias rūšis IUCN prižiūri Nykstančių rūšių raudonąjį sąrašą arba Raudonąją knygą, išsamesnė informacija pateikta interneto svetainėje Šioje nuorodoje pateikiama moksliškai pagrįsta informacija apie dabartines pasaulyje saugomas rūšis. Duomenys pribloškiantys, daugybė žinduolių, paukščių, reptilijų, varliagyvių, žuvų, vabzdžių ir moliuskų rūšių skaičius yra priskirtas kritiškai esančių pavojuje, esančių pavojuje ir pažeidžiamų grupėms, kuris didėjo nuo 1996 iki 2006 m rūšims (24 %) stuburinių gyvūnų iš 4763 žinduolių rūšių ir 1192 rūšims (12 %) iš 9946 paukščių rūšių iškilęs rimtas pavojus išnykti. Stebina tai, kad nuo 1970 m. sumažėjo arba išnyko iki 33 % varliagyvių rūšių (Stuart ir kt., 2004).

4 Daugumos kitų gyvūnų ir augalų grupių nėra atlikti tikslūs vertinimai, tačiau rūšių, kurioms gresia išnykimas yra įtrauktos į IUCN Raudonąjį sąrašą. Kai kurios rūšys, pavyzdžiui endeminės salų rūšys, kurių populiacijas visuomet sudarė nedidelis skaičius individų, yra labiau pažeidžiamos aplinkos poveikio, todėl yra saugomos. Tačiau, daugumos kitų sąraše esančių rūšių, kurios kadaise turėjo gausias populiacijas, palaipsniui individų skaičius mažėjo iki tam tikro kritinio taško, keliančio grėsmę visam rūšies išlikimui. Paskutinis Šiaurės Amerikos karvelis keleivis (1 pav.) (Ectopistes migratorius) nugaišo 1914 rugsėjį Cincinačio zoologijos sode. Mažiau nei prieš 50 metų šių karvelių buvo suskaičiuojama milijardais. Karveliai keleiviai buvo išnaikinti juos medžiojant ir tapo puikiausiu pavyzdžiu, kaip greitai gausi populiacija 1 pav. Karvelis keleivis gali išnykti įsikišus žmogui. Molekulinė genetika aplinkosaugos biologijoje Molekulinė genetika yra pritaikoma aplinkosaugos biologijos problemoms spręsti, pateikiama keletas pavyzdžių: matuojant efektyvų populiacijos dydį, genų srautą, populiacijos butelio kaklelio efektą, kurie yra itin svarbūs aplinkosaugos biologijoje. Pradiniame molekulinės ekologijos raidos etape atliekant tyrimus su alozimais ir mtdnr, pavyzdžiai buvo renkami sunaikinant individus ir tai netiko nykstančių rūšių tyrimams. Dabartinė PGR technologija leidžia atlikti genetinius tyrimus su retomis rūšimis, mėginius surenkant nepražūtingais ir neinvaziniais metodais (Taberlet ir Luikart, 1999). Aplinkosaugos genetika yra auganti disciplina, nuo 2000 metų tuo pačiu pavadinimu pradėtas leisti žurnalas, kuriame daugybė naudingų apžvalgų apie aplinkosaugos genetikos vystymąsi (Lande, 1988; Caughley, 1994; Frankham, 1995b; Avise ir Hamrick 1996; Haig 1998; Amos ir Balmford 2001; Hedrick 2001) ir knyga skirta būtent šiai disciplinai (Frankham ir kt., 2002). Vienas iš centrinių aplinkosaugos genetikos objektų suprasti ryšį tarp genetinės įvairovės ir populiacijos gyvybingumo. Pastaruoju metu genetinis kintamumas stebimas naudojant neutralius ir adaptyvius genetinius žymenis, norint išsaugoti aukštą genetinį kintamumą laukinėse populiacijose. Aplinkosaugos genetikoje pagrindinį susidomėjimą kelia efektyvus populiacijos dydis N e, kuris paprastai yra mažesnis už populiacijos surašymo dydį. N e yra svarbus

5 dydis siekiant išlaikyti genetinę įvairovę. Išlaikant tinkamą genų srautą tarp izoliuotų ar pusiau izoliuotų subpopuliacijų, dažnai yra svarbus siekiant išlaikyti ir genetinį kintamumą. Aplinkosaugos genetika apima N e ir genų srauto įvertinimą natūraliose populiacijose, tačiau ir kitų genetikos žinių pritaikymas yra svarbus - pavyzdžiui, retų rūšių atstovų laikymas zoologijos soduose ir jų veisimas nelaisvėje, tačiau problematiška analizuoti jų kilmės informaciją. Pagrindinis veisimo nelaisvėje programos tikslas palaikyti genetinę sveikatą daugybėje kartų. Tikima, kad svarbus skirtumas tarp dabartinių išlikimo perspektyvų, kurios gali būti tinkamos netgi esant mažesnei genetinei įvairovei ir evoliuciniam potencialui. Šis potencialas atspindi organizmų sugebėjimą prisitaikyti prie aplinkos pokyčių, pavyzdžiui, išgyventi naujų patogenų atsiradimą ar klimato pasikeitimą. Genetinė variacija gali būti labai svarbi atliekant ilgesnio laikotarpio populiacijų gyvybingumo analizę (Boyce, 1992), naudojant tokias kompiuterines programas kaip VORTEX (Lacy, 1993), ir vis labiau atsižvelgiant į šį aspektą. Žemas genetinio kintamumo lygis gali sąveikauti su kitais faktoriais, tokiais kaip demografinis ar aplinkos kintamumas, ir sukelti išnykimo sūkurį, kuris neišvengiamai veda populiaciją ar net visą rūšį prie išnykimo ribos (Gilpin ir Soule, 1986). Molekuliniai metodai aplinkosaugos genetikoje atlieka ir kitą mažiau akivaizdų vaidmenį. Šie metodai padeda ekstremaliose situacijose, kai sėklų bankai ar klonai yra naudojami siekiant išsaugoti motinines linijas nuo išnykimo. Kai kuriais atvejais reikia sulaukti ateities technologijų išsivystymo, norint pasiekti pilną efektą. Gebėjimas dideliu tikslumu nustatyti tėvystę pasirodė neįkainojamas atliekant laukinės gamtos ekspertizes. Galiausiai, molekulinių metodų panaudojimas sistematikoje, taip pat duoda didelę naudą rūšių išsaugojimui. Genetinės įvairovės išsaugojimo problema Afrikinis gepardas (Acinonyx jubatus) yra klasikinis genetinės įvairovės išsaugojimo svarbumo pavyzdys (O'Brien ir kt., 1983, 1985; Yuhki ir O'Brien, 1990). Ši katė, didžiajame pietų Afrikos paplitimo areale, neturi jokio kintamumo tarp sudėtinių alozimų sričių, o individai tarpusavyje yra tokie panašūs, kad jų odos pavyzdžiai gali būti transplantuojami tarpusavyje be jokių audinių atmetimo reakcijų. Mažas genetinis kintamumas aptiktas gepardų populiacijoje koreliuoja su fiziologiniais sutrikimais (maža spermos kokybė, aukštas pažeidžiamumas virusinėms infekcijoms nelaisvėje). Mirtingumas laukinėje gepardų populiacijoje yra daugiau įtakojamas

6 ekologinių faktorių, nei genetinių (Caro ir Laurenson, 1994), šiuo atveju mažas evoliucinis potencialas yra rimtas pavojus ilgalaikiam populiacijos gyvybingumui. Salų populiacijos yra daug dažniau linkusios išnykti, nei jų kolegos iš žemyno. Iš žinomų gyvūnų rūšių išnykimų nuo 1600 m., 75 % sudarė rūšys iš salų (Frankham, 1998). Publikuotos informacijos peržiūra atskleidė, kad didžioji dauguma salų populiacijų (165 iš 202 lyginamų) turėjo mažesnį genetinį kintamumą tarp alozimų lokusų, nei jų kolegos iš žemyninės dalies, vidutinis kintamumo sumažėjimas siekė 29 % (Frankham, 1997, 1998). O skirtumų dydis buvo susijęs su gebėjimu paplisti. Endeminės salų rūšys turėjo mažesnį genetinį kintamumą nei susijusios rūšys iš žemyninės dalies 34 atvejais iš 38 (Frankham, 1997). Remiantis šiuo įrodymu, genetiniai veiksniai negali būti atmesti kaip priežastis aukštesnio išnykimo rodiklio salų populiacijose. Tačiau yra tikėtina, kad atsitiktiniai įvykiai arba katastrofos, o ne genetinio kintamumo sumažėjimas, yra svarbesni rūšių išnykimui. Būtent katastrofa sukėlė masinį Montserat volungės Icterus oberi populiacijos iš Mažųjų Antilų salų sumažėjimą (Hilton ir kt., 2003). Iki 1995 m. volungių populiacija nebuvo saugoma, tačiau po ugnikalnio išsiveržimo, vienu kartu buvo sunaikinta daugiau nei pusė paukščių m. juodosios liepsnelės Petroica traversi pasaulinę populiaciją Chatham saloje, Naujojoje Zelandijoje, sudarė tik penki paukščiai m. populiaciją sudarė apie 200 paukščių, kurie buvo išveisti iš vienos poros. Atlikus daugiasritinės DNR pirštų antspaudų analizę naudojant žmonių minisatelitinius zondus, buvo nustatyta, kad kintamumo lygis tarp juodosios liepsnelės individų yra mažiausias, kada nors nustatytas laukinėje paukščių rūšyje (Ardern ir Lambert, 1997). Artimai susijusi rūšis P.australis, nors ir įtakota butelio kaklelio efekto, tačiau turi gerokai didesnį genetinį kintamumą. Ardern ir Lambert (1997 m.) teigė, kad P.traversi mažas populiacijos dydis per pastaruosius 100 metų, o ne dabartinis butelio kaklelio efektas, įtakoja didesnį žemą genetinį kintamumą. Nepaisant genetinio nualinimo, tolimesnės juodosios liepsnelės išlikimo ir dauginimosi funkcijos rodo, kad populiacija yra gyvybinga ir esant tokioms sąlygoms. Kaip ir gepardų, taip ir juodųjų liepsnelių nykstančių rūšių populiacijoms aukštas genetinis kintamumas nėra būtina prielaida išgyvenimui trumpą laikotarpį. Vis dėl to, plati metaanalizių informacija gauta iš skirtingų taksonominių grupių, įrodė, kad genetinė įvairovė (heterozigotiškumas) buvo vidutiniškai 35 % mažesnis nykstančiose rūšyse nei tose, kurioms išnykimas negresia, o genetiniai faktoriai turi aptinkamą poveikį išnykimui (Spielman ir kt., 2004). Laboratoriniai tyrimai su vaisine musele Drosophila melanogaster įrodė, kad genetinės įvairovės sumažėjimas, padidina populiacijos jautrumą toksinams ir patogeniškoms bakterijoms DNR grandinės vietose, kuriose atsparumo aleliai buvo prarasti (Spielman ir kt., 2005).

7 Neutralūs žymenys, tokie kaip mikrosatelitai, plačiai naudojami norint įvertinti laukinių populiacijų genetinę sveikatą, tačiau šie žymenys gali ne visada atspindėti adaptacinio kintamumo dydį. Yra pavyzdžių, kaip naudojant molekulinius žymenis reikia būti atsargiems. Neutralūs DNR žymenys (APPD) ir kiekybinė genetine technika buvo gauti nekoreliuoti genetinio kintamumo įverčiai Araukarijos medžių populiacijos viduje ir tarp populiacijų Pietų Amerikoje (Bekessy ir kt., 2003). Naudojant neutralius žymenis nepavyko aptikti svarbaus kiekybinio genetinio nukrypimo populiacijoje Andų kalnuose ir to susieti su tolerancija sausrai. Akivaizdu, kad gali kilti problemų siekiant išsaugoti nykstančias rūšis remiantis tik neutraliais DNR žymenimis, o ateityje bus vis svarbiau apskaičiuoti prisitaikantį kintamumą. Neutralių žymenų apribojimą šiame kontekste ir ypač pavojingus klaidinančius rezultatus paremtus tik neutraliais žymenimis reikėtų turėti omenyje. Kraujomaiša ir genetinė apkrova Kraujomaišos poveikis Kai populiacijos tampa labai mažos ir izoliuotos nuo imigrantų daugelyje kartų, genetinė problema tampa labai svarbia. Inbridingas (kryžminimasis tarp giminingų individų) gali sukelti heterozigotiškumo sumažėjimą ir žalingų alelių skaičiaus padidėjimą (Franham, 1995b; Higgins ir Lynch, 2001; Frankham ir kt., 2002). Augalų selekcininkai inbridingo žalą suprato per du amžius (Knight, 1799). Tinkamos fizinės būklės sumažėjimas palikuonyse yra susijęs ir žinomas kaip inbridinė depresija. Inbridinė depresija dažnai yra sunki tarp susijusių individų, tačiau didelėje populiacijoje nėra pavojinga, kadangi šioje situacijoje reti recesyviniai aleliai, turintys žalingą poveikį, gali išlikti heterozigotinėje būsenoje. Giminingo poravimosi metu atsiradę homozigotiniai aleliai kenkia palikuonims, tačiau populiacijų lygmenyje turi nedidelį poveikį. Šių žalingų alelių buvimas yra problematiškas zoologijos soduose, kuriuose keli gyvūnai paimti iš laukinės populiacijos yra laikomi ir veisiami. Mažose laukinėse populiacijose inbrydingas yra dažniau paplitęs nei didelėse populiacijose, tačiau aleliai turintys žalingą poveikį, turėtų būti reti arba jų išvis neturėtų būti, kadangi atranka veiksmingai juos pašalina ankstyvesniu metu, esant homozigotinei būsenai. Nors inbridingas dažniau pasitaiko mažose populiacijose, depresijos efektas palikuonims turėtų būti santykinai mažas. Tačiau homozigotinių žalingų alelių padidėjimas sumažins individų gerą fizinę būklę. Šie aleliai gali būti fiksuojami populiacijoje atsitiktinai (genetinis dreifas), nors jei ir buvo neutralūs mažose populiacijose. Dar daugiau kai populiacija išlieka maža ilgą laiką, naujos mutacijos sudaro galimybę šio tipo aleliams kauptis ir palaipsniui

8 didinti genetinę apkrovą (mažės tinkamų genotipų). Tai savo ruožtu gali sukelti žlugdančias mutacijas ir išnykimo sūkurį. Žalingos mutacijos apsunkina populiacijas ir sumažina individų išgyvenamumo ir dauginimosi rodiklius (Higgins ir Lynch, 2001). Inbridingo depresija yra vienas iš svarbiausių faktorių nykstančių rūšių apsaugoje ir valdyme (Hedrick ir Kalinowski, 2000; Frankham ir kt., 2002). Heterozės sumažėjimas taip pat gali sukelti inbridingo depresiją, tačiau kol kas yra mažai eksperimentų, kurie įrodytų šį mechanizmą. Daugumos tyrimų rezultatai rodo, kad žalingi recesyvai yra pagrindinė inbridingo depresijos priežastis (Charlesworth ir Charlesworth 1987, 1999; Marr ir kt., 2002). Laukinių gyvūnų populiacijose yra išsivysčiusi grupė mechanizmų apsauganti nuo inbridingo (Pusey ir Wolf, 1996). Į tai įeina: giminingų individų atpažinimas ir vengimas poruotis, lytiniai skirtumai, lyties skirtumai brandos amžiuje bei papildomas apvaisinimas. Daugumai rūšių yra būdingas optimalus kryžminimosi tarp negiminingų individų lygis, o populiacijose tarp kryžminimosi (giminingų ir negiminingų individų) palaikomas balansas (Edmands, 2002). Visi šie mechanizmai neveikia, kai populiacijų dydžiai sumažėja, o izoliacija padidėja. Nelaisvėje laikomų nykstančių gyvūnų rūšių veisimo programos turėtų atsižvelgti į galimą inbridingą, kadangi natūralūs apsaugos nuo inbridingo mechanizmai negali veikti. Kilmės analizė suteikia galimybę parinkti individus poravimuisi, įtraukiant ir gyvūnų perkėlimus tarp zoologijos sodų, norint maksimaliai pagerinti genetinį kintamumą palikuonyse. Ši strategija pasiteisino veisiant laukinius šunis Lycaon pictus pietų Afrikoje. Šių šunų egzemplioriai nelaisvėje buvo laikomi nuo 1954 m. ir iki 1997 m., o 107 individai buvo įtraukti į veisimo programą. Nuo 1985 m. populiacija didėjo (įskaitant ir surašymo duomenis, ir efektyvų populiacijos dydį N e ), mažėjo kraujomaiša, genetinė įvairovė padidėjo 90 proc. palyginus su pirminiais populiacijos įkūrėjais (Frantzen ir kt., 2001). Deja, šių šunų paleidimas į laisvę nebuvo sėkmingas, daugiausiai dėl to, kad jie buvo įpratę prie žmonių. Tai ko gero ir yra didžiausia rūšių išsaugojimo problema, veisiant gyvūnus nelaisvėje. Inbridingo depresija ir genetinis krūvis laukinėje gamtoje Daugėja įrodymų, kad laukinėms populiacijoms kenkia giminingų individų kryžminimasis ir aukštesnis genetinis krūvis, ypatingai, kai populiacijos yra mažos ir izoliuotos nuo imigrantų (Crnokrak ir Roff, 1999; Keller ir Waller, 2002). Inbridingo efektas aiškiai pasireiškė vietinėje rudgelsvių šaškyčių Melitaea cinxia drugelių metapopuliacijoje Alando saloje, pietvakarių Suomijoje (Saccheri ir kt., 1998). Individų heterozigotiškumas buvo nustatytas septyniuose polimorfiniuose alozimų lokusuose ir viename polimorfiniame mikrosatelitų lokuse, gauti rezultatai

9 panaudoti apskaičiuoti inbreedingą. Vietinės populiacijos išnykimo rizika žymiai didėjo, mažėjant heterozigotiškumui. Lervų išgyvenamumas, suaugėlių ilgaamžiškumas ir kiaušinėlių išsiperėjimo dažnis buvo neigiamai įtakoti inbrydingo, vabzdžių fizinės būklės pablogėjimas buvo susijęs su giminingu poravimusi ir sukėlė šių drugių išnykimą. Varliagyvių klasės atstovų sparčiai mažėja visame pasaulyje (Beebee ir Griffiths, 2005), tačiau priežastys dažnai nėra žinomos. Dėl mažo varliagyvių mobilumo, rūšys gali būti daug dažniau pažeidžiamos genetinių sutrikimų, kai populiacijos tampa mažos arba izoliuotos. Tai pasitvirtino nendrinių rupūžių Bufo calamita populiacijoje D.Britanijoje, kai genetinis kintamumas buvo palygintas tarp 38 populiacijų. Vidutinis heterozigotiškumas tarp aštuonių mikrosatelitinių lokusų buvo aukštesnis didelėse populiacijose su minimalia izoliacija, bet žemesnis populiacijose netoli rūšies biogeografinio paplitimo krašto nepaisant populiacijos dydžio (Rowe ir kt., 1999). Buožgalvių iš šešių populiacijų, parinktų pagal kontrastingą demografinę padėtį, augimas ir išgyvenamumas, tiesiogiai susijęs su heterozigotiškumu tirtuose mikrosatelitiniuose lokusuose, kai varliagyviai buvo auginami laboratorijoje. Buožgalviai iš mažesnių ir labiau izoliuotų vietų buvo perkelti ir auginami natūraliuose vandens telkiniuose, tačiau augo lėčiau ir išgyveno rečiau, nei individai paimti iš didelės populiacijos ir perkelti į tą patį vandens telkinį (Rowe ir Beebee, 2003, 2005). Paprastai iki vidurvasario vandens telkiniai išdžiūva ir tik 15 proc. buožgalvių iš mažų populiacijų lyginant su didelėmis populiacijomis įvyko metamorfozė. Nendrinės rupūžės šioje vietoje išlaikė genetinį krūvį ir populiacija yra palaikoma auginant buožgalvius nelaisvėje. Sėkmingai natūraliai veistis šioms rupūžėms nepavyksta 25 metus, o buveinių apsauga nepagerino rezultatų, norint išsaugoti nendrines rupūžes būtina stebėti genetiką ir gautas žinias pritaikyti jas veisiant.

10 Augimas mm per 12 d. 2 pav. Ryšys tarp lervų augimo greičio ir vidutinio mikrostaelitų heterozigotiškumo šešiose nendrinių rupūžių populiacijose. Genetinio krūvio sumažinimas Kyla klausimas ar egzistuoja mechanizmai galintys sumažinti genetinio krūvio keliamas problemas. Genetinio krūvio sumažinimas vyksta tada, kai selektyvūs žalingi aleliai yra prarandami iki tol, kol taptų fiksuotais populiacijoje. Tai gali sukelti tinkamumo priešingą efektą (Crnokrak ir Barrett, 2002). Kadangi inbrydingas ir genetinis krūvis yra pagrindinė problema nykstančių rūšių išsaugojime, efektyvus sumažinimas turi svarbių pasekmių išsaugojimui. Sumažinimo efektas išnykimo rizikai dėl inbrydingo buvo apskaičiuotas eksperimentiniame tyrime naudojant vaisines museles Drosophila melanogaster (Frankham ir kt., 2001). Tyrimams buvo naudojamos dvi populiacijos, vienoje iš jų nebuvo įvykęs giminingas kryžminimasis, antrojoje giminingi individai buvo kryžminti tarpusavyje. Inbridinė linija naudota tyrimuose, buvo gauta 20 giminingų muselių kartų kryžminant tarpusavyje. Giminingų individų kryžminimosi poveikis per 12 kartų buvo palygintas su 200 populiacijų gautų iš dviejų bazinių populiacijų. Buvo pastebėtas tik mažas (nereikšmingas) išnykimo rodiklio skirtumas. Tačiau situacija ne visuomet yra tokia bloga. Lacy ir Ballou (1998 m.) tyrė natūralios atrankos žalingiems aleliams efektyvumą trijuose lauko pelių porūšiuose Peromyscus polionotus per 10 generacijų laboratorinėmis sąlygomis. P.polionotus subgriseus porūšyje inbridingo depresijos sumažėjimas nebuvo pastebėtas. Palyginimui, P.polionotus rhoadsi porūšyje buvo

11 pastebėtas keturių iš septynių genetinio krūvio tinkamumo komponentų sumažėjimas, kurį sukėlė inbrydingas (Lacy ir Ballou, 1998). P.polionotus leucocephalus porūšio populiacija patyrusi periodišką butelio kaklelio efektą laisvėje, tačiau tolimesnis inbridingo poveikis laboratorijoje dauginamiems individams turėjo padidinti, bet ne sumažinti genetinį krūvį. Matyt genetinio krūvio išvalymo atranka įvairavo tarp porūšių, galbūt dėl skirtingų populiacijų inbridingo lygio ir atrankos. Naminio jaučio Bos taurus tyrimai taip pat patvirtino, kad esant tam tikroms aplinkybėms, išgryninimas gali pašalinti žalingus alelius (Visscher ir kt., 2001). Ši laukinė banda, kuri gyvena parke šiaurės Anglijoje, manoma, kad neturėjo jokių imigrantų mažiausiai 300 metų metais populiaciją sudarė penki buliai ir aštuonios karvės, o iki 2000 m. spalio mėnesio buvo suskaičiuoti 49 individai. 13 gyvūnų iš bandos buvo tirti naudojant 25 mikrosatelitinius lokusus, tik vienas iš šių lokusų buvo heterozigotinis. Homozigotiškumo laipsnis šioje populiacijoje gerokai viršijo homozigotiškumo ribas aptinkamas kituose galvijuose ar kitose laukinių žinduolių populiacijose. Nepaisant šios genetinės izoliacijos, veisimo įrašai rodo, kad šioje populiacijoje neaptikta vaisingumo ar gyvybingumo sumažėjimo. Žalingų alelių pašalinimas yra geriausias paaiškinimas šiai situacijai. Crnokrak ir Barrett (2002 m.) apžvelgė pašalinimo efekto įrodymus penkiose žinduolių, trijose vabzdžių, vienoje moliuskų ir trylikoje augalų rūšių. Nors ir buvo požymių, rodančių kad pašalinimo efektas vyko keliais atvejais, laboratorinėmis sąlygomis įvykęs prisitaikymas galėjo turėti įtakos tinkamumo pagerėjimui. Tvirti spėjimai apie situaciją į kurią panašus pašalinimas arba tinkamumo dydis, įrodomi labai sunkiai. Matyt, pašalinimu negalima remtis siekiant pašalinti žalingus efektus inbridinge (Frankham ir kt., 2001). Tarp augalų populiacijų pašalinimas laikomas nesuderinamu, siekiant sumažinti genetinį krūvį (Byers ir Waller, 1999). Kartą esant fiksuotam lokusui specifiniame alelyje, tik pasikartojančios mutacijos gali atkurti genetinį kintamumą nesant imigrantų, turinčių skirtingus alelius. Kadangi mutacijų dažniai yra reti, šis procesas gali užsitęsti ilgą laiką. Naminės avies Ovis aries populiacija Hirtos saloje kentė dėl inbridingo, netiesiogiai susijusio su nematodų parazitavimu žarnose, kurie sumažino žiemą išgyvenančių homozigotinių individų skaičių. Antiparazitiniai vaistai panaikino ryšį tarp homozigotiškumo mikrosatelitų lokusuose ir šių avių išgyvenamumą (Coltman ir kt., 1999b). Panašu, kad šių kompleksų sąveika turėtų būti bendra ir tik tyrimai, kurie įtraukia natūralios atrankos slėgį, duos patikimus rezultatus apie inbridingą ir genetinį krūvį laukinėje gamtoje.

12 Outbridingo depresija Outbridingo depresija tinkamumo sumažėjimas palikuonyse, kaip rezultatas besidauginančių individų iš genetiškai skirtingų populiacijų (Pusey ir Wolf, 1996). Outbridingo genetinės sąnaudos manoma padidėja tada, kai populiacijoje pasirodo papildomi aleliai, suteikiantys privalumų tam tikromis aplinkos sąlygomis arba ko-adaptuotų genų komplekso iširimo atveju. Pastaruoju atveju, populiacijos iš panašių aplinkos sąlygų gali sukelti outbridingo depresiją palikuonyse, kai individai turi galimybę kryžmintis. Šio atvejo pavyzdys yra augalų tolerancija sunkiesiems metalams, tokiuose kaip krūminė šluotsmilgė Deschampsia cespitosa ir pilkieji eraičinai Festuca ovina. Toleranciją suteikia sudėtiniai genai, kiekvienas su mažu efektu, ir tolerantiškų bei netolerantiškų augalų hibriduose mažėja tinkamumas palyginus su tėvų tipu, dirvoje su arba be aukšta sunkiųjų metalų koncentracija. Tačiau ko gero žinomiausias outbridingo depresijos pavyzdys su Alpių ožių Capra ibex populiacija, kuri turėjo rimtų išsaugojimo pasekmių. Maišant turkiškus ir egiptietškus gyvūnus su europinėmis bandomis Tatrų kalnuose Čekoslovakijoje, bandant padidinti populiacijos gyvybingumą, sukėlė Alpių ožių išnykimą. Šiuo atveju aleliai nebuvo pritaikyti dauginimuisi Europos klimate. Hibridai poravosi anksti rudenį, o palikuonys gimė vasario menėsį. Šis periodas yra ypatingai šaltas Tatrų kalnuose, todėl palikuonių mirtingumas siekė 100 %. Outbridingo depresija žymiai mažiau tiriama nei inbridingo efektai, tačiau gali turėti didelį poveikį rūšių apsaugai, ypatingai kai nykstančių rūšių individai yra perkeliami dideliais atstumais į naujas vietas (Storfer, 1999; Allendorf ir kt., 2001). Pievinė varlė Rana temporaria turi mažą mobilumą, todėl outbridingo depresijos efektai, gali pasireikšti už 130 km (Sagvik ir kt., 2005). Šiuo atveju, patelėms iš didelės populiacijos poruojantis su patinais iš mažos populiacijos, gaunami mažesni ir apsigimę buožgalviai, nei dviems besiporuojantiems individams iš tos pačios populiacijos. Jokių žalingų efektų nebuvo pastebėta mažoje populiacijoje ir outbridingo problemos gali būti tik trumpalaikės (pvz.: gali išnykti per kelias kartas) bet tai yra klausimas, kurį būtina apsvarstyti atliekant genetinį atkūrimą. Genetikos atkūrimas Žiūrint iš aplinkosaugos perspektyvos, svarbu stebėti ir užfiksuoti populiacijų genetinius sumažėjimus. Jei genetinis krūvis yra pakankamai aukštas, kad galėtų pažeisti rūšies ar populiacijos išgyvenamumą, galima taikyti atkuriamąjį genetinį valdymą. Šio tipo sprendimai yra ypač sunkūs, kadangi norint padidinti genetinį kintamumą populiacijoje, paprastai reikia įvežti individų iš kitų laukinių ar nelaisvėje laikomų populiacijų. Kitu atveju, nykstančių rūšių vietinės adaptacijos gali

13 būti prarastos ir genotipinis profilis pasikeistų negrįžtamai. Individų įvežimas iš tolimų populiacijų yra rizikingas ir gali sukelti outbridingo depresiją, o nelaisvėje veisiamų individų aleliai yra prisitaikę prie uždaros aplinkos. Tai gali būti pražūtinga, nebent atranka vykdoma nelaisvėje ir yra panaši arba kuo artimesnė į atranką esančią laisvėje ( Lynch ir O'Hely, 2001). Vis dėl to, taikant genetinį valdymą yra didesnė išnykimo tikimybė, kurio metu gali būti prarasti tam tikri aleliai. Gyvačių Vipera berus Švedijoje atvejis pateikia akivaizdžiai sėkmingą genetinio valdymo pavyzdį. Maža angių populiacija buvo genetiškai izoliuota nuo kaimyninių populiacijų, dėl netinkamų buveinių, mažiausiai pusę amžiaus. Populiacija sumažėjo ir iškentė kelias inbridingo depresijas, dėl ko genetinis kintamumas tapo labai mažas, o palikuonys gimdavo ligoti, deformuoti arba negyvi (Madsen ir kt., 1996) m. dvidešimt gyvačių buvo pagauta iš didelės ir genetiškai įvairios populiacijos ir paleistos toje vietoje, kur gyveno maža angių populiacija. Tarp 1992 ir 1995 metų introdukuoti patinai poravosi su inbridinėmis patelėmis, o 1995 m. aštuonios introdukuotos ir išgyvenusios gyvatės buvo sugautos ir gražintos atgal į savo kilmės vietas. Vėliau buvo pastebėtas didžiulis patinų indėlis į šią mažą izoliuotą populiaciją, kuris pasiekė piką 1999 m. su 32 individais, tai buvo didžiausias skaičius užfiksuotas per 19 tyrimo metų. Populiacijos genetinis kintamumas buvo įvertintas naudojant audinių suderinamumo komplekso (MHC) klasės I lokusą, genetinis kintamumas taip pat greitai padidėjo tarp 1996 ir 1999 m. (Madsen ir kt., 1999). Tai buvo ypatingai būdinga naujiems patinams, kurių tėvai buvo introdukuoti individai. Negyvų palikuonių dalis taip pat sumažėjo ir parodė, kad introdukuoti individai padidino populiacijos gyvybingumą padaugėjo išgyvenusių angių jauniklių. Kartais genetinis atkūrimas įvyksta natūraliai. Genetinis kintamumas labai geografiškai izoliuotoje ir paveiktoje butelio kaklelio efekto Skandinavijos pilkųjų vilkų Canis lupis populiacijoje, įkurtoje dviejų individų, buvo sustiprintas naujų imigrantų (Vila ir kt., 2002). Prieš tai buvusiose kartose, kai dar nebuvo imigrantų, populiaciją sudarė tik tarpusavyje besiveisiantys ir giminingi individai, būtent tai ir sukėlė individų heterozigotiškumo sumažėjimą. Vėliau buvo stebimas heterozigotiškumo padidėjimas Y ir X chromosomose, autosominiuose mikrosatelitiniuose lokusuose bei eksponentinis populiacijos augimas, dėl besikryžminančių negiminingų individų ir sparčiai plintant naujiems aleliams. Buvo atlikti tyrimai su 14 vilkų iš išsibarstymo koridoriaus šiaurės Švedijoje, o gauti rezultatai palyginti su 185 individų ir 79 Suomijos vilkų duomenis, remiantis mtdnr ir mikrosatelitinių žymenų rezultatais, buvo nustatyti 4 migrantai judantys į Skandinaviją (Seddon ir kt., 2006). Šių koridorių priežiūra ateityje taps labai svarbiu vilkų populiacijos išlikimo sėkmės garantu.

14 Aleliai ar haplotipai būdingi imigrantams, gali padidėti ir paplisti inbridinėje populiacijoje. Buvo atliktas eksperimentas su vandens vėžiagyvio dafnijos Daphnia magna natūralia metapopuliacija, kurioje pasireiškė genetinės kliūtys ir inbridingas (Ebert ir kt., 2002). Hibridų augimas padidino genų srautų greitį (kuris buvo įvertintas naudojant 5 mikrosatelitinius lokusus), kelis kartus daugiau nei buvo galima prognozuoti iš dafnijos nominalios migracijos rodiklio tarp 22 baseinėlių. Panašus efektas buvo pastebėtas tiriant afrikietiškąjį drugelį Bicyclus anynana (Saccheri ir Brakefield, 2002). Per penkias kartas sparčiai padidėjo retų imigrantų genų vietinės šių vabzdžių populiacijos genų fonde. Šiuo atveju mechanizmas atsakingas atsakingas už imigrantų genų plitimą buvo heterozė, o privalumai išsilaikė keliose kartose. Iki šiol dar buvo maža genetinio valdymo pavyzdžių rūšių išsaugojime, bet tai keičiasi, nes daugėja duomenų iš sėkmingiausių pavyzdžių, nors buveinės ir populiacijos tampa dar labiau fragmentuotos. Geriausių tyrimų atvejais, atsakas į outbridingą paprastai yra teigiamas ir netikėtai greitas, su maža arba išvis nepastebima outbridingo depresija. Viena problema griežtai stebimos pasekmės. Greitas populiacijos augimas, gali būti kaip genetinio atkūrimo rezultatas ar atsitiktinė palankių aplinkos sąlygų pasekmė. Buvo atlikti tyrimai su snieginiu avinu Ovis canadensis apgyvendintu Jungtinėse Amerikos valstijose, kadangi sunku stebėti atskirus tinkamumo bruožus (tokius kaip veisimosi sėkmė ir išgyvenamumas) besikeičiant populiacijos struktūrai, izoliuota populiacija buvo papildyta naujais imigrantais (Hogg ir kt., 2006). Buvo aišku, kad outbridingo individų skaičius stipriai koreliuoja su beveik kiekvienu matuojamu tinkamumo požymiu ir tuo pačiu metu buvo panaikinta anksčiau buvusi populiacijos dydžio mažėjimo tendencija. Bus svarbu toliau stebėti darbus šioje srityje ir labai atidžiai įvertinti rezultatus ir optimizuoti metodus, kurie duotų akivaizdžią naudą. Būtinos priemonės Situacijose, kai ilgalaikis rūšies ar populiacijos išgyvenamumas kelia abejonių, genetinių išteklių banko steigimas gali būti tikslingas (Adams ir Adams, 1992; Holt ir kt., 1996). Nykstančių rūšių gametos arba embrionai gali būti saugomi, siekiant juos panaudoti ateityje veisimo programose. Pavyzdžiai plačiai imami iš likusių gyvūnų populiacijose, o genetinė informacija gali būti užšaldoma iki to laiko, kol bus prarasta didelė dalis genetinio kintamumo. Kita alternatyva gametų, embrionų ar kitų audinių laikymui yra nykstančių augalų ir gyvūnų DNR bankai (Adams ir Adams, 1992; Ryder ir kt., 2000). Pasaulyje yra įkurti keli genetiniai ir DNR resursų bankai. Viena DNR kolekcija yra laikoma Nykstančių rūšių reprodukcijos centre San Diego zoologijos sode,

15 Kalifornijoje. Didelė dalis medžiagos laikoma užšaldyta (kriogeninis konservavimas). Medžiaga laikoma atsargiai, atsižvelgiant į nykstančią rūšį iš kurios paimta ir kaip ji bus panaudojama ateityje (Holt ir kt., 1996). Šiuo metu didžiausią genetinių išteklių apsaugos naudą duoda dirbtinis gyvūnų apvaisinimas šaldyta sėkla (Wildt ir Wemmer, 1999). Naudojant tėkmės citometriją galima išrūšiuoti X ir Y chromosomas žinduolių spermoje. Todėl įmanoma manipuliuoti lyčių santykiu nelaisvėje gimstančiuose palikuonyse (Wedekind, 2002). Kadangi ištekliai ir erdvė yra paprastai riboti, kartais naudinga nelaisvėje gyvenančioje populiacijoje padidinti gimstančių patelių skaičių. Tarp žinduolių, populiacijų augimo dydis dažniau yra limituojamas patelių, o ne patinų vaisingumo. Vis dėl to yra keletas svarbių šių metodų trūkumų. Su rūšimis apie kurių reprodukcinius ciklus nėra tikslios informacijos (dažniausiai tai labai retos rūšys) efektyvus in vitro apvaisinimo projektavimas gali būti sudėtingas. Be to, gali būti užšaldyta negyvybinga sperma. Tai taikoma, pavyzdžiui, kengūroms. Nėra abejonės, kad technologijos šioje srityje gerės, tačiau nebūtinai pakankamai greitai, kad susidorotų su didėjančiu nykstančių rūšių skaičiumi. Augalų išsaugojimas Biotechnologija turi svarbų poveikį augalų genetikos išsaugojimui (Benson, 1999). Plačialapė klumpaitė Cypripedium calceolus (3 pav.) yra rečiausia orchidėja Britanijoje, kur tik vienas augalas išgyveno per pastaruosius 60 natūraliai gamtoje. Aktyviai valdant išsaugojimą, žydintis augalas buvo saugomas 24 valandas per parą. Orchidėjų sumažėjimą lėmė ne buveinių praradimas, o augalų rinkimas iš natūralios gamtos, tačiau daugelyje šių vietų, kur kažkada šie augalai augo, vis dar įmanoma iš naujo introdukuoti šias orchidėjas. Siekiant, kad reintrodukcijos programa būtų sėkminga, buvo sutarta, kad introdukuojami individai turėtų būti genetiškai kuo įvairesni, siekiant pagerinti ilgalaikį evoliucinį potencialą. Biotechnologiniai išradimai mikrodauginime, paremti naudojant molekulinius genetinius metodus, neseniai padėjo atkurti plačialapės klumpelės populiaciją Britanijoje (Ramsay ir Stewart, 1998; Ramsay, 2003). Per 1500 sodinukų buvo pasodinta šešiose skirtingose vietovėse ir 2000 m. vasarą buvo stebimas pirmasis reintrodukuotų augalų žydėjimas. Buvo atlikta molekulinė genetinė analizė naudojant 2 chloroplastinės DNR mikrosatelitinius žymenis, lyginant kultivuotus augalus, kurie manoma buvo kilę iš Britanijos su augalais iš žemyninės Europos dalies ir su augalais iš herbariumų iki 100 metų amžiaus (Fay ir Cowan, 2001). Pagal gautus haplotipus, du kultivarai nebuvo britiškos kilmės. Bent jau kol kas, šie kultivarai bus pašalinti iš sėklų saugojimo ir sodinukų produkcijos bei augalų apdulkinimų programų, siekiant padidinti genetinį kintamumą tarp vietinių augalų.

16 3 pav. Plačialapė klumpaitė Cypripedium calceolus Plačialapės klumpaitės atveju, atlikus mikrodauginimą ir augalus šiek tiek paauginus, jie reintrodukuojami atgal į natūralią gamtą. Šiuo būdu turimas genetinis kintamumas yra maišomas rekombinacijos kiekvieną kartą, kai vyksta lytinis dauginimasis. Todėl kiekvienoje kartoje atsiranda naujų genotipų. Vis dėl to, nykstančių augalų mikrodauginimas gali būti naudojamas tik viename etape, esant audinio kultūrai sukuriama daugybė klonų su identiškais genotipais. Klonuoti augalai gali išgyventi ir daugintis pagal dabartines aplinkos sąlygas daugelyje kartų, jeigu šios sąlygos išlieka stabilios. Tačiau augalų populiacija gauta iš vieno klono visiškai neturės genetinio kintamumo, būtų limituotas prisitaikymas ir evoliucinis potencialas, jei aplinkos sąlygos pasikeistų. Nepaisant to, daugybė klonuotų individų buvo reintrodukuoti plačiame geografiniame regione, taip papildant vietinius individus, o tai gali apsaugoti nuo išnykimo, kurį sukeltų vietinės katastrofos. Mažas daugiametis augalas Stackhousia tryonii yra rečiausia ir labiausiai geografiškai apribota rūšis gentyje, kuri būdinga Australijai. Šis augalas yra serpentininio dirvožemio indikatorius, šiame dirvožemyje gausu magnio ir geležies, mažai kalcio, turtingas nikelio, chromo ir kobalto. Stackhousia tryonii kaupia nikelį ir gali būti panaudoti fitoremediacijai (dekontaminacijai), dirvožemio, kuriame gausu nikelio, išvalymui arba fitominingui, nikelio ekstrakcijai iš žemos klasės rūdos, kurią kitu atveju neekonomiška kasti. Tačiau, S.tryonii augalų retumas limituoja šį potencialą. Dauginti šį augalą sėklomis yra sudėtinga, todėl norint klonuoti šios rūšies augalus buvo sukurtas mikrodauginimo protokolas. Iš kiekvieno subrendusio laukinio augalo buvo paimti skirtingų audinių pavyzdžiai. Ūglių ir šaknų auginimas pavyzdžiuose buvo indukuotas augalų

17 augimo hormonų. Buvo pasiektas aukštas dauginimosi rodiklis 18 ūglių eksplante išaugo per keturias savaites ir 98 % jų išgyveno (Bhatia ir kt., 2002). Kadangi šie augalai buvo skirti fitoremediacijai ir fitominingui, jų ribotas genetinis kintamumas nebuvo svarbiausia problema. Tačiau, mikrodauginimo metodu padauginti augalai bus pasodinti į pasirinktas vietas, kuriose auga laukinės populiacijos, kad jas papildytų. Kaip kitas pavyzdys yra endeminė Brazilijos bromelijos Cryptanthus sinuosus rūšis, kuriai gresia išnykimas dėl buveinių praradimo ir augalų rinkimo pardavimo tikslais. Naudojant skystos kultūros dauginimo sistemą, buvo apskaičiuota, kad iš vieno eksplanto per metus galima gauti 4500 šios rūšies augalų (Arrabal ir kt., 2002). Šie individai galėtų būti panaudoti populiacijos stiprinimui bei dekoratyvinių augalų prekybai, ir daugeliu atveju genetinės įvairovės trūkumas neturėtų kelti problemų. Biotechnologiniai metodai tampa vis svarbesni nykstančių ir retų rūšių išsaugojime. Mikrodauginimas atliktas daugiau nei 170 nykstančių augalų rūšių iš 60 šeimų visame pasaulyje (Pence, 1999). Per ateinantį dešimtmetį biotechnologinės naujovės mikrodauginimo procese tik stiprės ir taps galingu įrankiu padėsiančiu išgelbėti kai kurias augalų rūšis nuo išnykimo. Gyvūnų išsaugojimas Lyginant su augalais, gyvūnų mikrodauginimas yra žymiai mažiau pažengęs. Nors daugybė gyvūnų ląstelių ir audinių gali būti auginami ląstelių kultūrose, tačiau kol kas išauginti viso organizmo iš jų neišeina. Vis dėl to, sėkmingai pavykus klonuoti naminę avį (Wilmut ir kt., 1997), biologams iškyla klausimas ar klonavimas gali išsaugoti nykstančias rūšis? (Cohen, 1997; Lanza ir kt., 2000b; Lee, 2001). Genetiniai klausimai susiję su gyvūnų klonavimu, yra svarbūs rūšių išsaugojimui ir iš esmės yra tas pats kaip augalų mikrodauginimas. Klonavimas branduolio paėmimas iš somatinės ląstelės ir jo įterpimas į bebranduolį kiaušinėlį, šios pakeistos ląstelės įsodinimas į motininį organizmą, kuriame gali normaliai vystytis ir gimti (Lanza ir kt., 2000b). Įmanoma gauti daug klonų, kadangi daugybė somatinių ląstelių gali būti paimtos iš vieno nykstančios rūšies gyvūno. Klonavimas būtų naudingas siekiant išsaugoti nykstančias rūšis, o tarprūšinis branduolio perdavimas yra būtinas, kadangi bebranduoliai kiaušinėliai gaunami iš glaudžiai susijusių rūšių. Tai būtina siekiant užtikrinti panašią viduląstelinę aplinką, be kurios genai nefunkcionuotų tinkamai. Transplantuotas embrionas, kuriame yra nykstančios rūšies branduolio genomas, gali augti panašios rūšies surogatinės motinos gimdoje. Šis susijusios rūšies reikalavimas tikriausiai apsaugos nykstančių

18 gyvūnų klonavimą. Tarprūšinis branduolio perkėlimas siekiant išsaugoti nykstančias rūšis, pirmą kartą buvo panaudotas klonuojant laukinį jautį Bos gaurus (Lanza ir kt., 2000 a, b). Somatinės laukinio jaučio ląstelės buvo sulietos su naminės karvės Bos taurus bebranduoliais kiaušinėliais. Iš 692 klonuotų ankstyvųjų embrionų tik 81 išsivystė iki blastocistos stadijos (~100 ląstelių gniužulas), kuriuos buvo galima implantuoti. 42 blastocistos buvo implantuotos į 32 surogatines karves, tačiau tik 8 embrionai įsitvirtino ir galiausiai tik vienas embrionas gimdoje išbuvo reikiamą laiką, gimęs veršiukas buvo pavadintas Nojumi. Deja, Nojus užsikrėtė dizinterija ir nugaišo per 48 valandas. Mikrosatelitiniai žymenys ir citogenetinė analizė patvirtino, kad branduolinis genomas buvo klonuotų laukinių jaučių, o audinių mtdnr buvo gauta iš B.taurus kiaušinėlių. Antrasis ir sėkmingesnis nykstančios rūšies klonavimo bandymas buvo atliktas su muflonu Ovis orientalis musimon (Loi ir kt., 2001). Muflonas nykstanti avių rūšis artimai susijusi su domestikuota rūšimi Ovis aries. Bebranduoliai O.aries kiaušinėliai buvo injekuoti su ląstelėmis surinktomis iš dviejų muflono patelių rastų negyvų laukuose. Blastocistos stadijos klonuoti embrionai perkelti į keturias O.aries surogatines motinas, dviems iš jų embrionai įsitvirtinimo, o viena iš jų atsivedė normalią muflonę patelę. Mikrosatelitinių žymenų analizė patvirtino, kad klonuotas muflonas buvo identiškas somatinių ląstelių donorui ir neidentiškas surogatinei O.aries motinai. Sekų analizė parodė, kad klonuoto muflono mtdnr buvo identiška O.aries kiaušinėlių donorei ir skyrėsi nuo O.orientalis musimon somatinių ląstelių donoro, kaip ir buvo tikėtasi. Gyvūnų klonavimas kol kas dar nėra standartinė procedūra ir tik 1-2 % klonuotų embrionų išsivysto iki gyvybingų palikuonių. Tarprūšinis klonavimas sukuria hibridinius embrionus, kurių genominė DNR yra vienos rūšies, o mtdnr yra kitos rūšies. Šio genominio maišymosi ilagalaikis efektas nėra žinomas, tačiau klonuoti gyvūnai turi įvairių sveikatos sutrikimų (Cibelli ir kt., 2002). Buvo tikimasi, kad klonavimas gali atgaivinti išnykusią gauruotųjų mamutų Mammuthus primigenius rūšį (Stone, 1999; Tschentscher, 1999) arba visai neseniai išnykusią Tasmanijos tigro Thylacinus cynocephalus (4 pav.) rūšį. Internetiniai debatai ar Tasmanijos tigras galėtų ir turėtų būti klonuotas buvo surengti Australijos muziejaus interneto puslapyje ( nors planas galiausiai buvo atmestas, kadangi išsaugotuose mėginiuose nebuvo rasta tinkamos kokybės DNR. Kelių išnykusių rūšių audiniai yra saugomi muziejaus kolekcijoje, tačiau DNR yra degradavusios būsenos ir netinkama klonavimo metodams. Žinoma, klonavimo procedūra yra didžiulis technologijos iššūkis ir net jeigu tai pavyksta, gaunami organizmai su labai maža arba be jokio genetinio kintamumo. Visos klonavimo procedūros yra labai brangios ir reiklios ir greičiausiai tokios išliks ateityje, tačiau tai yra beviltiška kraštutinė priemonė. Tolimesnė biotechnologijos pažanga yra įmanoma ir tikimasi, kad tai turės didelės

19 įtakos siekiant išsaugoti nykstančias rūšis (Ryder ir kt., 2000; Ryder, 2002). Šiaurės klimato zonos vietinių medžių genų inžinerija, gali būti kaip pavyzdys siekiant apsaugoti medžius nuo kenkėjų ir ligų. Atsparumo genų perkėlimas iš vietinių atsparių rūšių į pažeistas rūšis, gali išsaugoti medžius nuo išnykimo (Adams ir kt., 2002). Nepaisant tokių galimų naudojimo būdų, ląstelių ir DNR bankai kartu su genų inžinerija turėtų būti vertinami kaip kraštutinė priemonė. Tai nėra genetiškai gyvybingos laukinės populiacijos ar bendruomenės pakaitalas. 4 pav. Tasmanijos tigras, išnykusi rūšis Laukinių gyvūnų ekspertizė Tarp daugelio grėsmių biologinei įvairovei yra ir tiesioginis žmogaus poveikis pažeidžiamoms rūšims. Tai apima tokius veiksmus kaip brakonieriavimą ir gyvų individų gaudymą bei pardavimą. Šios nelegalios veiklos mastas gali būti didžiulis, nelegalus laukinių gyvūnų ar jų produkcijos gabenimas yra trečias po narkotikų ir ginklų kontrabandos. Daugybė gyvūnų ir augalų rūšių įtrauktos į kontrabandą nepaisant nuo 1973 egzistuojančios tarptautinės sutarties (CITES), sukurta kontroliuoti tokį eksploatavimą. Tačiau jos vykdymas yra didžiulė problema. Vis dėl to, molekuliniai žymenys gali suteikti svarbių įrodymų neteisėtais atvejais ir užima vis svarbesnį vaidmenį užtikrinant konvencijos vykdymą. Branduolio ir mtdnr žymenys gali identifikuoti rūšį iš nežinomų laukinių gyvūnų produktų. Remiantis genetine analize galima nustatyti mėginio geografinę kilmę, pavyzdžiui žuvies, kuri buvo sugauta uždraustoje srityje. DNR paremti testai yra naudojami ryklio kūno dalims identifikuoti prekyboje, pavyzdžiui buvo nustatyta nelegali tarptautinė didžiojo baltojo ryklio Carcharadon carcharias pelekų prekyba (Shivji ir kt., 2005). Galingi žymenys, tokie kaip polimorfiniai minisatelitai ir mikrosatelitai gali patvirtinti arba atmesti

20 atskirų individų tėvystę. Tai buvo atlikta su sakalu keleiviu Falco peregrinus Didžiojoje Britanijoje. Šie paukščiai yra griežtai saugomi, tačiau turi didžiulę paklausą. Norint veisti nelaisvėje šiuos paukščius, reikėdavo turėti licenziją, tačiau paukščiai būdavo paimami iš laukinių lizdų ir parduodami kaip veisti nelaisvėje. DNR pirštų antspaudų analizė parodė, kad kai kurie iš šių sakalų jauniklių negalėjo būti išveisti nelaisvėje, o atsakingi asmenys buvo patraukti baudžiamajai atsakomybei. Didėjant tėvystės nustatymo galimybei, mažėja jauniklių paimtų iš laukinės gamtos. Individų priskyrimo populiacijoms bandymai, naudojant molekulinius žymenis, darosi vis sudėtingesni (Manel ir kt., 2002) ir gali turėti vis didesnę įtaką sėkmingam baudžiamajam persekiojimui brakonieriavimo atvejais. Genetika apsaugos biologijoje platesnis vaidmuo Be monitoringo ir genetinės įvairovės išsaugojimo, molekulinė ekologija genetinės apsaugos biologijoje gali būti naudinga ir kitais, mažiau akivaizdžiais būdais. Individų identifikacija ir taksonominių ribų apibrėžimas taip pat yra svarbūs aspektai. Turint aiškų supratimą apie šiuos dalykus yra lengviau sudėlioti prioritetus sprendžiant apsaugos klausimus. Sistematika ir aplinkosaugos genetika Molekulinės sistematikos indėlis į retų rūšių išsaugojimą, gali būti suskirstytas į keturias pagrindines sritis (Soltis ir Gitzendanner, 1999): 1. Paaiškina rūšių koncepciją. 2. Linijų, kurios vertos rūšių išsaugojimui, identifikacija. 3. Aplinkosaugos prioritetų nustatymas. 4. Hibridizacijos efektas retų rūšių biologijai ir išsaugojimui (Allendorf ir kt., 2001). Tačiau vis dėl to svarbu suprasti, kad molekulinė analizė kartais apsunkina, o ne išaiškina aplinkosaugos klausimus. Molekulinė genetinė informacija gaminama didžiuliais tempais. Kai kurioms rūšims yra ginčijamos ankstesnės koncepcijos, kurios daugiausiai paremtos morfologinių ir taksonominių vienetų svarba aplinkosaugai. Didžiuliai genetiniai atstumai kartais yra randami tarp populiacijų grupių, kurios morfologiškai yra labai panašios, kai kitu atveju, gana skirtingi individai yra daug labiau susiję nei atrodytų. Kai kuriais atvejais, išsaugojimo klausimai buvo sumažinti arba pašalinti iš molekulinės analizės. Graužiko Geomys colonus rūšis yra endeminė Camden apskrityje,

21 Džordžijos valstijoje, kuri pirmą kartą aprašyta dėl kailio spalvos ir kaukolės charakteristikos 1898 m. Per 1960 m. šių graužikų populiacija, kurią sudarė mažiau nei 100 individų, buvo atrasta iš naujo ir įrašyta į saugomų rūšių sąrašą Džordžijos valstijoje. Vis dėl to, atlikus genetinius tyrimus, naudojant alozimus ir mtdnr RFLP analizę, neparodė jokių genetinių skirtumų tarp G.colonus ir daug dažnesnės kaimyninės G.pinetis populiacijų. Remiantis gautais rezultatais, nesuteikia pagrindo G.colonus pripažinti kaip atskirą rūšį, nors manoma, kad G.colonus išnyko amžiaus pradžioje ir buvo pakeista fenotipiškai panašia G.pinetis rūšimi (Laerm ir kt., 1982). Trylika naujų vėžlių rūšių buvo aprašyta Kinijoje per 16 metų laikotarpį, daugiausiai remiantis pavyzdžiais įsigytais iš Hong Kongo. Tačiau bandymai atrasti laukines šių vėžlių populiacijas visiškai nepasiteisino. Buvo atliekamas dviejų naujų rūšių Mauremys iversoni ir Cuora serrata taksonominis įvertinimas naudojant mtdnr ir alozimų žymenis (Parham ir kt., 2001). Palyginus genetinius duomenis su kitų gerai žinomų rūšių, surinktų iš žinomų vietovių, gauti duomenys rodo, kad Mauremys iversoni ir Cuora serrata yra seniai žinomų rūšių hibridai. Kitos trys rūšys, Ocadia glyphistoma, O.philippeni ir Sacalia pseudocellata, buvo identifikuotos kaip žinomų rūšių hibridai, remiantis branduolio intronų sekų analize (Stuart ir Parham, 2007). Priešingai, yra daugybė pavyzdžių, kuriuose remiantis molekuliniais genetiniais tyrimais buvo pripažintos naujos rūšys. Krūminė medšarkė Laniarius liberatus buvo apibūdinta kaip visiškai nauja mokslui rūšis, remiantis vienu individu. Paukštis buvo pagautas akacijų tankmėje centriniame Somalyje, laikomas nelaisvėje ir vėliau paleistas (Smith ir kt., 1991; Collar, 1999). Dėl potencialios išnykimo grėsmės, jokio tipo pavyzdžiai nebuvo surinkti. Vis dėl to, mitochondrijų citochromo b DNR sekos duomenys gauti iš šio paukščio, buvo palyginti su sekomis, gautomis iš muziejaus pavyzdžių ir kitų trijų paukščių. Sekų analizė patvirtino pradinius sprendimus, kad ši medšarkė priklauso naujai rūšiai, o nėra kitos žinomos rūšies spalvinė variacija arba hibridas (Smith ir kt., 1991). Deja, rezultatai gauti remiantis molekuline filogenetika nevisada yra vienareikšmiški ir gali pridėti naujų sunkumų ir prioritetų aplinkosaugininkams. Naminis šuo Canis familiaris suteikia didžiulį pavyzdį kaip didelės morfologinės variacijos derinamos su labai ribotu genetiniu kintamumu, o tokių paralelių žinoma ir gamtoje. Būtų sunku teigti, kad laukiniai Pekinų ir Vokiečių aviganio šunų ekvivalentai, nenusipelno atskiro išsaugojimo statuso, nepriklausomai dėl genetinių panašumų pagal neutralius žymenis. Priešingu atveju, atsiranda morfologiškai panašios formos, kurios genetiškai skiriasi, tačiau sukuria rūšis, kurios negali būti identifikuotos lauko sąlygomis. Paukščių iš Pitkerno salų atveju, tamsių plunksnų forma Pterodroma atrata (daugiausiai remiantis mtdnr analize) staigiai įkūrė naują nykstančią rūšų. Šis paukštis yra endeminė rūšis vienoje

22 mažoje saloje ir kenčia dėl introdukuotų žiurkių plėšrumo, kuris naikina kiaušinius arba jauniklius. Šių paukščių išsaugojimas bus sunkus, tačiau dabar pripažįstama, kad labai svarbus. Filogeografija ir aplinkosaugos genetika Išnykusių populiacijų praeities istorijos supratimas gali būti vertingas aplinkosaugoje. Tamsiaveidžio pajūrio žvirblio Ammodramus maritimus nigrescens populiaciją Atlanto pakrantėje Floridoje sudarė tūkstančiai individų. Tačiau 6-tajame dešimtmetyje, daugiausiai dėl dirbtinių potvynių ir pelkynų žolynų buveinių praradimo, populiacija buvo sumažėjusi (Avise ir Nelson, 1989) m. buvo rasti tik šeši paukščiai (visi patinai), penki iš jų sugauti ir laikyti nelaisvėje, siekiant išsaugoti šio porūšio genus. Veisimo nelaisvėje programoje A.maritimus nigrescens patinai buvo veisiami su Skoto pajūrio žvirblio A.m.peninsulae patelėmis, ši rūšis yra geografiškai artima ir randama Įlankos pakrantėje, Floridos pusiasalyje. Pirmosios kartos (F1) patelių hibridai iš tamsiaveidžių patinų ir Skoto patelių buvo kryžminami su tamsiaveidžiais patinais, siekiant gauti palikuonis, kurie turėtų A.maritimus nigrescens branduolio genų persvarą (Avise ir Nelson, 1989). Introdukavus tamsiaveidžius paukščius, populiacijoje buvo aptikti keli hibridiniai palikuonys ir laisvėje. Tačiau paskutinis tamsiaveidis pajūrio žvirblis nugaišo 1987 m., ir mtdnr gauta iš šio individo, buvo palyginta su pavyzdžiais iš kitų pajūrio žvirblio komplekso populiacijų. Ši mtdnr apribojimo vietų analizė atskleidė artimą A.maritimus nigrescens ir kitų pajūrio žvirblių rūšių filogenetinę giminystę Atlanto vandenyno pakrantėje, Jungtinėse Amerikos valstijose, tačiau nustatė didelį genetinį atstumą nuo Įlankos pakrantės paukščių (5 pav.). Jei šis ryšys būtų buvęs žinomas anksčiau, būtų įmanoma nuspręsti, kurį iš porūšių geriau genetiškai integruoti į A.maritimus nigrescens branduolinį genomą naudojant veisimą nelaisvėje. Aišku, kad genetine prasme būtų buvę geriau kryžminti A.maritimus nigrescens patinus su patelėmis iš bet kurio Atlanto vandenyno pakrantės porūšio (jeigu geografinis atstumas ir didesnis), negu su patelėmis iš Įlankos pakrantės porūšių (nors ir esant mažesniam genetiniam atstumui). Iš tikrųjų dabar tikima, kad A.maritimus nigrescens buvo ne daugiau kaip smulkus porūšio variantas, pagal mtdnr duomenis esantis viename klasteryje ir niekada neturėjo atskiro porūšio statuso. Akivaizdu, kad tamsiaveidžio pajūrio žvirblio atvejis yra ironiškas aplinkosaugos biologijoje.

23 5 pav. a) Pajūrio žvirblių Ammodamus maritimus porūšių geografinis paplitimas. b) Dendrogramoje pateikti skirtumai tarp Atlanto ir Įlankos pakrančių žvirblių linijų (Avise ir Nelson, 1989).

24 Aplinkosaugos valdymas ir genetika Idealiu atveju genetiniai duomenys ateityje bus naudojami sistematikoje, kaip būdas, kuriuo būtų galima priskirti populiacijų valdymo išsaugojimo vienetus (MU) aplinkosaugoje. Genetiniai ir demografiniai svarstymai turėtų būti derinami šiuo tikslu bei naudojami apibrėžti MU vienetais paremtą genetinių skirtumų sumą, pagal kurią populiacija tampa demografiškai nepriklausoma (Palsboll ir kt., 2006). Yra paprastesnis sprendimo požiūris, kad atskiri genetiniai (MU) vienetai egzistuoja atmetus panmiksiją (t.y. nustatant Hardy-Weinbergo pusiausvyros svyravimus), gali būti pakenkta mažos statistinės energijos, arba polimorfinių žymenų panaudojimas, kuris atmestų panmiksiją net ir tada kai atsiranda didžiulis genų srautas. Populiacijos tampa demografiškai išnykusios, kai pasiskirstymo rodikliai tarp jų yra mažesni nei 10 procentų. Deja, tai nėra paprasta dėl daugybės priežasčių, viena iš jų, kad verčiant genų srauto genetinius apskaičiavimus į pasiskirstymo rodiklius, nors kai kurie programiniai paketai dabar leidžia kombinuoti demografinį ir genetinį modeliavimą (pvz.: Balloux, 2001). Apibendrinimai tarp rūšių nėra galimi, o tokie metodai kaip genetinis žymėjimas bei individų žymėjimas yra būtini, siekiant įvertinti pasiskirstymą, arba naudojant priskyrimo testą, kuris gali identifikuoti dabartinius migrantus (pvz.: Wilson ir Rannala, 2003). Gamtiniai rezervatai turėtų būti projektuojami atsižvelgiant į genetinę informaciją, siekiant išsaugoti kiek įmanoma didesnę genetinę įvairovę. Tyrimai atlikti su keturiomis retomis augalų rūšimis pietų Kalifornijoje, atkreipė dėmesį į sunkumus, siekiant šio tikslo (Neel ir Cummings, 2003). Apsaugos sritys, pasiūlytos keturių nepriklausomų ekspertų pagal septynis standartinius ekologinius kriterijus (pvz.: populiacijos dydis, paplitimas), buvo prieštaringos ir neapsaugojo didesnio genetinio kintamumo nei atsitiktiniai rezervai. Atsižvelgiant į leistinus augalų genetinės įvairovės apsaugos standartus (90-95% visų bendrų alelių tikimybė), privalo būti daugiau populiacijų, nei anksčiau buvo manyta. Akivaizdu, kad genetiniai duomenys turėtų būti aiškiai įtraukti, o ne išplauktų iš ekologinių kriterijų, jei tik įmanoma paskiriant saugomas teritorijas. Genetinis stebėjimas (monitoringas) tampa vis svarbesniu dėl buveinių fragmentacijos ir populiacijų izoliacijos padidėjimo (Schwartz ir kt., 2006). Ne invaziniais metodais nustatyti individų genotipai (pvz.: iš plaukų, plunksnų) gali būti panaudoti įvertinant populiacijos dydį, išgyvenamumo ir papildymo rodiklius, vietovės apgyvendinimo lygį. Populiacijos genetinių duomenų lygis gali būti panaudotas stebint efektyvaus populiacijos dydžio pasikeitimus ir ryšį tarp subpopuliacijų. Genetinio monitoringo techninis sudėtingumas ir kaina mažėja, o kompetencija ir patirtis didėja, ir tai bus svarbus darbas aplinkosaugos organizacijoms ateityje.

25 Genetinė įvairovė pasauliniu mastu DNR sekų duomenys gali būti panaudoti identifikuojant svarbius aukšto genetinio kintamumo regionus (Soltis ir Gitzendanner, 1999). Buvo pasiūlyta, kad remiantis bendros kilmės organizmų mtdnr sekomis galima apibrėžti evoliuciškai svarbius vienetus (ESU) (Ryder, 1986) aplinkosaugoje (Moritz, 1994a). MtDNR variacijų modeliai nykstančiose arba valdomose rūšyse gali būti atskirti dviem atskirais būdais, kiekvienas iš jų paremtas skirtingais konceptualiais pagrindais, išsaugojimo tikslais ir laiko grafikais (Moritz, 1994b): 1. genų išsaugojimas genetinio kintamumo identifikacija ir valdymas; 2. molekulinė ekologija mtdna variacijų panaudojimas populiacijų demografiniuose tyrimuose. Genų išsaugojimui daugiausiai naudojama filogenetinė informacija ir dažniausiai tai susiję su ilgalaikiu aplinkosaugos planavimu. Tai yra įtraukta į (ESU) vienetų identifikavimą ir išsaugojimo prioritetų vertinimas iš evoliucinės perspektyvos. Molekulinėje ekologijoje naudojant haplotipų dažnius, gautą informaciją panaudoti trumpalaikiams populiacijų valdymams, ypatingai siekiant identifikuoti valdymo vienetų. Molekulinė filogenetika (Moritz, 1995) ir palyginamoji filogeografija (Moritz ir Faith, 1998) gali būti panaudotos genetiškai įvairių sričių identifikacijoje aplinkosaugoje. Naudodamas šį metodą, Sechrest ir kt. (2002 m.) rėmėsi primatų ir plėšrūnų filogenetinias super medžiais apskaičiavo, kad beveik 70 procentų visos evoliucijos istorijos atstovaujamos šiose grupėse yra randama tik 25 biologinės įvairovės karštuose taškuose visame pasaulyje. Sutelkiant dėmesį į ribotus išsaugojimo resursus tokiuose karštuose taškuose gali išsaugoti platesnes genetines linijas. Molekulinė genetinė analizė labai plačiai taikoma siekiant nustatyti išsaugojimo prioritetus didžiulėse geografinėse svarstyklėse. Molekuliniai žymenys aplinkosaugos genetikoje Nors dauguma galimų molekulinių žymenų turi potencialų panaudojimą aplinkosaugos genetikoje, kai kurie iš jų yra tinkamesni nei kiti. PGR metodu paremtų žymenų privalumas, kad atliekant tyrimus reikalingas labai mažas audinio kiekis. Todėl šiuo būdu galima tirti retus ir nykstančius individus. Tiriant alozimus arba atliekant RFLP analizę, reikalingas didesnis pavyzdžio kiekis, todėl individai yra nužudomi, o tai yra nepriimtina (išskyrus individus, kurie produkuoja didžiulį skaičių kiaušinėlių). Inbridingo tyrimams reikalingi kodominantiniai žymenys, kad būtų galima aptikti heterozigotines formas. Alozimai bei mikrosatelitai plačiausiai naudojami žymenys šiame kontekste, o mikrosatelitų tyrimo pranašumas yra tas, kad reikia labai nedidelio audinio kiekio. Mikrosatelitai ir daugybiniai minisatelitai gali būti naudingi įrankiai atliekant laukinių gyvūnų ekspertizę, ypatingai nustatant tėvystės ryšius. Mitochondrinės DNR sekos (gautos PGR

26 metu) yra naudingos kaip indikatoriai nustatant klonavimo sėkmę gyvūnuose, kadangi leidžia palyginti surogatinės motinos ir donoro mitochondrinius genomus. Taip pat šis žymuo yra plačiai pritaikomas filogenetiniuose saugomų rūšių tyrimuose. Tačiau, vis daugiau dėmesio skiriama adaptacijai, o ne neutraliam genetiniam kintamumui, tokie žymenys kaip MHC lokusas be abejonės taps vis svarbesni saugomų rūšių genetiniuose tyrimuose.

27 MAŽŲ POPULIACIJŲ GENETINĖS PASEKMĖS Pagrindinė populiacijų išsaugojimo problema yra mažas ir/arba mažėjantis individų skaičius. Mažos, izoliuotos populiacijos patiria didėjantį inbrydingą, praranda genetinę įvairovę, ko pasekoje sumažėja reprodukcinis tinkamumas ir galimybė tapti atspariems aplinkos pokyčiams. Mažų populiacijų svarba biologijoje Mažos ar mažėjančios populiacijos yra daug arčiau išnykimo ribos negu didelės ir stabilios populiacijos. Rūšys, kurių suaugėlių populiacijos dydis yra stabilus ir mažesnis negu 50, 250 ar 1000 yra priskiriamos kaip esančios pavojuje ir pažeidžiamos (pvz. Australijoje Kvinslendinių vombatų (Lasiorhinus krefftii) yra tik apie 100 (suaugėlių su jaunikliais). Keletas rūšių taip sumažėjo, kad jos tik egzistuoja ar egzistavo nelaisvėje (pvz. baltasis oriksas (Oryx leucoryx), juodakojis šeškas (Mustela nigripes), Europinis bizonas (Bison bonasus), Dovydo elnias (Elaphurus davidianus), Kalifornijos kondoras (Gymnogyps californianus), Gallirallus owstoni ir kt. Keletas rūšių patyrė populiacijos sumažėjimą (dėl butelio kaklelio efekto), bet vėliau atsistatė. Pvz: Mauritinio pelėsakalio (Falco punctatus) populiacija sumažėjo iki vienos poros (pagrindinės preižastys buvo miškų kirtimas, dėl DDT insekticidų labai suplonėjo kiaušinio lukštas, to pasekoje sumažėjo jauniklių skaičius) 1940 m., 1974 m. populiacija padidėjo iki 4 individų ir tik 1997 m. iki individų. Pasekmė šio sumažėjimo ir atsistatymo yra genetinės įvairovės sumažėjimas, aukštas inbrydingo lygis, mažas reprodukcinis tinkamumas. Genetinės įvairovės praradimas Genetinė įvairovė yra prarandama, kuomet populiacijos dydis sumažėja. Viena iš priežasčių yra butelio kaklelio efektas ir mažas populiacijos dydžio buvimas ilgą laiką (pvz.: šiaurinis jūrų dramblys neturi alozimų įvairovės, tai atsitiko dėl atsitiktinės atrankos, alelių perdavimo iš kartos į kartą). Tikimybės poveikis ir genų dreifas Mažose populiacijose, keletas alelių, ypač retų gali būti neperduodami iš kartos į kartą dėl tikimybės (atsitiktinumo). Kad sekančioms kartoms būtų perduodami aleliai, jie turi skirtis nuo tėvinių. Per daugelį generacijų alelių dažniai svyruoja iš vienos kartos į kitą ir tai vyksta dėl atsitiktinių priežasčių tai atsitiktinis genų dreifas. Taigi, kadangi genų dreifas yra atsitiktinis procesas, todėl jo pasireiškimas turi būti traktuojamas kaip tikimybė. Populiacijoms mažėjant genetinio dreifo tikimybė didėja ir atv.

28 Genų dreifas tai alelių dažnių kitimas populiacijoje dėl atsitiktinių priežasčių. Gametų atsitiktinė atranka vidujpopuliacijų turi tris reikšmes: genetinės įvairovės netekimas ir alelių fiksacija; įvairovė tarp pasikartojančių populiacijų iš vietinio šaltinio (fragmentuotos populiacijos); genų dreifo slopinama natūrali atranka. Šios savybės yra pavaizduotos mažojo milčiaus (Tribolium confusum) populiacijos ( pav. žemiau). Pav. mažojo milčiaus (Tribolium confusum) populiacijos genų dreifas. Pirmiausiai, čia yra pavaizduotas populiacijos genų dreifas. Pvz. N = 10 populiacija yra pažymėta žvaigždute, alelių dažnis prasideda 0,5 ir per tris generacijas mažėja, po to kyla ir vėl mažėja iki 20 generacijos kuomet ši reikšmė yra apytiksliai 0,65 (20 lytinių ląstelių yra panaudojamos pradėti naujai kartai, taigi, tokioje mažoje lytinių ląstelių, kurios dalyvaus apvaisinant, dalyje, alelių dažniai dėl atsitiktinumo nukryps nuo tėvams būdingų alelių dažnių). Tai rodo, kad N = 10 populiacijos dažnių svyravimai yra didesni, negu N = 100 populiacijos, tai akivaizdu, kad genų dreifas yra didesnis mažoje populiacijoje negu didelėje. Antra, keletas populiacijų praranda genetinę įvairovę ir pasiekia fiksaciją, tai yra galutinis genų dreifo rezultatas (perėjimas į homozigotinę būseną pagal vieną iš lokuso alelių). Fiksacijos priežastis yra didelė alelio dažnio svyravimo amplitudė vykstant kartų kaitai mažose populiacijose. Pasikeitus 20 generacijų 7 iš 12 N = 10 populiacijų tapo homozigotinėmis. N = 100 populiacijų nei viena netapo fiksuota po 20 generacijų. Trečia, nevienodos svyravimo amplitudės populiacijose, kai skirtingų grupių populiacijos skyrėsi tik individų skaičiumi parodo - kad atsitiktinio genų dreifo dydis priklauso tiktai nuo N ir, kad genų dreifo poveikis alelių dažniams mažoje populiacijoje gali būti greitas ir reikšmingas.

29 Heterozigotiškumo praradimas dėl butelio kaklelio efekto Dalis pirminių heterozigotų išlikusių po butelio kaklelio efekto pirmoje generacijoje: H 1 /H 0 = 1 1/2N Kur H 1 heterozigotiškumas iš karto po butelio kaklelio efekto, H 0 heterozigotiškumas prieš butelio kaklelio efektą. 1/2N prarastas heterozigotiškumas. Jeigu butelio kaklelio efekto paveikta N = 25 tai sumažėjęs heterozigotiškumas bus 2 %, o jeigu N = 100 tai 0,5%. Pvz. Mauritinio pelėsakalio heterozigotiškumas sumažėjo 57% nuo 0,23 iki 0,10 dėl vieno poros butelio kaklelio efekto. Jeigu populiacijos dydis būtų buvęs N = 50, tai heterozigotiškumas sumažėtų per 6 generacijas. INBRYDINGAS Inbrydingas yra neišvengiamas mažose populiacijose (nes yra neišvengiamas poravimasis tarp giminingų individų), ko pasekoje sumažėja reprodukcija ir išgyvenamumas. Žinoma, inbrydingas neišvengiamas ir didesnėse populiacijose, bet tam reikia daugiau laiko. Inbrydingas yra svarbus, tuo, kad jo pasekoje sumažėja heterozigotų, reprodukcija, išgyvenamumas (reprodukcinis tinkamumas) ir stipriai padidėja išnykimo rizika. Reprodukcinio tinkamumo sumažėjimas dėl inbrydingo inbrydinė depresija (stebimas didelis individų homozigotiškumas, skirtingi individai yra genetiškai identiški). Pvz. Yra tiriami 44 nelaisvėje laikomi žinduoliai, individai gimę iš tėvų giminaičių patiria didesnį jauniklių mirtingumą (brolio-sesers poravimosi rezultatas yra 33 % sumažėjęs jauniklių išgyvenamumas), taip pat maža galimybė pasipriešinti išsivysčiusioms tam tikroms ligoms su naujais patogenais ar adaptuotis keičiantis aplinkos sąlygoms. Inbrydingo matavimas inbrydingo koeficientas (F) ir genetinės pasekmės Inbrydingas apibrėžiamas kaip padidinta tikimybė sudaryti poras tarp giminingų individų negu tarp bet kurių kitų populiacijos individų (savivaisa, brolio-sesers poravimasis ir kt.). Kuomet tai atsitinka, heterozigotų dažnis sumažėja, o homozigotų padidėja, tai susiję su Hardžio-Vainbergo dėsniu.

30 Inbrydingo koeficientas tai tikimybė, kad du bet kurių individų lokuso genai yra identiški bendram tėvų protėviui (išmatuoja inbrydingo mąstą palygindamas tikrąjį heterozigotų dažnį populiacijoje ir tą, kuris tikėtinas). Kuomet nėra inbrydingo (F = 0), genotipų dažniai yra Hardžio- Vainbergo pusiausvyroje. Kada F = 0,5, tai heterozigotų santykis populiacijoje sumažėjo 50 %. F reikšmės gali būti apskaičiuotos palyginant stebimą (H 0 ) ir tikėtiną (H e ) heterozigotų dažnį populiacijoje. Kuomet H 0 = (1 F) 2pq ir H e = 2pq, tuomet F = 1 H 0 /H e Šis santykis gali būti naudojamas įvertinti inbrydingo įtaka per laiką, kai heterozigotų generacija t (H t ) yra palyginama su pradiniu heterozigotiškumu (H 0 ): F = 1 H t /H 0 Inbrydingas tiesiogiai nekeičia alelių dažnių. Inbrydingas yra susijęs su mažomis populiacijomis ir alelių dažniai tokiose populiacijose keičiasi dėl genų dreifo. Genealogija Inbrydingą taip pat galima nustatyti nagrinėjant genealogiją (tačiau tik tuo atveju kai individo genealogija yra smulkiai žinoma). Tai leidžia įvertinti išgyvenamumo ir reprodukcijos tempus (t.y. naudojant individų duomenis su skirtingais inbrydingo lygiais). Inbrydingo koeficientas gali būti gautas skaičiuojant individų trajaktorijas nuo vieno tėvo, per bendrą protėvį iki kito tėvo (įskaitant abu tėvus). Daugeliu atveju, individų tėvai gali būti giminingi daugiau negu vienam bendram protėviui arba tam pačiam protėviui, bet per skirtingas trajaktorijas. Kiekvienas bendras protėvis, kiekviena bendra trajaktorija prisideda prie tikimybės nustatant palikuonių tapatybę. Inbrydingo koeficientas yra suma visų tikimybių: F = Σ(½) n (1+F ca ), tėvu; n individų skaičius trajaktorijoje nuo vieno tėvo iki bendro protėvio ir baigiasi ties kitu F ca tam tikro bendro protėvio inbrydingo koeficientas.

31 Šis prisidėjimas į inbrydingą yra sumuojamas kiekvienai skirtingai trajaktorijai susietai su abiem tėvais į kiekvieną bendrą protėvį. Pvz. individai skaičiuojami nuo vieno tėvo iki kito per bendrą protėvį yra F, D, B, A, C, E ir G, padarant n = 7 žingsniai. Tai, F x yra (½) 7 (1+F A ) ir bus 1/128 jei individas A nėra gimęs iš tėvų giminaičių. (Taškinės linijos rodo trajaktorijas į kitus protėvius, kurie nėra trajaktorijoje į bendrą protėvį A). Inbrydingas mažose atsitiktinio poravimosi populiacijose Nepaisant daug galimų giminingų poravimųsi: brolių artimumo, jauniklių ir tėvų, kilusių iš tėvų giminaičių, tačiau dažniausiai tai yra rečiau negu tikimasi dėl artimumo. Daugelis rūšių turi išvystytą inbrydingo išvengimo mechanizmą. Yra žinomi 2 daugiausiai kintantys genetiniai lokusai tai nesuderinamumo (self-incompatibility) lokusai augalai ir daugiausiai suderinamumo (histocompatibility) lokusai stuburiniuose, kurie susiję su inbrydingo išvengimu. Labai didelėse atsitiktinio poravimosi populiacijose, inbrydingas yra arti 0, kai yra maži šansai poruotis su giminingais individais. Tačiau, mažose uždarose populiacijose kiekvienas individas tampa giminingas dėl atsitiktinumo ir inbrydingas yra neišvengiamas. Įvertinti inbrydingą uždarose atsitiktinio poravimosi populiacijose po t generacijų gali būti naudojama tokia formulė: F t = 1 H t /H 0 = (1 1/2N) t Inbrydingas apskaičiuojamas per generacijų skaičių uždarose populiacijose, kur tempas priklauso nuo populiacijų dydžio.

32 Didėjantis inbrydingo koeficientas F su laiku skirtingų dydžių ribotose populiacijose (N). Inbrydingas didėja daug greičiau mažesnėse negu didesnėse populiacijose. Pvz. Zoologijos soduose dažniausiai populiacijos yra mažos. Jeigu yra pradedama poravimosi programa su keturiais negiminingais individais ir palaikant keturiu tėvų poravimosi populiacijas per daugelį generacijų inbrydingo koeficientas didės: Inbrydingo koeficientas staigiai didėja ir pasiekia 74 % 10 generacijoje. Populiacijos dydžio matavimas Daugumos smulkiųjų žinduolių ir vabzdžių populiacijų dydis svyruoja stipriai ir sumažėjęs dydis įtakoja genetinius procesus. Panašiai, dauguma populiacijų susilaukia jaunuolių ir reprodukcinio amžiaus. Tačiau tarp reprodukcinio periodo, gali būti žymių nukrypimų nuo jų indėlio sekančioms generacijoms. Beto, labai varijuoja rūšių poravimosi sistema (monogamai, haremos), atsitiktinių savivaisų ir nelytinės reprodukcijos. Tas pats individų skaičius gali būti įtakojamas labai skirtingų genetinių poveikių, priklausomai nuo rūšies, populiacijos struktūros ir augimo sistemos. Todėl, realios populiacijos yra lyginamas su hipotetinėmis idealiomis populiacijomis. Idealių populiacijų sąlygos yra: besiporuojančių individų skaičius visose generacijose yra konstanta; generacijos nepersidengia;

33 nėra migracijos ir genų srauto; visi individai yra potencialūs besiporuojantys organizmai; visi individai yra hermafroditai; gametų susijungimas yra atsitiktinis, įskaitant ir galimybę savivaisai; nėra gamtinės atrankos; mutacijos yra ignoruojamos; vidutinis jauniklių skaičius vienam suaugėliui yra 1, gali kisti. Efektyvus populiacijos dydis (N e ) Populiacijos dydis gali būti apibrėžtas naudojant terminą - efektyvus populiacijos dydis (N e ). Efektyvus populiacijos dydis yra idealios populiacijos dydis, kuri galėtų prarasti genetinę įvairovę (patirti to paties mąsto genų dreifą) tuo pačiu tempu kaip ir reali populiacija. Pvz.: jeigu reali populiacija praranda genetinę įvairovę tuo pačiu tempu kaip ir 100 individų idealioje populiacijoje, tada galima teigti, kad efektyvus populiacijos dydis 100 tuo atveju kai suskaičiavius siekia 1000 individų. Tuomet, populiacijos N e yra jos genetinio funkcionavimo priemonė, gimininga tai idealiai populiacijai. Visas neigiamas genetinis rezultatas mažose populiacijose priklauso nuo efektyvaus populiacijos dydžio, nei nuo tikro individų skaičiaus. Dažniausiai, praktikoje, efektyvus populiacijos dydis yra ženkliai mažesnis negu besiporuojančių suaugėlių skaičius. Jeigu reali populiacija turi visas idealios populiacijos savybes tuomet N e = N. Tačiau, realios populiacijos dažnai nukrypsta nuo idealių dėl mažo individų skaičiaus. Realios populiacijos nukrypsta nuo idealių populiacijų, nes: turi nelygų lyčių santykį, didelis šeimos dydžio kintamumas, kintantis sėkmingų generacijų skaičius ir turi persidengiančias populiacijas. Nelygus lyčių santykis turi mažiausiai įtakos, o svyruojantis populiacijos dydis didžiausią. Dažnai šie faktoriai nukrypsta N e < N. Nelygus lyčių santykis Daugelyje laukinių populiacijų besiporuojančių patelių ir patinų skaičius nėra lygus. Dauguma žinduolių turi haremas kur vienas patinas poruojasi su daugeliu patelių ir genetinis indėlis į ateinančias kartas yra mažas. Apskaičiuoti efektyviam populiacijos dydžiui, kai lyčių santykis nelygus yra naudojama formulė: N e = 4N ef N em / (N ef + N em )

34 N ef besiporuojančių patelių skaičius, N em besiporuojančių patinų skaičius. Kai lyčių santykis nukrypsta 1:1, N e /N santykis mažėja. Pvz.: yra šiaurinio jūrų dramblio harema su vienu patinu ir šimtu patelių, tai efektyvus populiacijos dydis bus: N e = 4N ef N em / (N ef + N em ) = 4*100*1 / = 3,96 Taigi efektyvus populiacijos dydis šios haremos yra 3,96, apytiksliai 4 % iš 101 tikro individų skaičiaus. Šeimos dydžio kintamumas Šeimos dydis (palikuonių skaičius tenkantis vienam individui) laukinėse populiacijose parodo didesnį kintamumą negu tikimasi idealioje populiacijoje. Uždaroje populiacijoje atsitiktinai besiporuojančių monogaminių rūšių vidutinis šeimos dydis (k) yra 2 (vidutiniškai 1 patinėlis ir 1 patelė) ir kintamumas (dispersija) (V k ) yra 2. Taigi, efektyvus šeimos dydžio kintamumas populiacijoje turi idealios populiacijos struktūrą: N e = 4N / (V k +2) Tai vienos generacijos efektyvus populiacijos dydis. Visa tai rodo, kad šeimos kintamumo dydis yra didesnis, o efektyvus populiacijos kintamumas mažesnis. Pvz.: Darvino kikilių šeimos dydžio kintamumas yra aukštas (6,74), palyginama su priimta idealios populiacijos reikšme 2. N e = 4N / (V k +2) = 4 / (6,74 + 2) = 0,46 Svyruojantis populiacijos dydis Didžiausias N e /N santykis priklauso nuo svyruojančio populiacijos dydžio per generacijas. Laukinėse populiacijose kaip veiksnys kintančių populiacijų skaičiaus yra maisto prieinamumas, klimatinės sąlygos, ligų epidemijos, katastrofos, plėšrūnai ir kt. Efektyvus populiacijos dydis kintančioje populiacijoje nėra aritmetinis vidurkis, bet yra harmoninis vidurkis (harmonic mean) efektyvaus populiacijos dydžio per t generacijas: N e = t / Σ(1/ N ei ) N ei yra efektyvus dydis i generacijoje, N e ilgalaikis populiacijos dydis (yra artimas mažiausioms atskiroms generacijoms). Pvz.: šiaurinių jūrų dramblių populiacija buvo sumažinta iki individų, o po to atstatyta virš Taigi, priimame tokią sąlygą, kad pradinis populiacijos dydis buvo , kuris

35 sumažėjo iki 20 ir atsistatė iki individų per 3 generacijų periodą. Tuomet, efektyvus populiacijos dydis bus: N e = t / (1/ N e1 ) + (1/ N e2 ) + (1/ N e3 ) = 3 / (1/ ) + (1/20) + (1/ ) = 60 Efektyvus populiacijos dydis yra 60, kuris daug artimesnis minimaliam dydžiui, negu vidutiniam dydžiui Visa tai puikiai paaiškina, kad prarasti aleliai generacijoje sumažėjus populiacijos dydžiui nesugrįžta kuomet populiacija atsistato. Panašiai kaip inbrydingas mažoje populiacijose nesumažėja nors populiacijos dydis ir padidėja. Populiacijų fragmentacija Nemažai populiacijų tapo fragmentuotos, dažniausiai dėl žmogaus veiklos. Stebimas populiacijos fragmentacijos poveikis genetinei įvairovei, diferenciacijai, inbrydingas ir sumažėjęs genų srautas tarp fragmentų. Visa tai priklauso nuo: populiacijos fragmentų skaičiaus; populiacijos dydžių pasiskirstymo fragmentuose; populiacijos geografinio paplitimo; atstumo tarp fragmentų; rūšių išsisklaidymo galimybės; aplinkos terpės tarp fragmentų ir jos įtakos išsisklaidymui; laikas nuo fragmentacijos; išnykimo ir atsistatymo tempų per fragmentus. Pav. Populiacijos fragmentacijos poveikis genetinei įvairovei, diferenciacijai

36 Keturi maži izoliuoti fragmentai palyginami su viena didele populiacija su tokiu pačiu pradiniu dydžiu. Didelė populiacija (1) turi keturis alelius: A1, A2, A3 ir A4. Per trumpą laiką keturios izoliuotos mažos populiacijos staigiai tampa homozigotinėmis ir praranda tinkamumą per inbrydinę depresiją (2). Genetinės įvairovės praradimas yra lėtesnis vienoje didelėje populiacijoje (3) ji praranda tik viena alelį A4. Tačiau, fiksacija mažose populiacijose yra atstiktinė ir visi keturi aleliai yra išlaikomi, kuomet didelė populiacija praranda A4 alelį. Tuo tarpu, per ilgą laikotarpį, išnykimo tempai bus didesni mažesniuose fragmentuose negu didelės populiacijos dėl aplinkos įtakos, katastrofų, genetinių faktorių. Taigi, viena didelė populiacija išlaiko didesnę genetinę įvairovę ir turi didesnį reprodukcinį tinkamumą negu visos mažos populiacijos sudėjus kartu (dabar tik dvi populiacijos). Populiacijos fragmentacijos išmatavimas: F statistika Populiacijos fragmentacijos inbrydingo rezultatas, kuris gali būti naudojamas nustatant diferenciacijos laipsnį esantį tarp fragmentų. Diferenciacija tarp fragmentų ar subpopuliacijų yra tiesiogiai susijusi su inbrydingo koeficientu viduj ir tarp populiacijų. Inbrydingas visoje populiacijoje (F IT ) gali būti padalintas į: giminingų individų inbrydingas subpopuliacijoje ar fragmentuose F IS inbrydingo laukiama diferenciacija tarp subpopuliacijų, giminingų visoje populiacijoje F ST. F IT, F IS ir F ST yra nurodomi kaip F statistika. F IS yra inbrydingo koeficientas F, vidutinis individų skaičius iš visų populiacijų fragmentų. F ST yra inbrydingo poveikis populiacijos pasidalijime; su dideliu genų srautu tarp fragmentų F ST yra žemas, o su lėtu genų srauto tempu tarp fragmentų populiacijos nukrypsta ir tampa gimusiomis iš tėvų giminaičių, o F ST didėja. F statistika leidžia nustatyti heterozigotiškumą iš genetinių markerių naudojant tokias lygtis: F IS = 1 (H I / H s ) F ST = 1 (H S / H T ) F IT = 1 (H I / H T ) H I yra heterozigotiškumas per visus populiacijos fragmentus H S yra laukiamas Hardžio-Vainbergo heterozigotiškumas per visus populiacijos fragmentus H T laukiamas Hardžio-Vainbergo hetrozigotiškumas visai populiacijai

37 F ST varijuoja nuo 0 (nėra diferenciacijos tarp fragmentų) iki 1 (skirtingų alelių fiksacija fragmentuose). Pvz.: Trumpiaspyglio kukmedžio genotipų dažniai ir heterozigotiškumas 21 alozymų lokusuose, 9 Kanados populiacijose. Vidutinis nustatytas heterozigotiškumas (H I ) per visas 9 populiacijas buvo 0,085, kuomet laukimas heterozigotiškumas šių populiacijų (H S ) buvo 0,166. Inbrydingas viduj populiacijų F IS yra: F IS = 1 (H I / H s ) = 1 (0,085/0,166) = 0,49 Tai yra aukštas inbrydingo laipsnis, bet tai nėra numatyta savivaisa kai rūšys turi skirtingas lytis. Tai susiję su jauniklių augimu šalia jų tėvų ir giminaičių grupavimasis nuo paukščių ir graužikų surenkamų sėklų. Laukiamas heterozigotiškumas visose devyniose populiacijose (H T ) buvo 0,18, taigi inbrydingas populiacijos diferenciacijoje (F ST ) yra: F ST = 1 (H S / H T ) = 1 (0,166/0,180) = 0,078 Tai rodo nedidelį populiacijos diferenciacijos laipsnį. Bendras inbrydingas viduj populiacijų ir diferenciacijos tarp jų (F IT ) yra: F IT = 1 (H I / H T ) = 1 (0,085 / 0,18) = 0,53 Daugelio organizmų F ST paprastai yra 0,15 ar mažiau, tačiau jei yra daugiau nei 0,15 tai yra požymis reikšmingos diferenciacijos tarp fragmentų. Genų srautas tarp populiacijos fragmentų Fragmentuotose populiacijose su lygiai fragmentų dydžiais (N e ) ir lygiu genų srauto tempu (m) tarp visų populiacijų, pusiausvyra tarp dreifo ir migracijos yra pasiekia, kai F ST yra: F ST = 1 / (4N e m + 1)

38 Sevalas Raitas (Sewall Wright) nustatė, kad vienas migrantas per generaciją tarp idealių populiacijų sutrukdo pilnai diferenciacijai. Tai nepriklauso nuo populiacijos dydžio. Vienas migrantas turi tiek pat įtakos pusiausvyrai ir didelėje populiacijoje, ir mažoje. Tik mažoje populiacijoje vyksta aukštesnis migracijos tempas, ko pasekoje didesnis genų dreifas. Manoma, kad migrantai ir neiškeliaujantys individai turi tiek pat šansų susilaukti palikuonių ir, kad visi populiacijos fragmentai turi idealizuotas struktūras, išskyrimus genų srauto buvimą. Tačiau realioje populiacijoje gali reikėti 10 migrantų per generacija. Mažų populiacijų atranka Uždarose populiacijose alelių dažniai daugiausiai keičiasi per genų dreifą ir atranką. Didėlėse populiacijose atranka taipogi keičia dominantinių alelių dažnius priklausančius gamtinei atrankai. Ir atvirkščiai, mažose populiacijose genų dreifas yra dažnai dominuojantis veiksnys lemiantis alelių dažnių pokyčius, vienodai ir alelius priklausančius gamtinei atrankai. Genų dreifo galimybė apima atranką priklausomai nuo atrankos pranašumo ar alelių netekimo (atrankos koeficientas s). Kai s < 1/1Ne genų dreifas veikia atranką. Pvz. populiacijose kur efektyvus populiacijos dydis mažiau 50 (N mažiau 500), alelių s 0,01 yra neutralus ir linkęs į genų dreifo poveikį. Tai rodo, kad atranka yra mažiau veiksminga mažose negu didelėse populiacijose. MAŽOS POPULIACIJOS IR GENŲ DREIFAS Genų dreifas tai atsitiktinis alelių dažnio pokytis, vykstantis iš kartos į kartą dėl atrankos klaidų. Matematiškai genų dreifą pirmieji aprašė R. A. Fisher is (1930) ir S. Wright as (1931), mažose populiacijose vertindami dvinarinę atranką. Todėl šis modelis vadinamas Wright o- Fisher io arba Fisher io-wright o modeliu. Tačiau Fisher is ir Wright as nesutarė dėl dreifo svarbos evoliucijos kaitai. Genų dreifas dažnai vadinamas Sewall o Wright o efektu, pripažįstant dreifo svarbą evoliucijai. Genų dreifas tai atsitiktinio proceso pavyzdys, kai negalima nuspėti tikrosios baigties, nes ji įtakojama atsitiktinių elementų. Kuo mažesnė populiacija, tuo didesni alelių dažnio pokyčiai dėl genų dreifo. Atrankos procesas mažose populiacijose turi du svarbiausius efektus genetinei sudėčiai: 1) pasikeis alelių dažnis; 2) bus prarasta genetinė įvairovė. Kai alelių dažnis keičiasi dėl genų dreifo, tikimasi, kad heterozigotiškumas mažės, o homozigotiškumas didės.

39 Alelių dažnio įvairovės pakitimai iš vienos kartos į kitą vysta dėl dvinarinės atrankos pakitimų (binomial sampling variance). V q =pq/2n Inbrydingas vyksta tuomet, kai susiję individai poruojasi vieni su kitais. Inbrydingas, tai viena iš mažų populiacijų pasekmių. Inbrydingo koeficientas (f) tai tikimybė, kad du individo aleliai lokuse yra identiškos kilmės, nes yra kilę iš bendrų protėvių ankstesnėje kartoje. Homozigotiškumo augimas, per kartas, dėl genų dreifo vyksta tokiu greičiu: f=1/2n Pirmasis šį efektą aptarė Gregor as Mendel is, kuris pabrėžė, kad pusė heterozigotinių savidulkių augalų palikuonių bus heterozigotiniai; ketvirtadalis bus homozigotiniai pagal vieną alelį, o likęs ketvirtadalis bus homozigotiniai pagal antrą alelį. Heterozigotiškumas bet kuriame lokuse su dviem aleliais vienodai tikėtinai didės arba mažės iš vienos kartos į kitą (išskyrus tuos atvejus kai alelių dažnis yra 0,5). Heterozigotiškumas, lokuse su dviem aleliais pasieks maksimumą kai dviejų alelių dažniai bus vienodi (p=q=0,5). Konkretaus alelio dažnis vienodai tikėtinai didės arba mažės dėl genų dreifo. Todėl heterozigotiškumas didės jei alelių dažnis dreifuos link 0,5 ir mažės jei alelių dažnis dreifuos link 0 ar 1. Tikėtino heterozigotiškumo sumažėjimas, sukeltas genų dreifo yra nepriklausomas nuo esamų alelių skaičiaus. Heterozigotiškumo skaičiavimai iš empirinių duomenų yra santykinai nepriklausomi nuo pavyzdžių skaičiaus, tuo tarpu skaičiavimai iš alelių skaičiaus populiacijoje labai priklauso nuo pavyzdžių skaičiaus. Todėl skirtingų rūšių ar populiacijų heterozigotiškumo palyginimas paprastai yra prasmingesni nei aptiktų alelių skaičiaus palyginimas. Nepaisant to heterozigotiškumas turi kliūčių, nes yra santykinai nejautrus butelio kaklelio efektams. Didžiausi skirtumai tarp individų skaičiaus ir heterozigotiškumo aptinkami labai mažose populiacijose. Mažos populiacijos įsikūrimas iš nedidelio individų skaičiaus gali sukelti staigius alelių dažnio pokyčius ir genetinės įvairovės praradimą. Nors ir stebėtina, tačiau netgi labai maži butelio kaklelio efektai neturi didelio efekto heterozigotiškumui. Pavyzdžiui, lytiškai besidauginančių individų mačiausias galimas individų skaičius 2, tokia populiacija praras tik 25 % heterozigotiškumo. Iš kitos pusės atsitiktinai parinkus tik du individus iš bet kokios populiacijos, nekreipiant dėmesio į dydį, turės 75 % visų heterozigotų. Didesnis ir ilgiau veikiantis butelio kaklelio efektas, kai prarandama genetinė įvairovė, bus tose rūšyse, kurios pasižymi mažesniu vidiniu augimo greičiu (pvz. dideli žinduoliai), nei rūšys, pasižyminčios dideliu vidiniu augimo greičiu (pvz. vabzdžiai). Įkūrėjo efektas ir populiacijų butelio kaklelio efektas turės didesnį efektą alelių skaičiui populiacijose nei heterozigotiškumui.

40 Heterozigotų perteklius susidaro mažose skirtingų lyčių gyvūnų ar augalų populiacijose. Vidutinis heterozigotų dažnis palikuonių populiacijose viršys Hardžio-Wainbergo tikimybę, taip: 1/8N m +1/8N f, kur N m patinų skaičius, o N f patelių skaičius (Robertson, 1965). Šis rezultatas nepaiso alelių skaičiaus lokuse. Dideli alelių dažnio pokyčiai iš vienos kartos į kitą mažose populiacijose vyksta atsitiktinai. Padidės tų alelių dažnis, kurie turi žalingų efektų. Tokie žalingi aleliai nuolat atsiranda dėl mutacijų, bet natūrali atranka juos palaiko žemame dažnyje. Be to šie žalingi aleliai yra recesyvikiai, todėl žalingas efektas fenotipiškai pasireiškia tik homozigotose. Išmatuota, kad kiekvienas individas populiacijoje turi kelis žalingus recesyvikius alelius.

41 EFEKTYVUS POPULIACIJOS DYDIS Efektyvus populiacijos dydis. Efektyvus populiacijos dydis (N e ) yra apibūdinamas kaip idealios populiacijos (N) dydis, kurio genų dreifas bus tokio paties dydžio kaip būtų vertinamas tikroje populiacijoje. Pirminė ideali populiacija susideda iš N diploidinių individų kiekvienoje kartoje (generacijoje) atsikuriančių iš atsitiktinių 2N gametų. Idealioje populiacijoje individai produkuoja abi, moterišką ir vyrišką, gametas (lytines ląsteles), taip pat įmanoma ir savidulka. Tokiomis sąlygomis, heterozigotiškumas mažėja tiksliai pagal 1/2N per kartą (generaciją). Taigi, lauktas homozigotiškumas yra 1/2N, o lauktas heterozigotiškumas kiekvieno individo sekančioje kartoje (generacijoje) yra 1-(1/2N)=0.95. Yra mažiausiai du galimi efektyvaus populiacijos dydžio nustatymo būdai. Pirmas, kintamas efektyvus skaičius N ev yra bet kas kas turi būti pakeistas ekspresijoje, kad numatyti laukiamą alelių dažnio pokytį; antras, imbrydingo efektyvus skaičius N ei yra bet kas kas turi būti pakeistas ekspresijoje, kad numatyti laukiamą heterozigotiškumo mažėjimą. Nelygus lyčių santykis. Populiacijos dažnai turi nelygų vyrų ir moterų skaičių, įnešamą į sekančią kartą (generaciją). Dvi lytys, vis dėlto, įneša vienodą skaičių genų į sekančią kartą nepaisant bendro vyrų ir moterų skaičiaus populiacijoje. Todėl genų dreifo kiekis priskirtinas dviems lytims turi būti vertinamas skirtingai. Imbridinis efektyvus populiacijos dydis vienanamėje populiacijoje, kurioje galima savidulka, gali būti apibrėžiamas kaip galimybė, kad dvi susijungusios gametos ateis iš to paties tėvo. Su skirtingomis lytimis arba, jei negalima savidulka, susijungusios gametos turi ateiti iš skirtingų tėvų; vadinasi efektyvus populiacijos dydis yra galimybė, kad dvi susijungusios gametos ateina iš to paties senelio. Galimybė, kad dvi susijungusios gametos individui ateina iš vyriško senelio yra 1/4. Atsižvelgiant į tai jog abi gametos ateina iš senelio, tai galimybė, kad jos abi eteina iš to paties tėvo yra 1/N m, kur N m yra vyrų skaičius senelio kartoje (generacijoje). Vadinasi, kombinuota galimybė, kad abi susijungusios gametos ateina iš to paties senelio yra (1/4x1/N m )=1/4N m. Tokia pati galimybė laikoma ir senelei. Vadinasi, kombinuota galimybė susijungusių gametų atėjimui iš to paties senelio yra: 1/N e =1/4/N f +1/N m. Tai daug paprasčiau vaizduojama aiškinant N e : N e =4N f N m /N f +N m.

42 N e =N. Jei yra lygus vyrų ir moterų skaičius (N f =N m =0,5N), tada ši išraiška sutrumpinama į Neatsitiktinis palikuonių skaičius. Idealizuotame modelyje visi individai turi vienodą galimybę sekančiai kartai (generacijai) perduoti palikuonis. Tai yra, atsitiktinių 2N gametų paimtų iš N diploidinių individų populiacijos. Realioje populiacijoje, tėvai nedažnai turi vienodą šansą perduoti palikuonis, nes skiriasi vaisingumas ir palikuonių išgyvenamumas. Tėvų kitimas didžiaja proporcija sekančios kartos (generacijos) ateina iš mažesnio skaičiaus tėvų. Vadinasi, efektyvus populiacijos dydis yra sumažėjęs. Efektyvaus populiacijos dydžio nustatymas su neatsitiktiniu palikuonių skaičiumi tampa daug labiau komplikuotu, jei nesilaikoma pastovaus populiacijos dydžio prielaidos. Populiacijos dydžio svyravimas. Natūraliai populiacijų dydis gali žymiai svyruoti. Heterozigotiškumo mažėjimo dažnis (1/2N) yra proporcingas atitinkamam populiacijos dydžiui (1/N). Kartos (generacijos) su mažu populiacijos dydžiu dominuos heterozigotiškumo mažėjime. Tai yra analogiška lyčiai su mažesniu populiacijos dydžiu dominuojančiu heterozigotiškumo mažėjime. Galima apskaičiuoti efektyvų populiacijos dydį tarp trijų kartų (generacijų) panaudojant atitinkamos populiacijos dydžio vidurkį (1/N) vėlesnėje kartoje, geriau pats savaime N vidurkis. Tai žinoma kaip harmoninis vidurkis. Vadinasi, 1/N e = 1/t(1/N 1 +1/N 2 +1/N /N t ), tai yra : N e =t/σ(1/n i ). Kartos (generacijos) su mažesniu N turi didesnį efektą. Mažas populiacijos dydis vienai kartai (generacijai) gali sukelti didelį genų kitimo sumažėjimą. Greitas skaičiaus didėjimas nepaveikia ankstesnio genų kitimo sumažėjimo; paprasčiausiai silpninamas paplitimo sumažėjimo dažnis. Tai žinoma kaip butelio kaklelio efektas. Persidengiančios kartos. Dauguma rūšių turi persidengiančias kartas (generacijas). Hill as (1979) parodė, kad persidengiančios kartos (generacijos) efektyvus skaičius yra toks pats kaip ir pavienės kartos (generacijos) populiacijos, turinčios tokį patį palikuonių gyvenimo trukmės skaičiaus pakitimą ir tokį patį individų skaičių pradedančių populiaciją kiekvienos kartos (generacijos). Vadinasi, persidengiančios kartos (generacijos) paplitimas savaime neturi svarbaus poveikio efektyvaim populiacijos dydžiui. Tačiau, šis rezultatas įgyja pastovų populiacijos dydį ir stabilų amžiaus pasiskirstymą.

43 Kintamas efektyvus populiacijos dydis. Imbridinis efektyvus populiacijos dydis (N ei ) yra labiau susijęs su tėvų skaičiumi nuo tada, kai jis pagrįstas galimybe dviejų gametų atėjimu iš to paties tėvo. Kintamas efektyvus populiacijos dydis (N ev ) yra labiau susijęs su palikuonių skaičiumi nuo tada, kai jis pagrįstas dalyvaujančių gametų skaičiumi labiau nei tėvų skaičiumi. Augančioje populiacijoje imbridinis efektyvus skaičius paprastai yra mažesnis nei kintamas efektyvus skaičius. Atvirkščiai, jei populiacijos dydis mašėjantis. Ilgoje eigoje, šie du efektai turi tendenciją anuliuoti vienas kitą ir šie du efektyvūs skaičiai bus apytikriai vienodi. Citoplazminiai genai. mtdnr efektyvus populiacijos dydis yra mažesnis nei kad branduolinių genų, nes kiekvienas individas turi tik vieną haplotipą ir vientėvišką paveldėjimą. Dreifas labiau svarbus ir butelio kaklelis turi didesnį efektą mtdnr genams nei branduoliniams genams. Genų genealogija ir giminystės linijos klasifikavimas. Galima atsekti mtdnr genotipo genealogiją kiekvieno populiacijos individo. Genų genealogija taip pat gali būti taikoma branduoliniams genams, nors tai iš dalies labiau komplikuota dėl diploidų ir rekombinacijos. Giminystės linijos klasifikavimas galiausiai vadovausis sąlyga, kur visi aleliai populiacijoje yra gauti iš vieno bendro protėvio alelio. Efektyvaus populiacijos dydžio ribojimas. Efektyvus populiacijos dydis gali būti naudojamas numatyti laukiamą heterozigotiškumo mažėjimo dažnį arba alelių dažnio pokytį, kaip genų dreifo rezultatą. Vis dėlto praktikoje paprastai turime žinoti genų dreifo dažnį tam, kad įvertintume efektyvų populiacijos dydį. Jei duotoje populiacijoje žinome alelių dažnio pokytį arba heterozigotiškumo mažėjimo dažnį, galime naudoti laukiamą dažnį laukiamoje idealioje populiacijoje pavaizduoti tą dažnį. Alelių įvairovė ir N e. Efektyvus populiacijos dydis nėra labai geras rodiklis alelių įvairovės mažėjimo populiacijos viduje. Taigi, dvi populiacijos turinčios tokį patį N e ir patiriančios butelio kaklelio efektą gali netekti labai skirtingus kiekius alelių įvairovės. Šie skirtumai didesni, kai butelio kaklelio priežastis yra nepaprastai iškreiptas lyčių santykis. Butelio kaklelis paprastai turi didesnį efektą heterozigotiškumui nei alelių įvairovei. Populiacijos patiriančios tokį patį heterozigotiškumo sumažėjimą gali patirti labai skirtingą alelių įvairovės praradimo dažnį. Kartų (generacijų) intervalas. Genų variacijos dažnio netektis per laiką priklauso nuo N e ir vidutinio kartų (generacijų) intervalo, nes 1/(2N) yra numatomas netekties per kartą

44 (generaciją) dažnis. Kartų (generacijų) intervalas (g) yra amžiaus reprodukcijos vidurkis, ne pirmos reprodukcijos amžius. Vienodai svarbu atsižvelgti į kartų (generacijų) intervalą ir N e, kai numatomas laukiamas heterozigotiškumo mažėjimo dažnis natūralioje populiacijoje. Efektyvus populiacijos dydis natūraliose populiacijose. Santykis efektyvaus populiacijos dydžio surašymo (N e :N c ) natūralioje populiacijoje yra bendrai svarbus populiacijos išsaugojimui. Surašymo dydį paprastai daug lengviau apskaičiuoti nei N e. Nustatymas bendros giminystės tarp N e ir N c leis nustatyti genų variacijos netekties dažnį plačioje rūšių įvairovėje. Faktinė N e /N c reikšmė tam tikroje populiacijoje arba rūšyje žymiai skirsis atsižvelgiant į demografiją ir gyvenimo istoriją.

45 NATŪRALI ATRANKA Tinkamumas. Natūrali atranka yra genotipų skiriamoji sėkmė įnešant indėlį į sekančia kartą (generaciją). Paprastesniame konceptualiame modelyje yra du pagrindiniai gyvenimo istorijos komponentai, kurie gali sukelti atrankius skirtumus tarp genotipų: gyvybingumas ir derlingumas. Gyvybingumas yra išlikimo galimybė iki reproduktyvaus amžiaus, o derlingumas yra vidurkis individo palikuonių skaičiaus, kuris išgyvena iki reproduktyvios brandos savotiško genotipo. Natūralios atrankos padarinys genotipams yra išmatuojamas tinkamumu. Tinkamumas yra palikuonių skaičiaus vidurkis individų savotiško genotipo. Tinkamumas gali būti apskaičiuotas kaip gyvybingumo ir derlingumo produktas, ir galima nustatyti dvialelinių lokusų tinkamumą kaip: Genotipas Gyvybingumas Derlingumas Tinkamumas AA ν 11 ƒ 11 (ν 11 )( ƒ 11 )=W 11 Aa ν 12 ƒ 12 (ν 12 )( ƒ 12 )=W 12 aa ν 22 ƒ 22 (ν 22 )( ƒ 22 )=W 22 Absoliutus tinkamumas tai bendras skaičius laukiamų palikuonių iš kiekvieno genotipo. Dažniau naudojamas santykinis tinkamumas numatyti genų pakitimams sąlygotiems natūralios atrankos. Santykinis tinkamumas yra apskaičiuotas absoliutaus tinkamumo santykis. Tinkamumai standartizuoti dalijimu genotipų tinkamumo su aukščiausiu tinkamumu. Genotipas Gyvybingumas Derlingumas Absoliutus tinkamumas Santykinis tinkamumas AA 0,90 3,00 2,70 1,00 Aa 0,90 2,00 1,80 0,67 aa 0,45 2,00 0,90 0,33 Vieniši lokusai su dviem aleliais. Alelių dažnių permainų dydis ir kryptis priklauso nuo genotipų ir alelio dažnio tinkamumų.

46 Kryptinga atranka. Kryptinga atranka įvyksta, kai vienas alelis visada yra selektyviai pranašesnis. Pranašesnis alelis alternatyviam aleliui po kryptingos atrankos gali būti arba dominuojantis, arba tarpinis, arba recesyvinis: dominuojantis w 11 =w 12 >w 22 tarpinis (adityvusis) w 11 >w 12 >w 22 recesyvinis w 11 >w 12 =w 22 Pranašesnis alelis dažnės, kol galų gale natūralios atrankos bus fiksuotas pagal visus tris kryptingos atrankos modelius. Heterozigotų pranašumas (superdominavimas). Heterozigotų pranašumas pasitaiko, kai heterozigotai turi didesnį tinkamumą: w 11 <w 12 >w 22. Toks atrankos metodas tikėtinai išlaikys abu alelius populiacijoje kaip stabilus polimorfizmas. Toks atrankos modelis dažnai vadinamas superdominavimu. Dominavimo atveju, heterozigotų fenotipas yra lygus vienam iš homozigotų fenotipui. Superdominavimo atveju, heterozigotų fenotipas yra stipresnis nei bet kurio homozigoto fenotipas. Heterozigotų nepranašumas (nedominavimas). Nedominavimas pasitaiko, kai heterozigotai yra mažiausiai tinkami: w 11 >w 12 <w 22. Nedominavimas nėra atrankos metodas, palaikantis genų pakitimus natūralioje populiacijoje. Atranka ir Hardžio-Veinbergo proporcijos. Nukrypimo nuo Hardžio-Veinbergo proporcijų nebuvimas kartais parodo, kad atskiri lokusai nėra paveikti natūralios atrankos. Vis dėlto ši interpretacija neteisinga dėl keleto priežasčių. Pirma, derlingumo skirtumai neveiks Hardžio- Veinbergo proporcijų. Tik skiriamasis išlikimas gali būti aptiktas tiriant Hardžio-Veinbergo proporcijas. Antra, net stiprūs išlikimo skirtumai gali nesukelti nukrypimų nuo Hardžio-Veinbergo proporcijų. Trečia, vertingosios Hardžio-Veinbergo proporcijų nustatymo savybės turi mažai įtakos nustatyti nukrypimams nuo Hardžio-Veinbergo proporcijų, sukeltų skiriamojo išlikimo. Daugybiniai aleliai. Natūralios atrankos padarinių analizė tampa daug sudėtingesnė, kai lokuse yra daugiau nei du aleliai, nes genotipų skaičius dramatiškai padidėja su nedideliu alelių skaičių padidėjimu (yra 55 galimi genotipai su 10 alelių vienišuose lokusuose).

47 Lokusams su trimis aleliais nėra paprastų taisyklių, kaip kad yra dvialeliams lokusams. Tačiau sekantys išdėstymai gali būti naudingi: 1. Dviem ar daugiau alelių yra daugiausiai viena stabili pusiausvyra. 2. Stabili pusiausvyra bus globaliai stabili, t.y., ji bus pasiekiama iš bet kokios pradžios taško, turinčio visus tris alelius. 3. Jei stabilus polimorfizmas egzistuoja, populiacijos vidutinis tinkamumas viršija bet kokį homozigotą. Jei toks homozigotas egzistavo, populiacijoje jis taps fiksuotas. 4. Heterozigotų pranašumas (t.y., visi heterozigotai turi didesnį tinkamumą nei visi homozigotai) yra nei būtinas nei pakankamas stabiliam polimorfizmui. Heterozigotų pranašumas ir daugybiniai aleliai. Lokusams su dviem aleliai, heterozigotų pranašumas yra būtinas ir pakankamas išlaikyti abu alelius. Jei tinkamumas pasirinktas atsitiktinai, heterozigotai turės didesnį tinkamumą viena trečiąją per laiką, nes yra trys genotipai. Dažnis priklausantis nuo atrankos. Tinkamumas yra pastovus, tačiau jis gali kisti, kai kinta alelių dažnis, tai vadinama dažniu priklausomu nuo atrankos. Tokia atranka yra potencialiai stiprus mechanizmas išlaikyti genų kitimą natūralioje populiacijoje. Daugybiniai aleliai: augalų lokusų tarpusavio nesuderinamumas. Heterozigotų pranašumo priešingybė dažnis priklausantis nuo atrankos gali būti nepaprastai veiksmingas daugybinių alelių išlaikymui. Lokusų tarpusavio nesuderinamumas (S) daugeliui žydinčių augalų yra šios priešingybės pavyzdys. Paprastesnėje sistemoje, žiedadulkės grūdeliai gali apvaisinti tik tuos augalus, kurie neturi tokio pačio S alelio kaip perduoda žiedadulkė. Tokiame lokuse homozigotai negali būti produkuojami, ir galiausiai trys aleliai turi būti pateikiami tokiame lokuse. Bet kokia S lokuso nauja mutacija tikėtina, kad turės pirminį rinktinį pranašumą. Tačiau tikėtina, kad retos alelės linkusios pasimesti dėl genų dreifo. Vis dėl to bendras S alelių skaičius bus pusiausvyra tarp mutacijos ir genų dreifo. Dažnis priklausantis nuo atrankos gamtoje. Dažnis priklausantis nuo atrankos yra svarbus mechanizmas išlaikantis genetinius pakitimus natūraliose populiacijose. Dažnis priklausantis nuo atrankos dažnai yra rezultatas lytinės atrankos mechanizmų, plėšrūnų, ligos ir ekologinės konkurencijos. Natūrali atranka mažose populiacijose. Yra du paprasti padariniai pridedantys genų dreifą prie natūralios atrankos pavyzdžių. Pirmas, natūrali atranka tampa mažiau efektyvi, nes atsitiktiniai pokyčiai, sukelti dreifo, gali įtraukti padarinius augančio išlikimo ir derlingumo.

48 Apskritai alelių dažnio pokyčiai yra sąlygojami pirmiausiai genų dreifo, o ne natūralios atrankos, kai rezultatas efektyvaus populiacijos dydžio ir atrankos koeficiento (N S e ) yra mažiau nei vienas. Antras, natūralios atrankos padarinys taps mažiau nuspėjamas. Kryptinga atranka. Genų dreifas padarys kryptingą atranką mažiau efektyvia. Tai gali būti žalinga mažose populiacijose dviem būdais. Pirmas, atsitiktinio genų dreifo padariniai gali viršyti natūralios atrankos padarinius taip, kad aleliai, turintys selektyvų pranašumą gali būti prarasti mažose populiacijose. Antras, aleliai, esantys selektyviame nepranašume gali įsitvirtinti mažoje populiacijoje dėl genų dreifo. Kai žalingos mutacijos kaupiasi, populiacijos dydis gali toliau mažėti tokiu būdu pagreitindamas žalingų mutacijų kaupimosi dažnį. Ši atsakomoji reakcijos eiga išreikšta mutaciniu nutekėjimu. Nedominavimas ir dreifas. Dauguma chromosominių pertvarkymų (translokacija, inversija ir t.t.) yra priežastis sumažėjusio heterozigotų vaisingumo dėl aneuploidinių gametų gamybos. Homozigotai dėl tokios chromosominės mutacijos vis dėlto gali turėti didėjantį tinkamumą. Chromosominiai pertvarkymai kartais yra įjungiami į populiacijas ir rūšis dėl genų dreifo. Pertvarkymai yra svarbus faktorius reprodukciniai izoliacijai ir naujų rūšių formavimuisi. Heterozigotų pranašumas ir dreifas. Heterozigotų pranašumas dviejų alelių sistemoje visada produkuos stabilų polimorfizmą su begaliniu populiacijos dydžiu. Superdominavimas gali iš tikrųjų pagreitinti genų pakitimų sumažėjimą ribotoje populiacijoje, jei alelių dažnių pusiausvyra yra artima 0 arba 1. Natūrali atranka ir apsauga. Natūralios atrankos supratimas yra svarbus populiacijų valdymui ir apsaugai. Dažnis priklausantis nuo atrankos turi ypatingą reikšmę apsaugai dėl daugybės funkciškai skirtingų alelių, kurie yra palaikomi dažnio priklausomo nuo atrankos kaikuriuose lokusuose. Alelių įvairovė yra daug labiau veikiama butelio kaklelio efekto nei heterozigotiškumo. Dažnis priklausantis nuo atrankos turbūt prisideda prie didelio skaičiaus alelių pateikimo kaikuriuose lokusuose susijusių su atsparumu ligai. Alelių įvairovės mažėjimas, sukeltas butelio kaklelio efekto, yra tinkamas sukurti mažą populiaciją labiau linkusią į epidemiją.

49 POPULIACIJOS PASIDALIJIMAS Natūralioje populiacijoje daugelis rūšių yra padalintos arba struktūrizuotos į atskirus lokalius atsitiktinai sujungtus vienetus. Rūšių pasidalijimas į atskiras subpopuliacijas reiškia, kad genetinis kintamumas rūšių viduje egzistuoja dvejuose pradiniuose lygiuose: 1) genetinis kintamumas lokalių populiacijų viduje; 2) genetinė įvairovė tarp lokalių populiacijų. Populiacijoje tarp rūšių yra dideli skirtumai bendro genetinio kintamumo, kuris priklauso nuo skirtumų tarp populiacijų (F ST ). Supratimas modelio ir apimties genų pasiskirstymo tarp populiacijų yra lemiamas rūšių išsaugojimui ir efektyviam apsaugos plano plėtojimui. F-statistika. Seniausia ir plačiausiai naudojama metrika genetinei diferenciacijai yra F-statistika. Sewall Wright (1931, 1951) sukūrė konceptualų ir matematinį karkasą apibūdinti genetinio kintamumo pasiskirstymui rūšių viduje, kuriam naudojo seriją imbrydingo koeficientų: F IS, F ST, F IT. F IS yra matas nukrypimo nuo Hardžio-Veinbergo proporcijų subpopuliacijų viduje; F ST yra matas alelių dažnio skirtingumo tarp subpopuliacijų; F IT yra matas bendro nukrypimo nuo Hardžio-Veinbergo proporcijų visoje pagrindinėje populiacijoje (arba rūšyje) dėl abiejų neatsitiktinai suporuotų lokalios subpopuliacijos viduje (F IS ) ir alelių dažnio skirtingumo tarp subpopuliacijų (F ST ). Šie parametrai iš pradžių Wright buvo apibrėžti lokusams tik su dviem aleliais. Jie buvo praplėsti trims ir daugiau alelių 1977 Nei, kuris naudojo parametrus G IS, G ST, G IT, kuriais nustatė genetinio kintamumo analizę. F-statistika yra matavimo priemonė heterozigotų santykio deficito į tikėtiną Hardžio- Veinbergo proporciją nurodytoje pagrindinėje populiacijoje. F yra proporcija, pagal kurią heterozigotiškumas sumažėjęs palyginus su heterozigotiškumu atsitiktinai suporuotos populiacijos su tokiu pačių alelių dažniu: F=1 (H 0 /H e ), kur H 0 yra nustatyta proporcija heterozigot7, o H e yra laukiama Hardžio-Veinbergo proporcija heterozigotams. F IS yra matas nukrypimo nuo Hardžio-Veinbergo proporcijų viduje lokalios subpopuliacijos:

50 F IS =1 (H 0 /H S ), kur H 0 yra nustatytas heterozigotiškumo vidurkis nuo visų subpoluliacijų, H S yra tikėtinas heterozigotiškumo vidurkis nuo visų subpoluliacijų. F IS bus teigiamas, jei yra heterozigotų deficitas, bus neigiamas, jei yra heterozigotų perteklius. F ST yra matas genų pasiskirstymo tarp subpopuliacijų: F ST =1 (H S /H T ), kur H T yra laukiamas Hardžio-Veinbergo heterozigotiškumas, jei visa pagrindinė populiacija buvo panmiksinė. H T yra laukiama Hardžio-Veinbergo proporcija heterozigotams naudojant alelių dažnio vidurkį nuo visų subpoluliacijų. F ST svyruoja nuo nulio, kai visos subpopuliacijos turi vienodą alelių dažnį, iki vieno, kai visos subpopuliacijos yra fiksuoto skirtumo alelių. F ST kartais vadinamas fiksacijos indeksu. F IT yra matas visiško nukrypimo nuo Hardžio-Veinbergo proporcijų, tai apima nukrypimą nuo Hardžio-Veinbergo proporcijų viduje lokalios populiacijos ir išsiskyrimą tarp populiacijų: F IT =1 (H 0 /H T ). Šios trys F-statistikos yra susijusios reiškiniu: F IT =F IS + F ST (F IS )(F ST ). Pasidalijimas ir Wahlund efektas. Heterozigotų deficito santykis prieš Hardžio- Veinbergo proporcijas, sukeltas populiacijos pasidalijimo, dažnai vadinamas Wahlund principu. Wahlund efektas gali lengvai būti išplėstas iki daugiau nei dviejų alelių. Dažnių kintamumas skirsis bendrai skirtingiems aleliams. Tam tikrų heterozigotų dažnis gali būti didesnis arba mažesnis nei laukiama Hardžio-Veinbergo proporcija. Vis dėlto visada bus bendras heterozigotų deficitas dėl Wahlund efekto. Kada F IS nėra nulis?. F IS yra matas nukrypimo nuo laukiamų Hardžio-Veinbergo proporcijų. Teigiama reikšmė rodo homozigotų perteklių, o neigiama reikšmė rodo homozigotų trūkumą. Visiška izoliacija. Gausi atsitiktinai suporuota populiacija yra padalinta į daug visiškai izoliuotų demų. Priimtos visos Hardžio-Veinbergo sąlygos galioja išskytus mažos populiacijos

51 didžio viduje kiekvienos individualiai izoliuotos subpopuliacijos. Genų dreifas pasitaikys kiekviename izoliuotame deme, kiekvienas demas taps fiksuotas vieno alelio ar kito. Heterozigotiškumas bus prarastas genų dreifo 1/2N e dažnyje per kartą (generaciją). Tikėsimės F ST tarp visiškai izoliuotų populiacijų: F ST =1-(1-1/2N e ) t, kur N e efektyvus populiacijos dydis kiekvienos subpopuliacijos, t kartų (generacijų) skaičius. Taikymas šios išraiškos realioms populiacijoms yra ribotas, nes ji apima didelį skaičių vienodo dydžio subpopuliacijų ir pastovų populiacijos skaičių. Genų srautas. Daugelyje atvejų, tarp demų rūšių viduje būna tam tikri genetiniai pasikeitimai (genų srautas). Turime aptarti efektus tokios dalinės izoliacijos rūšių genetinės struktūros. Pirmiausia aptarsime paprasta atvejį dviejų vienodo dydžio demų (A ir B), kurie keičiasi individais abiem kryptim m dažniu. m yra proporcija individų reprodukuojančių viename deme, bet gimusių kitame deme. Yra du pagrindiniai genų srauto efektai: 1)genų srautas sumažina skirtumus tarp populiacijų; 2)genų srautas padidina genetinį kintamumą populiacijų viduje. Genų srautas tarp populiacijų yra rišanti jėga, kuri laiko kartu geografiškai atskirtas populiacijas į vieną evoliucinį vienetą rūšį. Genų srautas ir genų dreifas. Nesant kitoms evoliucinėms jėgoms, bet koks ganų srautas tarp populiacijų atneš genetinį homogeniškumą. Mažesnis genų srauto kiekis truks ilgiau, bet galiausiai visos populiacijos taps genetiškai identiškos. Genų dreifas sukelia izoliuotų subpopuliacijų genetinius skirtumus. Vadinasi, tikrasis kiekis skirtingumo tarp subpopuliacijų bus pusiausvyroje tarp homogenizuotų genų srauto efektų, darančių subpopuliacijas labiau panašias, o griaunamasis dreifo efektas sukeliantis skirtumus tarp subpopuliacijų. Salos modelis. Paprasčiausias modelis, kuris jungia genų srauto ir genų dreifo efektus. Tarkime, kad populiacijos yra padalintos į serijas demų, kiekvieno dydis N, kad keičiasi individais dažnyje m. Kiekviena karta (generacija ) ir individas turi tikimybę m daugintis deme kitame nei jis ar ji gimė. Migrantas taip pat gali imigruoti į bet kokį kitą demą. Toks modelis vadinamas migracijos salos modelis.

52 Skirtumus tarp subpopuliacijų (demų) išmatuosime naudodamiesi F ST. Genų dreifas viduje kiekvieno demo padidins skirtumus tarp demų, t.y. padidins F ST. Migracija tarp demų sumažins F ST. Kol m>0, bus tam tikra pastovi F ST vertė, kurioje dreifo ir genų srauto efektai bus subalansuoti. Sewall Wright (1969) parodė, kad pusiausvyra pagal migracijos salos modelį su begalybe demų skaičiumi: F ST = (1-m) 2 / [2N- (2N-1) (1-m) 2 ]. Laimei, jei m yra mažas: F ST 1 / (4mN+1). Šis apytikslus skaičius duoda tikslų vertinimą skirtumo kiekio pagal salos modelį. Labai mažas genų srautas yra būtinas populiacijoms būti genetiškai sujungtoms. Išraiška F ST 1 / (4mN+1) taip pat duoda nelauktus paprastus rezultatus: skirtumo kiekis tarp demų priklauso tik nuo migrantų skaičiaus (mn), bet ne nuo pasikeitimų proporcija (m) tarp demų Didesni demai lėčiau skiriasi dėl dreifo, vadinasi proporcingai mažiau migrantų reikia neutralizuoti dreifo efektams. Mažesni demai skiriasi greičiau dėl dreifo, vadinasi proporcingai daugiau migrantų reikės dreifui neutralizuoti. Grandininis (stepping-stone) modelis. Natūralioje populiacijoje migracija dažnai didesnė tarp subpopuliacijų, kurios yra netoli viena nuo kitos. Tai pažeidžia lygios tikimybės prielaidą pasikeitimų tarp visų subpopuliacijų porų su migracijos salo modeliu. Grandininis modelis migracijai buvo įvestas atsižvelgti tiek į trumpalaikę migraciją (kuri pasitaiko tik tarp gretimų subpopuliacijų), tiek į ilgalaikę migraciją (kuri pasitaiko atsitiktinai tarp subpopuliacijų). Linijinis grandininis modelis yra naudingas modeliuojant populiacijas su vieno matmens linijine struktūra, kaip pasitaiko palei upę, upės slėnyje, slėnyje ar kalno viršūnėje. Dviejų matmenų grandininis modelis yra naudingas modeliuojant populiacijas su tinkleline struktūra išilgai peizažo. Matematinis apdorojimas grandininio modelio yra daug labiau komplikuotas nei salos modelio. Apskritai migracija grandininiame modelyje yra mažiau efektyvi mažinant diferenciaciją sukeltą dreifo, nes subpopuliacijų genų pasikeitimas linkęs būti genetiškai panašus į vienas kitą. Todėl bus didesnė diferenciacija (didesnis F ST ) tarp subpopuliacijų su grandininiu modeliu nei su salos modeliu tam pačiam kiekiui genetinių pasikeitimų (m). Be to, grandininiame modelyje gretimos subpopuliacijos turi buti labiau panašios į vienas kitą nei geografiškai nutolusios populiacijos (izoliacija nuo atstumo). Su migracijos salos modeliu genetiniai skirtumai bus nepriklausomi nuo geografinio atstumo.

53 Tolydaus išsibarstymo modelis. Kai kurių rūšių individai yra išsibarstę nepertraukiamai skersai plataus kraštovaizdžio ir nėra padalinti didelių barjerų pagal genų srautą. Nepaisant to, genų srautas gali būti ribotas gana trumpais atstumais varančiais genetinę diferenciaciją, nes izoliacijos pagal atstumą. Neįmanoma nustatyti ir atrinkti atskirų populiacijos vienetų, nes neryškios ribos egzistuoja. Šiuo atveju, kaimynystė apibrėžiama kaip plotas iš kurio individai gali būti laikomi ištraukti atsitiktinai iš panmiksinės populiacijos. Galime įvertinti geografinį atstumą, prie kurio individai taps genetiškai diferencijuoti dėl riboto genų srauto. Citoplazminiai genai ir sukibę su lytimi žymenys. Motiniškas paveldėtas citoplazminis genas ir sukibę su lytimi žymenys paprastai rodo skirtingas diferenciacijos sumas tarp populiacijų nei autosominiai lokusai dėl keleto priežasčių. Pirma, paprastai jie turi mažesni efektyvų populiacijos dydį nei autosominis lokusas ir dėl to rodo didesnį skirtumą dėl genų dreifo. Be to, skirtumai migracijos dažnių tarp patinų ir patelių gali sukelti didelius skirtumus tarp citoplazminių genų ir sukibusių su lytimi žymenų lyginant su autosominiu lokusu. Citoplazminiai genai. Laukiamo alelių dažnio kiekio diferenciacija su duotu genų srauto kiekiu yra skirtinga mitochondriniams ir branduoliniams genams, dėl haploidų ir vienatėvių paveldėjimo.didesnis genų dreifas su mažesniu efektyviu populiacijos dydžiu atneš didesnę populiacijų diferenciaciją, kurią sujungia toks pats kiekis genų srauto. Sukibę su lytimi žymenys. Genai žinduolių Y chromosomoje pristato lygiagretę situaciją su mitochondriniais genais. Y chromosoma yra haploidas ir yra perduodamas tik per tėvą. Lyginimas diferenciacijos modelių autosominiams, mitochondriniams, ir Y chromosomos genams gali duoti vertingą supratimą rūšių evoliucijos istorijoje ir dabartinių genų srauto modelių. Genų srautas ir natūrali atranka. Heterozigotų pranašumas. Genetinius skirtumus tarp demų nebėra tik mn funkcija. Tam tikros mn vertės natūrali atranka tampa daug efektyvesnė, ir tokiu būtų F ST sumažėja, kai populiacijos dydis padidėja. Išsiskirianti kryptinga atranka. Išsiskiriančios kryptingos atrankos modelis palaikys alelio dažnio skirtumus tarp demų taip, kad dideli skirtumai gali būti palaikomi net su dideliais genetiniais pasikeitimais. Be to, atranka yra labiau efektyvi su didesniais demais. Palyginimai tarp lokusų. Genų srautas ir genų dreifas tikėtina paveiks visus neinformatyvius lokusus visame genome. Tačiau, natūralios atrankos efektai paveiks lokusus

54 skirtingai priklausomai nuo intensyvumo ir atrankos modelio. Net gana silpna natūrali atranka gali turėti svarbų efektą kintamumui. Todėl, genetinės diferenciacijos tyrimai daugelio lokusų visame genome gali būti naudojami aptikti išskirtinius lokusus, kurie yra kandidatai natūralios atrankos efektams. Nustatyti konkretaus lokuso poveikį yra labai svarbu, nes tik genomo masto poveikis patikimai informuoja mus apie populiacijos demografiją ir filogenetinę istoriją, tuo tarpu konkretaus lokuso poveikis gali padėti identifikuoti genus, svarbius tinkamumui ir prisitaikymui. Labai svarbu nustatyti išskirtinius lokusus, ne tik todėl, kad tokie lokusai gali būti atrenkami, bei gali padėti suprasti adaptyvią diferenciaciją, bet taip pat todėl, kad išskirtiniai lokusai gali smarkiai daryti įtaką įvertinant populiacijos parametrus (pvz. F ST arba migrantų skaičius). Dauguma įvertinamų populiacijos parametrų rodo, kad lokusai yra neutralūs. F ST apribojimas ir kiti pasidalijimo matai. Pasidalijimo matai, F ST turi apribojimą, kai naudojami lokusai su aukšto lygio pakitimais, tokie kaip mikrosatelitai. F ST dažnai yra pasislinkęs žemyn, kai pakitimai subpopuliacijos viduje (H S ) yra aukšti. Kitas klasikinių F ST matų apribojimas (ir susijusių matų kaip G ST ) yra tai, kad jie nesvarsto alelių identiškumo (pvz. genealoginio giminingumo laipsnis). Matas susijęs su F ST, vadinamas R ST, naudoja informaciją apie alelių ilgį mikrosatelitiniuose lokuose ir yra daug didesnis. R ST yra analogiškas F ST, ir yra apibrėžiamas kaip pakitimų santykis alelio ilgyje, esantis dėl skirtumų tarp populiacijų. R ST teigia, kad kiekviena mutacija keičia alelio ilgį tik viename pakartotiniame vienete, pvz. Mutacija prideda arba pašalina vieną dinukleotidą. Tai svarbu, nes jei mutacijos sukelia tik vieno žingsnio pokytį, tai bet kokios populiacijos su aleliais besiskiriančiais keliais žingsniais patirs svarbius dabartinius genų srautus, o tuo tarpu populiacijos su aleliais besiskiriančiais daugeliu mutuojančių žingsnių bus turėjusi mažai arba neturėjusi genų srauto (toks, kad izoliacija leido kauptis daugeliui mutacinių žingsnių tarp populiacijų). Kitas diferenciacijos matas, kuris naudoja informaciją apie alelių genealoginį giminingumą yra Ф ST, kuris apskaičiuojamas naudojant Excoffier AMOVA sistemą. Kitas plačiai naudojamas matas populiacijos genetinei diferenciacijai yra Nei genetinė distancija (D). D yra dažnai naudojamas ir, atrodo, veikia palyginti gerai neizoliuotoms populiacijoms. Nei aus nešališkasis D numato korekciją pavyzdžio dydžiui. Ši korekcija nėra tokia

55 svarbi palyginimui tarp rūšių, bet gali būti apsauga tokiu atveju, jei viduje specifinės populiacijos yra lyginamos. Be šios korekcijos, blogai atrinktos populiacijos apskritai atrodys labai skirtingos. Hierarchinė struktūra. Populiacijos dažnai pastruktūrizuojamos į daugialypius hierarchinius lygius, pvz., lokalius ir regioninius. Pavyzdžiui, kelios subpopuliacijos (demai) gali egzistuoti kiekvienoje barjero pusėje, tokioje kaip upė ar kalnų virtinė. Čia yra du hierarchiniai lygiai: 1)lokalaus demo lygis, 2)regioninės demų grupės abiejose upės pusėse. Ji yra naudinga nustatyti tokias hierarchines struktūras ir įvertinti diferenciacijos mastą kiekviename lygmenyje, pamokyti apsaugos valdymo (pvz., valdymo vienetų ir prasmingų evoliucinių vienetų identifikavimas). Pavyzdžiui, jei regioninės populiacijos yra labai diferencijuotos, bet lokalūs demai viduje regionų nėra, valdytojai turėtų dažnai suteikti prioritetą translokacijoms tarp lokalių demų viduje regionų, bet ne tarp regioninių populiacijų. Hierarchinė struktūra dažnai nustatoma naudojant hierarchinę F-statistiką, kuri padalija variaciją į lokalius ir regioninius komponentus, t.y. visos diferenciacijos dalis dėl skirtumų tarp subpopuliacijų regionų viduje (F SR ), ir diferenciacijos dalis dėl skirtumų tarp regionų (F RT ). Hierarchinė struktūra taip pat dažnai nustatoma naudojant AMOVA, kuri yra analogiška standartiniam statistiniam metodui ANOVA. Genų srauto vertinimas. Genų srautas svarbus išmatuoti biologijos apsaugoje, nes žemas arba sumažėjęs genų srautas gali vesti į lokalų inbrydingą ir inbrydingo depresiją, tuo tarpu aukštas arba padidėjęs genų srautas gali apriboti lokalią adaptaciją ir sukelti autbrydingo depresiją. Matavimas ir stebėjimas genų srauto gali padėti išlaikyti gyvybingas populiacijas (ir metapopuliacijas) susidūrus su besikeičiančia aplinka ir gyvenamosios aplinkos fragmentacija. Genų srauto dažnis gali būti apskaičiuojamas dviem būdais, naudojant molekulinius žymenis. Pirmas, netiesioginis migracijos dažnio vidurkio (N m ) apskaičiavimas gali būti išgaunamas iš: (1) alelio dažnio skirtumų (F ST ) tarp populiacijų; (2) privačių alelių santykis populiacijoje; arba (3) tikėtinas suartėjimas naudojant abi, alelio dažnio ir privačių alelių, informacijas. Migracijos dažnis apskaičiavimas yra vidurkis praėjusių dešimties iš šimto kartų (generacijų). Antras, tiesioginis einamojo išsisklaidymo dažnio apskaičiavimas gali būti išgaunamas naudojant genetinę žymę ir požymio atsiėmimo būdas, kuris tiesisi identifikuoja atskirus imigrantus identifikuodamas jų svetimus genotipus (t.y. genotipai nepanašūs į prasidėjusius iš lokalaus geno pūlo). Šis būdas gali leisti migracijos dažnį apskaičiuoti dabartinėje kartoje (generacijoje).

56 F ST ir netiesioginis N m. Galima apskaičiuoti vidurkį migrantų skaičiaus per kartą (generaciją) (N m ) naudojant migracijos salos modelį: N m (1-F ST )/4F ST. modelio: Sekančios prielaidos yra būtinos interpretuojant N m apskaičiavimus iš paprasto salos 1 begalinis vienodo dydžio populiacijų skaičius. 2 tai, kad N ir m yra tas pats ir patovus visoms populiacijoms (vadinasi migracija yra simetriška). 3 atrankos neutralumas ir nėra mutacijų. 4 tai, kad populiacijos yra migracijos dreifo pusiausvyroje (dinaminė pusiauvyra tarp migracijos ir dreifo). 5 demografinė lygybė migrantams ir gyventojams (pvz., visi turi tokią pačią reprodukcijos galimybę). Nepanašu, kad šios paprasto modelio prielaidos yra palaikomos netūraliose populiacijose. Pagrindinis apribojimas apskaičiuojant N m iš F ST (ir iš kitų metodų) yra tai, kad F ST privalo būti vidutiniškai didelis (F ST > ). Taip yra, nes F ST apskaičiavimo pakitimas yra aukštas nežymiame F ST. Aukštas N m apskaičiavimo pakitimas nežymiame F ST, kartu su modelio prielaidomis, reiškia, kad mes dažniausiai negalime interpretuoti N m apskaičiavimo tiesiogine prasme; vietoj to dažnai naudojame N m apytikriaię vertindami apytikslį migracijos dažnio dydį. Kitas netiesioginio metodo apribojimas yra tai, kad nedaug natūralių populiacijų yra pusiauvyroje, pirmiausia todėl, kad reikia daugybėselis kartų (generacijų) pasiekti pusiauvyrai. Didelė populiacija skils (be migracijos), F ST didės lėtai, o sumažėjęs genų srautas nebus juntamas netiesioginiais metodais, kol po daugybės kartų (generacijų) neizoliuosis. Tokiu atveju, tiesioginis genų srauto apskaičiavimas yra lengvatinis, papildantis netiesioginiį apskaičiavimą. Jei N yra mažas, tada dreifas bus greitas ir galėsime nustatyti padidėjusį F ST tik po nedaugelio kartų (generacijų). Nors N m apskaičiavimas iš F ST privalo būti interpretuojamas atsargiai, jis gali suteikti naudingos informacijos apie genų srautą ir populiacijos diferenciaciją. Vis dėlto, rekomenduojama naudoti skirtingus ir papildančius vienas kitą metodus (keletas netiesioginių ir tiesioginių metodų).

57 Privatūs aleliai ir N m. Kitas netiesioginis N m apskaičiavimas yra privačių alelių metodas. Vienas privatus alelis randamas tik vienoje populiacijoje. Šis metodas veikia, nes jei genų srautas (N m ) yra žemas, tai populiacijos turės gausiai privačių alelių, kurie pasirodys po mutacijos. Laikas per kurį naujas alelis pasilieka privačiu priklauso tik nuo migracijos dažnio, tokio kad santykis alelių, kurie yra privatūs, mažėja kai migracijos dažnis didėja. Jei genų srautas yra aukštas, tai privatūs aleliai bus reti. Maksimali tikimybė ir susijungimas. Šis metodas yra perspektyvus, nes nepanašus į klasikinius modelius ir jis neprisiima simetriškos migracijos dažnių ar identiškos populiacijos dydžių. Be to, tikimybe pagrįstas metodas naudoja visus duomenis jo neapdorotus, geriau nei F ST. Vadinasi, tikimybės metodas turėtų duoti mažiau šališkumo ir daugiau tikslumo apskaičiuojant N m, nei klasikiniai momentinio pagrindo metodai. Susijungimo modeliavimo metodas paprastai naudojamas tikimybe pagrįstoje analizėje populiacijų genetikos. Susijungimas yra naudingas, nes jis parūpina tinkamą ir skaičiuojant veiksmingą būdą sukurti genealogiškai skirtibgą genų srauto modelius ir dažnius. Užduoties testas ir tiesioginis N m apskaičiavimas. Tiesioginis migracijos apskaičiavimas (N m ) gali būti išgaunamas tiesiogiai stebint migrantų judėjimą tarp populiacijų. Tiesioginis N m apskaičiavimas buvo išgautas tradiciškai žymint daugybę individų po gimimo ir sekant juos iki tol. kol jie reprodukuojasi arba stebint žiedadulkių išsisklaidymą, ieškant alelių dažnio paplitimą arba morfologinių mutantų sėklose ar sėjinukuose. Tiesioginio apskaičiavimo pranašumas yra toks, kad aptinkamas migracijos pobūdis dabartinėje kartoje (generacijoje) be populiacijos pusiausvyros prisiėmimo (migracija mutacija dreifas pusiausvyra). Svarbus tiesioginio apskaičiavimo apribojimas yra tas, kad neaptinkamas migrantų pulsavimas, kuris gali įvykti tik kiekvienais 5-10 metais, kaip rūšyse kur išsisklaidymas yra varomas ciklinės populiacijos demografijos arba periodinių orų sąlygų. Skirtingai nuo tiesioginio apskaičiavimo, netiesioginis N m apskaičiavimas apskaičiuoja genų srauto vidurkį per daugybę kartų (generacijų) ir tai bus sujuniantys efektai pulsuojančios migracijos. Kitas tiesioginio apskaičiavimo apribojimas yra tai, kad jie dažnai negali apskaičiuoti evoliucinio efektyvumo dažnio genų srautui. Deja, tiesioginis N m apskaičiavimas yra sunkiai pasiekiamas tradiciniai sugavimo-pažymėjimo-vėl sugavimo lauko metodais. Sekant individus nuo jų gimimo vietos iki reprodukcijos yra nepaprastai sunku arba neįmanoma daugeliui rūšių.

58 Populiacijos pasidalijimas ir išsaugojimas. Supratimas rūšių genetinės populiacijos struktūros yra svarbus išsaugojimui ir valdymui. Populiacijos pasidalijimas įtakoja rūšių evoliucinį potencialą, tai yra, rūšių galėjimas evoliucionuoti ir adaptuotis prie aplinkos pokyčių. Suprasti tai, yra naudinga svarstant pasidalijimo kraštutinybes. Pavyzdžiui, rūšys be pasidalijimo turėtų tokį aukštą genų srautą, kad lokali adaptacija nebūtų galima. Vadinasi, multilokinio genotipo rūšies bendras svyravimas būtų ribojamas. Kitu atveju, jei pasidalijimas yra kraštutinis, tai naujos palankios mutacijos, kuriųos kilimas nebūtų lengvai pasklindančios per rūšis. Be to, subpopuliacijos gali būti tokios mažos, kad genų dreifas sunaikins natūralią atranką. Taip lokali adaptacija yra ribota ir atsitiktinai keičianti alelių dažnių dominavimą taip kad žaling aleliai gali dreifuoti aukštu dažniu arba būti fiksuoti. Tarpinė populiacijos pasidalijimo apimtis baigsis esminiu genetiniu pakitimu kartu viduje ir tarp lokalių populiacijų; tokia populiacijos struktūra turės didžiausią evoliucinį potencialą.

59 MUTACIJOS Mutacijos tai genetinės informacijos perdavimo klaidos palikuonims iš tėvų. Natūraliose populiacijose tai pagrindinis genetinės įvairovės šaltinis. Dauguma mutacijų, kurios turi fenotipinį efektą yra žalingos. Mutacijos vyksta tiek chromosomų, tiek molekulių lygmenyje. Genetinė įvairovė populiacijų viduje tai balansas tarp genetinės įvairovės įgijimo dėl mutacijų ir genetinės įvairovės netekimo dėl genų dreifo. Žalingų mutacijų kaupimasis populiacijoje, kuris priklauso nuo mutacijų dažnio yra vienas iš inbrydingo depresijos šaltinių ir gali turėti grėsmės kai kurių populiacijų išlikimui. Yra tik keli empiriniai duomenys apie mutacijų procesus, nes mutacijų dažnis yra retas. Duomenys pagrinde gaunami iš kelių modelinių organizmų (pelių, drozofilų, vairenio), kurie pasirenkami dėl trumpo generacijos laiko, bei galimybės laboratorijoje turėti daug tiriamųjų individų. Tačiau reikia būti atsargiems vertinant tokių rūšių duomenis, nes tai gali būti sunkiai pritaikoma kitoms rūšims. Koks gali būti mutacijų dažnis? Lokuso ar nukleotido lygmenyje jos yra retos. Tačiau genome mutacijos yra gana dažnos. Daugumos rūšių genomas susideda iš milijardo bazių porų. Nustatyta, kad kiekvienas individas gali įgyti šimtus naujų mutacijų (Lynch et al., 1999). Laimei beveik visos šios mutacijos įvyksta neesminiuose genomo regionuose ir neturi fenotipinio efekto. Chromosomos ir DNR sekos normaliais atvejais tiksliai nukopijuojamos replikacijos metu ir perduodamos palikuonims. Vis dėl to kartais įvyksta klaidų. Retos naudingos mutacijos yra svarbios evoliuciniams pokyčiams. Dažniausiai sakoma, kad mutacijos įvyksta atsitiktinai, tačiau yra keletas įrodymų, kad mutacijos gali įvykti kaip prisitaikymo atsakas į aplinkos sąlygas. Chromosomų mutacijos. Yra du pagrindiniai faktoriai, atsakingi už chromosomų pokyčio dažnio skirtumus: 1) chromosomų mutacijų dažnis; 2) tokių mutacijų įsitvirtinimo populiacijoje dažnis (Rieseberg, 2001). Chromosomų polimorfizmas prisideda prie chromosomų mutacijų dažnio sumažėjimo. Todėl chromosomų mutacijų dažnis gali būti didesnis heterozigotose nei homozigotose (King, 1993). Molekulių mutacijos. Yra keletas molekulių mutacijų DNR sekoje tipų: 1) pakeitimo mutacijos, kai vienas nukleotidas pakeičiamas kitu; 2) rekombinacija, vienos homologinės chromosomos pakeitimas kita; 3) delecijos, vieno ar kelių nukleotidų praradimas; 4) insercijos, vieno ar kelių nukleotidų įterpimas; 5) inversijos, dvigubai susukto dviejų ar daugiau bazių porų DNR segmento apsukimas 180 kampu. Labai sunku tiesiogiai išmatuoti spontaninių mutacijų dažnį, dėl jų retumo. Kartais mutacijų dažnis matuojamas netiesiogiai tiriant genomų, kurie nėra priklausomi nuo natūralios atrankos, evoliucinių pakitimų dažnius regionuose. Pakitimų dažniai per kartas bus lygūs selektyviai neutralių

60 mutacijų dažniui. Išmatuota, kad žinduolių branduolio DNR vidutinis mutacijų dažnis yra 3-5x10-9 nukleotidų pakitimų per metus (Grauer and Li, 2000). Mutacijų dažnis ypač svyruoja tarp skirtingų branduolio genomo regionų. Žinduolių mitochondrinės DNR mutacijų dažnis mažiausiai 10 kartų didesnis nei vidutinis branduolio dažnis. Baltymus koduojančių lokusų (pvz. alozimų) mutacijų dažnis yra labai žemas. Ne visos mutacijos pakeičia amino rūgščių sekas, dėl įgimto genetinio kodo dubliavimosi (redundancy). Mikrosatelitinių lokusų mutacijos yra daug didesnės nei kitų genomo regionų, dėl paprastųjų sekų pasikartojimų (Li et al. 2002). Už mikrosatelitinių lokusų mutacijas atsakingi du mechanizmai: 1) klaidingas DNR vijų suporavimas per replikaciją; 2) rekombinacija. Mikrosatelitinių lokusų mutacijų dažnis yra apytiksliai 10-3 mutantų per genų perdavimą (Ellegren 2000a). Dažniausiai mikrosatelitų mutacijos įvyksta dėl žingsnio (stepwise) mutacijų modelio (angl. SMM), kai vienas pasikartojimas yra pridedama arba ištrinama beveik vienodu dažniu (Valders et al. 1993). Tačiau tikrasis miktrosatelitų mutacijų mechanizmas yra daug sudėtingesnis nei šis paprastas modelis (Estoup and Angers 1998, Li et al. 2002). Dauguma eukariotų genomų susideda iš sekų, susijusių su transpoziniais elementais, kurie turi esminį sugebėjimą padaryt daug kopijų ir įterpia save į genomą. Pavyzdžiui, apytiksliai pusė žmogaus genomo susideda iš DNR sekų, susijusių su transpozoniais elementais (Lynch, 2001). Transpoziniai elementai yra stiprūs mutagenezės agentai (Kidwell, 2002). Mutagenis šių elementų veikimas potencialiai svarbus išsaugojimui. Transpoziniai elementai gali sukelti didelę įvairovę mutacijų. Jie gali paskatinti chromosomų persitvarkymus, tokus kaip: delecijos, duplikacijos, inversijos, ar reciprokinis kryžminimasis. Populiacijų viduje genetinė įvairovė bus pusiausvyroje, kai įgyjama įvairovė, kaip neutralių mutacijų dažnio funkcija, bus pusiausvyroje su genetinės įvairovės praradimu, dėl genų dreifo, kaip efektyvaus populiacijų dydžio funkcija. Santykinai svarbūs mutacijų nuokrypiai pirmiausia priklauso nuo migracijų ir mutacijų dažnio santykinės reikšmės. Didesnis mutacijų dažnis padidina F ST reikšmę, kai naujos mutacijos nėra išsibarsčiusios pakankamais dažniais kad pasiektų pusiausvyrą tarp genų dreifo ir genų srauto. Mutacijos turės svarbų efektą populiacijų nuokrypiams, tik kai migracijos dažnis bus labai žemas, o mutacijų dažnis bus neįprastai aukštas (Nichols and Freeman 2004; Eperson 2005). Genų dreifas svarbus naudingų mutacijų išlikimui netgi labai didelėse populiacijose. Dauguma naudingų mutacijų bus prarastos per kelias pirmas generacijas, nes naujos mutacijos visada retos ir dėl vykstančio genų dreifo. Naudingas alelis, kuris yra recesyvinis turės tokią pačia tikimybę išlikti populiacijoje, nes naudingos homozigotos nepasireikš populiacijoje tol kol aleliai nepradės dreifuoti aukštu dažniu. Dominantinės naudingos mutacijos turi daug didesnį šansą

61 išgyventi pirminį periodą, nes jų tinkamumo pranašumas bus efektyvesnis heterozigotuose, kurios turi naują mutaciją. Tačiau net ir labiausiai dominuojanti naudinga mutacija bus prarasta per pirmąją generacijos kartą dėl genų dreifo. Genų dreifas ir naujų naudingų mutacijų plitimas gali būti svarbi rišanti jėga evoliucijoje (Rieseberg and Burke 2001).

62 INBRYDINGO DEPRESIJA Inbrydingas ir genetinio kintamumo praradimas yra neišvengiamas nykstančioms rūšims mažose populiacijose. Minėti veiksniai sumažina reprodukciją (dauginimąsi) bei išlikimą per trumpą laiko tarpą, susilpnina populiacijų gebėjimą evoliucionuoti dėl ilgalaikių aplinkos pokyčių ir padidina išnykimo riziką. Terminas inbrydingas populiacijų genetikoje naudojamas apibūdinti daug skirtingų dalykų. Jacquard as (1975) aprašė 5 skirtingus neatsitiktinio kryžminimosi efektus, kurie matuojami inbrydingo koeficientu. Templeton as ir Read as (1994) aprašė 3 skirtingus fenomenus, svarbius rūšių išsaugojimui, kurie matuojami inbrydingo koeficientu: 1. Genetinis dreifas (F ST ); 2. Neatsitiktinis kryžminimasis vietinės populiacijos viduje; 3. Homozigotų padaugėjimas, sukeltas kryžminimosi su giminaičiais (pvz. tėvo ir dukros kanopiniuose, tarp pusbrolių paukščiuose). Inbrydingas kryžminimasis su giminaičiais, gali vykti tiek didelėse tiek mažose populiacijose. Didelėse populiacijose inbrydingas gali vykti dėl neatsitiktinio kryžminimosi savidulkos, palankių sąlygų kryžmintis vieniems su kitais. Pavyzdžiui daugumos medžių rūšių šalia esantys individai yra susiję ir greičiausiai kryžminsis vieni su kitais dėl geografinio artumo (Hall et al. 1994). Mažose populiacijose netgi atsitiktinis kryžminimasis sukels inbrydingą, nes tokiose populiacijose beveik visi individai yra giminaičiai. Inbrydingo depresija tai palikuonių tinkamumo (fitness) ar fenotipinių verčių sumažėjimas, dėl kryžminimosi su giminaičiais. Inbrydingo depresija natūraliose populiacijose kai kuriomis sąlygomis prisideda prie populiacijos nykimo (Keller and Waller, 2002). Palikuonys, gimę iš giminaičių, turės padidėjusį homozigotiškumą ir sumažėjusį heterozigotiškumą. Inbrydingo koeficientas (F panašumo tikimybės sumažėjimas) tikėtinai didės homozigotinių palikuonių genomuose, bei tikėtinai mažės heterozigotinių palikuonių genomuose. F svyruoja nuo 0 (neinbrediniai palikuonys) iki 1 (visiškai inbrediniai palikuonys). Palikuonis yra inbredinis, jei jo tėvas ir motina yra tų pačių protėvių. Inbredinis individas gali gauti dvi to pačio alelio kopijas, kurias turėjo jo tėvų protėvis. Toks individas pagal šį lokusą yra identiškos kilmės (autozigotinis). Autozigotinis individas bus homozigotinis, tol kol neįvyks mutacija viename iš dviejų protėvių turėtų kilmės alelių. Priešingi autozigotiniams individams yra alozigotiniai. Alozigotiniai individai turi įgiję du alelius, kilusius iš skirtingų protėvių alelių. Autozigotiškumas ir alozigotiškumas yra su susijęs su homozigotiškumu ir heterozigotiškumu, bet jie labiau apibrėžia Mendelėjinį alelių paveldėjimą, nei alelių molekulinę būseną. Šis skirstymas svarbus apibrėžiant individo kilmės inbrydingo efektus. Mes manome, kad pradiniai kilmės

63 individai yra alozigotiniai, pagal du unikalius alelius. Tačiau šie alozigotai gali būti tiek homozigotai tiek heterozigotai, pagal konkretų lokusą, priklausomai nuo to ar du aleliai yra identiški ar ne. Yra keletas metodų skirtų apskaičiuoti kilmės inbrydingo koeficientą. Vienas tokių kilmės kelių analizės metodas sukurtas Sewall o Wright o (1992). Tam kad suprastume inbrydingo efektą tinkamumui natūraliose populiacijose svarbu žinoti individo inbrydingo koeficientą. Nelaimei išmatuoti inbrydingo koeficientą tiriamojo imtyje yra ypač sunku, nes kilmė dažniausiai yra nežinoma. Laukinių populiacijų kilmė gali būti tik kelių generacijų, turėti trūkius, ir būti netiksli. Tačiau individų inbrydingo koeficientas gali būti nustatomas molekuliniais žymenimis, nustatant homozigotiškumą. Inbrydingo depresija gali būti sukelta tiek dėl padidėjusio tiek dėl sumažėjusio heterozigotiškumo (Crow, 1948). Padidėjęs homozigotiškumas didina žalingų recesyvinių alelių inbrediniuose individuose skaičių, taigi mažina jų tinkamumą. Sumažėjęs heterozigotiškumas sumažina inbredinių individų tinkamumą lokusuose, kuriuose heterozigotos turi atrankinį pranašumą prieš homozigotas (heterozigotinis pranašumas arba viršdominavimas). Dėl inbrydingo stebėtinai staigiai padaugėja homozigotų, turinčių žalingą alelį. Inbrydingo depresija yra tikėtina visose rūšyse. Žalingi recesyviniai aleliai yra visų rūšių genomuose, nes jie nuolat įnešami mutacijų, o natūrali atranka nesugeba jų pašalinti, nes dauguma kopijų yra fenotipiškai paslėptos heterozigotose, kurios neturi sumažėjusio tinkamumo. Inbrydingo depresijos efektas išgyvenamumui dažnai matuojamas letalinio ekvivalento vidurkiu diploidiniame genome. Letalinis ekvivalentas nustatomas pagal žalingus alelius homozigotose, kurie sukels mirtį. Letalinis ekvivalentas gali būti tiek vienas letalinis homozigotos alelis, tiek du aleliai, kurių kiekvieno tikimybė 0,5, arba 10 alelių, kurių kiekvieno tikimybė 0,10. Nelaisvėje esančių žinduolių populiacijose letalinis ekvivalentas svyruoja nuo 0 iki 30. Vidutinis diploidinių individų, esančių nelaisvėje letalinis ekvivalentas 3,14. Dauguma inbrydingo depresijos tyrimų buvo atlikta nelaisvėje arba kontroliuojamomis sąlygomis, bet eksperimentai tiek su augalais (Dudash 1990) tiek su gyvūnais (Jimenez et al. 1994) parodė, kad inbrydingo depresija yra daug griežtesnė natūralioje aplinkoje. Be to yra įrodymų, kad inbrydingo depresija yra daug griežtesnė, kai vyksta aplinkos stresai (ekstremalios oro sąlygos, tarša, ligos). Kai kurie mokslininkai teigia, kad kai kurios rūšys ar populiacijos nėra veikiamos inbrydingo (Shields 1993). Tačias statistinių inbrydingo depresijos įrodymų stoka neparodo, kad inbrydingo depresijos nėra.

64 Išmatuoti inbrydingo depresiją laisvėje nepaprastai sudėtinga dėl kelių priežasčių. Pirmiausia, nežinoma kilmė, o alternatyvūs molekuliniai metodai nėra pakankamai tikslūs. Antra, sunku išmatuoti tinkamumą. Inbrydingo depresija gali pasireikšti tik kai kuriuose gyvenimo etapuose ar stresinėse situacijose. Kai kas teigia, kad mažos populiacijos gali būti,,išvalytos nuo žalingų recesyvikių alelių dėl natūralios atrankos (Templeton and Read 1984). Žalingi recesyvikiai aleliai gali pasiekti realų dažnį didelėse, atsitiktinai besiporuojančiose populiacijose, nes dauguma jų kopijų yra heterozigotose ir todėl nėra įtakojamos natūralios atrankos. Genetika ir nykstančių rūšių lemtis Šiek tiek daugiau nei pries dešimtmetį, genetinių veiksnių indėlis į nykstančių rūšių išlikimą buvo laikomas antraeiliu. Buvo manoma, jog demografiniai ir aplinkos svyravimai (stochastika), ir katastrofos, sukelia išnykimą dar prieš genetiniui pablogėjimui tampant rimta grėsme laukinėms populiacijoms. Tačiau dabar yra įtikinamų tiek teorinių tiek ekspermentinių įrodymų, patvirtinančių, jog mažų populiacijų genetiniai pokyčiai yra glaudžiai susiję su jų lemtimi. Konkrečiai buvo įrodyta, jog: daug išlikusių populiacijų yra genetiškai pažeistos (sumažėjęs genetinis kintamumas ir prigimtis) bent jau tam tikrais atvejais, genetinės įvairovės praradimas didina populiacijų jautrumą išnykimui genetinės įvairovės praradimas yra susijęs su tinkamumo sumažėjimu sąmoningai išvestose ekspermentinėse populiacijose inbrydingas sukelia išnykimą inbrydingas prisideda prie išnykimo kai kuriose natūraliose populiacijose kompiuteriniai modeliai parodo, jog inbrydingas sukels padidėjusią išnykimo riziką nykstančiose natūraliose populiacijose. Inbridinė depresija Nepaisant ankstesnio skepticizmo, dabar yra aiškių ir nepaneigiamų įrodymų dėl nelaisvėje laikomų ir laukinių populiacijų inbridinės depresijos. Pavyzdžiui, iš 44 nelaisvėjė laikomų žinduolių populiacijų, 41 populiacijos giminingų individų palikuonys turėjo didesnį mirtingumą negu negiminingų individų palikuonys (5.1 pav.). Mažųjų hipopotamų (Pygmy Hippopotamus) atveju, giminingų tėvų palikuonys (jaunikliai) pasižymėjo 55% mirtingumu, o tuo tarpu negiminingų tėvų palikuonys -25% mirtingumu.

65 Dabar yra pakankamai esminių įrodymų, jog inbrydingas natūralioje aplinkoje turi žalingų padarinių. Pavyzdžiui, 90% iš 157 surinktų duomenų (34 taksonų), parodė, jog giminingų tėvų palikuonys pasižymėjo prastesniu išgyvenamumu, reprodukcija ar dydžiu ir t.t nei negiminingų tėvų palikuonys (4 skyrius). Negiminingų tėvų jauniklių mirtingumas 5.1 pav.44 nelaisvėje laikomų žinduolių populiacijų išgyvenamumas nuo inbridinės depresijos (Ralls &Ballou 1983). Negiminingų tėvų jauniklių mirtingumas yra priklausomas nuo giminių tėvų jauniklių iš tos pačios populiacijos. Populiacijos, esančios žemiau tiesės, parodo jog inbrydingas yra žalingas. Inbridinės depresijos charakteristikos Kad suprasti inbridinės depresijos galimą poveikį laukinėms populiacijoms, svarbu išnagrinėti jos savybes ir priežastis. Tai yra: inbridinė depresija buvo stebima iš esmės kiekvienose natūraliose outbridinėse rūšyse, kurios buvo tinkamai ištirtos gamtinės outbrydingo rūšys visuose pagrindiniuose taksonuose parodo gana panašius vidutinius inbridinės depresijos lygius visi geros reprodukcinės būklės komponentai yra priklausantys inbridinei depresijai ženklai, labiausiai susiję su reprodukcijos tinkamumu parodo didesnę inbridinę depresiją, nei tie, kurie šalutiniškai susiję su tinkamumu o absoliutaus tinkamumo inbridinė depresija yra didesnė nei jo sudedamųjų dalių o inbridinė depresija yra labiau didesnė streso sąlygomis o šeimos, populiacijos ir rūšys skiriasi inbridinės depresijos laipsniu o inbridinė depresija yra proporcinga inbrydingo mastui o lėtesnis inbrydingas paprastai sukelia lėtesnę inbridinę depresiją

66 o rūšys, kurios natūraliai inbridinės parodo inbridinę depresiją, dydis yra paprastai mažesnis negu randamas outbridinėse rūšyse. Inbridinės depresijos genetiniai pagrindai Inbrydingas padidina homozigotų dažnį dėl žalingų alelių, todėl inbrydingo depresija priklauso nuo šių alelių dažnių, jų heterozigotiškumo lygio ir jų buvimo recesyviniais. Inbrydingas sumažina heterozigotiškumą proporcingą inbrydingo mastui. Todėl mes paprastai stebime tiesinį ryšį tarp inbrydingo depresijos ir F (inbrydingo koeficientas). Inbridinė depresija atsiranda dėl dviejų skirtingų procesų, dominavimo ir heterozigotų pranašumo. Aleliai, prisidedantys prie inbridinės depresijos, turi būti dalinai arba visiškai recesyviniai. Esant heterozigotų pranašumui, aleliai, kurie turi didesnį tinkamumą kaip heterozigotai gali sukelti inbridinę depresiją, kuomet inbrydingas sumažina heterozigotų dažnį į homozigotų. Tuo tarpu kol abu procesai sukelia inbridinę depresiją, jie skirtingai sureaguoja į natūralią atranką. Kartu su pranašesnių alelių dominavimu, atranka gali sumažinti žalingų alelių dažnį (pavadintas 'išvalymu' (purging), tačiau to negali padaryti su heterozigotų pranašumu. Manoma, kad palankių alelių dominavimas labai prisideda prie inbridinės depresijos Kintamumas inbridinėje depresijoje Kadangi inbridinė depresija priklauso nuo žalingų alelių dažnio, tikėtina, kad turi didelį stochastinį modelį. Mažos inbrydinės populiacijos yra priklausomos nuo genų dreifo. Be to, individai su tuo pačiu tikėtinu F, turės faktinio lygio heterozigotiškumo intervalą dalyvaujant Mendeliniame paveldimume. Tiesiog atsitiktinai skirtingi individai bus homozigotiniai pagal skirtingus lokusus.taigi, skirtingos rūšys, populiacijos rūšies viduje, šeimos populiacijos viduje ir individai šeimos viduje keisis žalingų alelių papildymu ir skirsis inbridinės depresijos pasireiškimu (5.1 pav). Kadangi daugelis lokusų įtakoja reprodukcinį kintamumą, yra labai mažai tikėtina, kad žalingų alelių fiksacijos bus išvengta. Tačiau dauguma tyrimų aptinka mažai įrodymų dėl vidutinio inbridinės depresijos masto skirtumų tarp diploidinių taksonų natūraliai outbridinėse rūšyse. Pavyzdžiui, nėra jokių reikšmingų inbridinės depresijos skirtumų remiantis nelaisvėje laikomų žinduolių būriu. Plikasėkliams pasireiškia didesnė inbridinė depresija negu gaubtasėkliams. Tai gali būti susiję su aukštesnio lygio poliploidiškumu. Augančio homozigotiškumo lygis yra lėtesnis poliploiduose negu diploiduose, tikėtina jog poliploidai mažiau nukenčia nuo inbridinės depresijos.

67 ''Išvalymas'' Inbrydingas padidina homozigotiškumą, paveikiant žalingų recesyvinių alelių atranką. Todėl žalingi recesyviniai aleliai yra pašalinami arba išvalomi daug greičiau nei galėtų įvykti atsitiktinis susiporavimasis. Tuo tarpu augalų rūšys, kurios yra savaime apsivaisinančios arba yra savaime inbridinės, parodo inbridinės depresijos mastą, dydis paprastai yra mažesnis negu giminingose outbridinėse populiacijose. Tai reiškia, jog įvyko išvalymas. Tyrimai taip pat parodo, kad mažo dydžio gyvūnų populiacijos sumažina, bet nepanaikina inbridinės depresijos. Inbridinės depresijos įvertinimas Inbridinė depresija yra dažnai įvertinama lyginant inbridinių organizmų tinkamumą su neinbridinėmis kontrolinėmis kohortimis (grupėmis). Du pagrindiniai inbridinės depresijos matavimo būdai: inbridinių ir neinbridinių vidurkių reikšmių santykis kintančių parametrų matavimas (išgyvenamumas, vaisingumas, dydis) palyginant su inbrydingo koeficientu, aptiktų gyvūnų veislėse. Pagrindinis inbridinės depresijos matas ( ) yra proporcingas duoto inbrydingo masto vidurkio sumažėjimui. δ =1 inbrydiniu palikuoniu tinkamumas outbrydiniu palikuoniu tinkamumas (5.1) Ši formulė tiksliai neapibrėžia inbrydingo lygmens ir tai turi būti nustatoma kiekvienam atvejui. 5.1 pavyzdys iliustruoja formulės panaudojimą inbridinės depresijos įvertinimui Dorko gazelėse. -dažniausiai naudojamas su augalais. Nuo to laiko, kai dauguma augalų galėjo būti savidulkiai, įprastas inbridinės depresijos įvertinamas gaunamas lyginant savidulkius ir besikryžminančius palikuonis; inbrydingo poveikis 50% priklauso nuo inbrydingo koeficiento.

68 Pavyzdys 5.1 Inbridinė depresija Dorko gazelėse 50 outbridinių ir 42 inbridinių Dorko gazelių jauniklių išgyvenamumas buvo 72% ir 40,5%. Bet kuris individas kai F>0 buvo apibūdintas kaip inbridinis, bet vidutinis inbrydingo lygmuo juose buvo maždaug 0,25 (tikri sibsai). Inbridinė depresija ( ) šios rūšies jauniklių išgyvenamumui yra: Mirtingumo ekvivalentas Įprastinė priemonė išreiškimui ir palyginimui inbrydingo depresijos dydžio yra mirtingumo ekvivalentas. Tam tikro amžiaus (S) tikimybė išgyventi gali būti išreikšta, kaip: S=e -(A+BF) (5.2) Kur e -A yra tinkamumas outbridinėje populiacijoje, F yra inbrydingo koeficientas ir B laipsnis tinkamumo mažėjimo su didėjančiu inbrydingu. Jei reikšmę logaritmuosime (ln) tada gausis tiesinė priklausomybė: lns=-a-bf (5.3) B matuoja papildomus genetinius pažeidimus, kurie būtų išreikšti homozigotiniuose individuose (F=1). Be to, B yra skaičius mirtingumo ekvivalento per gametą, ir 2B skaičius per individą. Vienas mirtingumo ekvivalentas yra apibrėžtas kaip žalingų alelių grupė, kurie vidutiniškai homozigotose sukelia vieną mirtį pvz: vienas žalingas alelis arba du aleliai su 50% tikimybe gali sukelti mirtį. Kad įvertinti mirtingumo ekvivalentą, yra surenkami duomenys apie individų išgyvenamumo laipsnį su skirtingais inbrydingo koeficientais ir tiesinė regresija yra naudojama, kad apskaičiuoti A ir B. 5.2 paveikslėlis iliustruoja priklausomybę okapijose (Okapia johnstoni) tarp lns ir inbrydingo koeficiento. Tiesės nuolydis (B) yra -1.80, nurodantis, jog populiaciją sudaro 1.8 haploidų ir 3.6 diploidų mirtingumo ekvivalentas. Buvo nustatyta, kad vidutinis mirtingumo ekvivalento skaičius 40 žinduolių populiacijos buvo 1.57 (B) iš haploidų ir 3.14 (2B) iš diploidų, nors ir rūšys žymiai skyrėsi..

69 F Išgyvenę Mirę ln S pav. Santykiai tarp išlikimo ir inbrydingo koeficiento okapijose (duomenys iš Bois et al. 1990). Išgyvenamumo natūrinis logaritmas atidedamas priklausomai nuo inbrydingo koeficiento Ryšys tarp inbrydingo ir išnykimo Pirmasis įrodymas ryšio tarp inbrydingo ir išnykimo atsirado iš specialiai išvestų laboratorinių, naminių gyvūnų ir augalų populiacijų. Nuo 80% iki 100% specialiai išvestų inbridinių populiacijų miršta po 8 brolių ir seserų suporuotų kartų arba po trijų kartų savaiminio apsivaisinimo. Pavyzdžiui, 338 japoniškų putpelių populiacijos, išvestos tęsiant brolių-seserų poravimą, jau buvo išnykusios po keturių kartų. Pavyzdys vaisinių muselių ir pelių parodytas 5.3 paveiksle. Inbrydingo ir išnykimo rizikos laipsnis Naturalios outbrydinės gyvūnų ir augalų populiacijos yra paprastai priklausančios nuo inbrydingo laipsnio, taip pat priklausomos nuo populiacijos dydžio. Net ir lėtas inbrydingo laipsnio padidėjimas didina išnykimo pavojų; tik tai užtrunka ilgesnį laikotarpį, kad sukeltų išnykimą. Inbrydingas ir išnykimas laukinėse populiacijose Kadangi inbrydingas sukelia padidėjusią išnykimo riziką nelaisvėje laikomose populiacijose, tai būtų logiška ekstrapoliuoti laukinėms populiacijoms. Vis dėl to susieti išnykimą

70 su genetiniais efektais laukinėse populiacijose yra sunku, kadangi nustatyti tikslias priežastis laukinėje gamtoje nėra lengva dėl genetinių duomenų trūkumo. Tai patvirtina: daug išgyvenusių laukinių populiacijų nukenčia nuo genetinio kintamumo praradimo ir inbridinės depresijos. buvo įrodyta, kad inbrydingas ir genetinio kintamumo praradimas prisidėjo prie populiacijų išnykimo gamtoje. kompiuteriniai modeliai prognozuoja, jog inbrydingas padidins išnykimo riziką laukinėse populiacijose. Dauguma laukinių populiacijų yra genetiniame pavojuje Gamtos apsaugos biologai prognozavo, jog demografiniai, aplinkos pokyčiai ir katastrofos paprastai populiaciją stumtų į išnykimą dar prieš genetiniams faktoriams tampant problema. Šis spėjimas nėra visiška tiesa, nes dauguma nykstančių rūšių turi mažesnį genetinį kintamumą negu nenykstančios rūšys ir tikėtina, kad todėl nukenčia nuo inbridinės depresijos ir prisitaikymo praradimo. Pavyzdžiui, uolinės valabės (Petrogale lateralis) iš Barrow salos bei kitų Austarlijos vakarinių pakrančių salų, turi labai mažą genetinį kintamumą ir tik viena (Barrow salos) ištirta populiacija atskleidžia inbridinę depresiją (5.1 dėžutė). Be to europinės (didesniųjų kengūrų rūšis) kengūros iš Barrow salos taip pat pasižymi mažesniu genetiniu kintamumu ir kenčia nuo chroniškos mažakraujystės bei didesnės parazitų naštos palyginus su jų žemyniniais giminaičiais. Mikrosatelitų įvairovė Barrow salos populiacijoje ir žemyninėse dalyse. Populiacija (vietovė) Polimorfinių lokusų dalis Vidutinis alelių skaičius lokuse Vidutinis heterozigotiškumas Barrow sala (1) Žemyninė dalis Exmouth (2) Wheatbelt (3) Barrow salos populiacija akivaizdžiai išgyveno stochastinius svyravimus ir katastrofas, bei nukentėjo genetiniai faktoriai, kurie didina išnykimo riziką. Inbrydingo koeficientas siekė Žindančių uolinių valabių patelių dažnis -92%, bet Barrow saloje jų yra tik 52%. Tiesioginiai ir netiesioginiai išnykimo įrodymai dėl inbrydingo ir genetinės įvairovės praradimo

71 Kaip tiesioginis inbrydingo įrodymas, apimantis, gamtinės populiacijos išnykimą buvo pateiktas Suomiškų drugelių populiacijose. (Box 5.2) Inbrydingas buvo reikšmingas išnykimo rizikos prognozuotojas po visų kitų apskaičiuotų ekologinių ir demografinių poveikių. Remiantis nakvišinių augalų populiacija atlikti tolimesni eksperimentai parodė jų žemą genetinį kintamumą (ir aukštą inbrydingą) pademonstravo 75% išnykimo laipsnį per tris kartas laukinėje gamtoje, tuo tarpu populiacijos su žemesniu inbrydingu parodė tik 21% išnykimo laipsnį. Mažesnės populiacijos dėl demografinių, ekologinių ir genetinių priežasčių yra labiau linkusios į išnykimą negu didelės. Šiaurės Amerikoje snieginiuose avinuose (Ovis Canadensis) buvo stebimas stiprus ryšys tarp populiacijos dydžio bei ištvermingumo (5.4 pav).visos populiacijos, kurių individų skaičius mažesnis nei 50 išnyko per 50 metų laikotarpį. Įvairūs demografiniai, ekologiniai ir genetiniai (įskaitant inbrydingą ir genetinio kintamumo praradimą) faktoriai gali būti susiję su jų išnykimu. Panašiai žinduolių išnykimas vakarų šiaurės Amerikos nacionaliniuose parkuose buvo susietas su parko plotu ir populiacijos dydžiu. Populiacijų ištvermingumas % Laikas (metais) Populiacijų dydžio mažėjimas ar išnykimas laukinėje gamtoje bent iš dalies gali būti priskirtas inbrydingui daugumoje kitų populiacijų, įskaitant Floridos panteras, pilkuosius vilkus, didžiuosius stepinius tetervinus, viržynines vištas, vidutinius marguosius genius, žalčius ir kitas salynines rūšis. Inbrydingas ir išnykimo laipsnis drugelių populiacijoje iš Suomijos (Saccheri et al. 1998) 1995 metais Suomijoje naudojant molekulinę genetinę analizę, buvo nustatytas heterozigotiškumas 42 drugelių populiacijoms, bei apskaičiuojamas jų išnykimas ir išgyvenamumas

72 sekančiais metais. Iki 1996 metų rudens 35 populiacijos išgyveno, o 7 jau buvo išnykę. Išnykimo laipsnis buvo aukštesnis populiacijose su žemesniu heterozigotiškumu. Skirtingos kreivės atspindi santykius tarp išnykimo tikimybės ir heterozigotinių lokusų santykio. Išnykimo galimybė Kompiuteriniai modeliavimai Populiacijos gyvybingumo analizės. Kompiuteriniai modeliai rodo, jog inbrydingas padidina išnykimo riziką daugumai outbridinėms laukinėms populiacijoms. Brook ir kolegos nustatė jog inbrydingo poveikis žinduolių nelaisvėje laikomų jauniklių išgyvenamumas sumažėjo iki išnykimo vidutiniškai 25-31%, apimantis 20 gyvūnų rūšių. Santykis tarp genetinio kintamumo praradimo ir išnykimo Gamtinės populiacijos susiduria su nuolatiniais aplinkos pokyčiais, įskaitant naujas ligas, kenkėjus, parazitus, konkurentus ir plėšrūnus, taršos ir žmogaus sukeltais globalinio klimato pokyčiais. Yra prognuozojama, jog genetinio kintamumo praradimas mažose nykstančiose populiacijose gali sumažinti jų gebėjimą evoliucionuoti ir padidinti jų išnykimo riziką atsakant į aplinkos pokyčius.kad eksperimentinis įrodymas patvirtintų šią prognozę yra keletas pavyzdžių kur gamtinių populiacijų išnykimas gali būti tiesiogiai priskiriamas genetinės įvairovės trūkumui. Ryšys tarp genetinės įvairovės praradimo savaime nesuderinamuose lokusuose ir augalų išnykimo

73 Aiškiausias įrodymas santykio tarp genetinės įvairovės praradimo ir padidėjusios išnykimo rizikos atsirado iš savaime nesuderinamų augalų lokusų.apie pusę visų žydinčių augalų rušių turi genetinę sistemą, užkirtančią kelią augalų savidulkai.savaiminis nesuderinamumas yra reguliuojamas vieno arba daugiau lokusų, kurie gali turėti 50 ar daugiau alelių didelėse populiacijose.jei tas pats alelis yra žiedadulkėje ir purkoje, tai apvaisinimas žiedadulkėmis nebus sėkmingas. Daroma prielaida, jog savaiminis nesuderinamumas atsirado, jog būtų išvengta inbrydingo žalingo poveikio. Savaiminis alelių nesuderinamumas gali būti prarastas genų dreifo metu mažose populiacijose. Pavyzdžiui, Ilinojaus ežero saulučių populiacija sumažėjo iki trijų augalų ir nesidaugino 15 metų nepaisant bičių apdulkinimo. Jos turėjo tiek mažai savaime nesuderinamų alelių, jog funkciškai buvo išnykusios. Ohajuje ir Kanadoje augalai produkavo-davė gyvybingas sėklas, apvaisinant žiedadulkes iš didelių populiacijų. Rytinėje Australijoje nykstančios pievinės saulutės taip pat pasižymi sumažėjusiu tinkamumu mažose populiacijose kartu su sumažėjusiu savaiminiu alelių tinkamumu. Sumažėjęs tinkamumas dėl savaiminio alelių nesuderinamumo buvo užfiksuotas tik keliuose augalų rūšyse, tai labiausiai gresia nykstančioms augalų rūšims. Santykis tarp genetinio kintamumo praradimo ir jautrumo ligoms, kenkėjams ir parazitams Nauji patogenai yra viena iš didžiausių grėsmių visoms rūšims. Genetinės įvairovės praradimas labai sumažino populiacijų gebėjimą reaguoti į šį sunkumą. Pavyzdžiui, 1950 metais įvežant amarus amerikietiškas kaštainis buvo atsidūręs netoli išnykimo, dėl genetinio kintamumo neturėjimo. Audinių suderinamumo kompleksas tai didelė grupė lokusų, dalyvaujantys svetimų patogenų antigenų molekulių atpažinime ir reguliuojantys imuninius atsakus stuburiniuose gyvūnuose. Kuo daugiau heterozigotinių individų yra, tuo labiau gali reaguoti prieš daugiau patogenų. Kuo kintamesnė populiacija yra, tuo labiau individai gali pasipriešinti patogenams.genetinis kintamumas yra išlaikomas atrenkant pranašesnius heterozigotus (flavouring) bei atrenkant pranašesnius retesnius alelius (balansuojanti atranka-balancing selection).todėl remiantis kai kuriais įrodymais jog kintamumo netekimas lokusuose sumažina populiacijų gebėjimą reaguoti į naujas patogenų formas.nepaisant selekcijos išlaikomo kintamumo, aleliai bus prarasti vykstant genų dreifui mažose populiacijose, didinant tikimybę, jog patogenas, kuris gali nužudyti vieną individą, gali nužudyti visus. Tikėtina, jog populiacijos su didesne genetine įvairove labiau išsilaikys nuo nuolatinių įvairių patogenų puolimų negu populiacijos turinčios mažesnę genetinę

74 įvairovę (5.5 pav.). Pavyzdžiui, fundulų šeimos žuvų populiacijos turinčios mažesnį genetinį kintamumą turėjo didesnį apkrovimą parazitais negu populiacijos su didesne genetine įvairove. Mirtingumas dėl virškinimo trakto nematodų parazitų naminėse avyse (Ovis aries) su žemu genetiniu kintamumu ir aukštu inbrydingu per šį laikotarpį yra padidėjęs. Išgyvenamumas % Pav. Genetinės įvairovės ir atsparumo ligoms santykis (hipotetinis pavyzdys). Dvi mažos inbridinės populiacijos, homozigotinės pagal skirtingus alelius yra atsparios tik vienai ligai. Ir atvirkščiai, didesnioji populiacija, kuri turi abu alelius turi atsparumą abiem ligoms. Genetiškai gyvybingos populiacijos Erdvės trūkumas nykstančioms rūšims Daugumai nykstančių rūšių yra didelis trūkumas buveinių laukinėje gamtoje ir patogumų trūkumas nelaisvėje veisiamoms rūšims. Todėl labai svarbu nustatyti kaip šie ištekliai būtų geriausiai panaudojami. Šiame skyriuje nagrinėjama:kaip didelės populiacijos tampa genetiškai gyvybingos per ilgą laiko tarpą? Šis klausimas buvo aptartas remiantis minimaliu gyvybingos populiacijos dydžiu (minimum viable population size MVP), minimalus reikiamas dydis, kad išsaugoti reprodukcinį tinkamumą ir evoliucinį potencialą per tūkstančius metų. Tai nereiškia, jog mažesnio dydžio populiacijos neturi ateities, tik kad jų reprodukcinis tinkamumas ir evoliucinis potencialas gali būti pažeistas ir gali susidurti su didesne išnykimo rizika. Gyvybingos populiacijos dydis

75 Trys genetinės dalys turi būti apsvarstomos atsakant į šį klausimą: ar populiacijos dydis yra pakankamai didelis, kad išvengti inbridinės depresijos? ar pakankama genetinė įvairovė evoliucijos pasireiškimui, reaguojant i aplinkos kaitą? ar populiacija yra pakankamai didelė, kad būtų išvengta naujų žalingų mutacijų? Skirtingų autorių gauti įvairūs įvertinimai (5.1 lentelė) lentelė Kokio dydžio turi būti populiacija kad išsaugoti genetinę 'sveikatą'? Duoti įvairūs vertinimai efektyvaus populiacijos dydžio (N e ). Duoti normalios genetinės įvairovės atkūrimo kartai po visiško įvairovės praradimo. Tikslas N e Atkūrimo kartai (kartos) Išvengti inbridinės depresijos 50 Išlaikyti evoliucinį potencialą Išlaikyti vieno lokuso genetinį kintamumą Išvengti besikaupiančių žalingų mutacijų Šaltinis: Frankham ir kt.(2002) Reprodukcinio tinkamumo išsaugojimas Franklin ir Soule pasiūlė, kad efektyvus populiacijos dydis-50 pakankamas (pagrįstas gyvūnų veisėjų patirtimi), kad išvengti inbridinės depresijos per trumpą laiką. Tačiau tai gali būti nepakankamas įvertinimas ilgajam laikotarpiui. Nuo tada kai inbrydingas padidėjo prie 1/(2N e ) normos per generaciją, visos populiacijos galiausiai gali tapti inbrydinėmis. Kai inbridinė depresija yra proporcinga inbrydingo koeficientui, nėra žinoma žemiau kurios ribos inbrydingas nėra žalingas. Tikėtina, kad net žemas inbrydingo lygis yra kaip pasekmė žemio lygio inbridinės depresijos.jei inbrydingo poveikis grindžiamas nelaisvėje gyvenančiais žinduoliais, būtų galima tikėtis apie 2% inbridinės depresijos kada F=0.01, 4% kada F=0.02 ir 15% kada F=0.10 jauniklių išlikimui. Inbridinė depresija buvo apibūdinta vaisinių muselių populiacijose kaip per daugely kartų išlaikytas efektyvus dydis 50 ir kambarinių muselių populiacijose N e -90 per penkias kartas.mes tiksliai nežinome, kokio dydžio populiacija privalo būti, kad išvengti reikšmingos inbridinės depresijos per ilgą laiko tarpą, bet akivaizdžiai reikalaujamas dydis yra daug didesnis nei efektyvus dydis 50. Kelia nerimą, jog apie pusė visų nelaisvėje laikomų nykstančių žinduolių populiacijų N turi mažiau negu 50, ir yra tikėtina kad nukenčia nuo inbridinės depresijos ir tai gali atsitikti per gana trumpą laiką. Kokiais atvejais inbrydingas taps pakankamo lygio, kad sukeltų išnykimą.? Apskaičiuotas išnykimo laikas skirtingo dydžio naminių muselių priartėjo prie efektyvaus dydžio

76 kartose, 54 kartos N e =50.Inbridinių pelių ir vaisinių muselių populiacijų išnykimo rizika žymiai padidėjo iki F=0.5 ir už jos ribų (5.3 pav). Evoliucinio potencialo išlaikymas Kadangi mūsų tikslas yra išsaugoti rūšis kaip dinaminius organizmus, galinčius reaguoti į aplinkos kaitą, yra privaloma išlaikyti evoliucinį potencialą. Populiacijos dydžio įvertinimo duomenys reikalingi, kad išlaikyti ilgalaikę genetinę įvairovę ir evoliucinį potencialą, tačiau bendras susitarimas yra, kad N e turi būti ne mažiau 500 (5.1 lentelė).kadangi ši diskusija turi didelę reikšmę praktiniam genetiniam valdymui laukinėse ir nelaisvėje laikomose populiacijose, todėl mes tiriame vertinimo pagrindą. Franklin išprognozavo veiksmingą dydį 500, argumentuojant kad genetinė variacija nustato evoliucinį potencialą, ir tai yra tiesiogiai susiję su heterozigotiškumu. Jis manė, kad pridėtinės genetinės variacijos lygis esant pusiausvyrai priklauso nuo balanso tarp genų dreifo praradimo ir papildomų mutacijų. Naudojant informaciją apie kiekybinio požymio mutacijos greitį, jis padarė išvadą, kad efektyvus dydis 500 buvo reikalingas, kad išlaikyti pradinį genetinės variacijos lygį. Lande pasiūlė, kad yra reikalinga 5000 vertė, teigiant kad tik apie 10% naujai susidariusių mutacijų yra naudingos ateities genetiniam pokyčiam, nes kita dauguma jų yra žalingos. Kol dėl šio vertinimo buvo reiškiamos abejonės, visuotinai yra pripažinta, kad veiksmingas dydis tarp 500 ir 5000 yra reikalingas, kad išlaikyti trumpalaikį evoliucinį potencialą. Rušių likimas kai N e <500 Rūšims su nepakankamu efektyviu dydžiu ilgalaikiam genetiniu kintamumo išlaikymui yra pasmerktos staigiam išnykimui. Apskritai rūšys nukentės nuo genetinio kintamumo išeikvojimo ir sumažins gebėjimą evoliucionuoti. Jie taps inbridiniai priklausomai nuo jų dydžio su atitinkamai sumažėjusiu reprodukcijos ir išlikimo laipsniu, pareikalaujantis padidinti žmogaus įsikišimą, siekiant užtikrinti jų išlikimą.tai gali užtrukti beformuojant aplinkos gerinimą (izoliavimas nuo konkurentų, introdukuotų ligų išvengimas, buveinių atkūrimas)ir valdymą, kad reprodukciją ir išlikimą padidinti. Atskiro lokuso genetinio kintamumo išsaugojimas ilguoju laikotarpiu Kai kurie lokusai, pavyzdžiui kaip savaiminio nesuderinamumo lokusai augaluose ir MHC lokusai stuburiniuose gyvūnuose yra tokie svarbūs išlikimui, kad būtina išlaikyti jų genetinį

77 kintamumą. Populiacijos dydžiai privalo išlaikyti daug didesnį kintamumą negu kiekybiniai požymiai, kaip mutacijų dažnis yra žemas atskiram lokusui. Remiantis mutacijų dreifo pusiausvyra, Lande &Barrowclough pasiūlė efektyvios populiacijos dydžius Šie dydžiai yra nepasiekiami daugumai rūšių (ypač stuburiniams). Iš tikrųjų pastovus populiacijos dydis nėra vertinamas kaip gresiantis išnykti. Populiacijos dydžiai reikalingi išlaikyti kintamumą lokusuose. Laikas atstatyti genetinį kintamumą Genetinio kintamumo praradimas būtų nedidelis rūpestis, jei taip staigiai neatsinaujintų mutacijos.vis dėlto mutacijų dažnis yra labai žemas, tagi atsinaujinimo laikotarpis yra labai ilgas (5.1 lentelė). Atskiro lokuso kintamumas su mutacijų dažniu per kartą užima nuo iki 10 milijonų kartų kad atsinaujinti. Kiekybinė genetinė variacija drambliams reikalauja tik kartų atsinaujinti-vis dar metų.nuo tada mes negalime pasikliauti atsinaujinimu laiko trukmėje, turi būti stengiamasi šsaugoti išlikusį genetinį kintamumą. Išvengimas naujų susikaupusių žalingų mutacijų Mažose populiacijose aleliai, kurie turi mažai naudingus ir žalingus poveikius, tampa veiksmingai neutraliais. Tai reiškia kad jų lemtis nustatoma atsitiktinai, o ne pagal atrankos koeficientą. Naujų žalingų mutacijų santykis taps homozigotine forma mažose populiacijose, kas gali įtakoti reprodukcijos sumažėjimą ir privesti prie išnykimo ('mutacinis nutekėjimas'). Mutacinio susikaupimo reikšmė lytiškai besidauginančiose populiacijose yra ginčytina. Efektyvaus populiacijos dydžio įvertinimas reikalingas užkirsti kelią mutaciniui susikaupimui, svyravo nuo 12 iki Genetiniai tikslai laukinių populiacijų valdyme Mes žinome tik keletą nykstančių valdomų laukinių augalų rūšių, kur genetiniai tikslai yra apibrėžti. Auksaspalvėse liūtbeždžionėsė (Leontopithecus rosalia), tikslas yra išlaikyti 98% genetinį kintamumą šimtui metų, atitinkamai kai N e ~400. Šiuo metu atliktame surašyme laukinių individų dydis yra apie 600, pridėjus daugiau kaip 400 miškinių gyvūnų, atsiradusių dėl reintrodukcijos ir 500 individų laikomų nelaisvėje. N e/ N santykis turi būti didesnis kaip 0.27 visiems gyvūnams arba 0.4 laukiniams gyvūnams. Nelaisvėje laikomų populiacijų genetiniai valdymo tikslai:kompromisas

78 Kaip buvo aptarta anksčiau, yra daug mažiau prieinamų išteklių negu būtų reikalaujama visų rūšių išsaugojimui išveistų nelaisvėje ypač jei yra naudojamas rekomenduojamas dydis (N e = 500). Zoologijos sodai turi apie stuburinių gyvūnų, geriausiu atveju tik pusė erdvės yra tinkama gyvūnų dauginimuisi. Manoma, kad apytiksliai 2000 stubūrinių rūšių reikalingas veisimas nelaisvėje, kad sutrukdytų išnykimą. Kad palaikyti kiekvienos iš šių rūšių efektyvų dydį N e = 500 ( tarkim kad N e/ N =0.3 nelaisvėje) reikalinga 3.3 milijonų gyvūnam vietos-ploto.dabartinis kompromisas yra prižiūrėti nelaisvėje laikomas nykstančias rūšis, išsaugoti 90% išlikusį genetinį kintamumą 100 metų. 100 metų laikotarpis atsirado su viltimi jog laukinės buveinės gali tapti prieinamos remiantis numatomu žmonių populiacijos sumažėjimu per metus.remiantis 4.2 lygtimi, reikalinga N e: N e =475/L (5.4) kur L yra generacijos trukmė metuose. Taigi reikalingas dydis yra atvirkščiai proporcingas generacijos trukmei, viena iš nedaugelių sąlygų-tai ilgai gyvenančių rūšių privalumas. Pavyzdžiui, efektyvus dydis, reikalingas išlaikyti pradinį heterozigotiškumą baltakojams žiurkėnukams yra 1769, generacijos trukmė -14 savaičių, 475 rūšims su viena generacija per metus ir 18 karibų flamingam, generacijos laikas-26 metai. Po 100 metų nelaisvėje veisti individai bus susiję tarpusavyje tarp pirmos eilės pusbrolių-pusseserių (F=0,0625) ir pusiau brolių ir seserų (F=0,125), sumažindami jauniklių išgyvenamumą apie 15% ir tinkamumą apie 25 %. Tinkamumo kaina gali būti daug didesnė jeigu rūšys yra vėliau reintrodukuotos į atšiauresnę laukinę aplinką. Vadinasi, veisimo nelaisvėje programos subalansuoja inbrydingo riziką per 100 metų Populiacijos gyvybingumo analizės Genetinis pablogėjimas yra tik pavojingų procesų dalis, su kuriais susiduria rūšys. Laukinės populiacijos susiduria su grėsmėmis kaip deterministiniai ir stochastiniai veiksniai, kurie gali paveikti, sąveikauti vienas su kitu, privedant populiacijas prie išnykimo. Todėl genetinis susirūpinimas turi būti vertinamas platesniame gamtos apsaugos kontekste.šiame skyriuje pateikiamas ryšys, susijęs su įvertintu išnykimo pavojumi nuo visų faktorių. Mes išnagrinėjame priemones, kuriomis vadovaujantis vertinamos valdymo galimybės, norint atkurti gręsiančiom išnykti ir nykstančioms rūšims. Išnykimo rizikos vertinimai yra reikalingi, kad populiacijos būtų klasifikuojamos pagal santykinę riziką ir nustatytus saugojimo prioritetus. Skaitmeninis rizikos įvertinimas gali būti pateiktas per populiacijos gyvybingumo analizę. Deterministiniai veiksniai

79 Deterministiniai veiksniai-tai procesai, kurie turi nuoseklią kryptį ir gana nuoseklų dydį. Dauguma deterministinių faktorių sukeliančių mažėjimą ir išnykimą yra tiesiogiai ar netiesiogiai susiję su žmogaus veiksmais, pavadinti: buveinių suardymas dėl miesto ir žemės ūkio plėtros; eksploatacija dėl komercinės ir rekreacinės naudos; neapdairus teršimas ir neapdairus pesticidų, herbicidų vartojimas; egzotinės rūšys introdukuotos tyčia arba atsitiktinai ; minėtų veiksnių deriniai. Tuo tarpu buveinių praradimas yra pirminis liudijantis faktorius, keletas veiksnių priveda rūšis prie išnykimo daugeliu atveju. Be to, deterministiniai faktoriai sumažina populiacijos dydį iki ribos kada papildomi stochastiniai procesai tampa pastebimi ir suduoda galutinį smūgį. Stochastiniai veiksniai Skirtingai nuo deterministinių veiksnių, stochastiniai procesai mažose populiacijose turi didelius atsitiktinius komponentus su padariniais, besikeičiančiais kryptimi ir dydžiu. Trumpai apžvelgtos pirmame skyriuje, yra keturios stochastinės formos, kurios svarbios mažų populiacijų išnykimo rizikai: demografinė stochastika Apibūdina gamtinius gimstamumo ir mirtingumo svyravimus bei lytinius rodiklius. Išnykimą gali sąlygoti jei atsitiktinai mažoje populiacijoje visi individai yra sterilūs arba visi yra vienos lyties.pavyzdžiui, paskutiniai šeši tamsieji pajūrio žvirbliai (dusky seaside sparrows) buvo visi vyriškos lyties, įvykis su tikimybe (1/2) 6 =1.6%. aplinkos stochastika Gimstamumo ir mirtingumo rodikliai gali kisti dėl pokyčių aplinkoje, tokie kaip kritulių kiekio svyravimai, temperatūra, konkurentų gausumas, plėšrūnai, maisto šaltiniai. Pavyzdžiui, raudonųjų kengūrų gimstamumo ir mirtingumo rodikliai stipriai įtakojami kritulių kiekio. genetinė stochastika Tai apima inbridinę depresiją, genetinio kintamumo praradimą ir naujų žalingų mutacijų kaupimą. Katastrofos Ekstremalūs aplinkos reiškiniai tokie kaip ciklonai, atšiaurios žiemos, gaisrai, potvyniai, vulkaniniai išsiveržimai ir epideminės ligos gali būti galutine išnykimo priežastimi. Pavyzdžiui, uraganas sukėlė žymų nykstančių Puarto Riko papūgų populiacijos skaičiaus sumažėjimą, o Afrikos liūtai Tanzanijoje (Serengeti) neseniai patyrė didelį mirtingumą dėl maro ir daug viso pasaulio varlių rūšių yra priartėję prie išnykimo ribos dėl grybelinės ligos.

80 Stochastinių veiksnių sąveika Žmogaus spaudimas paprastai priveda prie mažo populiacijos dydžio.tai skatina inbrydingą ir dėl to atsiranda gimstamumo ir išgyvenamumo sumažėjimas. Savo ruožtu, toliau sukeliamas populiacijos dydžio sumažėjimas, padidėjęs demografinis nestabilumas ir stumiantis žemyn ciklas į išnykimą, pavadintas išnykimo verpetas (5.6 pav.). Populiacijos dydžio svyravimas dėl demografinių, aplinkos stochastikų ir katastrofų sumažina efektyvų populiacijos dydį ir padidina inbrydingo laipsnį ir tokiu būdu padidina išnykimo riziką. pav. Išnykimo verpetas. Apibūdina galimas sąveikas tarp žmogaus įtakos, inbrydingo, genetinio kintamumo praradimo ir demografinio nestabilumo žemėjančioje spiralėje link išnykimo. Bendras poveikis Visiška grėsmė, kurią patiria populiacijos yra suderintas poveikis deterministinių veiksnių ir demografinių, aplinkos ir genetinių stochastikų ir pasitaikančių katastrofų. Nustatant svarbiausius veiksnius, lemiančius išnykimo riziką, tai gali padėti nustatyti galimus pataisančius veiksmus populiacijom, kurioms gresia pavojus. Populiacijų gyvybingumo analizė yra naudojama nustatant išnykimo riziką nuo deterministinių ir stochastikos grėsmių poveikių. Išnykimo tikimybių prognozavimas:populiacijos gyvybingumo analizė Populiacijos gyvybingumo analizė yra atliekama duomenis įvedus į kompiuterinę programą, informacija apie:

81 gimstamumo ir išgyvenamumo rodikliai ir jų pakitimas populiacijų skaičius buveinių erdvumas grėsmių poveikis ir dažnumas (katastrofos, medžioklė ir t.t) kitos detalės apie rūšių gyvenimą (jautrumas inbridinei depresijai, genų nutekėjimas tarp populiacijų). Sąvokos, kurios naudojamos kompiuterinėse modeliavimo programose yra grindžiamos daugiau negu 100 metų sukauptomis žiniomis, mokslinių tyrinėjimų apimančių populiacijų demografiją, ekologiją ir genetiką. Pavyzdys apie auksaspalves liūtbeždžiones duotas 5.9 paveikslėlyje. Populiacijos gyvybingumo analizė yra naudojama išpranašaujant išnykimo riziką skirtingose rūšyse, palyginant alternatyvias valdymo galimybes rūšių atstatymui, kurioms gresia išnykimas. 7 pav.populiacijos gyvybingumo analizės modelis.