Типы изменчивости. Изменчивость на популяционном уровне

Изучение механизмов изменчивости является одной из задач генетики. Изменчивость можно подразделить на наследственную и ненаследственную. Наследственная изменчивость определяется спецификой информации, записанной в ДНК. Мутационный процесс, кроссинговер, независимое расхождение гомологичных хромосом (или нарушения расхождения, т.е. сегрегации), ошибки репликации и репарации приводят к формированию конкретного генотипа (комбинативная и мутационная изменчивость). В то же время различия условий окружающей среды определяют спектр возможных проявлений генотипа (ненаследственную изменчивость) в пределах его нормы реакции, экспрессивность и пенетрантность каждого признака организма (Рис.17).

Многие виды животных, включая человека, организованы в популяции (совокупности родственных между собой особей одного вида с общим ареалом - территорией обитания). Разные популяции по ряду признаков могут существенно отличаться друг от друга. Закономерности внутри- и межпопуляционной изменчивости изучает генетика популяций (Рис.17). Для популяции характерно длительное (в течение многих поколений) проживание на определенной территории и та или иная степень репродуктивной изоляции от других сообществ своего вида. Поэтому в ней складывается свой генофонд(специфическая совокупность генотипов всех особей популяции). Изменчивость генофонда популяции описывается частотами аллелей или генотипов. В некоторых замкнутых сообществах людей (часто по религиозным мотивам) частоты некоторых заболеваний могут резко отличаться от таковых в более открытых группах. Это составляет предмет изучения популяционной генетики человека. Исследуется влияние мутационного процесса, миграций, дрейфа генов, отбора на генетическую структуру популяций. В том числе, представляет интерес роль поведенческих механизмов в формировании генофонда отдельных сообществ людей, в том числе в становлении расовых геногеографических различий.

Изучение закономерностей формирования и наследования признаков является основной задачей генетического анализа, в его классическом понимании.

Задания для самоконтроля:

1. Раскройте содержание термина «наследственная изменчивость». Какие типы «наследственной изменчивости « выделяют в генетике?

2. За счет чего формируется «ненаследственная изменчивость»?

3. Что такое «панмиксия», «популяция», «генофонд»?

4. Напишите уравнение закона Харди-Вайнберга и перечислите условия его выполнения.

5. Приведите примеры расовых геногеографических различий по поведению.

Методы генетического анализа

Основные понятия и принципы генетического анализа. Методы генетического анализа. Планирование генетического эксперимента, получение адекватных данных, их статистическая обработка и корректная интерпретация. Особенности психогенетических исследований у человека.

Целью любой биологической науки является изучение живых организмов. Оно ведется по определенному плану, который является общим для всех наук: от наблюдения фактов – к выявлению закономерностей (Рис. 18). При этом особую ценность представляют знания, характеризующие не столько отдельную особь, сколько всю совокупность особей данного вида, рода или еще более крупного таксона.

Генетический анализ является методом, позволяющим на основе предыдущего опыта накапливать новые данные о механизмах наследственности и наследования, выдвигать гипотезы о работе этих механизмов и проверять их в научном эксперименте. Разработаны схемы проведения научного эксперимента, которые позволяют повысить его эффективность путем исключения влияния посторонних факторов (Рис.19).

Так, например, необходимо исключить влияние знания испытуемого и экспериментатора об эксперименте. Для этого могут применяться схемы «слепого» и «двойного слепого» опыта, ставиться дополнительные «контрольные» варианты. При этом научный эксперимент является не только способом проверки предположений, но и инструментом получения новых знаний.

Основным методом генетического анализа, в его классическом понимании на животных и растительных объектах является гибридологический метод, или метод скрещивания. Однако этот метод полностью исключен для изучения наследования признаков у человека. Поэтому, здесь на первый план выступают другие методы. В психогенетических работах широко используют такие методы как: генеалогический, близнецовый, популяционный. Используют семейный анализ (пример символики, применяемой в семейном анализе см. в табл. 4), метод приемных детей и др. Иногда, некоторые из этих методик рассматривают как модификации гибридологического метода.

Таким образом, главной специфичностью методов, используемых в психогенетике, является неукоснительной соблюдение морально-этических норм, установленных людьми в отношении друг друга. На современном этапе развития науки, в дополнение к классическим методам изучения характера наследования признаков современный генетический анализ широко использует молекулярно-генетические и геноинженерные методики, а также популяционные и сравнительно-генетические подходы. Последние предполагают широкое использование модельных объектов, позволяющих решать фундаментальные психогенетические проблемы. Современные методики играют важную роль в понимании базовых механизмов протекания психических процессов и закономерностей формирования человеческого поведения.

Психогенетическое исследование, как и любое другое, чаще всего начинается с выдвижения гипотезы, которую хочет проверить исследователь. Выдвинув такую гипотезу, можно рассчитать теоретически ожидаемые показатели, исходя из предположения о ее правильности. Затем, спланировав и проведя эксперимент, исследователь получает экспериментальные данные. Его задача – сопоставить эти экспериментальные данные с теоретически ожидаемыми и оценить степень совпадения (различия) между ними.

Огромное значение имеет правильный выбор анализируемого признака. Признак должен четко определяться, иметь контрастные формы проявления или его значения должны непрерывно изменяться в определенных пределах. Все признаки можно подразделить на качественные и количественные. Анализ качественных и количественных признаков имеет свои особенности, которые подробно рассматриваются во многих учебниках по биометрии и биостатистике. Но в любом случае, необходимо четко представлять себе, что такое генеральная совокупность, репрезентативность анализируемой выборки, характер распределения изучаемого признака. Так, генеральной совокупностьюназывают всю совокупность особей определенной (интересующей исследователя) категории, объем которой определяется задачами исследования. Обычно размер генеральной совокупности приравнивается к бесконечно большой величине. Исследователь же работает с группой особей (выборкой), которые представляют собой только часть генеральной совокупности.

Чтобы данная выборка правильно характеризовала генеральную совокупность, она должна быть репрезентативной. Для этого необходимо формировать ее в соответствии с определенными правилами, важнейшим из которых является рандомизацияматериала. Т.е., необходимо обеспечить одинаковую вероятность попадания в выборку любой особи генеральной совокупности.

На первом этапе исследования необходимо проверять анализируемый материал на однородность, выявить характерраспределения полученных данных и найти параметры этого распределения.

Количественные признаки чаще всего распределяются по гауссиане (нормальное распределение), которую характеризуют две величины: m - математическое ожидание и s - среднее квадратичное отклонение. В интервале лежит 68,3%, в интервале - 95,5%, а в интервале - 99,97% всех возможных значений анализируемого признака. Чаще всего исследователь может получить только показатели, характеризующие выборку, т.е. выборочные показатели. Это выборочное среднее (m) и выборочная дисперсия (S²). Получаемые в процессе эксперимента результаты для анализируемой выборки принято записывать в виде m ± S_m , где S_m – ошибка среднего, которая не должна превышать 5% от значения выборочного среднего. В противном случае объем выборки недостаточен, чтобы характеризовать генеральную совокупность.

Качественные признаки не имеют промежуточных значений. Генеральную совокупность в этом случае характеризуют с помощью показателя частоты встречаемости (доли или процента) особей с тем или иным значением признака. В этом случае данные записывают в виде: p ± , где p – частота (процент) встречаемости конкретной формы признака, а - ошибка этой частоты (процента).

По выборке можно лишь приблизительно определить параметры генеральной совокупности. В зависимости от степени важности получаемых результатов, выборка будет считаться репрезентативной, если вероятность ошибки прогноза для генеральной совокупности будет меньше 0,05, 0,01 или 0,001.

В психогенетических исследованиях исследователю часто необходимо выявить различия (или подтвердить их отсутствие) между несколькими группами испытуемых. Основой критериев оценки достоверности различий является так называемая «нулевая гипотеза» (Н^О). Она гласит: «различия могут быть и случайны». Получая те или иные значения используемых критериев, исследователь принимает или отвергает Н^О.

В зависимости от задач исследования, получаемых экспериментатором данных и результатов их предварительной оценки (на однородность, на характер распределения) выбираются адекватные методы анализа: параметрические, непараметрические, дисперсионный или корреляционный анализ и т.д. Обо всем этом можно прочитать в многочисленных учебных пособиях по биометрии (например: Глотов Н.В. и др. Биометрия. 1982; Сидоренко Е.В. Методы математической обработки в психологии. 2002; и др.).

От многих животных человека отличает панмиктичность, вследствие чего многие его популяции отличаются крайне высокой степенью генетической гетерогенности (хотя в отдельных изолятах встречаются и исключения). На это накладывается полигенность контроля и трудность вычленения элементарных поведенческих признаков, а также их высокая изменяемость под действием средовых факторов. Все это накладывает дополнительные трудности при проведении психогенетических исследований. Несмотря на широкое использование генеалогического метода и семейного анализа при изучении наследования различных признаков у человека, для поведенческих признаков гораздо труднее дать определенный ответ из-за их подверженности средовым влияниям. Так, например, анализ родословных царствующих династий Европы может дать четкий ответ о наследовании одной из форм гемофилии или такого признака, как «габсбургская губа». В то же время наличие в семействе Бернулли 11 выдающихся математиков, а в семействе Бахов более 20 выдающихся музыкантов еще не позволяет утверждать, что их таланты генетически детерминированы.

Панмиксия –свобода (случайность) скрещиваний между животными. Применительно к человеку, панмиксия – это свобода (случайность в отношении генотипов) заключения браков. Современные данные свидетельствуют о влиянии генотипа человека на этот процесс.

Близнецы являются уникальной моделью для проведения генетических и психогенетических исследований на человеке. Это понял ещё сэр Ф.Гальтон, который стал разрабатывать теоретические основы использования близнецов для оценки силы влияния генов и среды на формирование различных признаков, в том числе одаренности.

Работы Ф. Гальтона и его последователей (Сименса, Фершуера, Заззо и др.) позволили разработать принципы близнецового метода, который позволяет оценивать вклад генотипа и среды в формировании признака (Рис. 20). С этой целью используют сопоставление изменчивости поведенческих признаков у монозиготных близнецов, выросших в одной или разных семьях (разлученные близнецы). Так как монозиготные (однояйцевые) близнецы являются генетически почти 100-процентно идентичными, все различия в их поведении могут быть объяснены влиянием среды. Если же анализируемый признак одинаков при внутрипарных сравнениях, то можно полагать, что он находится под жестким генетическим контролем.

Степень генетического родства братьев-сестер равна 50%, а в случайной выборке людей – крайне низка. Сопоставляя изменчивость по анализируемому признаку в группах людей с разной степенью родства в одинаковых и различающихся условиях среды, можно оценить долю наследственной детерминации признака и степень влияния на него окружающей среды (Н(heredity) и Е(environment) , Рис. 20).

В норме у человека рождается один ребенок, поэтому рождение близнецов может создавать определенные проблемы. Так, неспособность организма матери полностью обеспечить близнецов питательными веществами и кислородом может приводить к «конкуренции» между ними. В результате близнецы могут развиваться крайне неравномерно, например: один из них будет отставать в развитии. Известны случаи срастания близнецов между собой («сиамские» близнецы).

Среди различных форм влияния близнецов друг на друга (на всех стадиях онтогенеза с момента зачатия), особый интерес для психогенетических исследований могут представлять редкие случаи, когда разнояйцевые разнополые близнецы обмениваются клетками из-за образования сосудистых анастомозов между близнецами. В этих случаях в организме близнеца приживаются и развиваются клоны клеток противоположного пола. Нарушая ход нормального развития организма, эти клоны могут существенно влиять на физиологию и поведение такого «химерного» близнеца. В связи с особенностями процесса половой дифференцировки на ранних этапах эмбриогенеза, влияние мужских клеток в женском организме сказывается сильнее, приводя к морфологическим, физиологическим, поведенческим отклонениям и, в первую очередь, к нарушению репродуктивной функции.

Изучение близнецов у человека позволило получить множество ценных данных. Описаны труднообъяснимые случаи совпадения различных поведенческих особенностей у монозиготных близнецов, разлученных в раннем детстве и не встречавшихся друг с другом. В разных странах (в СССР, США и др.) были созданы институты гемеллологии (науки о близнецах), некоторые продолжают успешно работать и в настоящее время.

Практическое занятие 1.

Тема:«Применение методов классического генетического анализа и математической статистики в определении характера наследования некоторых признаков у человека».

Цель:Освоение генетической символики и использование методов анализа типов наследования одного - двух моногенных качественных признаков, несцепленных между собой, независимых или взаимодействующих друг с другом. Использование метода χ²для верификации выдвигаемых гипотез.

Вопросы занятия. В процессе занятия решаются задачи по наследованию моногенных, аутосомных, независимых и не сцепленных друг с другом признаков. Задачи на взаимодействие генов. Где необходимо, используются статистические методы анализа. Примеры задач приведены в разделе 11.1.

Практическое занятие 2.

Тема:«Применение близнецового метода в психогенетических исследованиях».

Цель:Анализ наследования признаков, сцепленных с полом. Знакомство с методами оценки силы влияния генов и среды на анализируемые качественные и количественные признаки с помощью близнецового метода. Анализ частот аллелей в популяциях.

Вопросы занятия. В процессе занятия решаются задачи по наследованию моногенных, сцепленных или не сцепленных с полом признаков. С использованием близнецового метода оценивается сила влияния генов и среды на изучаемые признаки. Анализируется также частота аллелей генов в популяциях. Где необходимо, используются статистические методы анализа. Примеры задач приведены в разделе 11.2.

Вопросы для самоконтроля:

1. Значение гибридологического анализа в психогенетических исследованиях на животных.

2. Анализ качественных и количественных признаков. Различия в методах.

3. Близнецовый метод в психогенетических исследованиях.

4. Значение панмиктичности в популяциях. Примеры популяций с разной степенью панмиксии. Их использование в психогенетических исследованиях.

5.Продемонстрируйте разный вклад наследственности и среды в формирование разных поведенческих признаков человека.