Эффект бутылочного горлышка - описание, история и применение

Эволюционный процесс абсолютно любого живого вида на нашей планете проходил как стадии расцвета и повышения численности его популяций, так и сокращение числа экземпляров до нескольких тысяч, сотен и менее. В последнем случае принято говорить об эффекте бутылочного горлышка. Рассмотрим подробнее, что это означает.

В чем суть эффекта бутылочного горлышка?

Представим себе, что существует некоторый вид живого существа, который представлен сотней тысячей или даже несколькими миллионами экземпляров. В такой огромной популяции можно найти самые разные признаки среди индивидуумов этого вида. Например, будут особи с белой, черной, коричневой, пятнистой окраской; большие, маленькие и средних размеров индивидуумы; одни будут быстрыми, другие - медленными, у одних будут длинные конечности, другие же будут отличаться большим размером глаз. Этот список качеств и признаков можно долго продолжать. Вывод напрашивается один: в популяции с большим числом особей велико разнообразие генетической информации, то есть генофонд является богатым.

Теперь представим, что произошел некоторый катаклизм, который привел к резкому вымиранию этого вида. В результате из миллиона особей осталось лишь несколько десятков или сотен. Естественно, что генетическое разнообразие будет утрачено. Выжившие особи являются носителем лишь нескольких различных аллелей, из которых и будут формироваться последующие поколения. Такое сокращение генофонда - эффект бутылочного горлышка. Ситуация буквально похожа на то, что будто из большого разнообразия цветных шариков, присутствующих в бутылке, высыпали через узкое горлышко лишь некоторые из них.

Эффект основателя

То число особей, которое выжило, пройдя через этап "бутылочного горлышка", дает начало новым поколениям. По отношению к ним это редуцированное число индивидуумов является основателем, или родительской популяцией.

Если число особей вида сократилось до 10 и менее, тогда говорят об экстремальном эффекте основателя. В этом случае в генофонде последующих поколений практически не будет никакого разнообразия аллелей, и одинаковые морфологические признаки будут встречаться достаточно часто.

Таким образом, эффекты основателя и бутылочного горлышка связаны друг с другом в одну эволюционную цепочку: первый следует за вторым.

К чему приводят эти эффекты?

Иными словами, сокращение генофонда - это хорошо или плохо? Ответить на этот вопрос не так просто, как кажется на первый взгляд. Приведем положительные и отрицательные стороны, которые следуют из определения эффекта бутылочного горлышка, то есть из сокращения генетического разнообразия у данного вида:

• Плюсы. У последующих популяций закрепляются конкретные признаки и мутации, которые могут оказаться полезными для особей в данной окружающей среде.
• Минусы. Низкий уровень генетического разнообразия ведет к снижению способности вида приспосабливаться к изменениям окружающей среды, то есть делает его уязвимым. Кроме того, у особей часто начинают встречаться дефекты, которые передаются по наследству.

Пример с гепардом

Ярким примером эффекта бутылочного горлышка, который вызван эволюционным отбором, является современный гепард. До того как произошло глобальное обледенение нашей планеты (Четвертичный период), на территории Африки, Евразии и Северной Америки существовало несколько видов гепардов, которые сильно отличались от современного как размерами, так и скоростными способностями. По некоторым оценкам, общая численность гепардов на планете могла достигать сотен тысяч особей.

Во время Четвертичного периода, когда пища стала менее доступной, произошла массовая смертность многих видов живых существ, в том числе и гепардов. Полагают, что численность последних могла составить всего несколько сотен особей. Причем выживали только самые быстрые и имеющие небольшие размеры экземпляры, то есть произошел эффект бутылочного горлышка для гепардов.

В настоящее время гепард - это млекопитающее с чрезвычайно низким генетическим разнообразием. Эти звери слабо устойчивы к разного рода болезням, а всякие попытки имплантации им органов заканчиваются провалом. Организм гепарда практически не способен адаптироваться к изменениям в окружающей среде.

Искусственное сокращение численности популяции

Исходя из названия, этот эффект бутылочного горлышка вызван уже вмешательством человека в природу. Примеров можно привести несколько:

• Северные морские слоны. В результате активной охоты и истребления этих животных в конце XIX века из 150 тысяч осталось лишь 20 особей.
• Европейские и американские бизоны. Европейских бизонов в начале XX века насчитывалось всего 12 особей (из 3600), а американских - 750 (из 370 тысяч).
• Гигантские черепахи Галапагосских островов.

Отметим, что применение этот эффект находит и в селекции новых подвидов растений и животных, с целью закрепления выгодных человеку признаков.

Может ли восстановиться генетическое разнообразие?

Ответ на этот вопрос является положительным. Да, может, но для этого необходимо создать соответствующие условия. Даже когда родительская группа особей была незначительной, и в прошлом наблюдался сильный эффект бутылочного горлышка, генетическое разнообразие может быть восстановлено в ходе длительного последующего эволюционного процесса.

Для этого окружающая среда должна предоставлять различные ниши для обитания данного вида, то есть среда сама должна быть разнообразной. Тогда, приспосабливаясь к новым условиям и накапливая постепенно новые мутации, вид может восстановить свой генофонд.

Что можно сказать об эволюции человека?

Различные катаклизмы известной нам истории постоянно уносили десятки и сотни тысяч человеческих жизней, что создавало эффект бутылочного горлышка для Homo Sapiens и других видов человека. Приведем некоторые примеры:

• 75 тыс. лет назад в Индонезии взорвался супервулкан Тоба. Его сила взрыва оценивается как таковая у 3000 вулканов Святой Елены! По некоторым предположениям, это извержение могло сократить численность разных видов людей до нескольких тысяч особей на всей Земле.
• В Средние века около 1/3 населения Европы умерло в результате черной чумы.
• Во время колонизации европейцами Нового Света в конце XV - первой половины XVI веках было уничтожено около 90% коренного населения.
• В 1783 году в Исландии произошел взрыв вулкана Лаки. Впоследствии к нему добавились голод и болезни, в результате чего погибло около 20% населения острова.

Что касается современной ситуации с человеком, то его генетическое разнообразие является достаточно большим, поскольку население планеты составляет около 7,5 млрд и распределено оно по всей территории Земли (разные условия среды обитания).