Количественные признаки в генетике поведения
Как уже упоминалось, огромное большинство признаков поведения характеризуется непрерывной изменчивостью, и подобные ряды нельзя подразделить на фенотипически дискретные классы. Такой характер фенотипической изменчивости можно объяснить одновременным действием большого числа генов в сочетании с фенотипическими отклонениями, которые вызываются влиянием средовых факторов.
В разделе, посвященном проблемам нейрогенеза (см.: 8.5.1), говорилось о компонентном составе фенотипической изменчивости в применении к проблеме относительной роли генотипа и среды при формировании признака. При оценке количественных признаков сформированного организма выступают сходные по структуре, но несколько иные по природе закономерности. Ниже будет дан их анализ.
Вклад генетической изменчивости в фенотипическую подразделяется на три части: аддитивные генетические эффекты, отклонения доминирования и эпистатические взаимодействия. Основная модель количественной генетики представлена на рис. 8.24.
Рис. 8.24. Схематическое изображение возможных эффектов действия одиночного гена, имеющего два аллеля. Параметр da -- величина, равная половине разницы между двумя гомозиготами; ha -- величина, на которую признак отклоняется у гетерозиготного генотипа от точки m, -- это средняя величин признака обоих родителей.
В генетике количественных признаков заглавными буквами обозначают усиливающие аллели, которые не обязательно доминантны. Таким образом, величина da положительна по определению, тогда как ha может принимать любые значения
Если мы возьмем инбредную линию, гомозиготную практически по всем локусам, поскольку она прошла много поколений братско-сестринских скрещиваний, то фенотипический признак, определяющийся большим числом генов, можно обозначить как m + (d+) + (d-) ; где (d+) -- суммарный эффект генов, представленных в данном фенотипе усиливающими аллелями; (d-) -- то же для ослабляющих аллелей; параметр m -- постоянная, которая отражает средние средовые эффекты, общие у двух сравниваемых линий, а также генетические эффекты для локусов, в которых сравниваемые линии имеют одинаковые аллели.
Различия в величине признака для двух инбредных линий будут выражаться как 2[(d+) + (d-)]; эту величину мы будем обозначать для краткости как 2[d]. Точно также величина признака у гибрида первого поколения выразится как m + (h+) + (h-), далее обозначается как m + [h].
Отметим, что А -- это суммарное, связанное с доминированием, отклонение для многих генов. Если эффекты этих генов противоположны по направлению, то [h] будет малым или равным нулю, даже если доминирование имеет место. То же относится и к [d]: даже когда у двух инбредных линий, несущих разные аллели в существенных для признака локусах, фенотип определяется аддитивными генетическими эффектами, межлинейные различия необязательно будут заметными. С другой стороны, у гибридов может возникнуть ситуация, когда две родительские линии имеют доминантные аллели, равно распределенные между ними. Тогда в случае направленного доминирования (т.е. когда все отклонения доминирования имеют одно направление) все гибриды будут обладать крайними значениями признака. Из-за этого фактическая величина [h] может оказаться больше, чем [d]. Это явление называется гетерозис.
Сложнее описать участие генотипа в определении изменчивости признака при эпистатических (т.е. межлокусных, или неаллельных) взаимодействиях. Этими терминами обозначают явления, когда эффекта разных генов не суммируются простым образом, а фенотипический эффект аллелей одного локуса зависит от генотипа другого локуса. Наиболее простой и известный пример эпистатического взаимодействия -- это взаимодействие локусов, влияющих на окраску шерсти у мышей. Например, локус b определяет черный или коричневый цвет шерсти. Однако, если мыши гомозиготны по локусу альбинизма с, то пигмент просто не образуется и никакие аллельные замены в локусе b ничего изменить не смогут, Эпистатические взаимодействия элементов полигенной системы настолько сложны, что ее точное описание невозможно, Для простоты описания обычно постулируется отсутствие значимых межаллельных взаимодействий. Более подробное знакомство с методами генетики количественных признаков помогает в оценке результатов генетических исследований признаков поведения и позволяет построить модели, которые описывают достаточно сложные генетические феномеиы, такие как, например, плейотропия.
Важным понятием в генетике количественных признаков является также наследуемость "в узком" и "в широком" смысле. Наследуемость в узком смысле определяют как долю всей фенотипической дисперсии, которая определяется генами с аддитивными эффектами. Наследуемость в широком смысле -- это доля всей генетической изменчивости в фенотипической.
Из этих определений следует, что величина наследуемости зависит от генетических особенностей особей изучаемой популяции, от средовых условий, а также от степени точности, с которой определяется фенотип.
Можно кратко проанализировать случай, когда необходимо оценить корреляцию между двумя признаками, каждый из которых находится частично под контролем общих генов. Иными словами, в данном случае нас больше интересует ковариация между признаками, чем просто их изменчивость. Фенотипическая коварианса двух признаков имеет генетическую и средовую составляющие. В свою очередь генетическая составляющая может быть подразделена на компоненты, связанные с аддитивным эффектом и с эффектом доминирования.
Если мы определили величины генетических коварианс и дисперсий (варианс), то вслед за этим можно вычислить генетическую корреляцию между признаками. Отметим, что подобные расчеты проводятся на основе математических моделей со значительным числом допущений (например, об отсутствии неравновесия при сцеплении см.: Айала, 1988). Если фенотипические корреляции между признаками могут оказаться следствием целого ряда случайностей и/или побочных эффектов, то генетические корреляции отражают реальное существование "общего пути" в формировании двух признаков, иными словами, реальное существование общих генов, которые детерминируют интересующие нас признаки.
Фенотипическая изменчивость есть не только сумма эффектов изменчивости генотипа и среды, она включает в себя также величину, связанную со взаимодействием этих факторов. На основе этого соотношения были разработаны методы оценки наследуемости, степени доминирования аллелей, а также так называемые многопараметрические статистические методы в применении к генетике количественных признаков (см.: Мазер, Джинкс, 1985; Crusio, 1992).
Для популяционной генетики, этологии и общей биологии генетика количественных признаков важна как способ оценки так называемой "генетической архитектуры признака". При анализе поведения животных исследователь, как говорилось выше, руководствуется одним из четырех основных вопросов, которые в наиболее четкой форме были сформулированы Тинбергеном (Tinbergen, 1963).
Два из них относятся к "непосредственным причинам" наличия данного признака в репертуаре поведения, т.е. к его нейрофизиологическим механизмам и/или его развитию в онтогенезе, два других касаются: один -- функциональной значимости признака в настоящий момент, т.е. его адаптивной роли, а другой -- его роли в процессе эволюции вида, т.е. в филогенетическом аспекте. Два вопроса "функциональной" группы часто называют анализом причин (causation) данного поведения в филогенетическом и феногенетическом аспектах. Генетическую архитектуру признака поведения также можно рассмотреть с этих позиций.
Филогенетический аспект. Как правило, для подобного анализа необходима информация о составе генетической изменчивости. В соответствии с генетической теорией естественного отбора (Fisher, 1958; Айала, 1988) отбор на высокие величины какого-либо признака имеет результатом низкий уровень его аддитивной генетической изменчивости и большую величину генетической изменчивости, связанной с доминированием. Для подобных признаков величина наследуемости в узком смысле бывает невысокой, в отличие от значительной наследуемости (в широком смысле).
В случае стабилизирующего отбора, т.е. отбора на средние значения признака, его генетическая архитектура будет характеризоваться большой величиной аддитивного компонента изменчивости (дисперсии) и либо отсутствием доминирования, либо двусторонним доминированием.
Наследуемость в узком смысле будет в таких случаях высокой, а доминирование -- относительно малым.
Оценка признака поведения в условиях лабораторных тестов зависит, как правило, от многих переменных (не имеющих, разумеется, экологической ценности). Они могут дать некую величину аддитивной изменчивости, что, однако, ни в какой мере не может быть индикатором какой бы то ни было адаптивной значимости признака (как это принято считать для "естественных" нелабораторных признаков).
В этом отношении интересны данные американского исследователя Н.Хендерсона (Henderson, 1978). Уровень двигательной активности 12-дневных мышат разных генотипов он оценивал в двух ситуациях: при помещении мышонка в установку "открытое поле", т.е. в типичном лабораторном тесте, и при "возвращении" вынутого из гнезда детеныша назад, в привычные комфортные условия. Оказалось, что аддитивная компонента дисперсии признака "уровень двигательной активности", т.е. быстроты перемещения животного, была высокой в первом, и низкой -- во втором случае. Двигательная активность животного в разных условиях контролируется разными физиологическими механизмами. Возвращение мышонка в гнездо -- реакция с четкой адаптивной функцией. Низкие величины аддитивного компонента дисперсии этого признака свидетельствуют о том, что формирование его в ходе эволюции происходило с отбором на крайние значения (большую скорость перемещения). В то же время "активность в открытом поле" (т.е. выполнение практически тех же движений, но, видимо, с иным мотивационным фоном) имеет другую генетическую архитектуру с большой величиной аддитивной компоненты дисперсии. Возможно, что последние результаты связаны с неадекватным характером теста "открытое поле" для детенышей столь раннего возраста.
В этом контексте следует упомянуть еще об одном понятии, которое часто используется при обсуждении адаптивной и/или функциональной роли признака -- о так называемой приспособленности организма, т.е. о его способности выжить и оставить способное к размножению потомство.
Признаки, имеющие высокую величину компоненты доминирования в величине общей генетической дисперсии, связаны с приспособленностью.
Естественный отбор благоприятствовал сохранению особей с наибольшими величинами такого признака. В то же время затруднительно делать подобные выводы о признаках с двусторонним доминированием, т.е. о тех, у которых предположительно был отбор на средние значения. В таких случаях наиболее благоприятными для выживания могли оказаться средние значения признака. Очевидно, что разделение признаков, влияющих и не влияющих на приспособленность, достаточно условно, поскольку базируется на результатах вычислений с целым рядом допущений.
Феногенетический аспект. Этот подход мы обозначили выше как путь "от гена к признаку". В его рамках проводятся исследования корреляций между поведением и физиологическими, нейроанатомическими и нейрохимическими переменными, которые могут пролить свет на происхождение этих связей (см.: 8.6.7.2).
Метод выявления генетических корреляций позволяет обнаружить совместное варьирование генетических эффектов. Такие корреляции выражают либо плейотропные эффекты (см.: 8.2.2), либо так называемое неравновесие, или неравновесность, по сцеплению*) (linkage disequilibria; см.: Айала, Кайгер. 1988). Если для анализа генетических корреляций выбирать неродственные между собой группы, например инбредные линии разного происхождения, то вероятность неравновесности по сцеплению будет невелика, поскольку, если у них и существуют "коадаптированные локусы", у гибридов они не сохранятся. В этом случае генетическая корреляция между двумя признаками будет свидетельствовать о том, что, по меньшей мере, часть пути "от гена к признаку" для этих двух признаков оказывается общей.
Это делает достаточно высокой вероятность существования между ними функциональной связи. Напомним, что наличие фенотипической корреляции между признаками еще не может быть указанием на общность их генетической детерминации (см.: 8.6.1). Корреляционные решетки, полученные для величин генетических корреляций, можно далее анализировать с использованием стандартных многопараметрических методов, например факторного анализа.
Конкретные методы оценки состава генетической изменчивости и величин наследуемости достаточно многочисленны, и рассмотреть их здесь не представляется возможным (см.: Эрман и Парсонс, 1984; Мазер, Джинкс, 1985). Наряду с определением регрессии родители--потомки, а также селекции линий на разные величины признака, в генетике поведения большое распространение получили методы анализа инбредных линий. Один из таких методов -- так называемое диаллельное скрещивание.