Hardy-Weinbergovo načelo lahko vzporejamo Newtonovemu zakonu o inerciji mas, saj s svojo konservativnostjo alelnih frekvenc zavira mikroevolucijo. Neizpolnitev že enega od njegovih pogojev načeloma rezultira v spreminjanju alelnih frekvenc ali vsaj razmerij med genotipi (pri parjenju v sorodstvu) in s tem v evoluciji populacije.
Če odstopa populacija v pogoju naključnosti paritev med člani populacije, se pojavi parjenje v sorodstvu, ki ga bomo obravnavali v nadaljevanju, lahko pa tudi drugačno nenaključno parjenje (spolna selekcija). Vse populacije odstopajo od pogoja velikosti, pa čeprav ne vse enako — ker niso neskončne — tedaj dobimo evolucijski dejavnik z imenom genetski drs, lahko pa tudi pojav z imenom ustanoviteljev učinek. Poleg tega populacije skoraj nikoli niso povsem zaključene, imamo torej opraviti z migracijo, ki spet načeloma spreminja frekvence alelov v okviru genskega sklada dane populacije.
Najpogostejše odstopanje se kaže v dejstvu, da so zaradi omejenosti disperzije osebkov po geografskem prostoru bolj verjetne paritve med bolj sorodnimi osebki. Pri tem seveda ne mislimo v vsakem primeru in pri vseh živih vrstah čisto premega sorazmerja med stopnjo sorodstva med predstavnikoma enega in drugega spola ter na drugi strani verjetnostjo za njuno paritev — zlasti če imamo v mislih najbolj tesno sorodstvo med osebki. Poznamo namreč fiziološke, etološke in socialne mehanizme, ki precej dosledno preprečujejo pojav incesta; pa naj se to nanaša na živali ali na ljudi.
Resnično panmiktične species, se pravi tiste, ki so, prvič, kozmopolitsko razprostranjene po planetu in se, drugič, parijo zares po naključnem izboru, tako da geografska razdalja med njihovimi habitati nima nobene vloge — so velika redkost. To merilo bi utegnila izpolnjevati jegulja (Anguilla rostrata) — za katero vemo, da se prihaja drstit v Sargaško morje ne glede na to, na katerem koncu sveta sicer prebiva. Za večino drugih vrst pa velja, da so razdeljene na lokalne paritvene populacije. V njih lahko obstaja večji ali manjši pretok genov, se torej bolj ali manj mešajo z imigranti, ki prihajajo iz drugih populacij, oziroma tudi same oddajajo del svojega genskega sklada skozi emigrante v druge populacije. Poleg tega je lokalna populacija lahko panmiktična — to v tem ožjem smislu pomeni, da so vse paritve med njenimi člani naključne; ali pa obstaja v njej parjenje v sorodstvu.
Za populacijo rečemo, da je sokrvna, kadar je — pač do neke mere — produkt parjenja v sorodstvu, ali z drugimi besedami: če je verjetnost, da potomci podedujejo dve genski kopiji skupnega izvora, večja, kot bi jo pričakovali v primeru naključnega parjenja znotraj dane populacije. To verjetnost imenujemo koeficient sokrvja (angl.: inbreeding coefficient), ki ga označujemo z F in predstavlja povprečje vseh individualnih koeficientov sokrvja v dani populaciji.
Najskrajnejša oblika sokrvja se pojavi pri samooplojevanju (avtogamiji), ponavljajočem se veliko generacij. Povprečni koeficient sokrvja se lahko razteza od 0 do 1 — v slednjem primeru bi bili vsi individuumi določene populacije homozigotni za alele, ki so skupnega izvora — takim homozigotnim osebkom rečemo avtozigoti. Na drugi strani namreč obstajajo tudi drugovrstni homozigoti, katerih kopiji sta — po definiciji homozigotnosti — še vedno enaki, nista pa skupnega izvora — in ti osebki se imenujejo alozigoti[1]. Na tem mestu je treba pojasniti tole navidezno nedorečenost. Če namreč upoštevamo bolj ali manj že sprejeto hipotezo o skupnem izvoru vseh živih bitij našega planeta — katere močno potrditev predstavlja zlasti skoraj univerzalni genetski kod pri vseh oblikah življenja na Zemlji — pridemo do ugotovitve, da so pač vse današnje replike nekega gena[2] potomke skupne prednice. Še več, celo tisočere izmed mutiranih sekvenc, ki danes predstavljajo raznovrstne alele nekega lokusa ali nemara tudi različnih lokusov nekega genoma, so potomke ene same nekoč obstoječe sekvence.
Koeficienta sokrvja ni mogoče ocenjevati le v populaciji, ampak tudi pri kateremkoli posamezniku. Tu ga definiramo kot verjetnost, da dva alela, ki sta se združila v zigoti, iz katere je nastal dani osebek, oba izhajata iz prednika, ki je bil skupen njegovima staršema. Koeficient sokrvja pri poljubnem individuumu je tako enak koeficientu sorodstva njegovih staršev (angl.: coefficient of consanguinity). Koeficient sorodstva med dvema osebkoma, potencialnima staršema, je verjetnost, da sta dva naključno vzeta gena z enega od lokusov, po en gen pri vsakem od njiju, skupnega izvora — oziroma da bo njun eventualni potomec na tem lokusu avtozigot. Vzeto v širšem smislu obstajajo koeficienti sorodstva tudi med vsemi drugimi pari v populaciji, četudi ne gre za potencialne starše — še zlasti izrazito je to, če govorimo o dveh istospolnih individuumih. S tem dobimo dejansko koeficient sorodstva v širše uporabnem smislu (angl.: coefficient of relationship ali index of relatedness), ki ga označujemo s črko r. Za človeško vrsto velja na splošno podatek, da sta si potomca iz četrte generacije nekega skupnega prednika že sorodstveno tako daleč narazen kot katerakoli dva naključno vzeta človeka z našega planeta.
Parjenje v sorodstvu, če govorimo o velikih populacijah, samo po sebi ne spreminja frekvenc alelov, pač pa zvišuje delež homozigotov. V povsem sokrvni populaciji je frekvenca genotipa AA = A = p, frekvenca genotipa A'A' = A' = q, heterozigotov pa sploh ni. Na hitrost padca heterozigotnosti v populaciji vpliva sam sistem parjenja v sorodstvu — najhitrejši padec opažamo pri samooploditvi — tu je frekvenca heterozigotov z vsako novo generacijo manjša za polovico; nekoliko počasnejši je ta padec pri paritvah med brati in sestrami, še nižji pri paritvah med bratranci in sestričnami — in tako naprej.
Koeficient sokrvja v populaciji (F) lahko — če gre za urejene in poštene razmere — ocenimo neposredno iz rodovnikov. V nasprotnem primeru pa ga je treba izračunati po posredni poti, in sicer iz frekvenc alelov na enem ali več lokusih:
En. 1-A HF = 2pq (1 - F) oziroma: F = (H0 - HF) / H0
H0 je pri tem delež heterozigotov v populaciji, kot bi ga pričakovali v primeru naključnih paritev (= 2pq), HF pa dejenski, empirično ugotovljeni delež heterozigotov v populaciji. F je torej delež odstopanja genotipov od idealnega H.-W. deleža.
Vzporedno s padcem heterozigotnosti v sokrvnih populacijah se pojavlja tudi tale pojav: vezavno neravnovesje med lokusi se v takih populacijah izgublja počasneje, kajti rekombinacija med lokusi je mogoča edinole pri heterozigotih — ravno teh pa v takih populacijah progresivno zmanjkuje.
Parjenje v sorodstvu samo po sebi — na prvi pogled paradoksalno — celo povečuje fenotipsko variabilnost, merjeno z varianco — če fenotip heterozigota seveda ni zunaj območja vrednosti dane lastnosti, razpete med obema homozigotoma. Vzrok je pač ta, da z izločanjem heterozigotov, se pravi tistih z bolj ali manj srednjimi vrednostmi pri lastnostih, v populaciji ostaja večji delež homozigotov, ki pa so nosilci bolj skrajnih fenotipov. Varianca v povsem sokrvni populaciji je natanko dvakrat večja od tiste, ki bi jo izračunali za populacijo, v kateri so paritve docela naključne. Če bi veljali le aditivni učinki genov, bi torej fenotipska varianca naraščala sorazmerno s stopnjo sokrvja.
Poleg tega se v zvezi s parjenjem v sorodstvu zgodi tudi to, da zmogljivost povprečnega fenotipa za poljubno lastnost v populaciji upada — vendar je pri tem pogoj, da so osebki z največjo vrednostjo lastnosti dominantni homozigoti, ali da so naddominantni heterozigoti. Ta padec, ki je sorazmeren s stopnjo sokrvja v populaciji, se imenuje sokrvnostna depresija (angl.: inbreeding depression) in ga načelno pripisujejo povečanju frekvence homozigotov za škodljive recesivne alele. Gre za znan in tudi že tu omenjeni pojav, ki so ga opazovali tako pri laboratorijskih populacijah podgan, pri žitih, kot pri človeku in drugih živih bitjih — pri katerem v primeru parjenja v sorodstvu drastično upadeta plodnost in preživetvena sposobnost. Tudi pri tistih rastlinah, ki imajo obe obliki razmnoževanja — samooploditev in spolno obliko, pogosto velja, da so potomci samooploditev za več kot pol manj sposobni od onih drugih. Torej gre pri tej posledici parjenja v sorodstvu tudi za spreminjanje alelnih frekvenc, čeprav se v bistvu spreminja le razmerje med genotipi. Parjenje v sorodstvu je torej tudi povsem evolucijski dejavnik.
Nasprotno načelo od parjenja v sorodstvu je parjenje med nesorodniki (angl.: outbreeding). Po pričakovanju so tudi njegovi učinki nasprotni. S tem ko zakriva recesivne škodljive alele, povečuje vrednost povprečja za določeno koristno lastnost v populaciji. Ta pojav se imenuje heteroza. Ob primerjavi obeh paritvenih načel vidimo, da bi morale biti v sokrvnih populacijah frekvence škodljivih alelov manjše, kajti tam je njihova eliminacija učinkovitejša in hitrejša. V populaciji, ki se sprva pari naključno in nato preide na parjenje v sorodstvu, bi na začetku te druge faze ugotovili precejšnjo sokrvnostno depresijo, pozneje pa se visoka povprečna sposobnost povrne — oziroma se ta sposobnost spričo odstranjenosti nekaterih škodljivih recesivnih alelov poveča tudi glede na tisto razmeroma visoko prvotno sposobnost. V taki populaciji je manj genetične variabilnosti kot v tistih populacijah, kjer vlada naključno parjenje — in sicer je to posledica kombiniranega delovanja sokrvja in naravne slekcije.
Pogostost sokrvja v naravnih populacijah zelo niha. Skrajna oblika, ki izhaja iz samooploditve, je pri živalih sila redek pojav, kakršnega najdemo na primer pri nekaterih dvospolnih endoparazitih; pri veliki večini zunaj živečih hermafroditskih živalskih organizmov, kot so polži nekaterih vrst, pa se pojavlja vzajemna inseminacija dveh osebkov. Zato pa lahko tako pri živalih kot pri rastlinah prihaja do sokrvja po paritvah med sorodniki. Dodatni faktor, ki deluje še posebno izrazito pri višjih rastlinah, je razdalja, do katere lahko potuje cvetni prah oziroma seme. S svojo vlogo omejitvenega dejavnika pri razpršitvi genov postaja dejavnik, ki povečuje sokrvje. Poleg tega pa je pri rastlinah veliko tudi že same dvospolnosti in posledičnega samooplojevanja. Cvetovi ene rastline so lahko nemara celo diferencirani med seboj — razdelitev na moške in ženske cvetove obstaja na primer pri koruzi — a kadar pride do samooploditve, je v genetičnem smislu učinek enak, kot bi bil pri samooploditvi znotraj enega cveta. Vendar pa obstajajo tudi načini za preprečevanje samooploditve — veliko je rastlin, pri katerih se začne sprejemljivost pestičev za prah šele po tistem, ko je lastni cvetni prah že razpršen. Mnoge rastline so tudi sicer avtoinkompatibilne, in sicer zaradi antagonističnega vpliva različnih alelov na sprejemljivost pestiča za oploditev s cvetnim prahom iste rastline.
Nobena od stvarnih populacij ni neskončna, zato lahko v vsaki zasledimo določeno stopnjo sokrvja. Če so vse paritve v populaciji velikosti N s samooploditvijo vred enako verjetne, je v generaciji t verjetnost za srečanje gena s svojo repliko, ki je z njim skupnega izvora: 1/(2N). Verjetnost za srečanje z repliko, ki ni skupnega izvora z njim, pa je 1 - 1/(2N). To pa drži le, če niso starši (generacija t - 1) že sami sokrvni (Ft-1 = 0). Če so, je v generaciji t povprečni koeficient sokrvja:
En. 1-B Ft = 1/(2N) + (1 - 1/(2N))Ft-1
Tako torej velja, da vsaka populacija, ki ni neskončno velika, postaja s časom vse bolj sokrvna. Delež heterozigotov upade v vsaki generaciji za 1/(2N):
En. 1-C Ht = H0 (1 - 1/(2N))t oziroma Ht = H0 (1 - 1/(2N))Ht-1
V populaciji se heterozigotnosti lahko zmanjša tudi zaradi neenakih razmerij med aleli po podpopulacijah. Oglejmo si zgled. Celotna populacija, sestavljena iz dveh podpopulacij ima, 50 % alela A. Če je frekvenca alela A pri prvi od obeh 10 % in pri drugi 90 %, potem je po Hardy-Weinbergovem načelu homozigotov v prvi 1 % in pri drugi 81 %. Če zdaj to spovprečimo, dobimo za celo populacijo tole frekvenco homozigotov: (1+81)/2 = 0,41 oziroma 41 %. Hkrati pa bi po Hardy-Weinbergovem načelu smeli pričakovati le p2, to je 25 %. Razlika med pričakovanim in dejanskim deležem homozigotov tu ne gre na račun parjenja v sorodstvu, temveč na račun neenakih razmerij med aleli po podpopulacijah. Pri izračunavanju F moramo torej vedno upoštevati delitev populacije na morebitne podpopulacije.
Ob koncu obravnavanja sokrvja si oglejmo še eno odstopanje od predpostavke o naključnosti paritev. Sokrvje vpliva na frekvence alelov na vseh lokusih enako. Obstajajo pa tudi druge nenaključne oblike paritev, kjer se slednje navežejo na eno ali več obstoječih fenotipskih lastnosti. Tako je paritveni uspeh odvisen od fenotipa na primer pri spolni selekciji — ponavadi gre pri tem za fenotip samca. Včasih je izbira partnerja obratnosorazmerna s frekvenco njegovega fenotipa v siceršnji populaciji — tisti, ki so redki, so bolj iskani. Še večkrat pa se zgodi, da vodi drastično odstopanje od splošnega vzorca v neuspeh. Obstaja tudi oblika izbirnega parjenja (angl.: assortative mating), kjer igra najpomembnejšo vlogo medsebojna fenotipska podobnost samcev in samic — podobni se rajši najdejo med seboj. Tak primer na stopnji signifikantne verjetnosti je ugotovljen pri človeku: v Ameriki se visoki ljudje rajši poiščejo med seboj. Če je to izbirno ali asortativno parjenje popolno, pa imamo opraviti že z novo species. O spolni selekciji bomo podrobneje spregovorili v poglavju o selekciji.
Genske replike, ki obstajajo danes, so le vzorec tistih iz prejšnjih generacij To se dogaja deloma zaradi naravnega izbora (s čimer se za zdaj ne bomo ukvarjali), deloma pa zaradi vsakokratnega učinka naključja na izbor alelov, ki pridejo v naslednjo generacijo. Drugače povedano — medgeneracijske razlike v frekvencah alelov nastajajo že same zaradi statistične verjetnosti, ki se izraža v izboru alelov. V manjši populaciji z dvema aleloma (npr. A in A’) se tako lahko zgolj po naključju zgodi, da se v gamete, ki vstopajo v razmoževanje, vključi le alel A’ — alel A je od tega trenutka naprej v populaciji izgubljen, za alel A’, ki zdaj nima več “konkurenta”, pa pravimo, da se je utrdil ali fiksiral. Ta pojav imenujemo naključni genetski drs (angl.: random genetic drift).
Ta pojav dolgoročno zmanjšuje variabilnost v populaciji, saj se prej ali slej eden od alelov fiksira. V vmesnem času, pred fiksacijo, ko se genetski drs odvija, pa ni nujno, da se variabilnost le zmanjšuje; v določenem obdobju se nujno celo povečuje, ko sta na primer oba alela — novi in stari — okoli polovične frekvence. Toda padec heterozigotnosti zaradi genetskega drsa je drugačne vrste kot tisti, ki nastaja zaradi parjenja v sorodstvu. Pri slednjem ostajajo frekvence genov enake, v tukajšnjem primeru pa se te spreminjajo. Če si ogledamo pojav iz matematičnega zornega kota in vzamemo iz neskončne populacije naključni vzorec 2N gamet, iz katerih se oblikuje naslednja generacija preživelih potomcev, je verjetnost, da bo med njimi natanko i genov tipa A, takšna:
En. 1-D Pi = ((2N)! / i!.(2N - i)!).piq2N-i
Če zdaj vzamemo za zgled zelo majhno populacijo, ki jo sestavlja le pet diploidnih osebkov, in se vprašamo, kakšna je verjetnost, da se bosta frekvenci alelov A in A', ki sta sprva enaki, ohranili tudi v nadaljnjih generacijah z enakim številom predstavnikov, z uporabo zgornje formule dobimo tele rezultate. Le 25 % verjetnosti je, da ostane frekvenca 50 %, ki velja za vsakega od obeh alelov, nespremenjena v drugi generaciji. V tretji generaciji je ta verjetnost 18 % in po desetih generacijah le še 5 %. S tem smo ponazorili kumulativno vedenje naključnega genetskega drsa.
Ob dolgem trajanju genetskega drsa se variabilnost med populacijami[3] povečuje. Sčasoma zavzamejo različne populacije vse vmesne stopnje frekvenc nekega alela — od 0 do 1. Kot smo že videli, v prvem od obeh skrajnih primerov govorimo o izgubi alela, v drugem pa o njegovi utrditvi ali fiksaciji. Pri utrditvi enega alela postane populacija na tem lokusu monomorfna. Če je čas, v katerem se ti dogodki odvijajo, dovolj dolg, se nekoč, sicer veliko pozneje, naposled pripeti, da vse populacije zapadejo v eno ali drugo skrajnost — v vsakem primeru pa se eden od alelov fiksira. Verjetnost za fiksacijo selekcijsko nevtralnega alela je natanko tolikšna, kolikor znaša njegova začetna frekvenca oziroma frekvenca mutacije zanj. Kar pa zadeva hitrost procesa fiksacije, je ta toliko večja, kolikor manjša je populacija. Če si to ogledamo na primeru, potem vidimo, da je pri majhni populaciji z Ne=10 in z dvema aleloma A1 in A2 v razmerju 3:7, že po petih generacijah okoli 10 % verjetnost za izgubo alela A1, po dvajsetih generacijah je ta verjetnost že okoli 46 %, za njegovo fiksacijo pa okoli 10 %. Po sto generacijah je verjetnost za izgubo skoraj 70 %, za fiksacijo pa 30 %, torej v skladu z začetno frekvenco.
Genetski drs prinaša torej dve zelo pomembni posledici: variabilnost znotraj same populacije se dolgoročno izgublja, na drugi strani pa nastaja progresivna genetska divergenca med populacijami. In vse to je treba pripisati zgolj čistemu naključju.
Geni, ki mutirajo, se ne štejejo več, kot da so identičnega izvora, četudi de facto so. Mutacije, vzete same zase, so po stališčih večine neodarvinistov zelo šibka sila v evoluciji. Če bi se vse skupaj namreč začenjalo in končevalo le pri njih samih, bi stalno dobivali najrazličnejše nove alele, ki bi se nato bodisi izgubljali bodisi postopoma fiksirali — pač glede na verjetnost 1/(2N)[4]. Tistim alelom, ki se fiksirajo, je mogoče določiti povprečni fiksacijski čas, in ta znaša okrog 4N generacij.
Rekli smo že, da je moč genetskega drsa odvisna od velikosti populacije. Dejansko tu ne gre za populacijo v smislu vseh njenih osebkov na teritoriju (N), temveč je mišljena le t. i. efektivna velikost populacije (NE). Število posameznikov, s katerimi se osebek potencialno lahko pari po načelu naključnosti, je:
En. 1-E
Nn
= 4ps2D
s = standardna deviacija razdalj med rojstnim krajem osebkov in
njihovih
potomcev; D = gostota naseljenosti (število osebkov na
površino).
NE je tisti del članov populacije, ki dejansko sodeluje pri reprodukciji. Nekateri so namreč zaradi svoje mladosti še pred to fazo, drugi so že iz nje, tretji pa ne sodelujejo pri paritvah zaradi kakšnega tretjega razloga — na primer zaradi inkompetentnosti. Pri človeku so po tem merilu ugotavljali vrednost, ki je nekoliko večja kot N/3. V literaturi pa obstaja tudi drugačen način izračunavanja tega parametra, in ta ne upošteva trenutne neaktivnosti premladih in prestarih — v tem primeru pa je ta vrednost pri človeku blizu 3/4 N.
NE je manjša od N tudi tedaj, kadar je znotraj populacije neenako število samcev in samic, ki sodelujejo v reprodukciji. Ta pojav lahko povzročajo različni načini reprodukcije, ki vladajo pri različnih živalskih vrstah. Pri nekaterih morskih sesalcih, na primer pri morskem levu, obstaja sistem poligamije, natančneje poliginije, pri čemer je peščica najmočnejših samcev lastnikov haremov, drugi samci, in teh je velika večina, pa sploh ne pridejo do samic. Pri nekaterih žuželkah, ki žive v skupnostih — na primer mravljah ali čebelah, pa je samica tista, ki se pari z več samci. Ta obrnjeni pojav se imenuje poliandrija. Tudi to je ekskluzivizem — le da je ta še večji kot pri morskih levih: tu se pari celo samo ena predstavnica svojega spola, povrhu tega pa so druge samice, delavke, tudi fiziološko predeterminirane za povsem drugačne funkcije. Efektivno velikost populacije v vseh takih in podobnih primerih izračunavamo po formuli:
En. 1-F NE = 4NmNf/(Nm + Nf)
Nm: število samcev, ki se dejansko parijo; Nf: število samic, ki se dejansko parijo
V ekstremnem primeru, ko so znotraj populacije, v kateri je razmerje spolov sicer uravnoteženo, pri paritvah udeleženi vsi predstavniki enega spola (N/2) in le en sam predstavnik drugega spola, velja:
En. 1-G NE = 2N/(1+N/2)
Če je tu N bistveno večji od 1, je NE vselej 4 (torej zelo malo), ne glede na velikost populacije. Ta formula pa kaže še na nekaj drugega: da je NE vselej manjša, lahko tudi bistveno manjša, od N, kadarkoli števili samcev in samic v populaciji nista vsaj približno izenačeni. Vse to je samo specialna oblika splošne zakonitosti, po kateri velja, da kolikor nekateri posamezniki puščajo za seboj več potomcev kot drugi, toliko prihodnje generacije izhajajo iz razmeroma majhnega števila prednikov. Če je k srednja vrednost za število potomcev posameznega starša, ki preživijo do reprodukcijske dobe, in s2 varianca te vrednosti, tedaj je NE vselej manjša od N, kadarkoli je s2 večja od k. Vse, kar torej povečuje tovrstno variabilnost med osebki v populaciji — med drugim na primer selekcija — zmanjšuje NE. Še dodatno pa je NE zmanjšana, če se generacije prekrivajo in se potomci lahko parijo s starši.
Poleg tega obstaja še dolgoročna NE, do katere pa prihaja zaradi dolgoročnih nihanj v velikosti populacije. Vzroki zanje so različni — lahko so to naravne katastrofe, ciklični način reprodukcije; podlaga za to je lahko lokalna ekstinkcija in rekolonizacija, ali pa katerakoli druga oblika zmanjšanja števila članov v populaciji, ki jo v primeru drastičnega obsega imenujemo ožina (angl.: bottleneck). V formuli, ki prikazuje dolgoročno efektivno velikost populacije, gre za izračunavanje harmonične sredine. Ta sredina je bližja najnižji Ni kot pa najvišji, kajti ožine prispevajo k tej efektivni velikosti populacije pomembnejši delež kot pa večje populacije — in to seveda v smislu njenega zmanjševanja.
En.
1-H
NE
= n/(1/N1 +1/N2 + ... +
1/Nn)
n = število obravnavanih generacij; Ni
= število osebkov v posamezni
generaciji
Črevesna bakterija E.coli je aloencimsko zelo polimorfna, vendar pa še vedno manj, kot bi od species s tako številnimi člani pričakovali. Vzrok leži v tem, da obstaja znotraj vsakega posameznega makroorganizma visoka stopnja zamenjave teh bakterijskih genotipov — s tem pa je efektivna velikost populacije za mnogo redov velikosti manjša od tiste, ki bi jo pričakovali.
Teorija nevtralnosti zatrjuje, da je večina aloencimskih polimorfizmov prehodne narave in da je večina variabilnosti na molekulski ravni nevtralna. Iz tega bi sledilo, da je genetski drs veliko pomembnejši dejavnik v evoluciji kot pa naravna selekcija. Vsekakor je treba priznati, da je spreminjanje veliko hitrejše pri molekulah, katerih ne vežejo funkcionalne omejitve. Histon H4 na primer, protein ki opravlja nadvse specifično in pomembno funkcijo, se skozi evolucijski čas izredno malo spreminja. Stopnja aminokislinskih zamenjav, ki se pojavijo na posameznem mestu znotraj njegove polipeptidne verige v enem letu, znaša le 0.0008 x 10-9. Zelo drugače je na primer s fibrinopeptidi, ki nimajo pomembne vloge v metabolizmu — pri njih je ta stopnja 8,3 x 10-9. Še bolj neposredno primerjavo med funkcionalnim in nefunkcionalnim genskim produktom in posledično tudi samim genom nam daje molekula proinzulina. Ta sestoji iz treh peptidov, od katerih se dva združita v inzulin, tretji pa odpade. Pri prvih, aktivnih dveh je stopnja aminokislinske zamenjave kar nekajkrat manjša kot pri tretjem.
Mogoče so tudi primerjave na ravni DNK. Tretja pozicija v kodonu se na primer spreminja znatno najhitreje, tudi stokrat bolj od druge, ki je v tem smislu najpočasnejša. Vemo namreč, da je zaradi redundantnosti genskega koda več kot polovica zamenjav na tretjem mestu sinonimnih, torej ne spreminjajo funkcije, ki jo opravlja produkt. Tudi v intronih, ki sicer opravljajo nekatere funkcije, vendar so te očitno manj specifično determinirane z zaporedjem samih nukleotidov, je zamenjava slednjih mnogo višja kot v eksonih. Za psevdogene — ti so po definiciji nefunkcionalni — velja seveda prav tako veliko večja stopnja nukleotidnih zamenjav. Če strnemo misli, ki izhajajo iz vse te razmeroma izdatne spremenljivosti manj funkcionalnih področij znotraj genoma, ostaja pač zelo malo verjetnosti, da bi tovrstno evolucijo lahko utemeljeno pripisovali naravni selekciji.
Zagovorniki nevtralistične hipoteze trdijo tudi, da je stopnja evolucijskega spreminjanja molekul konstantna. Pojav so poimenovali molekulska ura. Povprečno stopnjo spreminjanja neke molekulske sekvence ugotovimo tako, da število razlik med dvema sekvencama, ki ju pripisujemo različnima vrstama, delimo s časom, katerega pač že od prej poznamo iz podatkov, dobljenih od paleontologov. In če bi se res v vseh primerih izkazalo, da je stopnja zamenjave nukleotidov skozi geološki čas konstantna, bi hipoteza nevtralistov o molekulski uri držala. Vsekakor pa je treba povsem jasno razumeti, da teorija nevtralnosti lahko razlaga le tiste molekulske spremembe, ki niso podvržene naravni selekciji — se pravi vse fenotipsko irelevantne mutacije, in teh je veliko. Tu pa se odpira novo vprašanje: ali je res, kot trdijo nevtralisti, da je takšnih večina mutacij, ki so prispevale opažene (fiksirane) spremembe genomov, ali pa je pravilno stališče klasikov in sodobnih oponentov nevtralistom, ki zatrjujejo, da je večina opaženih sprememb DNK vendarle nastala zaradi pozitivne selekcije, selekcije boljših variant, ki so prinašale višjo stopnjo zmogljivosti?
Čeprav nekateri dokazujejo, da koncept molekulske ure nima nobene vrednosti, pa vendarle kaže, da se stvari na molekulski ravni, vsaj če jih opazujemo v daljših časovnih obdobjih, resnično spreminjajo dokaj konstantno. Razlika med človekovima verigama hemoglobina a in b je na primer skoraj enaka kot tista med krapovo a in človekovo b, in takih primerov je še zelo veliko. Obstajajo seveda tudi primeri, ki kažejo nasprotno. Primati se, kar zadeva število nukleotidnih substitucij, na primer razvijajo počasneje od drugih sesalcev. Dejansko danes na podlagi mnogih opravljenih raziskav ne govorimo več o splošni molekulski uri, temveč o lokalnih molekulskih urah, ki veljajo za posamezne evolucijske linije oziroma taksone. Na razlike med molekulskimi urami različnih skupin organizmov vplivajo tile dejavniki: različen generacijski čas — do mutacij namreč največkrat prihaja prav pri delitvi celic in pri evmetazojih pri delitvi celic klične linije; različno učinkoviti mehanizmi popravljanja DNK in intenzivnost metabolizma. Poleg tega nekatere raziskave kažejo, da je evolucijo usmerjala pozitivna selekcija, in ne nevtralne mutacije. Kljub vsemu temu je teorija nevtralne evolucije sprejeta v mnogih krogih molekulskih evolucionistov; ni pa še dokončnega strinjanja. Pri prevladovanju nevtralne evolucije imajo v evoluciji seveda zelo pomembno vlogo mutacije oziroma tako imenovani mutacijski pritisk, v nasprotju s selekcijskim pritiskom (glej tudi poglavje o makroevoluciji).
Včasih se zgodi, da iz enega ali nekaj osebkov, ki se znajdejo na novem področju, začne rasti nova kolonija oziroma populacija. Značilnost take populacije je, da je razmeroma zelo uniformna, kar zadeva alele na lokusih — pri tem pa so redki aleli iz matične populacije po zakonitostih verjetnosti ponavadi odsotni. Na to začetno, ponavadi veliko razliko med staro in novo populacijo se nato navezujejo še nove spremembe, ki nastajajo zaradi razlik v delovanju evolucijskih mehanizmov, kot so mutacija, rekombinacija, drs in selekcija, v eni in drugi populaciji. Samo dejstvo, da sta populaciji med seboj izolirani in pa da je med njima že na začetku znatna razlika v frekvencah alelov, pospešuje uveljavljanje razlik in morebitno speciacijo.
O ustanoviteljevem učinku lahko govorimo tudi v primeru, ki ga sicer ustrezneje povzema že obravnavani izraz ožina. Pri morskem slonu (Mirounga angustirostris) je ostalo leta 1890 zaradi nekontroliranega lova nanje le še 20 primerkov. Ker vemo, da ja ta vrsta poligamna, je bila torej NE še celo manjša od te številke. Danes pa spet živi že več deset tisoč teh živali — ki pa so silno homozigotne: raziskava je pokazala, da v vzorcu 24 elektroforetskih lokusov ni bilo prav nobene variabilnosti. Tudi nekaterim drugim živim vrstam, kot je na primer gepard, se je, kot kaže njihova izrazita homozigotnost, v določenem času najbrž pripetila podobna redukcija v številu članov, ki pa jo je populacija preživela in se znova razmnožila.
Stopnja genskega pretoka (angl.: gene flow), mij, iz populacije j v populacijo i je delež osebkov, ki so v času trenutno živeče generacije prišli iz populacije j in se parijo v populaciji i. Če je mij visok, blizu 0,5, sta ti dve populaciji v resnici ena sama, panmiktična populacija. Obstaja več modelov genskega pretoka:
a) Model kontinent in otok ponazarja enosmerni pretok iz velike populacije (metapopulacije) v majhno, izolirano populacijo.
b) Model otoki kaže primere, ko obstaja migracija med skupino majhnih populacij in je naključna.
c) Model stopnice govori o situacijah, ko vsaka populacija dobiva migrante le iz sosednjih populacij.
d) Model osamitev skozi razdaljo pa povzema primere, ko se pretok odvija med lokalnimi soseskami znotraj populacije, v kateri se frekvence alelov spreminjajo zvezno, vzdolž geografske razsežnosti.
Geni se lahko pretakajo bodisi s selitvijo gamet, ali pa samih organizmov — pri rastlinah so to semena. Pomembna je seveda le genetsko efektivna selitev, ki jo merimo ravno s stopnjo pretoka genov, m — in ta je pogosto veliko manjša od celotne stopnje selitve organizmov. Mnogi se namreč po nastanitvi v novem okolju sploh ne razmnožujejo več. Vzroki za to so lahko socialni, na primer teritorialnost, ali pa gre vzroke za zmanjšano verjetnost reprodukcije v novem okolju pripisati raznovrstnim fizičnim oziroma biološkim dejavnikom.
Učinek genskega pretoka je vselej ta, da homogenizira genski sklad med populacijami. Če vzamemo velike populacije, kjer je genetski drs zelo počasen, in neko nevtralno lastnost, kjer ni selekcije, tedaj deluje edinole pretok. Tako populacije — kar zadeva frekvence alelov — konvergirajo, in sicer ponavadi do povprečja izhodiščnih frekvenc. V vsakem primeru deluje migracija nasprotno genetskemu drsu — konvergenci genskih frekvenc (pretok) nasprotuje njihova naključnostna divergenca (drs).
V naravi je med vzpostavljenimi populacijami pretok genov dokaj nizek. Poveča pa se na primer, ko se lokalne populacije številčno zelo zmanjšajo — tedaj lahko relativno praznino zapolnijo sosedje. Tudi pri pticah selivkah sta pretok genov in prav tako velikost soseske manjša od tistih, ki bi ju pričakovali glede na njihovo veliko sposobnost migracije. Rastline vetrocvetke širijo svoj cvetni prah le nekaj metrov okoli sebe. Podobno velja tudi za žužkocvetke. Res pa je tudi, da manjši del tega prahu lahko prepotuje veliko večje razdalje.
Soizvornost genskih replik med populacijami, ki je posledica pretoka genov, izračunamo po formuli:
En.
1-I
FST = (FIT - FIS)
/ (1 - FIS)
FST: verjetnost, da sta dva naključno
vzeta gena iz dveh populacij
skupnega izvora; FIS: običajni koeficient
sokrvja v populaciji —
verjetnost, da sta dva gena, vzeta iz ene populacije, skupnega izvora; FIT:
verjetnost za to isto stvar v vsem skupnem obravnavanem
številu populacij.
FST, izračunano iz frekvenc alocimov, je moč uporabiti za napovedovanje razlik med populacijami, in sicer glede genskega pretoka, efektivne velikosti populacije in genetske diferenciranosti med populacijami. V zvezi z obravnavanim pojavom so na primer ugotovili, da so populacije brezkrilih vrst vodnih drsalcev genetsko bolj diferencirane med seboj in vsaka od njih hkrati manj heterozigotna znotraj same sebe kot pa populacije tistih, ki imajo krila.
[1] Verjetno je odveč povedati, da se avto- in alozigot med seboj ne razlikujeta na na genotipski ne na fenotipski ravni. Razlika je samo v (po)dedovanju.
[2] Z izjemo tistih, ki so morebiti šele naknadno in iz drugega izvora mutirale v sedanjo obliko.
[3] Ta je sinonim za že obravnavani rasni polimorfizem.
[4] Ob rob temu je treba povedati, da med evolucionisti še vedno traja spor okoli pomena mutacij proti selekciji v evoluciji. Mnoga odkritja, zlasti s področja molekulske evolucije, podpirajo močno vlogo mutacije (in s tem genetskega drsa) proti selekciji, vendar daje večina evolucionistov še vedno prednost vlogi selekcije. Več o tem v poglavju o makroevoluciji in v učbeniku za molekulsko evolucijo.