home *** CD-ROM | disk | FTP | other *** search
/ NetNews Usenet Archive 1992 #30 / NN_1992_30.iso / spool / sci / environm / 13489 < prev    next >
Encoding:
Internet Message Format  |  1992-12-14  |  5.5 KB

  1. Path: sparky!uunet!olivea!sgigate!sgi!cdp!alanm
  2. From: alanm@igc.apc.org (Alan McGowen)
  3. Newsgroups: sci.environment
  4. Subject: ECO CENTRAL 25
  5. Message-ID: <1466601997@igc.apc.org>
  6. Date: 14 Dec 92 07:15:00 GMT
  7. Sender: Notesfile to Usenet Gateway <notes@igc.apc.org>
  8. Lines: 115
  9. Nf-ID: #N:cdp:1466601997:000:5240
  10. Nf-From: cdp.UUCP!alanm    Dec 13 23:15:00 1992
  11.  
  12.  
  13. ECO CENTRAL 25
  14.  
  15.                Metapopulations and Gene Flow
  16.  
  17.  
  18. The effects of genetic drift
  19.  
  20. Genetic drift is a subtle but profound force. It reduces the 
  21. genetic diversity within demes while increasing the genetic 
  22. variation between demes. Even in the absence of natural 
  23. selection (which is almost never absent), it can thus produce 
  24. geographic variation. As we saw in ECO CENTRAL 24, the size of a 
  25. population determines whether it can "hold out" against genetic 
  26. drift and maintain *polymorphism* -- the presence of more than 
  27. one allele at a locus in the population as a whole -- or whether 
  28. it will tend to fix loci faster than mutation can produce new 
  29. genetic variants. The size needed for this long-term maintenance 
  30. of genetic diversity (and thus of potential for adaptation to 
  31. environmental changes) is given by a simple criterion:
  32.  
  33. 1)   uNe >> 1  
  34.  
  35. where u is the mutation rate per locus per generation per gamete 
  36. (in the range 10^-5 to 10^-6 for eukaryotes -- it varies for 
  37. different loci) and Ne is effective population size. This means 
  38. that a population of ten million or so is able to maintain its 
  39. genetic diversity against drift, while a population of less than 
  40. 100,000 has its diversity inexorably eroded.
  41.  
  42. Interestingly, many, perhaps most, larger-bodied species seem to 
  43. have a number that is right in this size range, or at least did 
  44. prior to anthropogenic reductions of their ranges and habitat 
  45. areas. It is as if ecosystems tend to be packed as full of 
  46. larger-bodied species as they can be consistently with stability. 
  47. This may also be true of most smaller-bodied species, as well.
  48. When ecosystem areas are reduced, this delicate genetic balance 
  49. is destroyed, and slow or rapid declines set in, at least for 
  50. many of the more prominent members of the community. Many species 
  51. appear to need their historical ranges merely to maintain their 
  52. future potential to adapt to such normal environmental changes as 
  53. the evolution of new disease strains. Most such species are now 
  54. in decline because of human habitat conversion. They are not 
  55. necessarily even "listed" as endangered or threatened, because 
  56. this long-term genetic decline is not even considered as part of 
  57. the determination of endangerment, which is concerned with 
  58. survival potential on a decadal to centurial time scale.  
  59.  
  60. Gene Flow
  61.  
  62. Many species that are not microscopic do not have have panmictic 
  63. local populations with Ne >> 10^6. Rather they exist in 
  64. *metapopulations* consisting of many smaller local populations. 
  65. To the extent that the local populations are panmictic and 
  66. isolated from one another genetically, they behave like the
  67. theoretical "demes", losing genetic diversity and drifting 
  68. apart in both genotypes and phenotypes. [Note that "deme" is a 
  69. theoretician's word, and signifies a population small enough and 
  70. properly structured to contain a potentially calculable effective 
  71. breeding population which is panmictic. "Local population" is a 
  72. field-biologist's word, in which what you see is what you get, 
  73. and no assumptions about structure are made. There is no god-
  74. given guarantee that every local population is a deme, but it 
  75. turns out to be a pretty successful approximation to many real 
  76. local populations.] 
  77.  
  78. This tendency to drift apart may be offset if migrations occur 
  79. between demes. Migration to a new area can be beset with many 
  80. perils. An animal placed in a new area does not know the best 
  81. places to find food, make burrows or nests, or to hide from 
  82. predators. Moreover, it is likely to be in competition with 
  83. conspecifics who know all of these things better -- and are often 
  84. territorial, and attempt to kill it or drive it away. Breeding 
  85. can be even harder than survival, and many successful immigrants 
  86. never breed. Nevertheless, migration does occur and it does 
  87. transport genes -- the phenomenon is called *gene flow*.
  88.  
  89. Let the probability that a gene in a breeding population of size 
  90. Ne has arrived by migration be m. Then, as was the case for the 
  91. mutation rate u, this reduces the inbreeding coefficient due to 
  92. drift by a factor (1-m)^2:
  93.  
  94. 2)  Ft = 1/(2Ne) - (1 - 1/(2Ne))Ft-1 (1-m)^2
  95.  
  96. when genetic drift is balanced by gene flow, Ft = Ft-1 = F, and  
  97. we can solve 2) for the equilibrium value F. If terms of O(m^2) 
  98. can be ignored (which need not always be the case), the result is 
  99.  
  100. 3) F = 1/[4mNe +1]
  101.  
  102. the equilibrium variance among demes is
  103.  
  104. 4) Var(p) = pqF = pq/[4mNe +1]
  105.  
  106. and heterozygousity is
  107.  
  108. 5) H = 4mNe/[4mNe + 1]
  109.  
  110. Thus if Ne >> 1/m, drift is counterbalanced by gene flow. 
  111.    
  112. Gene flow, like mutation, fights the effects of drift. Since the 
  113. fragmentation of habitats by humans decreases deme size and 
  114. decreases gene flow, it contributes to genetic erosion. A great 
  115. deal of interest within conservation biology in recent years has 
  116. centered on establishing *wildlife corridors* between isolated 
  117. local populations in order to improve gene flow. But it is 
  118. important to remember that while this can reduce rapid loss of 
  119. polymorphism in small populations it does not address the 
  120. underlying problem many species have of metapopulation sizes too 
  121. low to counteract drift in the long run. Only significant 
  122. restoration of ranges can accomplish that.
  123.  
  124.  
  125. ------------
  126. Alan McGowen   
  127.