Genetisk drift forårsager, effekter, eksempler



den genetisk drift eller gen er en stokastisk evolutionær mekanisme, der forårsager fluktuationer eller variationer udelukkende tilfældige allel frekvenser i en population.

Charles Darwins naturlige udvælgelse og gendrift er de to vigtigste processer involveret i evolutionær forandring i befolkningen. I modsætning til naturlig udvælgelse, som betragtes som en deterministisk og ikke-tilfældig proces, er gendrift en proces der ses som tilfældige udsving i de alleliske frekvenser i befolkningen eller haplotyperne.

Gendrift fører til ikke-adaptiv udvikling. Faktisk er det naturlige valg - og ikke gendrift - den eneste mekanisme, der bruges til at forklare alle tilpasninger af organismer på forskellige niveauer (anatomisk, fysiologisk eller etologisk)..

Dette betyder ikke, at gendrift er ikke vigtigt. Et af dets mest slående konsekvenser af dette fænomen observeres på molekylært niveau mellem forskellene i DNA- og proteinsekvensen.

indeks

  • 1 historie
  • 2 årsager
  • 3 Effekter
    • 3.1 Hvordan beregner vi sandsynligheden for, at en allel vil gå tabt eller fast?
    • 3.2 Effektivt antal af befolkningen
    • 3.3 flaskehalse og stiftende virkning
    • 3.4 Effekt på DNA-niveau: Neutral teori for molekylær evolution
    • 3.5 Hvorfor er der neutrale mutationer?
  • 4 eksempler
    • 4.1 Hypotetisk eksempel: snegle og køer
    • 4.2 Hvordan vil andelen af ​​snegle variere over tid??
    • 4.3 Gendrift i aktion: Cheetahs
    • 4.4 Eksempel i humane populationer: Amish
  • 5 referencer

historie

Teorien om gendrift blev udviklet i begyndelsen af ​​året 1930 af en vigtig biolog og genetiker ved navn Sewal Wright..

På samme måde var Motoo Kimura's bidrag exceptionelle på dette område. Denne forsker led den neutrale teori om molekylær evolution, hvor han forklarer, at virkningerne af gendrift har et vigtigt bidrag i udviklingen på niveauet af DNA-sekvenser.

Disse forfattere udarbejdede matematiske modeller for at forstå, hvordan gendrift virker i biologiske populationer.

årsager

Årsagerne til gendrift er stokastiske - det vil sige tilfældige fænomener. I lyset af populationsgenetik defineres evolution som en variation over tid i befolkningens allelfrekvenser. Driften omsætter til en ændring af disse frekvenser ved hjælp af tilfældige hændelser kaldet "prøveudtagningsfejl".

Gendrift betragtes som en prøveudtagningsfejl. De gener, der er inkluderet i hver generation, er en prøve af de gener, der bærer den foregående generation.

Enhver prøve er underlagt prøveudtagningsfejl. Det vil sige, andelen af ​​de forskellige emner, vi finder i en prøve, er underlagt ændringer med ren chance.

Forestil dig at vi har en taske med 50 hvide chips og 50 sorte chips. Hvis vi tager ti af disse, kan det være, at vi med ren chance får 4 hvide og 6 sorte; eller 7 hvide og 3 sorte. Der er en uoverensstemmelse mellem de teoretisk forventede værdier (5 og 5 i hver farve) og dem, der opnås eksperimentelt.

effekter

Virkningerne af gendrift er vist som tilfældige ændringer i allelernes frekvenser. Som vi nævnte, sker dette, når der ikke er noget forhold mellem den karakteristiske, der ændrer sig og fitness. Med tiden vil allellerne ende med at løse eller gå tabt af befolkningen.

I evolutionærbiologi er udtrykket fitness Det er almindeligt anvendt, og refererer til en organismes evne til at reproducere og overleve. Parameteren varierer mellem 0 og 1.

Således er karakteristikken, der varierer ved drift, ikke relateret til individets reproduktion og overlevelse.

Tabet af alleler fører til den anden effekt af gendrift: tabet af heterozygositet i befolkningen. Variationen i et bestemt sted vil falde, og i sidste ende vil det gå tabt.

Hvordan beregner vi sandsynligheden for, at en allel vil gå tabt eller fast??

Sandsynligheden for at en allel bliver fastgjort i befolkningen er lig med dens frekvens på det tidspunkt, hvor den studeres. Frekvensen af ​​fikseringen af ​​den alternative allel vil være 1 - p. hvor p er lig med allel frekvensen.

Denne frekvens påvirkes ikke af den tidligere historie af ændringen af ​​allel frekvenser, så forudsigelser kan ikke laves ud fra fortiden.

Hvis derimod allelen er opstået ved mutation, er sandsynligheden for fiksering den p = 1/2N. hvor N er antallet af befolkningen. Dette er grunden til, at nye alleler, der forekommer ved mutation, er lettere at klare i små populationer.

Læseren skal begrunde, hvordan det vil påvirke værdien af p når nævneren er mindre. Logisk vil sandsynligheden øges.

Effekterne af gendrift fortsætter således hurtigere i små populationer. I en diploid population (to sæt kromosomer, som os mennesker) forekommer fiksering af nye alleler i gennemsnit hver 4.N generationer. Tiden stiger proportionalt ved at øge N af befolkningen.

Effektivt antal af befolkningen

den N som fremgår af de foregående ligninger, henviser ikke til en værdi identisk med antallet af individer i befolkningen. Det betyder, at det ikke svarer til folkeslagsopgørelsen.

I populationsgenetik anvendes parameteren "effektivt antal populationer" (Ne), som normalt er mindre end alle individer.

For eksempel er det effektive antal af befolkningen i nogle befolkninger med en social struktur, der domineres af kun få mænd, meget lavt, da disse dominerende mænds gener bidrager uforholdsmæssigt - hvis vi sammenligner dem med resten af ​​hannerne.

Af denne grund vil den hastighed med hvilken gendrift virker (og den hastighed, hvormed heterozygositet går tabt) være større end forventet, hvis vi foretager en folketælling, da befolkningen er mindre end de synes at være..

Hvis vi i en hypotetisk befolkning tæller 20.000 individer, men kun 2.000 bliver reproduceret, falder det effektive antal af befolkningen. Og dette fænomen, hvor ikke alle organismer forekommer i befolkningen, er bredt fordelt i naturlige populationer.

Flaskehalse og stiftende virkning

Som vi nævnte (og vi demonstrerer matematisk) forekommer sving i små populationer. Hvor alleler, der ikke er så hyppige, har større chance for at gå tabt.

Dette fænomen er almindeligt, når befolkningen oplever en begivenhed kaldet "flaskehals". Dette sker, når et betydeligt antal medlemmer af befolkningen elimineres af en eller anden form for uforudsete eller katastrofale begivenheder (f.eks. En storm eller en lavine).

Den umiddelbare virkning kan være et fald i populationens genetiske mangfoldighed, idet størrelsen af ​​den genetiske pool eller genpoolen formindskes.

Et særligt tilfælde af flaskehalse er den grundende virkning, hvor et lille antal individer adskiller sig fra den oprindelige befolkning og udvikler sig isoleret. I de eksempler, som vi vil præsentere senere, vil vi se, hvad der er konsekvenserne af dette fænomen.

Virkning på DNA-niveau: Neutral teori for molekylær evolution

Den neutrale teori om molekylær evolution blev foreslået af Motoo Kimura. Forud for ideerne fra denne forsker havde Lewontin & Hubby allerede fundet, at den høje andel af variationer på enzymniveauet ikke kunne aktivt bevare alle disse polymorfier (variationer).

Kimura konkluderede, at disse ændringer i aminosyrer kunne forklares ved gendrift og mutationer. Han konkluderer, at DNA-proteiner og proteiner spiller en afgørende rolle for gendriftens mekanismer.

Det neutrale udtryk refererer til det faktum, at størstedelen af ​​substitutioner af baser, der klare at rette (nå en frekvens på 1), er neutrale med hensyn til fitness. Derfor har disse variationer, der opstår ved drift, ikke nogen adaptiv betydning.

Hvorfor er der neutrale mutationer?

Der er mutationer, som ikke har indflydelse på individets fænotype. I DNA'et krypteres al information til at bygge og udvikle en ny organisme. Denne kode dechifreres af ribosomer i oversættelsesprocessen.

Den genetiske kode læses i "triplets" (sæt med tre bogstaver) og hver tre bogstaver kode for en aminosyre. Den genetiske kode er imidlertid degenereret, hvilket indikerer, at der er mere end et kodon, der koder for den samme aminosyre. For eksempel, kodoner CCU, CCC, CCA og CCG alle kode for aminosyre prolinen.

Hvis CCU-sekvensen ændrer sig til CCG, vil produktet af oversættelsen derfor være en prolin, og der vil ikke være nogen ændringer i proteinsekvensen.

På samme måde kan mutationen ændres til en aminosyre, hvis kemiske egenskaber ikke varierer meget. For eksempel, hvis en alanin ændres til valin du kan Virkningen på proteinets funktionalitet er umærkelig.

Bemærk, at dette ikke er gyldigt i alle tilfælde, hvis ændringen sker i en del af proteinet, der er afgørende for dets funktionalitet - som enzymets aktive sted - virkningen på fitness Det kan være meget vigtigt.

eksempler

Hypotetisk eksempel: snegle og køer

Forestil dig en eng, hvor snegle og køer eksisterer sammen. I sneglens population kan vi skelne mellem to farvestoffer: en sort skal og en gul skal. En afgørende faktor i sneglernes dødelighed er køernes fodspor.

Bemærk dog, at hvis en snegl trænger på, afhænger den ikke af skildens farve, da det er en tilfældig begivenhed. I dette hypotetiske eksempel starter sneglens population med en lige stor andel farver (50 sorte snegle og 50 gule snegle). I tilfælde af køer eliminerer 6 sorte og kun 2 gule, andelen af ​​udvekslingsfarver.

På samme måde kan gule i en efterfølgende begivenhed dø mere, da der ikke er noget forhold mellem farven og sandsynligheden for at blive knust (dog er der ingen form for "kompenserende" effekt)..

Hvordan vil andelen af ​​snegle variere over tid?

Under denne tilfældige proces vil proportionerne af sorte og gule skaller svinge over tid. Til sidst når et af skallerne en af ​​de to grænser: 0 u 1.

Når frekvensen nås er 1 - formoder, at for den gule skal allel - alle snegle vil være af denne farve. Og som vi kan gætte, vil allelen til den sorte skal gå tabt.

Den eneste måde at få den allel på igen er, at befolkningen skal komme ind gennem migration eller mutation.

Gendrift i aktion: Cheetahs

Fænomenet gendrift kan observeres i naturlige populationer, og det mest ekstreme eksempel er Cheetahs. Disse hurtige og stilede katte tilhører arten Acinonyx jubatus.

Omkring 10.000 år siden oplevede cheetaherne - og andre populationer af store pattedyr - en ekstrem begivenhed med udryddelse. Denne begivenhed forårsagede en "flaskehals" i byen Cheetahs, hvor kun få personer overlevede.

Overlevende fra den katastrofale fænomenet pleistocæn gav anledning til hele Cheetahs i dag. Virkningerne af drift, kombineret med indavl, har homogeniseret befolkningen næsten fuldstændigt.

Faktisk er immunsystemet af disse dyr næsten ens i alle individer. Hvis en eller anden grund, nogle af medlemmerne havde brug for en donation af et organ, kunne nogen af ​​hans kolleger gøre uden at tage nogen chance for afvisning.

Donationer er omhyggeligt udført procedurer og har brug for at undertrykke modtagerens immunsystem til at angribe nogen "fremmed agent" og kommer fra en meget tæt familie - søskende eller børn kalder det.

Eksempel i humane populationer: Amish

Flaskehalse og grundvirkningen forekommer også i nuværende menneskelige befolkninger og har meget vigtige konsekvenser på det medicinske område.

Amishen er en religiøs gruppe. De er præget af en simpel livsstil, fri for teknologi og andre nuværende bekvemmeligheder - udover at bære en ekstremt høj frekvens af sygdomme og genetiske patologier.

Nogle 200 kolonister ankom til Pennsylvania (USA), fra Europa, og begyndte at reproducere blandt de samme medlemmer.

Det spekuleres, at blandt bosætterne var bærere af autosomale recessive genetiske sygdomme, herunder Ellis-van Creveld syndrom. Dette syndrom er karakteriseret ved tegn på dværgvækst og Polydactyle (høj antal fingre mere end fem cifre).

Sygdommen blev fundet i den indledende population med en frekvens på 0,001 og steg signifikant til 0,07..

referencer

  1. Audesirk, T., Audesirk, G., & Byers, B. E. (2004). Biologi: videnskab og natur. Pearson Education.
  2. Curtis, H., & Schnek, A. (2006). Invitation til biologi. Ed. Panamericana Medical.
  3. Freeman, S., & Herron, J.C. (2002). Evolutionær analyse. Prentice Hall.
  4. Futuyma, D. J. (2005). Evolution . Sinauer.
  5. Hickman, C. P., Roberts, L.S., Larson, A., Ober, W.C., & Garrison, C. (2001). Integrerede principper for zoologi (Bind 15). New York: McGraw-Hill.
  6. Mayr, E. (1997). Evolution og livets mangfoldighed: Udvalgte essays. Harvard University Press.
  7. Rice, S. (2007).Evolutionens Encyclopedia. Fakta om filen.
  8. Russell, P., Hertz, P., & McMillan, B. (2013). Biologi: Den dynamiske videnskab. Nelson Uddannelse.
  9. Soler, M. (2002). Evolution: grundlaget for biologi. South Project.