GENETINIS DREIFAS: PRIEŽASTYS, PADARINIAI, PAVYZDŽIAI - BIOLOGIJA - 2025

Genų dreifo ar genas yra stochastinis evoliucinis mechanizmas, kuris sukelia svyravimus ar variantus visiškai atsitiktinių alelių dažnius gyventojų.

Charleso Darwino natūrali atranka ir genų dreifas yra du svarbiausi procesai, susiję su evoliuciniais pokyčiais populiacijose. Priešingai nei natūrali atranka, kuri laikoma deterministiniu ir neatsitiktiniu procesu, genų dreifas yra procesas, kurį galima apibūdinti kaip atsitiktinius alelių dažnio populiacijos ar haplotipų svyravimus.

Šaltinis: Anjile, iš „Wikimedia Commons“

Genų dreifas lemia nepritaikomą evoliuciją. Tiesą sakant, natūrali atranka, o ne genų dreifas, yra vienintelis mechanizmas, naudojamas paaiškinti visas organizmų adaptacijas skirtingais lygiais (anatominiu, fiziologiniu ar etologiniu).

Tai nereiškia, kad genų dreifas nėra svarbus. Viena ryškiausių šio reiškinio pasekmių stebima molekuliniame lygmenyje, tarp DNR ir baltymų sekų skirtumų.

Istorija

Genų dreifo teoriją 1930-ųjų pradžioje sukūrė vadovaujantis biologas ir genetikas Sewlas Wrightas.

Panašiai Motoo Kimura indėlis šioje srityje buvo išskirtinis. Šis tyrėjas vadovavo neutraliajai molekulinės evoliucijos teorijai, kurioje jis atskleidė, kad genų dreifo poveikis turi svarų indėlį į evoliuciją DNR sekų lygiu.

Šie autoriai sukūrė matematinius modelius, kad suprastų, kaip genų dreifas veikia biologines populiacijas.

Priežastys

Genų dreifo priežastys yra stochastiniai reiškiniai - tai yra atsitiktiniai. Atsižvelgiant į populiacijos genetiką, evoliucija apibrėžiama kaip laikui bėgant keičiasi populiacijos aleliniai dažniai. Dėl dreifo pasikeičia šie dažniai atsitiktiniais įvykiais, vadinamais „atrankos klaidomis“.

Genų dreifas laikomas atrankos klaida. Kiekvienoje kartoje esantys genai yra ankstesnių kartų nešamų genų pavyzdys.

Bet kuriame pavyzdyje gali būti padaryta klaida. T. y., Įvairių daiktų, kuriuos randame imtyje, dalis gali keistis visiškai atsitiktinai.

Įsivaizduokime, kad turime krepšį su 50 baltų drožlių ir 50 juodų drožlių. Jei paimsime dešimt iš jų, galbūt atsitiktinai gausime 4 baltus ir 6 juodus; arba 7 balti ir 3 juodi. Yra teoriškai tikėtinų verčių (kiekvienos spalvos 5 ir 5) ir eksperimentiniu būdu gautų verčių neatitikimas.

Efektų redagavimas

Genų dreifo poveikis pasireiškia kaip atsitiktiniai populiacijos alelinio dažnio pokyčiai. Kaip minėjome, taip atsitinka, kai nėra ryšio tarp kintančios savybės ir kūno rengybos. Laikui bėgant aleliai bus fiksuoti arba prarasti iš gyventojų.

Evoliucijos biologijoje terminas fitnesas yra plačiai vartojamas, nurodant organizmo sugebėjimą daugintis ir išgyventi. Parametras svyruoja nuo 0 iki 1.

Taigi bruožas, kuris kinta pagal dreifą, nėra susijęs su individo dauginimu ir išgyvenimu.

Alelių praradimas sukelia antrąjį genų dreifo poveikį: gyventojų heterozigotumo praradimą. Variacija tam tikrame lokuse sumažės, o galiausiai ji bus prarasta.

Kaip apskaičiuoti alelio praradimo ar pritvirtinimo tikimybę?

Alelio įsitvirtinimo tikimybė populiacijoje yra lygi jo dažniui tiriant. Alternatyvaus alelio pritvirtinimo dažnis bus 1 - p. Kur p yra lygus aleliniam dažniui.

Šiam dažniui įtakos nedaro ankstesnė alelių dažnio pokyčių istorija, todėl negalima remtis ir praeitimi.

Jei aleliai, priešingai, atsirado dėl mutacijos, jos fiksacijos tikimybė yra p = 1/2 N. N yra populiacijos skaičius. Dėl šios priežasties naujus alelius, atsirandančius dėl mutacijos, lengviau nustatyti mažose populiacijose.

Skaitytojas turi pagrįsti, kaip p reikšmė turėtų įtakos, kai vardiklis yra mažesnis. Logiškai mąstant, tikimybė padidėtų.

Taigi mažose populiacijose genų dreifo poveikis pasireiškia sparčiau. Diploidinėje populiacijoje (dviejuose chromosomų rinkiniuose, kaip ir mes, žmonės) naujų alelių prisirišimas įvyksta vidutiniškai kas 4 N kartos. Laikas didėja proporcingai didėjant N populiacijai.

Šaltinis: Profesoriaus marginalija, iš „Wikimedia Commons“

Faktinis gyventojų skaičius

Ankstesnėse lygtyse parodytas N nenurodo reikšmės, identiškos populiaciją sudarančių asmenų skaičiui. Kitaip tariant, tai neprilygsta organizmų surašymui.

Populiacijos genetikoje naudojamas „efektyviojo populiacijos skaičiaus“ (Ne) parametras, kuris paprastai yra mažesnis nei visų asmenų.

Pavyzdžiui, kai kuriose populiacijose, kurių socialinėje struktūroje dominuoja tik keli vyrai, faktinis populiacijos skaičius yra labai mažas, nes šių vyraujančių vyrų genai prisideda neproporcingai - jei palygintume juos su likusiais vyrais.

Dėl šios priežasties genų dreifo greitis (ir heterozigotiškumo praradimo greitis) bus didesnis nei tikėtasi, jei atliksime surašymą, nes gyventojų skaičius yra mažesnis, nei atrodo.

Jei hipotetinėje populiacijoje yra 20 000 individų, bet reprodukuojama tik 2 000, efektyvusis populiacijos skaičius mažėja. Ir šis reiškinys, kurio metu ne visi organizmai pasitaiko populiacijoje, yra plačiai paplitęs natūraliose populiacijose.

Trūkumai ir įkūrėjo efektas

Kaip minėjome (ir matematiškai parodėme), dreifas vyksta mažose populiacijose. Kur aleliai, kurie nėra tokie dažni, turi didesnę tikimybę prarasti.

Šis reiškinys yra įprastas po to, kai gyventojai patiria įvykį, vadinamą „kliūtimi“. Tai įvyksta, kai nemažą dalį gyventojų pašalina tam tikros rūšies nenumatyti ar katastrofiški įvykiai (pavyzdžiui, audra ar lavina).

Tiesioginis poveikis gali būti populiacijos genetinės įvairovės sumažėjimas, sumažėjęs genofondo ar genofondo dydis.

Ypatingas kliūčių atvejis yra pagrindinis efektas, kai nedidelis asmenų skaičius atsiskiria nuo pradinės populiacijos ir vystosi izoliuotai. Pavyzdžiuose, kuriuos pateiksime vėliau, pamatysime, kokios yra šio reiškinio pasekmės.

Šaltinis: Anjile, iš „Wikimedia Commons“

Poveikis DNR lygiu: neutrali molekulinės evoliucijos teorija

Neutralią molekulinės evoliucijos teoriją pasiūlė Motoo Kimura. Prieš šio tyrėjo idėjas Lewontin & Hubby jau nustatė, kad didelė fermentų lygio variacijų dalis negali išlaikyti visų šių polimorfizmų (variacijų).

Kimura padarė išvadą, kad šiuos aminorūgščių pokyčius galima paaiškinti genų dreifu ir mutacijomis. Jis daro išvadą, kad DNR ir baltymų lygmenyje genų dreifo mechanizmai vaidina pagrindinį vaidmenį.

Neutralus terminas reiškia, kad dauguma bazių pakeitimų, kurie sugeba pritvirtinti (pasiekia 1 dažnį), yra tinkami kūno rengybos atžvilgiu. Dėl šios priežasties šie variantai, atsirandantys dėl dreifo, neturi adaptyviosios prasmės.

Kodėl yra neutralių mutacijų?

Yra mutacijų, kurios neturi įtakos asmens fenotipui. Visa informacija apie naujo organizmo kūrimą ir vystymą yra užkoduota DNR. Šį kodą iššifruoja ribosomos vertimo procese.

Genetinis kodas skaitomas „tripletais“ (trijų raidžių rinkinys), o kiekviena trys raidės koduoja aminorūgštį. Tačiau genetinis kodas yra išsigimęs, tai rodo, kad yra daugiau nei vienas kodonas, koduojantis tą pačią aminorūgštį. Pavyzdžiui, visi kodonai CCU, CCC, CCA ir CCG koduoja aminorūgštį proliną.

Todėl, jei CCU seka pasikeis į CCG, transliacijos produktas bus prolinas ir baltymų seka nebus modifikuojama.

Panašiai mutacija gali pasikeisti į aminorūgštį, kurios cheminės savybės labai nesiskiria. Pavyzdžiui, jei alaninas keičiasi į valiną, poveikis baltymo funkcionalumui gali būti nepastebimas.

Atminkite, kad tai negalioja visais atvejais, jei pasikeičia baltymo dalis, kuri yra būtina jo funkcionalumui, pavyzdžiui, aktyvioji fermentų vieta, poveikis kūno rengybai gali būti labai reikšmingas.

Pavyzdžiai

Hipotetinis pavyzdys: sraigės ir karvės

Įsivaizduokite pievą, kurioje kartu gyvena sraigės ir karvės. Sraigių populiacijoje galime išskirti du spalvinius elementus: juodą apvalkalą ir geltoną apvalkalą. Lemiamas sraigių mirtingumo veiksnys yra karvių pėdsakai.

Tačiau atkreipkite dėmesį, kad jei sraigė užlipama, tai nepriklauso nuo jos apvalkalo spalvos, nes tai yra atsitiktinis įvykis. Šiame hipotetiniame pavyzdyje sraigių populiacija prasideda nuo vienodos spalvų proporcijos (50 juodų sraigių ir 50 geltonų sraigių). Karvių atveju pašalinkite 6 juodus ir tik 2 geltonus, pasikeistų spalvų santykis.

Lygiai taip pat gali būti, kad kitu atveju geltona spalva miršta didesne dalimi, nes nėra jokio ryšio tarp spalvos ir susmulkinimo tikimybės (vis dėlto nėra jokio „kompensacinio“ tipo).

Kaip laikui bėgant pasikeis sraigių dalis?

Šio atsitiktinio proceso metu juodos ir geltonos spalvos apvalkalų proporcijos laikui bėgant kinta. Galų gale vienas iš apvalkalų pasieks vieną iš dviejų ribų: 0 arba 1.

Kai pasiekiamas dažnis yra 1 - tarkime, kad geltonojo apvalkalo aleliui - visos sraigės bus tokios spalvos. Ir, kaip mes galime spėti, juodojo apvalkalo alelis bus prarastas.

Vienintelis būdas vėl gauti tą alelį yra populiacija, kad jis patenka migracijos arba mutacijos būdu.

Genų dreifas veiksme: gepardai

Genų dreifo fenomeną galima pastebėti natūraliose populiacijose, o kraštutiniausias pavyzdys yra gepardai. Šie greiti ir stilingi katinai priklauso Acinonyx jubatus rūšiai.

Maždaug prieš 10 000 metų gepardai ir kitos stambių žinduolių populiacijos patyrė didžiulį išnykimą. Šis įvykis sukėlė „susiaurėjimą“ gepardų populiacijoje, išgyveno tik keli asmenys.

Išgyvenus katastrofišką pleistoceno reiškinį, atsirado visi šių dienų gepardai. Dreifo poveikis kartu su įsibrovimu beveik visiškai suvienodino populiaciją.

Tiesą sakant, visų gyvūnų imuninė sistema yra praktiškai vienoda. Jei dėl kokių nors priežasčių vienam iš narių prireikė organų donorystės, bet kuris iš jų kolegų galėjo tai padaryti nesukeldamas jokios atmetimo tikimybės.

Aukos yra kruopščiai atliekamos procedūros, todėl būtina slopinti recipiento imuninę sistemą, kad ji nepultų pulti „išorinio agento“, net jei jis kilęs iš labai artimo šeimos nario - vadinkit tai broliais ar vaikais.

Žmonių populiacijų pavyzdys: amišai

Trūkumai ir pagrindinis efektas taip pat atsiranda dabartinėse žmonių populiacijose ir turi labai svarbių padarinių medicinos srityje.

Amišai yra religinė grupė. Jiems būdingas paprastas gyvenimo būdas, be technologijų ir kitų šiuolaikinių patogumų, be to, jie pasižymi ypač dideliu ligų ir genetinių patologijų dažniu.

Apie 200 kolonizatorių iš Europos atvyko į Pensilvaniją (JAV) ir pradėjo daugintis tarp tų pačių narių.

Spėliojama, kad tarp kolonizatorių buvo autosominių recesinių genetinių ligų, tarp jų ir Ellis-van Creveld sindromas, nešiotojų. Šiam sindromui būdingi dwarfizmo ir poliaktilizmo požymiai (didelis pirštų skaičius, didesnis nei penki skaitmenys).

Pradinėje populiacijoje liga pasireiškė 0,001 ir dažnis smarkiai išaugo iki 0,07.

Nuorodos

1. Audesirk, T., Audesirk, G., & Byers, BE (2004). Biologija: mokslas ir gamta. „Pearson Education“.
2. Curtis, H., ir Schnek, A. (2006). Kvietimas į biologiją. Panamerican Medical Ed.
3. Freeman, S., & Herron, JC (2002). Evoliucijos analizė. Prentice salė.
4. Futuyma, DJ (2005). Evoliucija. Sinaueris.
5. Hickman, CP, Roberts, LS, Larson, A., Ober, WC, & Garrison, C. (2001). Integruoti zoologijos principai (15 tomas). Niujorkas: „McGraw-Hill“.
6. Mayr, E. (1997). Evoliucija ir gyvenimo įvairovė: pasirinktos esė. Harvard University Press.
7. Rice, S. (2007). Evoliucijos enciklopedija. Faktai byloje.
8. Russell, P., Hertz, P., ir McMillan, B. (2013). Biologija: dinaminis mokslas. Nelsono švietimas.
9. Soler, M. (2002). Evoliucija: biologijos pagrindas. Pietų projektas.