Причини за генетичен дрейф, ефекти, примери



на генетичен дрейф или генът е стохастичен еволюционен механизъм, който причинява флуктуации или вариации на чисто случайни честоти на алелите на популацията.

Естественият подбор на Чарлз Дарвин и дрейфът на гените са двата най-важни процеса, включени в еволюционната промяна в популациите. За разлика от естествения отбор, който се счита за детерминистичен и неслучайни процес, генният дрейф е процес, който се доказва като случайни флуктуации на алелните честоти в популацията или хаплотиповете.

Дрейфът на гена води до неадаптивна еволюция. Всъщност, естественият подбор - а не генният дрейф - е единственият механизъм, който се използва за обяснение на всички адаптации на организми на различни нива (анатомични, физиологични или етични)..

Това не означава, че генният дрейф не е важен. Едно от най-впечатляващите последствия от това явление се наблюдава на молекулярно ниво, между разликите в ДНК и протеиновата последователност.

индекс

  • 1 История
  • 2 Причини
  • 3 Ефекти
    • 3.1 Как се изчислява вероятността алел да бъде загубен или фиксиран?
    • 3.2 Ефективен брой на населението
    • 3.3 Ограничения и основополагащ ефект
    • 3.4 Ефект на ниво ДНК: неутрална теория на молекулярната еволюция
    • 3.5 Защо има неутрални мутации?
  • 4 Примери
    • 4.1 Хипотетичен пример: охлюви и крави
    • 4.2 Как ще се промени делът на охлювите във времето??
    • 4.3 Дрейф на гена в действие: гепардите
    • 4.4 Пример за човешки популации: амишите
  • 5 Препратки

история

Теорията за генния дрейф е разработена в началото на 1930 г. от важен биолог и генетик на име Севал Райт..

По същия начин, приносите на Мото Кимура бяха изключителни в тази област. Този изследовател води неутралната теория на молекулярната еволюция, където обяснява, че ефектите от генния дрейф имат важен принос в еволюцията на нивото на ДНК последователности..

Тези автори са разработили математически модели, за да разберат как работи дрейфът на гените в биологичните популации.

каузи

Причините за генния дрейф са стохастични - това са случайни явления. В светлината на популационната генетика еволюцията се дефинира като промяна във времето на алелните честоти на популацията. Дрейфът се превръща в промяна на тези честоти чрез случайни събития, наречени "грешки при вземането на проби"..

Дрейфът на гена се смята за грешка при вземането на проби. Гените, които са включени във всяко поколение, са проба от гените, които носят предишното поколение.

Всяка проба е обект на грешка в извадката. Това означава, че делът на различните елементи, които откриваме в една извадка, подлежи на промени чрез чист случайност.

Представете си, че имаме чанта с 50 бели чипа и 50 черни чипа. Ако вземем десет от тях, може да се окаже, че с чист случай ние получаваме 4 бели и 6 черни; или 7 бели и 3 черни. Съществува несъответствие между теоретично очакваните стойности (5 и 5 от всеки цвят) и тези, получени експериментално.

вещи

Ефектите от генния дрейф се доказват като случайни промени в алелните честоти на популацията. Както споменахме, това се случва, когато няма връзка между характеристиката, която се променя и фитнес. С течение на времето, алелите ще свършат фиксирането или загубата на населението.

В еволюционната биология терминът фитнес Той е широко използван и се отнася до способността на организма да се възпроизвежда и да оцелява. Параметърът варира между 0 и 1.

Така че характеристиката, която варира от дрейфа, не е свързана с възпроизвеждането и оцеляването на индивида.

Загубата на алели води до втория ефект на генния дрейф: загубата на хетерозиготност в популацията. Промяната в даден локус ще намалее и в крайна сметка ще бъде загубена.

Как да изчислим вероятността алел да бъде загубен или фиксиран??

Вероятността да се фиксира алел в популацията е равна на нейната честота по времето, когато е изследвана. Честотата на фиксиране на алтернативния алел ще бъде 1 - р. където р е равна на алелната честота.

Тази честота не се влияе от предишната история на промяна на честотите на алелите, така че прогнозите не могат да бъдат направени въз основа на миналото.

Ако, напротив, алелът е възникнал чрез мутация, вероятността му за фиксация е р = 1/2N. където N е броят на населението. Това е причината, поради която новите алели, които се появяват чрез мутация, са по-лесни за определяне в малки популации.

Читателят трябва да мисли как ще повлияе на стойността на р когато знаменателят е по-малък. Логично, вероятността ще се увеличи.

По този начин, ефектите на генния дрейф протичат по-бързо в малки популации. В диплоидна популация (два комплекта хромозоми, като хората), фиксирането на нови алели се наблюдава средно на всеки 4N поколения. Времето нараства пропорционално чрез увеличаване на N на населението.

Ефективен брой на населението

на N който се появява в предишните уравнения, не се отнася до стойност, идентична с броя на индивидите в популацията. Това означава, че не е еквивалентно на преброяването на организмите.

В популационната генетика се използва параметърът "ефективен брой на населението" (Ne), което обикновено е по-малко от всички индивиди.

Например, в някои популации със социална структура, доминирана само от няколко мъже, ефективният брой на населението е много нисък, тъй като гените на тези господстващи мъже допринасят непропорционално - ако ги сравним с останалите мъже.

Поради тази причина, скоростта, с която се извършват дрейфовите гени (и скоростта, с която се губи хетерозиготността) ще бъде по-голяма от очакваното, ако проведем преброяване, тъй като популацията е по-малка, отколкото изглежда..

Ако в една хипотетична популация преброим 20 000 индивида, а само 2 000 се възпроизвеждат, ефективният брой на населението намалява. И това явление, при което не всички организми се срещат в популацията, е широко разпространено в естествените популации.

Тесни места и основополагащ ефект

Както споменахме (и демонстрираме математически), дрейфът се среща в малки популации. Там, където алелите, които не са толкова чести, имат по-голям шанс да бъдат загубени.

Това явление е често срещано, след като населението преживява събитие, наречено "пречка". Това се случва, когато значителен брой членове на населението се елиминират от някакъв вид непредвидено или катастрофално събитие (например буря или лавина).

Непосредственият ефект може да бъде намаляване на генетичното разнообразие на популацията, намаляване на размера на генетичния басейн или генофонда.

Особен случай на затруднения е основополагащият ефект, при който малък брой индивиди се отделят от първоначалната популация и се развиват изолирано. В примерите, които ще представим по-късно, ще видим какви са последствията от това явление.

Ефект на ниво ДНК: неутрална теория на молекулярната еволюция

Неутралната теория на молекулярната еволюция е предложена от Мото Кимура. Преди идеите на този изследовател, Lewontin & Hubby вече беше установил, че високият дял на вариациите на нивото на ензима не може активно да поддържа всички тези полиморфизми (вариации)..

Кимура заключава, че тези промени в аминокиселините могат да се обяснят с генния дрейф и мутациите. Той заключава, че на ниво ДНК и протеини, механизмите на генния дрейф играят основна роля.

Неутралният термин се отнася до факта, че повечето замествания на бази, които успяват да фиксират (достигнат честота 1) са неутрални по отношение на фитнес. Следователно тези вариации, които се случват при дрейф, нямат никакво адаптивно значение.

Защо има неутрални мутации?

Има мутации, които нямат ефект върху фенотипа на индивида. В ДНК цялата информация е криптирана, за да се изгради и развие нов организъм. Този код се дешифрира от рибозомите в процеса на превода.

Генетичният код се чете в "тризнаци" (набор от три букви) и всеки три букви кодират аминокиселина. Въпреки това, генетичният код е изроден, което показва, че има повече от един кодон, който кодира една и съща аминокиселина. Например, кодони CCU, CCC, CCA и CCG всички кодират аминокиселинния пролин.

Следователно, ако в CCU последователността се промени в CCG, продуктът на транслацията ще бъде пролин и няма да има промени в последователността на протеина..

По същия начин, мутацията може да се промени към аминокиселина, чиито химични свойства не се различават много. Например, ако аланинът се промени на валин ти май ефектът върху функционалността на протеина е незабележим.

Имайте предвид, че това не е валидно във всички случаи, ако промяната настъпва в част от протеина, която е от съществено значение за неговата функционалност - като активното място на ензимите - ефектът върху фитнес Тя може да бъде много важна.

Примери

Хипотетичен пример: охлюви и крави

Представете си една поляна, където съжителстват охлюви и крави. В популацията на охлюви можем да разграничим две оцветявания: черна обвивка и жълта обвивка. Решаващ фактор за смъртността на охлювите са следите от крави.

Все пак, имайте предвид, че ако охлюв е стъпил на, той не зависи от цвета на черупката си, тъй като това е случайно събитие. В този хипотетичен пример, популацията от охлюви започва с еднаква пропорция от цветове (50 черни охлюви и 50 жълти охлюви). В случай на крави премахване на 6 черни и само 2 жълти, делът на обмен цветове.

По същия начин, в следващо събитие, жълтите цветове могат да умрат в по-голяма пропорция, тъй като няма връзка между цвета и вероятността да бъдат смачкани (въпреки това няма вид на "компенсиращ" ефект)..

Как ще се промени времето на охлювите?

По време на този случаен процес пропорциите на черните и жълтите черупки ще се променят във времето. В крайна сметка, една от черупките ще достигне едно от двете граници: 0 u 1.

Когато достигнатата честота е 1 - предположим, че за жълтия алел на обвивката - всички охлюви ще бъдат от този цвят. И както можем да предположим, алелът на черната черупка ще бъде загубен.

Единственият начин да имаме този алел е популацията да влезе чрез миграция или мутация.

Джийн се движи в действие: гепардите

Феноменът на генния дрейф може да се наблюдава в естествените популации, а най-крайният пример са гепардите. Тези бързи и стилни котки принадлежат към вида Acinonyx jubatus.

Преди около 10 000 години, гепардите - и други популации на едри бозайници - са преживели екстремни случаи на изчезване. Това събитие причинява "пречка" в град Cheetahs, където са оцелели само няколко индивида.

Оцелелите от катастрофалния феномен на плейстоцена дадоха началото на всички днес Гепарди. Ефектите от дрейфа, съчетани с инбридинг, почти напълно са хомогенизирали населението.

Всъщност, имунната система на тези животни е почти идентична във всички индивиди. Ако по някаква причина някой от членовете се нуждае от дарение на орган, всеки от техните партньори може да направи това, без да води до никакъв шанс за отхвърляне.

Даренията са процедури, които се извършват внимателно и е необходимо да се потиска имунната система на реципиента, така че да не атакува "външния агент", дори ако идва от много близък роднина - било то братя или синове.

Пример в човешките популации: амишите

Тесните места и основополагащият ефект се срещат и при сегашните човешки популации и имат много важни последствия в медицинската област.

Амишите са религиозна група. Те се характеризират с прост начин на живот, свободен от технологии и други съвременни удобства - в допълнение към изключително високата честота на заболявания и генетични патологии.

Около 200 колонизатори пристигнаха в Пенсилвания (САЩ) от Европа и започнаха да се възпроизвеждат сред същите членове.

Предполага се, че сред колонизаторите има носители на автозомно-рецесивни генетични заболявания, сред които синдром на Елис-ван Кревелд. Този синдром се характеризира с особености на dwarfism и polydactyly (голям брой пръсти, повече от пет цифри).

Заболяването е установено в първоначалната популация с честота от 0.001 и се увеличава значително до 0.07..

препратки

  1. Audesirk, T., Audesirk, G., & Byers, B.E. (2004). Биология: наука и природа. Образование в Пиърсън.
  2. Curtis, H., & Schnek, A. (2006). Покана за биология. Ed. Panamericana Medical.
  3. Freeman, S., & Herron, J. C. (2002). Еволюционен анализ. Prentice Hall.
  4. Futuyma, D. J. (2005). еволюция . Sinauer.
  5. Hickman, C.P., Roberts, L.S., Larson, A., Ober, W.C., & Garrison, C. (2001). Интегрирани принципи на зоологията (Том 15). Ню Йорк: Макгроу-Хил.
  6. Mayr, E. (1997). Еволюция и разнообразие на живота: Избрани есета. Харвард Университет Прес.
  7. Райс, С. (2007).Енциклопедия на еволюцията. Факти във файла.
  8. Russell, P., Hertz, P., & McMillan, B. (2013). Биология: Динамичната наука. Нелсън Образование.
  9. Солер, М. (2002). Еволюция: основата на биологията. Южен проект.