Evolusjon - alt liv på jorda er i slekt (Kan 2024)
Genetisk variasjon og evolusjonshastighet
Jo mer genetisk variasjon som finnes i en populasjon, desto større er muligheten for evolusjon å skje. Når antallet geneloki som er variabelt øker, og etter hvert som antallet alleler på hvert lokus blir større, øker sannsynligheten for at noen alleler vil endre seg i frekvens på bekostning av deres alternativer. Den britiske genetikeren RA Fisher viste matematisk en direkte sammenheng mellom mengden genetisk variasjon i en populasjon og hastigheten på evolusjonsendring ved naturlig seleksjon. Denne demonstrasjonen er nedfelt i hans grunnleggende teorem om naturlig seleksjon (1930): "Hastigheten til økning i egnethet til enhver organisme til enhver tid er lik dens genetiske varians i egnethet på det tidspunktet."
Dette teoremet er bekreftet eksperimentelt. En studie brukte forskjellige stammer av Drosophila serrata, en art av eddikflue fra Øst-Australia og New Guinea. Evolusjon i eddikfluer kan undersøkes ved å avle dem opp i separate "befolkningsbur" og finne ut hvordan bestander endrer seg gjennom mange generasjoner. Eksperimentelle populasjoner ble satt opp, med fluene som levde og reproduserte i deres isolerte mikrokosmos. Enkeltstamme bestander ble etablert fra fluer samlet enten på New Guinea eller i Australia; i tillegg ble en blandet populasjon utgjort ved å krysse disse to fluestammene. Den blandede populasjonen hadde større initial genetisk variasjon, siden den begynte med to forskjellige enkeltstamme bestander. For å oppmuntre til rask evolusjonær endring, ble populasjonene manipulert slik at fluene opplevde intens konkurranse om mat og rom. Tilpasning til det eksperimentelle miljøet ble målt ved periodisk å telle antall individer i populasjonene.
To resultater fortjener varsel. For det første hadde den blandede befolkningen, ved slutten av eksperimentet, flere fluer enn enkeltstammenpopulasjonene. For det andre, og mer relevant, økte antall fluer med en raskere hastighet i den blandede populasjonen enn i enkeltstammepopulasjonene. Evolusjonær tilpasning til miljøet skjedde i begge typer befolkning; begge var i stand til å opprettholde høyere antall etter hvert som generasjonene gikk. Men utviklingshastigheten var raskere i den blandede gruppen enn i enkeltstammegruppene. Jo større initial genetisk variasjon muliggjorde en raskere evolusjonshastighet.
Måling av genvariabilitet
Fordi en populasjons potensiale for utvikling utvikles av dens genetiske variasjon, er evolusjonister interessert i å oppdage omfanget av slik variasjon i naturlige populasjoner. Det er lett synlig at plante- og dyrearter er heterogene på alle slags måter - for eksempel i blomsterfargene og vekstvanene til planter, eller skallformene og båndmønstrene til snegler. Forskjeller blir lettere lagt merke til blant mennesker - i ansiktsegenskaper, hår og hudfarge, høyde og vekt - men slike morfologiske forskjeller er til stede i alle grupper av organismer. Et problem med morfologisk variasjon er at det ikke er kjent hvor mye som skyldes genetiske faktorer og hvor mye som kan være resultat av miljøpåvirkning.
Dyre- og planteavlere velger for sine forsøk individer eller frø som utmerker seg i ønsket attributter - for eksempel proteininnholdet i mais (mais) eller melkeutbyttet til kyr. Utvalget gjentas generasjon etter generasjon. Hvis bestanden endres i retningen foretatt av oppdretter, blir det klart at den opprinnelige bestanden hadde genetisk variasjon med hensyn til den valgte egenskapen.
Resultatene av kunstig seleksjon er imponerende. Valg for høyt oljeinnhold i mais økte oljeinnholdet fra under 5 prosent til mer enn 19 prosent på 76 generasjoner, mens valg for lavt oljeinnhold reduserte det til under 1 prosent. Tretti års utvalg for økt eggproduksjon i en flokk hvite Leghorn-kyllinger økte den gjennomsnittlige årlige produksjonen av en høne fra 125,6 til 249,6 egg. Kunstig utvalg har produsert uendelige varianter av hunder, katter og hesteraser. Plantene som dyrkes for mat og fiber, og dyrene som er avlet for mat og transport er alle produkter fra gammel eller moderne kunstutvelgelse. Siden slutten av 1900-tallet har forskere brukt teknikkene til molekylærbiologi for å modifisere eller introdusere gener for ønskede egenskaper i en rekke organismer, inkludert husdyrplanter og dyr; dette feltet har blitt kjent som genteknologi eller rekombinant DNA-teknologi. Forbedringer som tidligere ble oppnådd etter titalls generasjoner ved kunstig seleksjon, kan nå oppnås mye mer effektivt og raskt (innen en enkelt generasjon) ved molekylær genetisk teknologi.
Suksessen med kunstig seleksjon for praktisk talt alle egenskaper og enhver organisme som den er prøvd på, tyder på at genetisk variasjon er gjennomgripende gjennom naturlige bestander. Men evolusjonister liker å gå et skritt lenger og få kvantitative estimater. Bare siden 1960-tallet, med fremskritt fra molekylærbiologi, har genetikere utviklet metoder for å måle omfanget av genetisk variasjon i populasjoner eller blant arter av organismer. Disse metodene består hovedsakelig av å ta en prøve av gener og finne ut hvor mange som er varierende og hvor variabel hver enkelt er. En enkel måte å måle variasjonen til et genlokus på er å finne ut hvilken andel av individene i en populasjon som er heterozygoter på det stedet. Hos et heterozygot individ er de to genene for en egenskap, den ene mottatt fra moren og den andre fra faren, forskjellige. Andelen heterozygoter i populasjonen er derfor den samme som sannsynligheten for at to gener tatt tilfeldig fra genpoolen er forskjellige.
Teknikker for å bestemme heterozygositet har blitt brukt for å undersøke mange arter av planter og dyr. Vanligvis er insekter og andre virvelløse dyr mer variert genetisk enn pattedyr og andre virveldyr, og planter avlet ved å krysse (krysse med relativt ubeslektede stammer) viser mer variasjon enn de som er avlet med selvbestøvning. Men mengden genetisk variasjon er i alle fall forbløffende. Tenk som et eksempel mennesker, hvis variasjonsnivå er omtrent det samme som for andre pattedyr. Den menneskelige heterozygositetsverdien på nivået av proteiner er oppgitt som H = 0,067, noe som betyr at et individ er heterozygot ved 6,7 prosent av genene hans, fordi de to genene på hvert sted koder for litt forskjellige proteiner. Det menneskelige genom inneholder anslagsvis 20 000–25 000 gener. Dette betyr at en person er heterozygot med ikke færre enn 30 000 × 0,067 = 2,010 gen loci. En individuell heterozygot på et lokus (Aa) kan produsere to forskjellige typer kjønnsceller, eller kjønnsceller, en med hvert allel (A og a); en individuell heterozygot ved to loki (AaBb) kan produsere fire typer gameter (AB, Ab, aB og ab); en individuell heterozygot ved n loci kan potensielt produsere 2 n forskjellige gameter. Derfor har et typisk menneskelig individ potensialet til å produsere 2 0010, eller omtrent 10 605 (1 med 605 nuller etter), forskjellige typer gameter. Dette tallet er mye større enn det estimerte antallet atomer i universet, omtrent 10 80.
Det er da klart at hver kjønnscelle produsert av et menneske er genetisk forskjellig fra alle andre kjønnsceller, og at derfor ingen to personer som noen gang har eksistert eller noen gang vil eksistere, sannsynligvis vil være genetisk identiske - med unntak av identiske tvillinger, som utvikler seg fra en enkelt befruktet egg. Den samme konklusjonen gjelder alle organismer som reproduserer seg seksuelt; hvert individ representerer en unik genetisk konfigurasjon som sannsynligvis aldri vil bli gjentatt igjen. Dette enorme reservoaret med genetisk variasjon i naturlige populasjoner gir tilnærmet ubegrensede muligheter for evolusjonær endring som svar på miljøbegrensningene og organismenes behov.
Opprinnelsen til genetisk variasjon: mutasjoner
Livet oppsto for rundt 3,5 milliarder år siden i form av primordiale organismer som var relativt enkle og veldig små. Alle levende ting har utviklet seg fra denne lave begynnelsen. For tiden er det mer enn to millioner kjente arter, som er vidt forskjellige i størrelse, form og levesett, så vel som i DNA-sekvensene som inneholder deres genetiske informasjon. Hva har gitt den gjennomgripende genetiske variasjonen innen naturlige bestander og de genetiske forskjellene blant arter? Det må være noen evolusjonsmidler som eksisterende DNA-sekvenser blir endret på og nye sekvenser blir innlemmet i genpoolene til arter.
Informasjonen som er kodet i nukleotidsekvensen til DNA, er som regel reprodusert trofast under replikasjon, slik at hver replikasjon resulterer i to DNA-molekyler som er identiske med hverandre og modermolekylet. Men arvelighet er ikke en perfekt konservativ prosess; Ellers kunne ikke evolusjon ha funnet sted. Noen ganger forekommer "feil" eller mutasjoner i DNA-molekylet under replikasjon, slik at datterceller skiller seg fra foreldrecellene i sekvensen eller i mengden DNA. En mutasjon vises først i en enkelt celle i en organisme, men den blir gitt videre til alle celler som er nedstammet fra den første. Mutasjoner kan klassifiseres i to kategorier — gen- eller punktmutasjoner, som bare påvirker noen få nukleotider i et gen, og kromosomale mutasjoner, som enten endrer antall kromosomer eller endrer antall eller arrangement av gener på et kromosom.
