תיאוריה מדעית אבולוציונית

שונות גנטית וקצב התפתחות

ככל שהשונות הגנטית הקיימת יותר באוכלוסייה, כך גדלה ההזדמנות להתפתחות. ככל שמספר לוקוסי הגנים המשתנים גדל וככל שמספר האללים בכל לוקוס הולך וגדל, גדל הסיכוי שחלק מהאללים ישתנו בתדירות על חשבון החלפנים שלהם. הגנטיקאי הבריטי RA פישר הדגים מתמטית קשר ישיר בין כמות השונות הגנטית באוכלוסייה לבין קצב השינוי האבולוציוני על ידי סלקציה טבעית. הדגמה זו מתגלמת במשפט היסודי שלו על הברירה הטבעית (1930): "שיעור הגידול בכושר של כל אורגניזם בכל עת שווה לשונות הגנטית שלו בכושר באותה תקופה."

משפט זה אושר בניסיון. מחקר אחד השתמש בזנים שונים של דרוסופילה סררטה, מין של חומץ זבוב ממזרח אוסטרליה וגינאה החדשה. ניתן לחקור את ההתפתחות בזבובי החומץ על ידי גידולם ב"כלובי אוכלוסייה "נפרדים ולברר כיצד אוכלוסיות משתנות לאורך דורות רבים. הוקמו אוכלוסיות ניסיוניות, כאשר הזבובים חיים ומתרבה במיקרוקוסמוס מבודד שלהם. אוכלוסיות זן יחיד הוקמו מזבובים שנאספו בגינאה החדשה או באוסטרליה; בנוסף, אוכלוסייה מעורבת הוקמה על ידי חציית שני זני הזבובים הללו. האוכלוסייה המעורבת הייתה בעלת השונות הגנטית הראשונית, מכיוון שהחלה בשתי אוכלוסיות שונות עם זן יחיד. כדי לעודד שינוי אבולוציוני מהיר, האוכלוסיות טופלו כך שהזבובים חוו תחרות עזה על אוכל ומרחב. ההסתגלות לסביבת הניסוי נמדדה על ידי ספירה מעת לעת של מספר הפרטים באוכלוסיות.

שתי תוצאות ראויות לשים לב. ראשית, באוכלוסייה המעורבת היו בסוף הניסוי יותר זבובים מאשר אוכלוסיות הזן הבודד. שנית, ורלוונטי יותר, מספר הזבובים עלה בקצב מהיר יותר באוכלוסייה המעורבת מאשר באוכלוסיות הזן הבודד. הסתגלות אבולוציונית לסביבה התרחשה בשני סוגי האוכלוסייה; שניהם הצליחו לשמור על מספרים גבוהים ככל שהתקדמו הדורות. אולם קצב ההתפתחות היה מהיר יותר בקבוצה המעורבת מאשר בקבוצות הזנים החד-פעמיים. הכמות הראשונית הגדולה יותר של שונות גנטית איפשרה קצב מהיר יותר של התפתחות.

מדידת שונות גנים

מכיוון שפוטנציאל התפתחותה של אוכלוסייה נקבע על ידי השונות הגנטית שלו, האבולוציה מעוניינת לגלות את היקף השונות כזו באוכלוסיות הטבעיות. ניתן לראות בקלות שמינים של צמחים ובעלי חיים הטרוגניים בכל מיני דרכים - בצבעי הפרחים והרגלי הגידול של צמחים, למשל, או בצורות הקליפה ודפוסי הלהקה של חלזונות. הבדלים ניתן להבחין ביתר קלות בקרב בני אדם - בתווי פנים, שיער ועור, גובה ומשקל - אך הבדלים מורפולוגיים כאלה קיימים בכל קבוצות האורגניזמים. בעיה אחת עם שונות מורפולוגית היא שלא ידוע כמה נובע מגורמים גנטיים וכמה עשוי לנבוע מהשפעות סביבתיות.

מגדלי בעלי חיים וצמחים בוחרים בניסויים אנשים או זרעים המצטיינים בתכונות הרצויות - בתכולת החלבון של תירס (תירס), למשל, או בתנובת החלב של פרות. הבחירה חוזרת על עצמה דור אחר דור. אם האוכלוסייה משתנה בכיוון המועדף על ידי המגדל, יתברר כי המניה המקורית הייתה בעלת שונות גנטית ביחס לתכונה שנבחרה.

תוצאות הבחירה המלאכותית מרשימות. הבחירה בתכולת השמן הגבוהה בתירס העלתה את תכולת השמן מפחות מחמישה אחוזים ליותר מ -19 אחוזים ב 76- דורות, בעוד שהבחירה בתכולת שמן נמוכה הפחיתה אותה עד לאחוז אחד. שלושים שנות בחירה לייצור ביצים מוגבר בלהקה של תרנגולות לגהורן לבן העלו את התפוקה השנתית הממוצעת של תרנגולת מ 125.6 ל- 249.6 ביצים. בחירה מלאכותית הניבה אינסוף זנים של גזעי כלבים, חתולים וסוסים. הצמחים שגדלו למזון וסיבים תזונתיים ובעלי החיים שגדלו למזון והובלה הם כולם מוצרים בעלי מבחר מלאכותי בן עידן או ימינו. מאז סוף המאה העשרים השתמשו המדענים בטכניקות של ביולוגיה מולקולרית כדי לשנות או להציג גנים לתכונות הרצויות במגוון של אורגניזמים, כולל צמחים ובעלי חיים ביתיים; תחום זה התפרסם כהנדסה גנטית או טכנולוגיית DNA רקומביננטית. שיפורים שבעבר הושגו לאחר עשרות דורות על ידי סלקציה מלאכותית, ניתן כיום לבצע בצורה הרבה יותר יעילה ומהירה (בתוך דור יחיד) על ידי טכנולוגיה גנטית מולקולרית.

ההצלחה של הברירה המלאכותית כמעט לכל תכונה ולכל אורגניזם בו היא נוסתה, מרמזת כי שונות גנטית חודרת בכל אוכלוסיות טבעיות. אבל אנשי האבולוציה אוהבים ללכת צעד אחד רחוק יותר ולקבל הערכות כמותיות. רק מאז שנות השישים, עם התקדמות הביולוגיה המולקולרית, פיתחו גנטיקאים שיטות למדידת מידת השונות הגנטית באוכלוסיות או בקרב מיני אורגניזמים. שיטות אלה מורכבות בעיקרו מלקיחת מדגם של גנים ולברר כמה משתנים וכמה משתנים כל אחד מהם. אחת הדרכים הפשוטות למדידת השונות של לוקוס גנים היא לבדוק איזה חלק מהאנשים באוכלוסייה הם הטרוזיגוטים באותו לוקוס. אצל אדם הטרוזיגוטי שני הגנים לתכונה, האחד שמתקבל מהאם והשני מהאב, שונים זה מזה. חלקן של ההטרוזיגוטות באוכלוסייה זה, אפוא, כמו ההסתברות ששני גנים שנלקחו באופן אקראי ממאגר הגנים שונים.

טכניקות לקביעת הטרוזיגוזיות שימשו לחקר מינים רבים של צמחים ובעלי חיים. בדרך כלל, חרקים וחסרי חוליות אחרים מגוונים יותר מבחינה גנטית מאשר יונקים וחולייתנים אחרים, וצמחים שגדלו על ידי מעבר חוצה (עוברים עם זנים בלתי קשורים יחסית) מציגים שונות רבה יותר מאלו שגדלו על ידי האבקה עצמית. אבל כמות השונות הגנטית מדהימה בכל מקרה. קחו כדוגמה בני אדם שרמת השונות שלהם זהה לזו של יונקים אחרים. ערך ההטרוזיגוזיות האנושי ברמת החלבונים נאמר כ- H = 0.067, מה שאומר שאדם הוא הטרוזיגי ב 6.7 אחוז מהגנים שלו, מכיוון ששני הגנים בכל לוקוס מקודדים חלבונים שונים במקצת. הגנום האנושי מכיל כ- 20,000-25,000 גנים. המשמעות היא שאדם הוא הטרוזיגי בלא פחות מ- 30,000 × 0.067 = 2,010 לוקוסים גנים. הטרוזיגוטי אינדיבידואלי בלוקוס אחד (Aa) יכול לייצר שני סוגים שונים של תאי מין, או גמטות, האחד עם כל האלל (A ו- A); הטרוזיגוטי אינדיבידואלי בשני לוקוסים (AaBb) יכול לייצר ארבעה סוגים של גמטות (AB, Ab, aB ו- ab); הטרוזיגוטיים בודדים n לוקוסים פוטנציאליים יכולים לייצר 2 ⁿ גמטות שונים. לפיכך, לאדם אנושי טיפוסי יש פוטנציאל לייצר 2 ^2,010, או בערך 10 ⁶⁰⁵ (1 עם 605 אפסים הבאים), סוגים שונים של גמטים. מספר זה גדול בהרבה מהמספר המשוער של האטומים ביקום, בערך 10 ⁸⁰.

ברור אם כן, שכל תא מין המיוצר על ידי בן אנוש שונה גנטית מכל תא מין אחר, ולכן אין שני אנשים אשר היו קיימים או יתקיימו אי פעם, עשויים להיות זהים גנטית - למעט זהים תאומים, המתפתחים מביצית מופרית אחת. אותה מסקנה חלה על כל האורגניזמים המתרבים מינית; כל אדם מייצג תצורה גנטית ייחודית אשר ככל הנראה לעולם לא תחזור על עצמה שוב. מאגר עצום זה של שונות גנטית באוכלוסיות טבעיות מספק הזדמנויות כמעט בלתי מוגבלות לשינוי אבולוציוני בתגובה לאילוצים הסביבתיים ולצרכי האורגניזמים.

מקור השונות הגנטית: מוטציות

החיים מקורם לפני כ -3.5 מיליארד שנה בצורת אורגניזמים קדמוניים שהיו פשוטים יחסית וקטנים מאוד. כל היצורים החיים התפתחו מההתחלות הנמוכות הללו. נכון לעכשיו ישנם יותר משני מיליון מינים ידועים, המגוונים באופן נרחב בגודלם, בצורתם ובאורח החיים שלהם, כמו גם ברצפי ה- DNA המכילים את המידע הגנטי שלהם. מה ייצר את השונות הגנטית החודרת בקרב אוכלוסיות טבעיות ואת ההבדלים הגנטיים בין המינים? חייבים להיות אמצעים אבולוציוניים שבהם משתנים רצפי DNA קיימים ומשולבים רצפים חדשים בבריכות הגנים של המינים.

המידע המקודד ברצף הנוקליאוטידים של ה- DNA, ככלל, משוכפל נאמנה במהלך שכפול, כך שכל שכפול מביא לשתי מולקולות DNA זהות זו לזו ולמולקולת האב. אך תורשה אינה תהליך שמרני לחלוטין; אחרת, האבולוציה לא הייתה יכולה להתרחש. לעיתים מתרחשות "טעויות" או מוטציות במולקולת ה- DNA בזמן שכפול, כך שתאי הבת נבדלים מתאי האב ברצף או בכמות ה- DNA. מוטציה מופיעה לראשונה בתא בודד של אורגניזם, אך היא מועברת לכל התאים היורדים מהראשון. ניתן לסווג מוטציות לשתי קטגוריות - מוטציות של גן או נקודה, שמשפיעות רק על מספר נוקלאוטידים בתוך גן, ומוטציות כרומוזומליות, שמשנות את מספר הכרומוזומים או משנות את המספר או הסדר של הגנים בכרומוזום.