Teoria științifică a evoluției

Variația genetică și rata de evoluție

Cu cât există o variație genetică mai mare într-o populație, cu atât este mai mare posibilitatea de a avea evoluție. Pe măsură ce numărul de loci de gene care sunt variabile crește și pe măsură ce numărul de alele la fiecare locus devine mai mare, probabilitatea crește ca unele alele să se schimbe în frecvență în detrimentul alternativelor lor. Geneticianul britanic RA Fisher a demonstrat matematic o corelație directă între cantitatea de variație genetică într-o populație și rata schimbării evolutive prin selecția naturală. Această demonstrație este întruchipată în teorema sa fundamentală de selecție naturală (1930): „Rata de creștere a fitnessului oricărui organism în orice moment este egală cu variația sa genetică în condiții de fitness la acel moment.”

Această teoremă a fost confirmată experimental. Un studiu a folosit diferite tulpini de Drosophila serrata, o specie de oțet care zboară din estul Australiei și Noua Guinee. Evoluția muștelor de oțet poate fi investigată prin creșterea lor în „cuști de populație” separate și aflând modul în care populațiile se schimbă de-a lungul mai multor generații. Au fost înființate populații experimentale, muștele trăind și reproducându-se în microcosmurile lor izolate. Populațiile cu o singură tulpină au fost stabilite din muște colectate fie în Noua Guinee, fie în Australia; în plus, o populație mixtă a fost constituită prin traversarea acestor două tulpini de muște. Populația mixtă a avut o variație genetică inițială mai mare, deoarece a început cu două populații diferite de o singură tulpină. Pentru a încuraja schimbările evolutive rapide, populațiile au fost manipulate astfel încât muștele au experimentat o concurență intensă pentru alimente și spațiu. Adaptarea la mediul experimental a fost măsurată prin numărarea periodică a numărului de indivizi din populații.

Două rezultate merită sesizate. În primul rând, populația mixtă a avut, la sfârșitul experimentului, mai multe muște decât populațiile cu o singură tulpină. În al doilea rând, și mai relevant, numărul de muște a crescut într-un ritm mai rapid în populația mixtă decât în ​​populațiile cu o singură tulpină. Adaptarea evolutivă la mediu a avut loc la ambele tipuri de populație; ambele au putut să mențină un număr mai mare pe măsură ce generațiile au progresat. Dar rata de evoluție a fost mai rapidă în grupul mixt decât în ​​grupurile cu o singură tulpină. Cantitatea inițială mai mare de variație genetică a făcut posibilă o rată de evoluție mai rapidă.

Măsurarea variabilității genice

Deoarece potențialul unei evoluții a unei populații este determinat de variația sa genetică, evoluționiștii sunt interesați să descopere amploarea unei astfel de variații la populațiile naturale. Este evident că speciile de plante și animale sunt eterogene în tot felul de moduri - în culorile și obiceiurile de creștere ale florilor, de exemplu, în formele de coajă și modelele de bandaj ale melcilor. Diferențele sunt mai ușor observate între oameni - în ceea ce privește caracteristicile faciale, culoarea părului și a pielii, înălțimea și greutatea - dar aceste diferențe morfologice sunt prezente în toate grupele de organisme. O problemă cu variația morfologică este că nu se știe cât se datorează factorilor genetici și cât poate rezulta din influențele mediului.

Crescătorii de animale și plante selectează pentru experimentele lor indivizi sau semințe care excelează în atributele dorite - în conținutul de proteine ​​din porumb (porumb), de exemplu, sau în producția de lapte a vacilor. Selecția se repetă generație după generație. Dacă populația se schimbă în direcția favorizată de crescător, devine clar că stocul inițial deținea variații genetice în raport cu trăsătura selectată.

Rezultatele selecției artificiale sunt impresionante. Selecția pentru conținut ridicat de ulei în porumb a crescut conținutul de ulei de la mai puțin de 5% la mai mult de 19% în 76 de generații, în timp ce selecția pentru conținut scăzut de ulei l-a redus la sub 1%. Treizeci de ani de selecție pentru creșterea producției de ouă la o turmă de pui de legumă albă a crescut producția medie anuală a unei găini de la 125,6 la 249,6 ouă. Selecția artificială a produs soiuri interminabile de rase de câini, pisici și cai. Plantele cultivate pentru alimente și fibre, precum și animalele crescute pentru alimente și transport sunt toate produsele de selecție artificială vechi sau de vârstă modernă. De la sfârșitul secolului XX, oamenii de știință au utilizat tehnicile biologiei moleculare pentru a modifica sau introduce gene pentru trăsăturile dorite într-o varietate de organisme, inclusiv plante și animale domestice; acest domeniu a devenit cunoscut sub numele de inginerie genetică sau tehnologie ADN recombinantă. Îmbunătățirile care în trecut au fost obținute după zeci de generații prin selecție artificială pot fi acum realizate mult mai eficient și rapid (în cadrul unei singure generații) prin tehnologia genetică moleculară.

Succesul selecției artificiale pentru aproape fiecare trăsătură și pentru fiecare organism în care a fost încercat sugerează că variația genetică este omniprezentă în întreaga populație naturală. Dar evoluționistilor le place să meargă cu un pas mai departe și să obțină estimări cantitative. Abia din anii 1960, odată cu progresele biologiei moleculare, geneticienii au dezvoltat metode pentru măsurarea gradului de variație genetică în populații sau în specii de organisme. Aceste metode constau în esență în prelevarea unui eșantion de gene și a afla câte sunt variabile și cât de variabile sunt fiecare. Un mod simplu de a măsura variabilitatea unui locus genic este de a stabili ce proporție a indivizilor dintr-o populație sunt heterozigoți la acel locus. La un individ heterozigot, cele două gene pentru o trăsătură, una primită de la mamă și cealaltă de la tată, sunt diferite. Proporția heterozigoților din populație este, prin urmare, aceeași cu probabilitatea ca două gene luate la întâmplare din grupul de gene să fie diferite.

Au fost utilizate tehnici pentru determinarea heterozigozității pentru a investiga numeroase specii de plante și animale. De obicei, insectele și alte nevertebrate sunt mai variate genetic decât mamiferele și alte vertebrate, iar plantele crescute prin depășirea (încrucișarea cu tulpini relativ fără legătură) prezintă o variație mai mare decât cele crescute prin auto-polenizare. Dar cantitatea de variație genetică este în orice caz uluitoare. Luați în considerare ca exemplu oamenii, al căror nivel de variație este aproximativ același cu cel al altor mamifere. Valoarea heterozigozității umane la nivelul proteinelor este declarată ca H = 0,067, ceea ce înseamnă că un individ este heterozigot la 6,7% din genele sale, deoarece cele două gene de la fiecare locus codifică proteine ​​ușor diferite. Genomul uman conține aproximativ 20.000-25.000 de gene. Aceasta înseamnă că o persoană este heterozigotă la nu mai puțin de 30.000 × 0.067 = 2.010 loci genici. Un heterozigot individual la un locus (Aa) poate produce două tipuri diferite de celule sexuale, sau gameți, unul cu fiecare alelă (A și a); un heterozigot individual la doi loci (AaBb) poate produce patru tipuri de gameți (AB, Ab, aB și ab); un heterozigot individual la n loci poate produce 2 ⁿ gameți diferiți. Prin urmare, un individ uman tipic are potențialul de a produce 2 ^2.010, sau aproximativ 10 ⁶⁰⁵ (1 cu 605 zerouri următoare), diferite tipuri de gameți. Acest număr este mult mai mare decât numărul estimat de atomi din univers, aproximativ 10 ⁸⁰.

Este clar, așadar, că orice celulă sexuală produsă de o ființă umană este diferită genetic de orice altă celulă sexuală și, prin urmare, este posibil ca nici două persoane care au existat sau vor exista vreodată să fie identice genetic - cu excepția identicelor gemeni, care se dezvoltă dintr-un singur ovul fertilizat. Aceeași concluzie se aplică tuturor organismelor care se reproduc sexual; fiecare individ reprezintă o configurație genetică unică, care probabil nu se va mai repeta niciodată. Acest rezervor enorm de variație genetică la populațiile naturale oferă oportunități practic nelimitate de schimbare evolutivă ca răspuns la constrângerile de mediu și nevoile organismelor.

Originea variației genetice: mutații

Viața își are originea în urmă cu aproximativ 3,5 miliarde de ani sub forma unor organisme primordiale care erau relativ simple și foarte mici. Toate viețuitoarele au evoluat de la aceste începuturi slabe. În prezent există mai mult de două milioane de specii cunoscute, care sunt foarte diverse ca mărime, formă și mod de viață, precum și în secvențele ADN care conțin informațiile lor genetice. Ce a produs variația genetică obișnuită în cadrul populațiilor naturale și diferențele genetice dintre specii? Trebuie să existe niște mijloace evolutive prin care secvențele ADN existente să fie schimbate și secvențe noi să fie încorporate în bazinele de gene ale speciilor.

Informația codificată în secvența de nucleotide a ADN-ului este, de regulă, reprodusă fidel în timpul replicării, astfel încât fiecare replicare are ca rezultat două molecule de ADN care sunt identice între ele și molecula părinte. Dar ereditatea nu este un proces perfect conservator; altfel, evoluția nu ar fi putut avea loc. Ocazional, „greșeli” sau mutații apar în molecula de ADN în timpul replicării, astfel încât celulele fiice diferă de celulele părinte din secvență sau în cantitatea de ADN. O mutație apare mai întâi într-o singură celulă a unui organism, dar este transmisă tuturor celulelor descendente din prima. Mutațiile pot fi clasificate în două categorii - mutație genică sau punctuală, care afectează doar câteva nucleotide în cadrul unei gene și mutații cromozomiale, care modifică numărul de cromozomi sau modifică numărul sau aranjarea genelor pe un cromozom.