การล่องลอยทางพันธุกรรม: สาเหตุผลกระทบตัวอย่าง - ชีววิทยา - 2025

การล่องลอยทางพันธุกรรมหรือยีนเป็นกลไกการวิวัฒนาการแบบสุ่มที่ทำให้เกิดความผันผวนหรือการเปลี่ยนแปลงความถี่อัลลิลิกแบบสุ่มในประชากร

การคัดเลือกโดยธรรมชาติของ Charles Darwin และการล่องลอยของยีนเป็นกระบวนการที่สำคัญที่สุดสองกระบวนการที่เกี่ยวข้องกับการเปลี่ยนแปลงเชิงวิวัฒนาการของประชากร ตรงกันข้ามกับการคัดเลือกโดยธรรมชาติซึ่งถือเป็นกระบวนการที่กำหนดและไม่สุ่มตัวอย่างการล่องลอยของยีนเป็นกระบวนการที่พิสูจน์ได้ว่าเป็นความผันผวนแบบสุ่มของความถี่อัลลีลในประชากรหรือของ haplotypes

ที่มา: Anjile จาก Wikimedia Commons

การล่องลอยของยีนนำไปสู่วิวัฒนาการที่ไม่ปรับตัว ในความเป็นจริงการคัดเลือกโดยธรรมชาติ - ไม่ใช่การล่องลอยของยีน - เป็นกลไกเดียวที่ใช้อธิบายการปรับตัวของสิ่งมีชีวิตในระดับต่างๆ (กายวิภาคสรีรวิทยาหรือสาเหตุ)

นี่ไม่ได้หมายความว่าการล่องลอยของยีนไม่สำคัญ หนึ่งในผลกระทบที่โดดเด่นที่สุดของปรากฏการณ์นี้คือการสังเกตในระดับโมเลกุลระหว่างความแตกต่างของลำดับดีเอ็นเอและโปรตีน

ประวัติศาสตร์

ทฤษฎีการล่องลอยของยีนได้รับการพัฒนาในช่วงต้นทศวรรษที่ 1930 โดยนักชีววิทยาและนักพันธุศาสตร์ชั้นนำชื่อ Sewal Wright

ในทำนองเดียวกันการมีส่วนร่วมของ Motoo Kimura นั้นยอดเยี่ยมในสาขานี้ นักวิจัยคนนี้นำทฤษฎีวิวัฒนาการระดับโมเลกุลที่เป็นกลางซึ่งเขาเปิดเผยว่าผลของการล่องลอยของยีนมีส่วนสำคัญในการวิวัฒนาการในระดับของลำดับดีเอ็นเอ

ผู้เขียนเหล่านี้ได้คิดค้นแบบจำลองทางคณิตศาสตร์เพื่อทำความเข้าใจว่าการลอยตัวของยีนทำงานอย่างไรในประชากรทางชีววิทยา

สาเหตุ

สาเหตุของการล่องลอยของยีนเป็นปรากฏการณ์สุ่มนั่นคือแบบสุ่ม ในแง่ของพันธุศาสตร์ประชากรวิวัฒนาการถูกกำหนดให้มีการเปลี่ยนแปลงตลอดเวลาในความถี่อัลลีลของประชากร Drift ส่งผลให้ความถี่เหล่านี้เปลี่ยนแปลงไปโดยเหตุการณ์สุ่มที่เรียกว่า“ sampling error”

ยีนดริฟต์ถือเป็นข้อผิดพลาดในการสุ่มตัวอย่าง ยีนที่รวมอยู่ในแต่ละรุ่นเป็นตัวอย่างของยีนที่ดำเนินการโดยคนรุ่นก่อน

ตัวอย่างใด ๆ อาจเกิดข้อผิดพลาดในการสุ่มตัวอย่าง นั่นคือสัดส่วนของรายการต่างๆที่เราพบในตัวอย่างอาจเปลี่ยนแปลงได้โดยบังเอิญ

สมมติว่าเรามีกระเป๋าที่มีชิปสีขาว 50 ใบและชิปสีดำ 50 ใบ ถ้าเราเอาสิบตัวนี้บางทีเราได้ 4 สีขาวและ 6 สีดำโดยบังเอิญ หรือ 7 สีขาวและ 3 สีดำ มีความแตกต่างระหว่างค่าที่คาดหวังตามทฤษฎี (5 และ 5 ของแต่ละสี) กับค่าที่ได้จากการทดลอง

แก้ไขผลกระทบ

ผลของการล่องลอยของยีนนั้นมีหลักฐานว่าเป็นการเปลี่ยนแปลงความถี่อัลลีลของประชากรแบบสุ่ม ดังที่เราได้กล่าวไปแล้วสิ่งนี้เกิดขึ้นเมื่อไม่มีความสัมพันธ์ระหว่างลักษณะที่แตกต่างกันและความเหมาะสม เมื่อเวลาผ่านไปอัลลีลจะถูกแก้ไขหรือสูญหายไปจากประชากร

ในชีววิทยาวิวัฒนาการคำว่าสมรรถภาพถูกใช้กันอย่างแพร่หลายหมายถึงความสามารถของสิ่งมีชีวิตในการสืบพันธุ์และอยู่รอด พารามิเตอร์แตกต่างกันไประหว่าง 0 ถึง 1

ดังนั้นลักษณะที่แตกต่างกันไปตามการล่องลอยจึงไม่เกี่ยวข้องกับการสืบพันธุ์และการอยู่รอดของแต่ละบุคคล

การสูญเสียอัลลีลนำไปสู่ผลที่สองของการล่องลอยของยีนนั่นคือการสูญเสียความแตกต่างของความแตกต่างในประชากร การเปลี่ยนแปลงที่ตำแหน่งใดตำแหน่งหนึ่งจะลดลงและในที่สุดก็จะหายไป

เราจะคำนวณความน่าจะเป็นที่อัลลีลสูญหายหรือคงที่ได้อย่างไร?

ความน่าจะเป็นที่อัลลีลคงที่ในประชากรจะเท่ากับความถี่ในขณะที่ทำการศึกษา ความถี่ของการแนบอัลลีลทางเลือกคือ 1 - p โดยที่ p เท่ากับความถี่อัลลิลิก

ความถี่นี้ไม่ได้รับผลกระทบจากประวัติก่อนหน้าของการเปลี่ยนแปลงความถี่อัลลิลิกดังนั้นจึงไม่สามารถทำการคาดคะเนตามอดีตได้เช่นกัน

หากในทางตรงกันข้ามอัลลีลเกิดขึ้นจากการกลายพันธุ์ความน่าจะเป็นของการตรึงคือ p = 1/2 N โดยที่ N คือจำนวนประชากร นี่คือเหตุผลว่าทำไมอัลลีลใหม่ที่เกิดจากการกลายพันธุ์จึงแก้ไขได้ง่ายกว่าในประชากรกลุ่มเล็ก ๆ

ผู้อ่านต้องให้เหตุผลว่าค่า p จะส่งผลอย่างไรเมื่อตัวส่วนมีขนาดเล็กลง เหตุผลความน่าจะเป็นจะเพิ่มขึ้น

ดังนั้นผลของการล่องลอยของยีนจึงเกิดขึ้นอย่างรวดเร็วในประชากรกลุ่มเล็ก ๆ ในประชากรซ้ำซ้อน (โครโมโซมสองชุดเช่นเดียวกับมนุษย์เรา) การติดอัลลีลใหม่จะเกิดขึ้นโดยเฉลี่ยทุกๆ 4 N ชั่วอายุคน เวลาเพิ่มขึ้นตามสัดส่วนเมื่อเพิ่ม N ในประชากร

ที่มา: ศาสตราจารย์ marginalia จาก Wikimedia Commons

จำนวนประชากรที่มีประสิทธิภาพ

N ที่ปรากฏในสมการก่อนหน้านี้ไม่ได้อ้างถึงค่าที่เหมือนกับจำนวนบุคคลที่ประกอบเป็นประชากร กล่าวอีกนัยหนึ่งไม่เทียบเท่ากับการสำรวจสำมะโนประชากรของสิ่งมีชีวิต

ในพันธุศาสตร์ประชากรจะใช้พารามิเตอร์ของ "จำนวนประชากรที่มีประสิทธิผล" (Ne) ซึ่งโดยปกติจะน้อยกว่าบุคคลทั้งหมด

ตัวอย่างเช่นในประชากรบางกลุ่มที่มีโครงสร้างทางสังคมที่ครอบงำโดยผู้ชายเพียงไม่กี่คนจำนวนประชากรที่มีประสิทธิผลนั้นต่ำมากเนื่องจากยีนของเพศชายที่โดดเด่นเหล่านี้มีส่วนทำให้เกิดความไม่สมส่วน - ถ้าเราเปรียบเทียบพวกมันกับส่วนที่เหลือของผู้ชาย

ด้วยเหตุนี้ความเร็วในการเคลื่อนที่ของยีน (และความเร็วที่สูญเสียความแตกต่างกันไป) จะมากกว่าที่คาดไว้หากเราดำเนินการสำรวจสำมะโนประชากรเนื่องจากประชากรมีขนาดเล็กกว่าที่ดูเหมือนจะเป็น

หากในประชากรสมมุติเรานับ 20,000 คน แต่มีการสืบพันธุ์เพียง 2,000 ครั้งจำนวนประชากรที่มีประสิทธิผลจะลดลง และปรากฏการณ์นี้ซึ่งไม่ใช่สิ่งมีชีวิตทั้งหมดที่เกิดขึ้นในประชากรมีการกระจายอย่างกว้างขวางในประชากรตามธรรมชาติ

คอขวดและผลกระทบของผู้ก่อตั้ง

ดังที่เรากล่าวถึง (และแสดงให้เห็นทางคณิตศาสตร์) การล่องลอยเกิดขึ้นในประชากรกลุ่มเล็ก ๆ โดยที่อัลลีลที่ไม่บ่อยนักมีโอกาสสูญหายมากกว่า

ปรากฏการณ์นี้เป็นเรื่องปกติหลังจากที่ประชากรประสบกับเหตุการณ์ที่เรียกว่า“ คอขวด” เหตุการณ์นี้เกิดขึ้นเมื่อสมาชิกจำนวนมากของประชากรถูกกำจัดโดยเหตุการณ์ที่ไม่คาดฝันหรือภัยพิบัติบางประเภท (เช่นพายุหรือหิมะถล่ม)

ผลกระทบในทันทีอาจทำให้ความหลากหลายทางพันธุกรรมของประชากรลดลงลดขนาดของยีนพูลหรือยีนพูล

กรณีเฉพาะของคอขวดเป็นผลกระทบของผู้ก่อตั้งซึ่งมีคนจำนวนน้อยที่แยกตัวออกจากประชากรเริ่มต้นและพัฒนาอย่างโดดเดี่ยว ในตัวอย่างที่เราจะนำเสนอต่อไปเราจะเห็นว่าผลที่ตามมาของปรากฏการณ์นี้คืออะไร

ที่มา: Anjile จาก Wikimedia Commons

ผลกระทบในระดับดีเอ็นเอ: ทฤษฎีวิวัฒนาการระดับโมเลกุลที่เป็นกลาง

ทฤษฎีวิวัฒนาการของโมเลกุลที่เป็นกลางถูกเสนอโดย Motoo Kimura ก่อนที่จะมีแนวคิดของนักวิจัยคนนี้ Lewontin & Hubby ได้พบว่าสัดส่วนที่สูงของการเปลี่ยนแปลงในระดับเอนไซม์ไม่สามารถรักษาความหลากหลายเหล่านี้ไว้ได้ (รูปแบบต่างๆ)

Kimura สรุปว่าการเปลี่ยนแปลงของกรดอะมิโนเหล่านี้สามารถอธิบายได้โดยการล่องลอยของยีนและการกลายพันธุ์ เขาสรุปว่าในระดับดีเอ็นเอและโปรตีนกลไกการลอยของยีนมีบทบาทพื้นฐาน

คำว่าเป็นกลางหมายถึงความจริงที่ว่าการแทนที่ฐานส่วนใหญ่ที่สามารถแก้ไขได้ (ถึงความถี่ 1) นั้นเป็นกลางเมื่อเทียบกับความเหมาะสม ด้วยเหตุนี้รูปแบบเหล่านี้ที่เกิดขึ้นจากการล่องลอยจึงไม่มีความหมายที่ปรับเปลี่ยนได้

เหตุใดจึงมีการกลายพันธุ์ที่เป็นกลาง

มีการกลายพันธุ์ที่ไม่มีผลต่อฟีโนไทป์ของแต่ละบุคคล ข้อมูลทั้งหมดในการสร้างและพัฒนาสิ่งมีชีวิตใหม่จะถูกเข้ารหัสใน DNA รหัสนี้ถูกถอดรหัสโดยไรโบโซมในกระบวนการแปล

รหัสพันธุกรรมอ่านเป็น "แฝดสาม" (ชุดตัวอักษรสามตัว) และรหัสตัวอักษรทุกสามตัวสำหรับกรดอะมิโน อย่างไรก็ตามรหัสพันธุกรรมจะเสื่อมลงซึ่งบ่งชี้ว่ามีโคดอนมากกว่าหนึ่งรหัสสำหรับกรดอะมิโนชนิดเดียวกัน ตัวอย่างเช่น codons CCU, CCC, CCA และ CCG รหัสทั้งหมดสำหรับโปรลีนของกรดอะมิโน

ดังนั้นหากลำดับ CCU เปลี่ยนเป็น CCG ผลิตภัณฑ์แปลภาษาจะเป็นโปรไลน์และจะไม่มีการปรับเปลี่ยนลำดับโปรตีน

ในทำนองเดียวกันการกลายพันธุ์อาจเปลี่ยนเป็นกรดอะมิโนซึ่งคุณสมบัติทางเคมีไม่แตกต่างกันมากนัก ตัวอย่างเช่นหากอะลานีนเปลี่ยนเป็นวาลีนผลต่อการทำงานของโปรตีนอาจมองไม่เห็น

โปรดทราบว่าสิ่งนี้ใช้ไม่ได้ในทุกกรณีหากการเปลี่ยนแปลงเกิดขึ้นในส่วนของโปรตีนที่จำเป็นต่อการทำงานของมันเช่นบริเวณที่ทำงานของเอนไซม์ผลต่อการออกกำลังกายอาจมีความสำคัญมาก

ตัวอย่าง

ตัวอย่างสมมุติ: หอยทากและวัว

ลองนึกภาพทุ่งหญ้าที่หอยทากและวัวอยู่ร่วมกัน ในประชากรหอยทากเราสามารถแยกแยะสีได้ 2 สี ได้แก่ เปลือกสีดำและเปลือกสีเหลือง ปัจจัยชี้ขาดในการตายของหอยทากคือรอยเท้าของวัว

อย่างไรก็ตามโปรดทราบว่าหากหอยทากถูกเหยียบมันไม่ได้ขึ้นอยู่กับสีของเปลือกหอยเนื่องจากเป็นเหตุการณ์สุ่ม ในตัวอย่างสมมุติฐานนี้ประชากรหอยทากเริ่มต้นด้วยสัดส่วนสีเท่า ๆ กัน (หอยทากสีดำ 50 ตัวและหอยสีเหลือง 50 ตัว) ในกรณีของวัวให้กำจัดสีดำ 6 ตัวและสีเหลืองเพียง 2 ตัวสัดส่วนของสีจะเปลี่ยนไป

ในทำนองเดียวกันอาจเป็นไปได้ว่าในเหตุการณ์ต่อไปนี้สีเหลืองจะตายในสัดส่วนที่มากขึ้นเนื่องจากไม่มีความสัมพันธ์ระหว่างสีและความน่าจะเป็นที่จะถูกทับ (อย่างไรก็ตามไม่มีเอฟเฟกต์ "ชดเชย" ประเภทใด)

สัดส่วนของหอยทากจะเปลี่ยนแปลงไปอย่างไรเมื่อเวลาผ่านไป?

ในระหว่างกระบวนการสุ่มนี้สัดส่วนของเปลือกหอยสีดำและสีเหลืองจะมีการเปลี่ยนแปลงตลอดเวลา ในที่สุดหนึ่งในกระสุนจะถึงขีด จำกัด หนึ่งในสอง: 0 หรือ 1

เมื่อถึงความถี่ 1 - สมมติว่าสำหรับอัลลีลเปลือกสีเหลือง - หอยทากทั้งหมดจะเป็นสีนี้ และอย่างที่เราเดาได้อัลลีลของเปลือกสีดำจะหายไป

วิธีเดียวที่จะมีอัลลีลนั้นอีกครั้งคือประชากรที่เข้ามาโดยการย้ายถิ่นหรือโดยการกลายพันธุ์

ยีนล่องลอยในการดำเนินการ: เสือชีตาห์

ปรากฏการณ์ของการล่องลอยของยีนสามารถสังเกตได้ในประชากรตามธรรมชาติและตัวอย่างที่รุนแรงที่สุดคือเสือชีตาห์ แมวที่รวดเร็วและมีสไตล์เหล่านี้เป็นของสายพันธุ์ Acinonyx jubatus

ประมาณ 10,000 ปีที่แล้วเสือชีตาห์และสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนมขนาดใหญ่อื่น ๆ ประสบกับเหตุการณ์การสูญพันธุ์ครั้งใหญ่ เหตุการณ์นี้ทำให้เกิด "คอขวด" ในประชากรเสือชีตาห์โดยมีเพียงไม่กี่คนที่รอดชีวิต

ผู้รอดชีวิตจากปรากฏการณ์ภัยพิบัติ Pleistocene ก่อให้เกิดเสือชีตาห์ทุกตัวในปัจจุบัน ผลของการล่องลอยควบคู่ไปกับการผสมพันธุ์ทำให้ประชากรกลายเป็นเนื้อเดียวกันเกือบทั้งหมด

ในความเป็นจริงระบบภูมิคุ้มกันของสัตว์เหล่านี้มีความเหมือนกันในทุกคน หากด้วยเหตุผลใดก็ตามสมาชิกคนใดคนหนึ่งต้องการการบริจาคอวัยวะเพื่อนร่วมงานคนใดคนหนึ่งสามารถทำได้โดยไม่นำไปสู่การปฏิเสธใด ๆ

การบริจาคเป็นขั้นตอนที่ดำเนินการอย่างรอบคอบและจำเป็นต้องปราบปรามระบบภูมิคุ้มกันของผู้รับเพื่อไม่ให้โจมตี "ตัวแทนภายนอก" แม้ว่าจะมาจากสมาชิกในครอบครัวที่ใกล้ชิดมากก็ตาม - เรียกว่าพี่น้องหรือลูก ๆ

ตัวอย่างในประชากรมนุษย์: ชาวอามิช

คอขวดและผลกระทบของผู้ก่อตั้งยังเกิดขึ้นในประชากรมนุษย์ในปัจจุบันและมีผลที่เกี่ยวข้องอย่างมากในด้านการแพทย์

ชาวอามิชเป็นกลุ่มศาสนา พวกเขาโดดเด่นด้วยวิถีชีวิตที่เรียบง่ายปราศจากเทคโนโลยีและสิ่งอำนวยความสะดวกสมัยใหม่อื่น ๆ นอกเหนือจากการมีโรคและโรคทางพันธุกรรมที่มีความถี่สูงมาก

นักล่าอาณานิคมประมาณ 200 คนเดินทางมาถึงเพนซิลเวเนีย (สหรัฐอเมริกา) จากยุโรปและเริ่มแพร่พันธุ์ในหมู่สมาชิกกลุ่มเดียวกัน

มีการคาดเดาว่าในกลุ่มผู้ล่าอาณานิคมมีพาหะของโรคทางพันธุกรรมแบบถอยอัตโนมัติรวมถึงกลุ่มอาการเอลลิส - แวนเครเวลด์ กลุ่มอาการนี้มีลักษณะของคนแคระและ polydactyly (จำนวนนิ้วสูงมากกว่าห้าหลัก)

โรคนี้อยู่ในกลุ่มประชากรเริ่มต้นโดยมีความถี่ 0.001 และเพิ่มขึ้นอย่างมีนัยสำคัญถึง 0.07

อ้างอิง

1. Audesirk, T. , Audesirk, G. , & Byers, BE (2004). ชีววิทยา: วิทยาศาสตร์และธรรมชาติ. การศึกษาของเพียร์สัน.
2. Curtis, H. , & Schnek, A. (2006). ขอเชิญเข้าร่วมชีววิทยา Panamerican Medical Ed.
3. Freeman, S. , & Herron, JC (2002). การวิเคราะห์วิวัฒนาการ ศิษย์ฮอลล์.
4. Futuyma, DJ (2005). วิวัฒนาการ. Sinauer
5. Hickman, CP, Roberts, LS, Larson, A. , Ober, WC, & Garrison, C. (2001). หลักการบูรณาการสัตววิทยา (ฉบับที่ 15) นิวยอร์ก: McGraw-Hill
6. Mayr, E. (1997). วิวัฒนาการและความหลากหลายของชีวิต: บทความคัดสรร สำนักพิมพ์มหาวิทยาลัยฮาร์วาร์ด
7. ข้าว, ส. (2550). สารานุกรมวิวัฒนาการ. ข้อเท็จจริงเกี่ยวกับไฟล์
8. Russell, P. , Hertz, P. , & McMillan, B. (2013). ชีววิทยา: วิทยาศาสตร์แบบไดนามิก การศึกษาของเนลสัน
9. โซลเลอร์, M. (2002). วิวัฒนาการ: พื้นฐานของชีววิทยา โครงการทิศใต้.