Biologia szkoła ponadgimnazjalna/Różnorodność genetyczna

Różnorodność genetyczna

Zagadnienie z podstawy programowej

„uczeń: opisuje różnorodność biologiczną na poziomie genetycznym, gatunkowym i ekosystemowym; wskazuje przyczyny spadku różnorodności genetycznej, wymierania gatunków, zanikania siedlisk i ekosystemów; ”

Nowe geny

Niebieski homar amerykański to efekt mutacji genowej

Nowe geny a wraz z nimi nowe, nie istniejące w przyrodzie cechy mogą powstawać w wyniku mutacji. Większość mutacji prowadzi do negatywnych zmian w działaniu komórki. W wyniku ewolucji powstał szereg mechanizmów, które zabezpieczają materiał genetyczny przez uszkodzeniami, w tym mutacjami. Trwałe zmiany w DNA mogą zaburzać metabolizm komórki, przez pozbawienie możliwości przeprowadzania ważnej reakcji. Zmiany mogą również prowadzić do utraty kontroli nad podziałami i różnicowaniem komórek. Jest to przyczyna rozwijania się nowotworów. Zmiany w DNA pojedynczych komórek są niekorzystne dla całego organizmu. Organizmy posiadają cały system zapewniający naprawianie uszkodzonego DNA. Szacuje się, że w okresie jednej doby dochodzi do 1000-1 000 000 uszkodzeń materiału genetycznego każdej komórki. Większość z tych uszkodzeń polega to uszkodzenia tylko jednej nici DNA. Możliwe jest odtworzenie właściwej informacji genetycznej na podstawie drugiej nici. Naprawa jest możliwa nawet w przypadku uszkodzenia obu nici DNA. Do naprawy wykorzystywana jest w takim przypadku siostrzana chromatyda. W niektórych przypadkach naprawa DNA nie udaje się, sposobem pozbycia się zmutowanych komórek jest naturalny proces starzenia się i zaprogramowanej śmierci komórki (apoptozy). Śmierć komórki może być efektem zadziałania czynników wewnątrzkomórkowych lub otrzymania informacji z zewnątrz. W ten sposób organizm doprowadza do śmierci komórek, które rozwijają się nieprawidłowo.

Mutacje są szkodliwe, jednak są też kluczowym czynnikiem ewolucji. Nieliczne korzystne mutacje zapewniają rozwój życia, powstawania nowych efektywniejszych rozwiązań, nowych sposobów radzenia sobie w środowisku. W efekcie ewolucji możliwej dzięki mutacjom na Ziemi pojawił się tak skomplikowany organizm jak człowiek. Mutacje mogą być spowodowane przez czynniki zewnętrzne. Badania wykazały, że część mutacji jest inicjowana przez komórkę. Odkryto fragmenty DNA, transpozony, które mogą być przemieszczane w obrębie materiału genetycznego komórki i powodować mutacje. Przenoszenie fragmentów DNA może być sposobem na rozwój nowych genów. Czy organizmy prowadzą badania nad nowymi genami? Istnienie transpozonów jest w ten sposób tłumaczone przez część naukowców.

Korzyści z różnorodności

Środowisko zmienia się w czasie i przestrzeni. Pojedyncza cecha może zostać zoptymalizowana pod kątem środowiska. Ta sama cecha nie gwarantuje sukcesu w innym miejscu lub innym czasie. Przykładem korzystania z różnorodności genetycznej jest melanizm przemysłowy opisany dla gatunku ćmy, krępak nabrzozak. Przed rozwojem przemysłu w okolicach Manchesteru większość osobników posiadała jasne ubarwienie zapewniające dobry kamuflaż, gdy ćmy siadały na jasnej korze drzew. W epoce rewolucji przemysłowej kora drzew stała się ciemna. Ćmy nie wyginęły. Dominującą formą stały się ćmy o ciemnym ubarwieniu. Współcześnie, wraz ze zwiększoną troską o środowisko, jasna forma ćmy znów staje się dominująca. Posiadanie allelu odpowiedzialnego za ciemne ubarwienie pozwoliło gatunkowi przetrwać zmiany.

Jedna z chorób genetycznych człowiek, za którą odpowiedzialny jest allel recesywny, anemia sierpowata nie musi być traktowana tylko jako wada genetyczna. Posiadanie dwóch zmutowanych alleli skutkuje rozwojem poważnej choroby, jednak osobniki heterozygotyczne nie chorują, a są w dużym stopniu odporne na malarię. Tłumaczy to znacznie częstsze występowanie choroby u rdzennej ludności Afryki, gdzie ryzyko zakażenia patogenem powodującym malarię jest duże. Przypadki zachorowań stwierdzane są także w regionie Morza Śródziemnego, nie zdarzają się niemal wśród mieszkańców północnej i środkowej Europy.

Mutacja w genie CCR5 polegająca na braku 32 pary zasad daje osobnikom homozygotycznym odporność na jedną z odmian wirusa HIV. Zmutowana wersja genu występuje u około 5-14% Europejczyków. Oznacza to, że pewna liczba ludzi nie może zachorować na AIDS. Obecność zmutowanej wersji CCR5 daje także odporność na czarną ospę .

Podane przykłady to potwierdzone badaniami pozytywne efekty obecności wielu wersji genu wśród osobników gatunku. Różnice w wyglądzie widoczne są u każdego gatunku, rozprzestrzenionego na dużym obszarze. Poszczególne formy są prawdopodobnie lepiej przystosowane do lokalnych warunków. Żmija zygzakowata występuje na obrzeżach lasów, łąkach, polanach leśnych. Wśród osobników jednego gatunku spotkać można odmiany o barwie czarnej, jasnej i miedzianoczerowej. Barwa zapewnia możliwość ukrycia się w różnych warunkach otoczenia.

Trudno ocenić potencjalne korzyści z obecności wielu wersji genu. Zależą one od zmian, które zajdą w przyszłości. Różnorodność genetyczna to przede wszystkim przygotowanie do tego, co może się wydarzyć. Zmianom podlegają zarówno ofiary, jak i drapieżniki oraz pasożyty. Obecność wielu alleli zapewnia szybka odpowiedź na każde potencjalne zagrożenie.

odmiana czarna
odmiana czarna
odmiana jasna
odmiana miedzianoczerwona

Spadek różnorodności genetycznej

Rozmnażanie płciowe zapewnia mieszanie materiału genetycznego w kolejnych pokoleniach. Jest ono powszechne w przyrodzie. Jeden osobnik może posiadać dwie wersje tego samego genu. Alleli w populacji może być więcej. Jest tak między innymi w przypadku alleli odpowiedzialnych za główne grupy krwi człowieka. Wszystkie geny obecne w populacji, w tym różne warianty tego samego genu, nazywane są pulą genową. Allele ulegają mieszaniu w każdym kolejnym pokoleniu. W wyniku przypadku allele mogą być tracone, jeśli jedyny osobnik posiadający daną wersję zginie lub allel nie znajdzie się w gametach, które doprowadziły do powstania potomstwa. Mutacje prowadzą do zwiększenia puli genowej populacji. U wielu gatunków różnorodność genetyczna stale maleje. Bezpośrednią przyczyną spadku różnorodności biologicznej na poziomie genetycznym jest zmniejszenie liczebności osobników poszczególnych gatunków. Niektóre allele są rozpowszechnione bardziej i występują na przykład u większości osobników danego gatunku, inne występują tylko u kilku osobników. Odpowiednio duża liczebność danej populacji, gwarantuje przekazanie kolejnym pokoleniem różnorodnego materiału genetycznego. Większa liczba osobników to także więcej organizmów, u których może dojść do mutacji, czyli powstania nowych rodzajów genów. Gdy liczebność populacji spada niektóre z alleli są bezpowrotnie tracone. Niektóre z gatunków osiągnęły liczebność, która drastycznie ograniczyła ich różnorodność genetyczną. Wiążąca się z tym utrata zdolności przystosowania się do zmieniającego się środowiska powoduje, że będą one zagrożone wyginięciem przez tysiące kolejnych lat. Dzięki działaniom człowieka udało się przywrócić w naturalnych ekosystemach gatunki, które wyginęły w naturze. Przykładem takiego gatunku jest żubr. Wszystkie osobniki wolnożyjące zostały zabite, głównie podczas I Wojny Światowej. Po wojnie zebrano żubry, które pozostały w ogrodach zoologicznych i dzięki ich rozmnażaniu oraz opiece nad nimi, możliwe było przywrócenie tego gatunku naturze. Pomimo tego, że współcześnie liczba żubrów to kilka tysięcy osobników, ich zróżnicowani genetyczne jest niewielkie. Wszystkie pochodzą od zaledwie 12 zwierząt, które rozmnażano w niewoli po zakończeniu I Wojny Światowej. Tak niska różnorodność genetyczna nie gwarantuje przetrwania gatunku. Zjawisko losowej zmiany częstości występowania określonego allelu nazywane jest dryfem genetycznym. Jest ono niezależne od doboru naturalnego i odgrywa większa rolę w populacjach o małej liczebności. W takich populacjach dryf genetyczny może doprowadzić nawet do utraty wartościowej ewolucyjnie cechy, ponieważ przekazywanie cech potomstwu jest zjawiskiem czysto losowym.

Występowanie poszczególnych alleli może być uzależnione od terenu zajmowanego przez osobniki. Zajęcie ogromnych powierzchni przez rolnictwo oraz rozwijające się miasta doprowadza do pozbawienia dzikożyjących organizmów ich siedlisk. Zmniejszenie powierzchni, na której występuje dany gatunek, prowadzi do zaniku alleli obecnych tylko w lokalnych podgatunkach. Pola, autostrady i miasta to również utrudnienie w kontaktach pomiędzy osobnikami tego samego gatunku. Jeśli osobniki z jednego obszaru leśnego nie mają szans krzyżować się z osobnikami z innego obszaru, prawdopodobieństwo utraty alleli z puli genowej wzrasta. Pojawienie się nowej formy wirusa lub bakterii może doprowadzić do wyginięcia wszystkich osobników danego gatunku na obszarze lasu lub mokradeł pomimo istnienia allelu dającego odporność na nową chorobę u osobników żyjących kilkaset kilometrów dalej.

Zagrożeniem dla różnorodności genetycznej jest także ujednolicanie środowiska. Działalność człowieka to często setki hektarów pól obsianych jednym gatunkiem rośliny. W jednolitym środowisku przystosowanie będące efektem posiadania określonych genów szybko zostanie zoptymalizowane. Organizmy dzikożyjące moją bardzo ograniczony rodzaj pokarmu, ograniczoną liczbę wrogów. Allele pozwalające poradzić sobie w innych warunkach, staną się nieprzydatne i będą eliminowane w wyniku doboru naturalnego.

Różnorodność genetyczna uprawianych roślin i hodowanych zwierząt

Człowiek od tysięcy lat rozmnaża i uprawia rośliny. W efekcie wybierania do rozmnożenia tych osobników, które posiadają wartościowe dla człowieka cechy, ewolucja tych gatunków przebiega odmiennie od gatunków występujących w naturze. Proces selekcji cech przeprowadzany przez człowieka nazywany jest doborem sztucznym. Zmiany, które zaszły u organizmów wykorzystywanych przez człowieka, mogą być na tyle duże, że trudno jest ustalić dziki odpowiednik gatunku uprawianego. W przypadku zbóż na selekcję wpływały głównie: wielkość nasion oraz ilość nasion. Jeśli porówna się wielkość nasion pszenicy i traw dzikorosnących różnice są zauważalne dla każdego. Dobór sztuczny w większości przypadków prowadzi do zubożenia różnorodności genetycznej uprawianego gatunku. Zachowanie nowej wartościowej cechy jest możliwe pod warunkiem krzyżowania osobników blisko spokrewnionych. W efekcie tysiące hektarów upraw zasiedlanych jest przez organizmy genetycznie bardzo podobne, a w niektórych przypadkach identyczne. Pełna zgodność materiału genetycznego występuje u odmian roślin rozmnażanych wegetatywnie. Wszystkie rośliny na polu mogą być klonami. Niestety okazuje się, że poprawa przydatności gospodarczej może mieć skutki uboczne w postaci większej podatności na choroby. Pola z podobnymi lub identycznymi roślinami są bardziej podatne na ataki patogenów.

Zubożenie puli genowej zachodziło przez wieki także u wielu hodowanych zwierząt. Jednym ze sposobów utrwalenia wartościowej cechy jest chów wsobny, czyli krzyżowanie osobników blisko spokrewnionych. Można w ten sposób doprowadzić do znacznego wzrostu mleczności krów lub ilości mięsa u świń. Jednak konsekwencje spadku różnorodności genetycznej są podobne jak w naturze. Zwierzęta hodowlane padają tysiącami w przypadku pojawienia się nowych chorób.

Niektóre gatunki uprawiane lub hodowane przez człowieka uzyskały wyjątkowo wiele różnych cech. Gatunki roślin ozdobnych mają czasami tysiące odmian. Sytuacja taka ma miejsce dla róży uprawianej przez ogrodników od tysiącleci. Podobne bogactwo cech można zauważyć wśród ras psów hodowanych na całym świecie. Psy hodowane były do wielu różnych celów, stąd wielu rasom przypisane zostały stałe funkcje. Niektóre doskonale nadają się do pomocy niewidomym, inne do pilnowania owiec, jeszcze inne do tropienia zwierzyny. Uzyskano też dość dużo ras bydła z przeznaczeniem na mięso lub bydła mlecznego. Gdy porówna się różnorodność krów w Polsce okazuje się, że ilość hodowanych ras nie jest jednak zbyt duża.

Pamiętaj

Nowe geny pojawiają się w wyniku mutacji.
Każda nowa cecha może dać przewagę w środowisku.
Organizmy posiadają mechanizmy zabezpieczające przed uszkodzeniem DNA, jednak mogą mięć też mechanizmy prowadzące do powstania nowych genów.
Tworzenie ciągle nowych kombinacji genów możliwe jest w wyniku rozmnażania płciowego.
Spadek liczebności populacji, zmniejszanie powierzchni zasiedlanej przez gatunek, wprowadzanie barier powoduje obniżenie różnorodności genowej.
Za spadek różnorodności genowej w dużym stopniu odpowiada człowiek.
Dobór sztuczny prowadzi do uprawiania i hodowania niemal identycznych osobników.
Niektóre z uprawianych odmian roślin i hodowanych ras zwierząt wykazują bardzo duże zróżnicowanie genetyczne.

Zadania

Poszukaj informacji, ile odmian róży istnieje na całym świecie?
Jakie gatunki zwierząt lub roślin mogą mieć, podobnie jak żubry, bardzo uboga pulę genową?
Liczba ludzi na świecie przekroczyła 7 miliardów. Czy należy się obawiać, że wszyscy mogą umrzeć w światowej epidemii nowej, nieznanej choroby?