Informatie

Hoe kan inteelt gebruikt worden om mutaties te selecteren?

Hoe kan inteelt gebruikt worden om mutaties te selecteren?


We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

Ik begrijp dat inteelt, na een aantal generaties van het kruisen van genetisch verwante individuen, uiteindelijk homozygoten oplevert, maar ik begrijp niet hoe het kan worden gebruikt voor het selecteren van mutaties.


Overweeg een paringssysteem voor broers en zussen, de eenvoudigste inteeltsituatie, met een eenvoudige Mendeliaanse eigenschap.

Stap 0: Laten we beginnen met heterozygoten, Aa x Aa.

Stap 1: Hun nakomelingen zullen een verzameling zijn van AA, Aa, Aa, aa, in ruwweg die verhoudingen waarbij wordt uitgegaan van gelijke overleving.

Stap 2: Nu fokken we broers en zussen. Als we toevallig Aa x Aa fokken, zijn we weer terug bij het oorspronkelijke uitgangspunt. Keer terug naar stap 1.

Als we toevallig AA x AA of aa x aa fokken, en dan doorgaan met het fokken van die nakomelingen met hun broers en zussen, zullen alle volgende generaties homozygoot zijn, tenzij er een mutatie is. Stop hier, je hebt homozygoten.

Als we toevallig AA x Aa of Aa x aa fokken, zullen de volgende nakomelingen overeenkomen met die ouders: AA, Aa of Aa, aa. Als we Aa x Aa fokken, ga dan terug naar stap 1. Als we AA x AA of aa x aa fokken, stop hier, je hebt homozygoten.

Natuurlijk zou je in theorie kunnen eindigen met heterozygoten die dit voor altijd doen, maar de kans wordt kleiner en kleiner naarmate je meer generaties fokt.


Voor het selecteren van een bijzonder mutatie, is het vaak eenvoudiger om te genotypen voor aanwezigheid van een allel in plaats van zygositeit (d.w.z. gebruik gewoon een eenvoudige RT-PCR). Als je bijvoorbeeld uiteindelijk aa wilt produceren, kun je testen op het 'a'-allel en geen nakomelingen fokken die geen 'a' hebben, daarom zijn ze AA. Als je dit doet, eindig je uiteindelijk altijd op een pad met homozygoten.

Als je een gemakkelijk te produceren modelorganisme hebt, kun je dit ook eenvoudig per fenotype doen (afhankelijk van de eigenschap): zodra een stam zich vestigt in een consistent fenotype, weet je dat je een homozygoot van het ene of het andere type hebt. Als je modelorganisme gemakkelijk te produceren is, is het oké als sommigen de mutatie niet dragen.

Voor het selecteren van een willekeurig mutatie, hetzelfde is waar, behalve dat je veel genen hebt in plaats van alleen gen "A". Elke willekeurige mutatie in slechts één individu in het begin van de fokkerij zou mogelijk kunnen zijn: gemaakt in de ingeteelde populatie ergens langs de lijn, door de bovenstaande stappen te volgen. Als je BB x Bb fokt, waarbij Bb een willekeurige mutatie heeft, heb je de kans om een ​​Bb x Bb-paar te fokken in de volgende generatie, waarmee je bij stap 0 begint voor die specifieke willekeurige mutatie.


MAATREGELEN VAN FENOTYPISCHE SELECTIE ZIJN BEOORDELD DOOR GEDEELTELIJKE INBREEDING

Wanneer populaties gedeeltelijk ingeteeld zijn vanwege de populatiestructuur of door een gemengd paarsysteem zoals gedeeltelijke zelfbevruchting, zullen sommige individuen meer ingeteeld zijn dan andere. Deze heterogeniteit tussen individuen in de geschiedenis van inteelt kan de interpretatie van metingen van kwantitatieve genetische variabiliteit enorm bemoeilijken wanneer de bestudeerde eigenschappen inteeltdepressie vertonen. Gedeeltelijke inteelt kan ook metingen van fenotypische selectie vertekenen in de richting van de detectie van sterke directionele en stabiliserende selectie. In dit artikel worden gegevens gepresenteerd van verschillende inteeltexperimenten die zijn uitgevoerd op twee gedeeltelijk zelfvoorzienende, jaarlijkse populaties van de apenbloem. Mimulus guttatus die aantonen dat de gemiddelden van veel van de gemeten morfologische en fenologische kenmerken beïnvloed waren door inteelt. Deze bevindingen impliceren dat schattingen van erfelijkheid en additieve genetische covarianties niet het potentieel van deze populaties om op selectie te reageren zouden weerspiegelen. Fenotypische selectieanalyses uitgevoerd op natuurlijk voorkomende planten, waarbij lineaire regressies van relatieve zaadproductie op de eigenschappen betrokken waren, onthulden significante directionele selectie op veel van dezelfde kwantitatieve eigenschappen gemeten in de inteeltstudies. Toen echter dezelfde selectieanalyses werden uitgevoerd op planten met een bekende inteeltgeschiedenis, bleek een deel van de statistische relatie tussen het relatieve zaadaantal en de eigenschappen te wijten te zijn aan het paringssysteem: ingeteelde individuen hadden beide lagere zaadproductie en andere gemiddelde waarden voor de eigenschappen dan uitgekruiste individuen. Er wordt ook aangetoond, met een hypothetisch voorbeeld, dat gedeeltelijke inteelt metingen van stabiliserende selectie kan vertekenen in de richting van de detectie van sterke stabiliserende selectie. Gedeeltelijke inteelt heeft daarom de neiging om directionele en stabiliserende selectie sterker te laten lijken dan het is, en het kan zijn dat natuurlijke selectie in het wild eigenlijk zwakker is dan veel studies van gedeeltelijk ingeteelde soorten suggereren.


Invoering

Inteelt, het paren tussen verwanten, leidt tot verhoogde homozygotie van allelen die identiek zijn door afstamming. Schadelijke gevolgen van inteelt op fitheid, bekend als inteeltdepressie, zijn uitgebreid bestudeerd en worden aangetroffen in bijna alle normaal voortplantende organismen (voor een overzicht zie Charlesworth & Charlesworth, 1987). Doorgaans is gevonden dat inteeltdepressie toeneemt met een toename van de inteeltcoëfficiënt F (Willis, 1993 Dudash et al., 1997 Koelewijn, 1998 Ouborg et al., 2000), wat een maat is voor de mate van inteelt van een individu en de waarschijnlijkheid van identiteit geeft door afstamming van twee allelen op een locus (Wright, 1922). Afgezien van veranderingen in gemiddelde genotypische waarden, kan inteelt ook de genetische variantie voor fitness vergroten (Willis & Orr, 1993 Deng & Lynch, 1997) en zo de natuurlijke selectie beïnvloeden. Inteeltdepressie en zijn variantie kunnen echter niet alleen worden beïnvloed door de mate van homozygotie, maar kunnen ook worden beïnvloed door de interacties tussen loci en/of door interacties met de omgeving.

Schadelijke mutaties werken onafhankelijk wanneer het effect van een mutatie niet afhankelijk is van het bestaan ​​van andere mutaties in het genoom. Als hun effecten niet onafhankelijk zijn, kunnen ze met elkaar interageren. Dit kan ofwel door antagonistische epistasie zijn, waarbij elke extra mutatie een kleiner effect heeft dan eerdere mutaties, of door synergetische epistasie, waarbij elke schadelijke mutatie die aan het genoom wordt toegevoegd een groter effect heeft dan de voorgaande mutaties (Peters, 1999). Synergetische epistasie leidt tot een afname van de logaritme van fitness, waarbij de helling steiler afneemt naarmate het aantal mutaties toeneemt.

De aanwezigheid van synergetische epistasie heeft belangrijke gevolgen voor de selectie tegen schadelijke mutaties. Omdat selectie werkt tegen individuen met een lage fitheid, worden schadelijke mutaties efficiënter verwijderd met synergetische epistasie dan zonder. Het sterkste effect wordt bereikt bij truncatieselectie, waarbij selectie werkt tegen individuen met meer dan een drempelaantal schadelijke mutaties. Het behoud van seksuele reproductie, ondanks de tweevoudige kosten ervan in vergelijking met aseksuele reproductie, kan worden verklaard als mutaties synergetisch op elkaar inwerken (deterministische mutatiehypothese Kondrashov, 1988).

Hoewel het moeilijk is om epistasie direct te bestuderen, kan de relatie tussen het aantal mutaties en hun effect op fitness indirect worden onderzocht door het effect van verschillende niveaus van inteelt op fitness of fitnesscomponenten te volgen. Als het stelt dat inteeltdepressie voornamelijk te wijten is aan recessieve schadelijke mutaties, wijst een niet-lineaire relatie tussen de logaritme van fitness en de inteeltcoëfficiënt op epistasie van schadelijke mutaties (Crow & Kimura, 1970).

Onlangs is gesuggereerd dat synergetische epistase zelfs sterker zou kunnen zijn wanneer individuen met een groot aantal schadelijke mutaties onevenredig meer lijden aan parasitaire ziekten (Howard & Lively, 1994, 1998 Lively & Howard, 1994 West et al., 1999 ). Nogmaals, dit is vooral relevant voor het behoud van seks. Tot dusverre is het in stand houden van seksuele reproductie verklaard door op omgevings- of mutatie gebaseerde modellen. Omgevingsmodellen suggereren dat seks aanpassingen aan een veranderende omgeving versnelt (bijvoorbeeld co-evolutionaire interacties met parasieten) door nieuwe gencombinaties te creëren (Red Queen-hypothese, Hamilton, 1980 Bell, 1982). Op mutaties gebaseerde modellen beweren dat seksuele reproductie voordelig is omdat het populaties in staat stelt om schadelijke mutaties efficiënter te zuiveren (deterministische mutatiehypothese, Kondrashov, 1988). De veronderstellingen van deze modellen zijn mogelijk niet altijd geldig (bijvoorbeeld zeer virulente parasieten, synergetische epistasie en hoge mutatiesnelheden). Als er echter een interactie bestaat tussen parasitaire ziekten en mutaties, die synergetische epistasie zou versterken, zou het seks evolutionair stabiel kunnen maken tegen herhaalde invasie door klonen met sterk ontspannen veronderstellingen (Howard & Lively, 1994).

Het huidige onderzoek bestaat uit een theoretisch en een experimenteel deel. In het theoretische deel gebruiken we een wiskundig model om te onderzoeken hoe inteeltdepressie, epistase en variantie van fitheid worden beïnvloed, wanneer experimenten worden uitgevoerd met individuen uit een populatie, die variëren in hun mate van inteelt. Studies die zich bezighouden met inteelt en de gevolgen daarvan werken soms met basispopulaties waarvan wordt aangenomen dat ze gekruist zijn of die op zijn minst een lage variantie hebben in de inteeltcoëfficiënt tussen individuen (bijv. Willis, 1993 Dudash et al., 1997 Koelewijn, 1998 Ouborg et al., 2000 ). Aan deze veronderstelling wordt vaak voldaan, maar we laten hier zien dat als de variatie binnen de populatie in de inteeltcoëfficiënt hoog is, dit kan leiden tot substantiële afwijkingen van de verwachtingen. Daarom is in het huidige experiment grote zorg besteed om dit probleem te vermijden.

In het experimentele deel beoordelen en vergelijken we de fitheid van zes sets steeds meer inteelt Daphnia magna klonen in een competitie-experiment versus een tester-kloon. Met drie verschillende niveaus van inteelt kan epistasie worden afgeleid uit de vorm van de curve. Het experiment is zo opgezet dat de inteeltcoëfficiënten van de drie ingeteelde klonen precies 0,25 verschillen van de lagere tot de volgende hogere ingeteelde kloon, onafhankelijk van de inteeltcoëfficiënt van hun voorouders. De resultaten worden dus niet beïnvloed door de onbekende geschiedenis van het gebruikte genetisch materiaal. Om te testen op interacties tussen parasieten en inteelt, wordt elke lijn getest met en zonder een microparasitaire infectie. Testen op epistasie over verschillende niveaus van inteelt omvat alleen de natuurlijke variatie in mutatiebelasting, in plaats van kunstmatig verhoogde mutatieniveaus zoals deze optreden wanneer mutagenen worden gebruikt om lijnen met verschillende genetische belastingen te creëren.


Materialen en methodes

Voorraden en kweekomstandigheden

De focale populatie was de Ives (IV) populatie van D. melanogaster. IV werd geïsoleerd uit een in het wild gevangen monster van 200 mannetjes en 200 vrouwtjes in Amherst, Massachusetts (Rose en Charlesworth, 1981). Destijds werd gedacht dat de zuidelijke Amherst-populatie continu en overwinterend was, en werd gevolgd sinds ten minste 1931 (Ives, 1970). Vanaf 1981 is de IV-laboratoriumpopulatie in stand gehouden als een grote gekruiste stam met een minimale populatiegrootte van 1000 individuen bij 25 ° C, 50% relatieve vochtigheid, op een 14-daagse, discrete generatiecyclus met matige dichtheden van 60-120 individuen per 10 ml banaan/agar/gedood gistmedium (Rose, 1984). Op dag 14/dag 0 wordt de populatie onder CO . geplaatst2 anesthesie, gemengd en overgebracht naar nieuwe injectieflacons om te leggen tot ∼ 100 eieren in elke injectieflacon zijn gelegd. Dit duurt meestal ∼ 30 min en is de enige mogelijkheid voor de productie van nakomelingen.

In 2004 werd een replica van de IV-populatie gemaakt door de IV-populatie terug te kruisen naar een populatie met de recessieve bw 1 (bruine ogen) allel en aangeduid als IVbw. de IVbw populatie dient als een gekruiste, genetisch vergelijkbare populatie voor gebruik als concurrenten tegen IV-afgeleide individuen bij het meten van fitness. Deze marker heeft weinig schadelijke bijwerkingen en de IVbw voorraad is sterk. Periodiek worden de IV's opgenomen in de IVbw om drift tussen het brandpunt (IV) en de concurrent (IV .) te voorkomenbw) bevolking.

Inteeltlijnen

De 18 inteeltlijnen die voor deze studie werden gebruikt, werden gegenereerd met behulp van een nieuwe toepassing van het kloongeneratorsysteem van markers en chromosoomherrangschikkingen (Chippindale et al., 2001). Een selectie van haploïde genomen afgeleid van de IV-populatie en waarvan bekend is dat ze significante genetische variatie bezitten voor fitness in elk geslacht, leverde de grondstof voor de creatie van de inteeltlijnen. Deze genomische haplotypes werden homozygoot gemaakt door mannetjes te paren met het haplotype van belang in de heterozygote staat samen met een duidelijke translocatie (T(2:3)rdgc st in ri p P bw) naar wildtype vrouwtjes, waarbij de gemarkeerde getransloceerde autosomen in het vrouwelijke nageslacht worden weggegooid. Deze vrouwtjes, die een genomisch haplotype van hun vader hadden gekregen, werden verzameld als maagden en opnieuw gekruist met mannetjes met het haplotype van belang, samen met de gemarkeerde translocatie, gedurende 10 generaties (Figuur 1). Bij elke opeenvolgende kruising neemt het aandeel genen dat identiek is aan het haplotype van de stamlijn met 50% toe. Vervolgens werden deze lijnen gehandhaafd op populatiegroottes van 10 vrouwtjes en 6 mannetjes om genetische variatie te minimaliseren. Er werd een verminderde geslachtsverhouding gebruikt om de schade aan de partner van vrouwtjes te verminderen, de effectieve populatieomvang te minimaliseren terwijl de productiviteit behouden bleef. Van tijd tot tijd werden ze weer teruggekruist naar hun stamlijnen. Omdat het uiteindelijke resultaat van deze kruisingen de homozygote versie van een specifiek genomisch haplotype is, hebben we deze methode gerichte inteelt (DI) genoemd.

In dit experiment gebruikte fokschema's. (een) Generatie van hemiclonlijnen. Een enkele man uit de IV-populatie met een onbekend genotype (zwart) werd gekruist met maagdelijke kloongenerator-vrouwtjes met een verbinding X (C(1)DX, ja, F, weergegeven door het DX-symbool), een Y-chromosoom en een duidelijke translocatie van chromosomen II en III (T(2:3)rdgc st in ri p P bw, weergegeven door een massieve balk die de twee belangrijkste autosomen overspant omdat deze chromosomen cosegregeren in overlevende nakomelingen). Het resulterende mannelijke nageslacht bezit een van de vier mogelijke genotypen, bestaande uit een set van X plus wild-type autosomen die vaderlijk worden geërfd, met een Y en duidelijke translocatie die van de moeder wordt geërfd. (B) Een enkele man wordt vervolgens willekeurig geselecteerd om opnieuw over te steken naar kloongenerator-vrouwtjes, waardoor een genomisch vaderlijk haplotype (wit) binnen een lijn wordt gefixeerd. De resulterende hemiclonlijn wordt vermeerderd door mannetjes die heterozygoot zijn voor de gemarkeerde translocatie te kruisen met vrouwtjes die de kloon genereren. (C) DI. Mannetjes van een bepaalde hemiclonlijn worden eerst gekruist met maagdelijke wildtype IV-vrouwtjes met een onbekend genotype (zwart). Maagdelijke vrouwtjes worden verzameld uit deze kruising, die nu heterozygoot zijn voor het oprichtende hemiclonale haplotype. Deze vrouwtjes worden opnieuw gekruist met hemiclone-mannetjes en het proces wordt 10 keer herhaald om lijnen op te leveren die zijn ingeteeld voor het oprichtende haplotype. (NS) Generatie van experimentele vliegen. Ingeteelde vrouwtjes van een bepaalde lijn worden gekruist met ofwel ingeteelde mannetjes (wit) of gekruiste mannetjes (zwart) om gekruiste en ingeteelde vliegen van beide geslachten op te leveren.

De DI-methode heeft verschillende voordelen ten opzichte van traditionele inteeltmethoden, zoals broer-zus paring. Ten eerste is DI minder vatbaar voor het stochastische verlies van mutaties als gevolg van het inteeltproces. Broeder-zusterparing stelt mutaties bloot aan zowel drift als selectie tijdens het inteeltproces, wat ertoe zou kunnen leiden dat genomen worden gezuiverd van een fractie van hun schadelijke mutatiebelasting. DI herintroduceert alle mutaties die aanwezig zijn in het oorspronkelijke genoom in elke generatie van inteelt, waardoor het verlies van schadelijke mutaties wordt voorkomen. De uitzondering, die alle inteeltbenaderingen gemeen hebben, is dat men geen steriele of dodelijke mutaties binnen een lijn kan fixeren. D. melanogaster (Lynch en Walsh, 1997). Ten tweede heeft de DI-benadering het voordeel dat alle drie de D. melanogaster's belangrijkste chromosomen in hetzelfde experiment. Bij deze soort zijn recombinatie-onderdrukkende balancer-chromosomen beperkt tot het gelijktijdig vastleggen en manipuleren van ten hoogste twee van de belangrijkste chromosomen. Het manipuleren van het hele genoom zou een nauwkeuriger beeld moeten geven van de populatieconsequenties van genoombrede processen, terwijl het potentieel voor latere deconstructie en analyse op chromosomaal niveau open blijft met behulp van balancer-technieken.

Elke ingeteelde lijn werd gebruikt om experimenteel zowel ingeteelde als gekruiste vliegen te genereren voor gebruik bij metingen van fitness (Figuur 1). Uitgeteelde individuen werden gecreëerd door vrouwtjes uit de interesselijn te kruisen met willekeurig geselecteerde wildtype mannetjes uit de IV-populatie. Inteelt individuen werden gecreëerd door deze vrouwtjes te kruisen met mannetjes uit de inteeltlijn. Op deze manier hebben zowel gekruiste als ingeteelde individuen ingeteelde moeders met hetzelfde genotype, waardoor verschillen tussen gekruiste en ingeteelde experimentele vliegen worden geëlimineerd vanwege maternale effecten. Hoewel het potentieel voor ID langs het hele genoom voor vrouwen bestaat, was het beperkt tot de autosomen voor mannen, aangezien zowel gekruiste als ingeteelde mannen van een bepaalde lijn hetzelfde X-chromosoom hemizygoot tot expressie brengen.

Levensvatbaarheidstest

De levensvatbaarheid van jongeren werd beoordeeld door 50 eieren van een bepaald genotype in een flacon te plaatsen, samen met 50 eieren van een standaardconcurrent (IVbw), die standaardcultuurdichtheden nabootst. Na 12 dagen, voldoende voor vrijwel alle volwassenen om te verschijnen (bevestigd door visuele inspectie), werd de levensvatbaarheid van ei tot volwassene beoordeeld door het tellen en scoren van nakomelingen voor zowel geslacht als oogkleur. Elke combinatie van genotype/behandeling werd vijf keer gerepliceerd.

Fitnesstest voor volwassenen

Ingeteelde of gekruiste individuen van het geslacht/genotype van belang werden verzameld tijdens de piekopkomst (dag 9 vanaf de datum van het leggen van eitjes) en afzonderlijk overgebracht naar een flesje met een leeftijd-gesynchroniseerde kweek van IVbw die werd opgekweekt met standaard kweekdichtheden (∼ 100 eieren/flacon). Na 5 dagen (dag 14) werden experimentele flesjes verdoofd met CO2 gedurende 2,5 min en overgebracht naar verse flesjes om ovipositie mogelijk te maken (30 min), waarbij standaard kweekomstandigheden worden nagebootst. De volwassenen werden vervolgens uit de flacons verwijderd en het geslacht/aantal nakomelingen van de doelindividuen (te herkennen aan hun rode ogen) werd 12-14 dagen later gescoord. Elke combinatie van genotype/behandeling/geslacht werd 30 keer gerepliceerd.


Mutatie en conservatie

Mutatie kan de levensvatbaarheid van kleine populaties kritisch beïnvloeden door inteeltdepressie te veroorzaken, door potentieel adaptieve genetische variatie in kwantitatieve kenmerken te behouden en door de erosie van fitness door accumulatie van licht schadelijke mutaties. Ik herzie en integreer recent empirisch en theoretisch werk over spontane mutatie en de rol ervan in de levensvatbaarheid van populaties en instandhoudingsplanning. Ik analyseer zowel het behoud van potentieel adaptieve genetische variatie in kwantitatieve kenmerken als de rol van schadelijke mutaties bij het vergroten van het uitstervingsrisico van kleine populaties.Recente experimenten geven aan dat de productiesnelheid van quasineutrale, potentieel adaptieve genetische variantie in kwantitatieve karakters een orde van grootte kleiner is dan de totale mutatievariantie, omdat mutaties met grote fenotypische effecten de neiging hebben sterk schadelijk te zijn. Dit houdt in dat, om het normale aanpassingsvermogen in kwantitatieve karakters te behouden onder een evenwicht tussen mutatie en willekeurige genetische drift (of tussen mutatie, drift en stabiliserende natuurlijke selectie), de effectieve populatiegrootte ongeveer 5000 in plaats van 500 zou moeten zijn (de Franklin-Soulé nummer). Recente theoretische resultaten suggereren dat het risico van uitsterven als gevolg van de fixatie van licht schadelijke mutaties in belang vergelijkbaar kan zijn met de omgevingsstochasticiteit en de levensvatbaarheid op lange termijn van populaties met effectieve groottes zo groot als een paar duizend aanzienlijk zou kunnen verminderen. Deze bevindingen suggereren dat de huidige hersteldoelen voor veel bedreigde en bedreigde soorten ontoereikend zijn om de levensvatbaarheid van de populatie op lange termijn te garanderen.

Abstract

Het mutación puede afectar criamente la viabilidad de poblaciones pequeñas al causar la depresión de endocría, mantener la variación genetica potencialmente adaptativa en caracteres cuantitativos, y por medio de la erosión de la condicn por acumulaciement por acumulaciement. En el presente estudio revisé en integré trabajos empíricos y teóricos recientes sobre mutaciones espontáneas y su papel en la viabilidad de las poblaciones y la planificación para la conservación. Zie de analyse van de mantenimiento de la variabilidad genetica potencialmente adaptativa en los caracteres cuantitativos como el papel de las mutaciones perjudiciales en el incremento de riesgo de extinción de las poblaciones pequeñas. Recente experimentele indican que la tasa de producción de varianza genetica cuasineutral y potencialmente adaptativa en los caracteres cuantitativos es de un orden de magnitud menor que la varianza mutacional totale debido een que las mutaciones con efectos fenotípicos pronundicement de pronundicendo. Er is een impliciete werking van het potentiële aanpassingsvermogen van de normale en de kenmerkende cuantitativos bajo un balance entre mutación y deriva génica al azar (o entre mutación, deriva génica y selección de no natural estabilizadora), el tamaivo poblacional tamaivo voblacional (numero de Franklin-Soulé). Resultaten van sugieren op het gebied van uitsterven van het land van mutación de levemente perjudiciales podría ser vergelijkbare en importancia a la estocasticidad ambiental y podría reducir substancialmente la viabilidad a largo planets de lacune Er is een oplossing voor het herstel van veel soorten en soorten en voor kinderen die op zoek zijn naar een mogelijke toegang tot een groter plein.


Gorilla's lijden aan bizarre genetische mutaties door inteelt

Dit jaar hebben we vernomen dat de populaties wilde dieren over de hele wereld in slechts 40 jaar met 60 procent zijn gedaald. Grotendeels dankzij menselijke activiteit gaan iconische wezens van enorme olifanten tot piepkleine bijen in een verontrustend tempo verloren. Maar welke effecten hebben slinkende populaties op de dieren zelf?

Een nieuwe studie, gepubliceerd in het tijdschrift Current Biology, heeft uitgewezen dat de ernstig bedreigde Grauer's gorilla de afgelopen jaren zoveel genetische diversiteit heeft verloren dat de apen lijden aan schadelijke genetische mutaties. In wezen betekent minder gorilla's minder diversiteit binnen een populatie en meer inteelt, wat leidt tot genetische problemen bij de volgende generatie.

Ook bekend als de oostelijke laaglandgorilla, de Grauer's gorilla (Gorilla beringei graueri) is een ondersoort van de oostelijke gorilla die alleen voorkomt in de bergachtige bossen in het oosten van de Democratische Republiek Congo. Het wordt momenteel vermeld als ernstig bedreigd door de International Union for the Conservation of Nature (IUCN) dankzij menselijke druk zoals vernietiging van habitats en stroperij, waardoor de populaties de afgelopen decennia met 80 procent zijn gedaald.

Om te zien hoe deze achteruitgang de genetische gezondheid van de gorilla's heeft beïnvloed, analyseerde een team van onderzoekers van de Universiteit van Uppsala in Zweden en het Swedish Museum of Natural History de genomen van gorilla's die tot 100 jaar geleden leefden en vergeleek ze met de genomen van die gorilla's. levend vandaag.

Historische gorilla-collecties die in het onderzoek zijn gebruikt. Katerina Guschanski

Ze ontdekten dat de Grauer's gorilla's in de loop van de decennia meer ingeteeld zijn geworden en een aanzienlijke hoeveelheid genetische diversiteit hebben verloren. Schadelijke genetische mutaties die in frequentie zijn toegenomen, zijn onder meer die welke verband houden met verminderde ziekteresistentie en mannelijke vruchtbaarheid. Het team vond ook tekenen van mutaties die verband houden met een functieverlies in de genen die betrokken zijn bij de gezonde ontwikkeling van vingers en tenen, wat verklaart waarom sommige van de huidige gorilla's handen en voeten met zwemvliezen lijken te hebben terwijl hun cijfers aan elkaar zijn gesmolten.

"Deze recente toename van schadelijke mutaties benadrukt echt de noodzaak om de aanhoudende afname van de bevolking van Grauer's gorilla's te keren", zegt Love Dalén van het Swedish Museum of Natural History in een verklaring.

Het team keek ook naar het genoom van berggorilla's, die nauw verwant zijn aan Grauer's gorilla's. Ze ontdekten echter dat deze gorilla's niet hetzelfde verlies aan genetische diversiteit en toename van schadelijke mutaties hebben ervaren. De auteurs stellen dat dit zou kunnen zijn omdat berggorilla's al duizenden jaren zeer zeldzaam zijn en daarom schadelijke mutaties hebben verloren dankzij natuurlijke selectie, terwijl het aantal Grauer's gorilla's tussen 5.000 en 10.000 jaar geleden dramatisch toenam.

Toestaan ​​dat het aantal Grauer's gorilla's kan groeien, is de sleutel tot hun instandhouding, omdat hun genetische diversiteit hierdoor opnieuw zal toenemen. En er is iets dat u kunt doen om te helpen. Illegale winning van metalen die worden gebruikt in mobiele telefoons in het leefgebied van de gorilla's draagt ​​bij aan hun ondergang, dus zorg ervoor dat je altijd je oude mobiele telefoons recyclet om de vraag te verminderen.


3 antwoorden 3

Ja, "genetische manipulatie" kan het probleem oplossen.

Ten eerste en het meest eenvoudig, je zou gewoon een munt kunnen opgooien en de moeder of de vader kunnen klonen (of het geslacht hun keuze maken), dus nul mutaties van de ouder.

Ten tweede en complexer, het probleem is mutatie als gevolg van een verkeerde kopie van een genoom of een slechte keuze van overerving. Met genetische manipulatie (zelfs vandaag) kunnen we elke letter van het genoom specificeren en het eenvoudig op die manier vervaardigen.

Voor uw doeleinden kan een inventarisatie van de genen van de heersende familie fungeren als een bibliotheek van toegestane allelen (varianten van een bepaald gen) en gensegmenten, en een willekeurige (of opzettelijke) selectie van elk deel, gegeven de oprichtende bibliotheek, zou kunnen de enige toegestane "personen" zijn om geboren te worden.

In het geval dat zo iemand een ongewenste eigenschap blijkt te hebben vanwege een niet-geteste combinatie van toegestane genen, kunnen hun combinaties worden gemarkeerd als verdacht, of als een combo meerdere keren als verdacht wordt weergegeven, kunnen ze worden gemarkeerd als verboden in de bibliotheek.

De manier om dit het meest efficiënt te doen, is door sperma van de Meest Uitstekende Heerser te verzamelen en ervoor te zorgen dat hij de vader is voor opeenvolgende generaties, elk met zijn eigen dochter/kleindochter.

Bedenk dat dochters van de 1e generatie 50% het meest excellent zijn, de 2e generatie 75%, 3d 87,5% en tegen de 6e generatie bent u 98,44% Meest Excellente Ruler-genen. Natuurlijk kan er een beetje klauteren gebeuren door meiose enz., maar er zal niet echt nieuw genetisch materiaal worden geïntroduceerd. Deze nakomelingen van de 6e generatie zijn als een ingeteelde stam van laboratoriummuizen, vrij van genetische ziekten en ze kunnen nu vrij met elkaar fokken. Mutaties blijven natuurlijk mogelijk en het is misschien het veiligst om vast te houden aan het bevroren sperma van de Most Excellent Ruler, waardoor de kans op mutatie met de helft wordt verminderd. Maak je geen zorgen dat je sperma opraakt - hij bevroor een enorme hoeveelheid.

Een voordeel van deze methode is dat er veel 1e generatie dochters (van verschillende moeders) kunnen zijn en dat het project dus parallel kan worden uitgevoerd met vele generaties die tegelijkertijd opgroeien. Als de oorspronkelijke moeder een recessief gen heeft dat een ziekte veroorzaakt, is dat niet belangrijk omdat er geen kans is op broer-zus-matches en het zal samen met haar DNA worden verdund.

In het (uiterst onwaarschijnlijke!) geval dat de Meest Uitmuntende Heerser een ziekteverwekkend recessief gen heeft, zullen de nakomelingen die dubbel recessief zijn, gaandeweg duidelijk worden. Het gevaarlijke gen zal worden geïdentificeerd en dubbele recessieve genen worden geruimd. Als je eenmaal weet dat dat gevaarlijke gen aanwezig is in het opgeslagen sperma, zou je het kunnen corrigeren met genetische manipulatie door de niet-ziektedominante kopie van dat gen van de Most Excellent Ruler in te voegen. Maar het gen zou in het opgeslagen sperma blijven bestaan. Beter en goedkoper zou zijn om sperma met dat recessieve gen te sorteren en te verwijderen.

Ik ben er niet zeker van dat men verschillende genen in sperma niet-destructief kan identificeren. Zodra de recessieve genen van belang bekend waren, kan het nodig zijn om embryo's in vitro te kweken totdat een cel kan worden gemonsterd zonder het embryo te vernietigen, om te certificeren dat er geen gevaarlijke genen aanwezig waren. In het ongelukkige geval dat de heerser meerdere recessieve genen droeg, zou dit omslachtig zijn en zou het bij elke volgende generatie moeten worden gedaan om te voorkomen dat die genen uit het opgeslagen sperma opnieuw worden geïntroduceerd. Als dat het geval zou zijn (meerdere recessieven in het sperma) als men eenmaal bijna zuiver was in de 6e of volgende generatie, zou men een man volwassen kunnen laten worden en de nieuwe spermadonor zijn voor alle volgende generaties. Zijn genoom (en sperma) zou het genoom van de heerser vertegenwoordigen, gezuiverd van recessieve genen.


Omgevingsvariatie

Figuur 5. Het geslacht van de Amerikaanse alligator (Alligator mississippiensis) wordt bepaald door de temperatuur waarbij de eieren worden uitgebroed. Eieren die bij 30°C zijn uitgebroed, produceren vrouwtjes, en eieren die bij 33°C zijn uitgebroed, produceren mannetjes. (credit: Steve Hillebrand, USFWS)

Genen zijn niet de enige spelers die betrokken zijn bij het bepalen van populatievariatie. Andere factoren, zoals de omgeving (Figuur 5) zijn ook van invloed op fenotypes. Een strandganger heeft waarschijnlijk een donkerdere huid dan een stadsbewoner, bijvoorbeeld door regelmatige blootstelling aan de zon, een omgevingsfactor. Voor sommige soorten bepaalt de omgeving enkele belangrijke kenmerken, zoals geslacht. Sommige schildpadden en andere reptielen hebben bijvoorbeeld temperatuurafhankelijke geslachtsbepaling (TSD). TSD betekent dat individuen zich ontwikkelen tot mannetjes als hun eieren binnen een bepaald temperatuurbereik worden uitgebroed, of vrouwtjes bij een ander temperatuurbereik.

Geografische scheiding tussen populaties kan leiden tot verschillen in de fenotypische variatie tussen die populaties. We zien zulke geografische variatie tussen de meeste populaties en kan aanzienlijk zijn. We kunnen één type geografische variatie waarnemen, a cline , aangezien de populaties van bepaalde soorten geleidelijk variëren over een ecologische gradiënt. Soorten warmbloedige dieren hebben bijvoorbeeld de neiging om grotere lichamen te hebben in de koelere klimaten dichter bij de polen van de aarde, waardoor ze warmte beter kunnen vasthouden. Dit is een breedtegraad. Als alternatief hebben bloeiende planten de neiging om op verschillende tijdstippen te bloeien, afhankelijk van waar ze zich langs een berghelling bevinden. Dit is een hoogtelijn.

Als er een genenstroom is tussen de populaties, zullen de individuen waarschijnlijk geleidelijke verschillen in fenotype langs de cline vertonen. Beperkte genenstroom kan ook leiden tot abrupte verschillen, zelfs soortvorming.


Selectie onder inteelt

Wanneer dominantie aanwezig is, kunnen de selectieresponsvergelijkingen onder inteelt nogal complex worden, ze vereisen extra variantiecomponenten naast de additief-genetische variantie. Verder kunnen zowel tijdelijke als permanente componenten van respons optreden. Dit hoofdstuk onderzoekt de theorie van zowel de covariantie van verwanten bij algemene inteelt als de verwachte selectierespons bij inteelt. Als gevolg van de afname van de effectieve recombinatiesnelheid bij zelfbestuiving, kan het Bulmer-effect nogal dramatisch zijn, aangezien elk door selectie gegenereerd koppelingsonevenwicht slechts zwak wordt verwijderd door recombinatie. Ten slotte onderzoekt dit hoofdstuk ook de evolutionaire krachten die op elkaar inwerken om de mate van zelfingenomenheid voor een bepaalde populatie te bepalen.

Oxford Scholarship Online vereist een abonnement of aankoop om toegang te krijgen tot de volledige tekst van boeken binnen de service. Publieke gebruikers kunnen echter vrij de site doorzoeken en de samenvattingen en trefwoorden voor elk boek en hoofdstuk bekijken.

Abonneer u of log in om toegang te krijgen tot de volledige tekstinhoud.

Als u denkt dat u toegang zou moeten hebben tot deze titel, neem dan contact op met uw bibliothecaris.

Raadpleeg onze veelgestelde vragen om problemen op te lossen en als u het antwoord daar niet kunt vinden, neem dan contact met ons op.


Resultaten en discussie

I) Mogelijke voordelen van inteelt

We beginnen onze reflectie daarom met de vraag wat de voordelen van inteelt kunnen zijn. Als men op een server zoals Google Scholar een eenvoudige literatuurzoektocht doet voor het enkele trefwoord 'inteelt', kan men al snel tienduizenden citaten identificeren. Bij snel onderzoek is het opvallend dat in meer dan 90% van de gevallen het woord inteelt systematisch wordt geassocieerd met ofwel depressie, kosten of vermijden, vergeleken met slechts een handvol artikelen waarin de potentiële voordelen van inteelt objectief zijn overwogen. Een belangrijk punt om hier te maken is dat inteelt iets anders is dan incest. Incest is het paren van zeer nauw verwante individuen, die gewoonlijk de helft van hun genoom delen (zoals ouder-kind of broer-zus), of ten minste een kwart (zoals grootouder met kleinkind). Aan de andere kant is inteelt het resultaat van het koppelen van individuen die nauwer verwant zijn dan wanneer ze willekeurig uit de omringende populatie zouden worden geplukt. Wat in veel onderzoeken is bestempeld als 'vermijding van inteelt', kwam in feite overeen met 'vermijding van incest', en we zullen zien dat in veel natuurlijke populaties, hoewel er talloze voorbeelden zijn van mechanismen om zelfopoffering of incest te voorkomen, er ook meerdere strategieën bestaan ​​die tot op zekere hoogte van inteelt.

Ik heb eigenlijk zo weinig artikelen gevonden die constructief de positieve aspecten van inteelt hebben overwogen, dat het mogelijk is om ze in een paar zinnen samen te vatten. Het idee dat "selfing" potentieel voordelig is, kan worden teruggevoerd op R. Fisher in 1941 [11]. Rond dezelfde tijd onderstreepten de werken van S. Wright dat natuurlijke populaties zelden panmictisch zijn, maar meestal gestructureerd in gedeeltelijk onderverdeelde en meer ingeteelde demes. Deze delingen helpen niet alleen om meer allelische en fenotypische diversiteit te behouden, maar kunnen ook de evolutie bevorderen en soortvorming bevorderen [3, 4, 12]. In 1959 presenteerde H. Carson een model waarbij soortvorming wordt bevorderd in kleine (marginale) ingeteelde populaties, terwijl grote, meer gekruiste populaties zullen verouderen, dwz steeds meer vertrouwen op heterosis, en geleidelijk hun vermogen verliezen om te evolueren en aanleiding te geven tot nieuwe 'jonge' soorten [5]. Veel van de ideeën die in dat artikel zijn ontwikkeld, zijn nauw verwant aan de ideeën die ik hier presenteer. Omdat hij van mening was dat soortvorming het vaakst plaatsvond door allopatry, concentreerden latere werken van Carson zich op oprichtersgebeurtenissen, waarvoor hij tegenwoordig beter bekend staat, en dit specifieke artikel kreeg eigenlijk verrassend weinig aandacht van mensen die probeerden modellen van soortvorming vast te stellen (bijvoorbeeld, het wordt zelfs niet genoemd in het boek Speciation van C&O). Zo'n twintig jaar later, op basis van de observatie dat kwartels bij voorkeur paren met hun neven, produceerde P. Bateson het concept van optimale kruising [13-15], het jaar daarop ondersteund door het werk van Price en Waser aan een wilde bloem [16]. Zeer snel daarna bracht W. Shields de theorie naar voren dat filopatrie, dwz de neiging van individuen van vele soorten om zich in de buurt van hun geboorteplaats te voortplanten, verband hield met de voordelen van inteelt, en in het bijzonder het vermogen van inteelt om succesvolle gencombinaties in stand te houden [ 2]. Afgezien van het concept van crisisinteelt ontwikkeld door C. Grobbelaar in 1989 [17], en recentere werken over het ietwat onverwachte reproductieve succes op lange termijn van bloedverwante huwelijken [18-20], heb ik tot nu toe geen andere werken kunnen identificeren die de voordelen van inteelt die aanzienlijk zouden bijdragen aan de ideeën die hier zijn ontwikkeld (Recente maar minder direct relevante artikelen over het onderwerp inteelt zijn te vinden in het boek met verzamelde werken uit 1993 getiteld 'Natural History of Inbreeding' [[21]] of in een Paper uit 2006 van Kokko en Ots [[22]]). Op de volgende pagina's zal ik daarom proberen de verschillende voordelen van inteelt te presenteren en samen te vatten.

1) Inteelt is noodzakelijk voor de expressie van voordelige recessieve fenotypes

Dit onbetwistbare voordeel van inteelt staat het meest centraal in het gepresenteerde model. In de eerste plaats vond ik het dus belangrijk om duidelijk te definiëren wat wordt bedoeld met dominante, recessieve, co-recessieve en co-dominante fenotypes. De wetten van de genetica die aanvankelijk door Gregor Mendl aan het einde van de 19e eeuw werden ontdekt, hadden betrekking op de overdracht van karakters in diploïde organismen. Uitgaande van homogene erwtenvoorraden, stelde hij vast dat alle F1 homogene fenotypes hadden (eerste wet), maar dat die segregeerden in F2-generaties, volgens de bekende 1/4 - 3/4 verhoudingen voor recessieve versus dominante fenotypes (tweede wet). Een andere observatie was dat verschillende karakters onafhankelijk van elkaar gescheiden waren (derde wet). De overwegingen van verband tussen genen en van genetische afstand zouden aan het begin van de 20e eeuw, na de 'herontdekking' van Mendels resultaten, door anderen worden ontdekt.

In tegenstelling tot de Mendeliaanse genetica, die betrekking heeft op genen die identiek blijven gedurende opeenvolgende generaties, omvat het evolutieproces mutaties, die overeenkomen met veranderingen die in het DNA plaatsvinden. Dus, uitgaande van een voorouderlijk genoom, zal op een dag een nieuwe mutatie optreden in de cellulaire lijn die de kiembaan van een individu omvat, en zal slechts één DNA-streng beïnvloeden. Die mutatie zal dus worden overgedragen op een deel van de nakomelingen (maximaal de helft) waarin het heterozygoot zal zijn. Als de nieuwe mutatie leidt tot een nieuw fenotype, zal deze nieuwe eigenschap alleen naar boven komen in de eerste generatie nakomelingen die het gemuteerde DNA hebben geërfd als het overeenkomt met een dominant karakter. Als het een recessief karakter is, zal enige mate van inteelt tussen de afstammelingen van dat individu nodig zijn om het aan het licht te brengen.

Evolutionaire "vooruitgang" wordt vaak gezien als het verwerven van nieuwe functies, als gevolg van mutaties die het verschijnen van nieuwe genen aansturen, of op zijn minst nieuwe functies in bestaande genen. Omdat het evolutieproces blind is, zullen nieuwe mutaties echter veel vaker een nadelig effect hebben, al was het maar omdat het veel gemakkelijker is om iets dat werkt af te breken dan om helemaal opnieuw een nieuwe functie te creëren. Al in 1930 had Fisher zich inderdaad gerealiseerd dat de meeste nieuwe mutaties schadelijk zijn [23].Maar dit was zelfs voordat de structuur van DNA bekend was, en we weten nu dat dit niet helemaal waar is: de meeste mutaties komen eigenlijk voor in het stille DNA dat genen omringt, en hebben dus geen detecteerbaar fenotype. Tegenwoordig wordt algemeen erkend dat bij mensen elke generatie iets in de orde van 100 mutaties plaatsvindt. Daarvan zal de overgrote meerderheid voorkomen in stil DNA, maar ergens tussen 3% en 1‰, d.w.z. tussen 3 en 0,1 per individu per generatie, zal resulteren in een schadelijk fenotype, de meeste door de inactivatie van genen [24]. Uit werk aan laboratoriumstammen van knock-outdieren zoals drosophila of transgene muizen, zou ten minste een derde en mogelijk wel 50% van de mutaties die resulteren in de ongeldigheid van genen, zoals die welke een open leesraam onderbreken, eigenlijk kan worden verwacht dat ze direct dodelijk zijn bij homozygoten, of zulke ernstige gevolgen hebben dat de homozygote drager van dergelijke mutaties waarschijnlijk niet zou voortplanten onder natuurlijke selectieomstandigheden.

Met betrekking tot mutaties die daadwerkelijk resulteren in een nieuwe functie, is het aandeel daarvan moeilijk precies te evalueren, maar klassieke leerboeken vertellen ons dat ergens tussen één op elke 104 en 105 nieuwe mutaties zullen leiden tot nieuwe of andere functies, dwz één op elke honderd tot duizend individuen.

Er is echter een zeer belangrijk verschil tussen mutaties die genen inactiveren, en mutaties die resulteren in nieuwe of andere functies: bij diploïde individuen is het hebben van slechts één functionele kopie van een gen vaak voldoende, en de meeste mutaties die genen inactiveren zullen dus recessief zijn en dus geen detecteerbaar fenotype hebben bij heterozygote individuen. In een vergelijkbaar deel van de gevallen zal er echter een effect zijn van gendosering, waarbij individuen die één kopie van het gen hebben verloren een intermediair fenotype hebben, en die mutaties worden dan co-recessief genoemd. Omgekeerd zullen mutaties die resulteren in functiewinst meestal dominant zijn. De term co-dominant is echter niet van toepassing op mutaties die resulteren in functiewinst met een effect van gendosering (die zijn nog steeds co-recessief), maar op mutaties die resulteren in een verandering van functie van een gen, waarbij heterozygoten dus beide functies uitdrukken, maar homozygoten kunnen alleen de een of de ander uitdrukken. Ter verduidelijking heb ik die overwegingen samengevat in tabel 1.

Zelfs als de meeste recessieve mutaties overeenkomen met veranderingen in het DNA die zullen resulteren in het verlies van een functie, zijn er echter veel gevallen waarin het verliezen van een functie voordelig kan zijn voor individuen. Het verliezen van bepaalde kleurpatronen kan bijvoorbeeld duidelijke voordelen opleveren om aan roofdieren te ontsnappen, zoals de strepen van de Afrikaanse voorouder van zebra's en paarden. Die strepen waren vermoedelijk zeer voordelig om onopvallend te blijven voor roofdieren in de savanne, maar hadden waarschijnlijk het omgekeerde effect voor de vroege paardachtigen die meer noordelijke en groenere breedtegraden koloniseerden en later zouden evolueren tot paarden. Zoals al kon worden vermoed uit de waarnemingen die door Darwin werden gerapporteerd in de sectie 'Analogous Variations' van The Origin, en later elegant verteld door Stephen Jay Gould [25], onthullen kruisingen tussen verschillende soorten paardachtigen, en meer specifiek tussen zebra's en paarden, dat het gestreepte fenotype het dominante is. Om de voorouders van paarden hun strepen te laten verliezen, moet er dus een aanzienlijke inteelt hebben plaatsgevonden om dat recessieve streeploze fenotype tot uitdrukking te brengen, en een soortgelijke redenering zou kunnen worden toegepast voor het verlies van elk dominant karakter dat in voorouders mogelijk is geselecteerd, maar niet langer heilzaam zijn, om welke reden dan ook (klimaatverandering, kolonisatie, ontduiking van een uitgestorven predator of pathogeen, seksueel karakter dat niet langer aantrekkelijk is. ).

Buiten de zichtbare uitwendige fenotypes zoals die in de vorige paragraaf besproken zijn, is het vermogen om infecties door ziekteverwekkers te weerstaan ​​een ander type recessief kenmerk dat naar mijn mening in het bijzonder een belangrijke rol zal spelen bij de selectie van relatief ingeteelde subpopulaties. De meeste pathogenen, en in het bijzonder virussen, vertonen een hoge mate van specificiteit voor hun gastheren. Dit komt doordat ziekteverwekkers bepaalde receptoren gebruiken om het lichaam en/of de cellen van hun gastheren binnen te dringen. Infecties door schadelijke pathogenen zullen daarom individuen elimineren die die receptor tot expressie brengen, en selecteren op organismen die invasie kunnen weerstaan ​​omdat ze gemuteerde receptoren dragen waaraan dat pathogeen niet langer kan binden. Dergelijke kenmerken van natuurlijke resistentie zijn echter gewoonlijk recessief omdat heterozygote individuen nog steeds één gen voor een functionele receptor zullen dragen, wat voldoende zal zijn om die individuen vatbaar te maken voor invasie door dat pathogeen. Een bijzonder relevant voorbeeld hiervan is het geval van mensen die de CCR5-Δ32-mutatie dragen, die, wanneer homozygoot, volledige weerstand biedt tegen HIV-infectie, en een verhoogde overleving van een paar jaar wanneer heterozygoot [26]. Deze vertraagde ziekte zou overigens de verspreiding van HIV bevorderen in plaats van gunstig te zijn voor de bevolking, en dus een verder voordeel opleveren voor de homozygoten voor het CCR5-Δ32-allel. De geografische spreiding van het mutante CCR5-Δ32-allel suggereert dat deze mutatie enkele honderden jaren geleden in Noord-Europa is ontstaan, en de hypothese is dat er waarschijnlijk voor is gekozen omdat het resistentie bood tegen een pathogeen dat anders is dan hiv, omdat alleen de hiv-epidemie ontstond veel later, in Afrika [26].

Hoewel de druk van een bepaalde ziekteverwekker een zeer duidelijk voordeel kan bieden aan die individuen die infectie door die ziekteverwekker kunnen weerstaan, zou het feit dat deze resistentie alleen bij homozygoten zal worden gevonden een grote belemmering zijn voor de verspreiding van die resistente allelvorm naar een hele populatie (iets dat vaak de zeef van Haldane wordt genoemd), maar zou een enorme voorkeur hebben voor bepaalde subgroepen waar dat allel homozygoot zou zijn, wat alleen kan gebeuren door inteelt. Naast het feit dat natuurlijke populaties de neiging hebben om gefragmenteerd te zijn [4, 12], zal verhoogde inteelt ook het gevolg zijn van verhoogde selectieve druk zoals abrupte veranderingen in het milieu of epidemieën veroorzaakt door zeer virulente pathogenen, via een vermindering van de effectieve omvang van populaties. Onder dergelijke omstandigheden van verhoogde belasting zullen de individuen die zijn voortgekomen uit groepen die gunstige recessieve mutaties herbergen, een enorm selectief voordeel hebben. Maar de recessieve aard van de karakters waarop onder die omstandigheden zou worden geselecteerd, zou de reden zijn om het fokken binnen de groep te versterken in plaats van met leden van de voorouderlijke stam. Chris Grobbelaar dreef dit concept nog verder door en stelde meer dan twintig jaar geleden het interessante idee voor dat een mechanisme van crisisinteelt voordelig zou zijn, waarbij stresssituaties zouden leiden tot een verschuiving van seksuele voorkeuren naar inteelt [17].

2) Vermindering van de recombinatiebelasting

Een belangrijk concept in de evolutionaire genetica is dat de fitheid van individuen niet het resultaat is van een simpele som van functies die elk van hun genen of loci herbergt, maar dat er complexe relaties bestaan ​​tussen deze verschillende loci. Veel fenotypen zijn bijvoorbeeld epistatisch: ze zijn het resultaat van bepaalde associaties van allelen die door verschillende genen worden gedragen. Een van de belangrijkste voordelen van seks is dat het het schuiven van allelen tussen individuen bevordert en zo de vorming van dergelijke functionele allelcombinaties bevordert. Het wordt algemeen aanvaard dat, als dergelijke associaties van allelen van verschillende genen bijzonder voordelig zijn, dit kan leiden tot de selectie van co-aangepaste genomen. Maar, zoals uiteengezet door S. Wright, "in een panmictische populatie worden in de ene generatie combinaties gevormd om in de volgende weer te worden afgebroken" [3]. Deze dissociatie van functionele gencombinaties wordt de recombinatiebelasting genoemd. En inteelt is de enige strategie die deze zal verminderen, door het behoud van bepaalde allelische combinaties mogelijk te maken, zij het bij slechts een deel van de nakomelingen.

Deze aspecten zijn uitgebreid ontwikkeld en grondig gedocumenteerd door W. Shields in zijn boek over de relatie tussen philopatry en inteelt [2]: "Een potentieel voordeel van inteelt is dan ook dat het genomische gevolg van het in stand houden van interlocus-allelassociaties een meer getrouwe overdracht van co-aangepaste genomen mogelijk maakt dan mogelijk zou zijn met bredere uitteelt.".

Vanuit het oogpunt van de ideeën die hier zijn ontwikkeld, lijken voordelige allelassociaties eigenlijk vrij veel op recessieve fenotypen, zelfs als ze zijn gebaseerd op de associatie van dominante fenotypen. Inderdaad, als ze eenmaal in een populatie zijn gefixeerd, zal hun lot worden bedreigd door hybridisatie met een externe populatie die die specifieke allelen niet zou herbergen. De dreiging zou minder direct zijn omdat, in tegenstelling tot recessieve fenotypes, de gunstige associatie van twee dominante allelen nog steeds aanwezig zou zijn in alle F1-individuen, maar deze zou alleen worden gehandhaafd in 9/16 van een F2-nakomeling, en in slechts 25% als de F1 ging samen met een persoon van de buitenpopulatie. Aan de andere kant zal de voordelige epistatische combinatie behouden blijven in alle toekomstige generaties als de hybride nakomelingen terugkruisen met de geïsoleerde populatie. Als 'indringers' zeldzaam waren, zou dit een zeer effectieve manier zijn voor de introgressie van genetische diversiteit in de geïsoleerde groep, maar onder een meer aanhoudende aanwezigheid van buitenstaanders, kunnen we zien hoe de recombinatiebelasting de selectie van reproductieve barrières zou kunnen bevorderen.

Veranderingen in de chromosomale structuur dragen ook zeer significant bij aan de recombinatiebelasting (bijvoorbeeld in het geval van een wederzijdse translocatie die later zal worden weergegeven (zie figuur 2 en de bijbehorende tekst). Voor dergelijke translocaties is de algemene regel in principe hetzelfde als voor epistatische combinaties, met gezonde F1-nakomelingen. En de verminderde vruchtbaarheid van die F1 komt effectief overeen met een extreem verminderde fitheid van die F2-individuen die niet de juiste genetische combinatie erven. En vergelijkbaar met voordelige gencombinaties, zodra een bepaalde chromosomale herschikking is geworden gefixeerd in een populatie, meestal door inteelt, is de meest effectieve manier voor de afstammelingen van hybride nakomelingen om volledige vruchtbaarheid te herstellen door terugkruising met de geïsoleerde groep.In gevallen waar populaties verschillen door verschillende chromosomale herschikkingen, zou hybridisatie echter een reële bedreiging worden omdat de vruchtbaarheid van hybride dramatisch zou worden aangetast.

3) Vechten tegen de ratel van Muller

Een derde voordeel van inteelt is dat het voor diploïde organismen de enige effectieve manier is om de opeenhoping van recessieve schadelijke mutaties in hun genomen te bestrijden. Het idee dat mutaties zich in de loop van generaties onverbiddelijk ophopen in genomen wordt gewoonlijk Muller's ratel genoemd [27]. Muller bepleitte dat een belangrijke reden voor de bekendheid van seksuele reproductie bij alle diersoorten te wijten was aan de noodzaak om deze mutaties te elimineren door middel van genomische recombinatie. In navolging van de opvattingen die aanvankelijk door Fisher [23] werden uitgedrukt, had Muller in zijn vroege werk over Drosophila zichzelf gedocumenteerd dat de meeste nieuwe mutaties de neiging hadden recessieve fenotypes te hebben. Als het echter ging om de persistentie van degenen in het genoom over generaties, was hij van mening dat alle mutaties gedeeltelijk dominant waren (dwz co-recessief, zie tabel 1), en dat zelfs de meest recessieve schadelijke mutaties een klein effect moeten hebben (2 tot 5%) op reproductieve fitheid [28]. Die zwak schadelijke mutaties zouden daarom geleidelijk over opeenvolgende generaties worden geëlimineerd. Muller deed echter al zijn werk vóór de ontdekking van de structuur van DNA en hoe genen werkten. Hoewel zijn argumenten duidelijk geldig waren voor zwak schadelijke co-recessieve mutaties, weten we nu dat een zeer groot deel van de schadelijke mutaties perfect recessief zal zijn en dat mut/WT-heterozygoten zeer weinig of geen vermindering in fitness zullen vertonen in vergelijking met WT-homozygoten [29, 30]. In ieder geval, zelfs als inactivering van een behoorlijk deel van de genen leidt tot co-recessieve fenotypes door een effect van gendosering, zal de frequentie van schadelijke mutaties die aanleiding geven tot volledig recessieve fenotypes nog steeds veel hoger zijn dan die welke leiden tot dominante, of co -dominante eigenschappen. Inteelt, door de omstandigheden te bevorderen waarbij recessieve mutaties zich in een homozygote toestand kunnen bevinden, zal daarom de expressie mogelijk maken van die schadelijke effecten die het gevolg zijn van recessieve mutaties.

We zullen nu proberen de effecten van accumulatie van recessieve schadelijke mutaties te vergelijken in populaties die verschillende gradaties van inteelt ondergaan en met een theoretisch volledig gekruiste populatie. Zoals afgebeeld in het bovenste paneel van figuur 1, wanneer fokken plaatsvindt tussen twee individuen die elk een kopie van een defect essentieel gen dragen, zal een kwart van hun nakomelingen ofwel niet levensvatbaar zijn, of zeer ongeschikt omdat ze homozygoot zullen zijn voor de schadelijke mutatie . Als de mutatie echt recessief is, zullen de andere driekwart perfect levensvatbaar zijn, en twee van de drie van die levensvatbare nakomelingen zullen heterozygoot zijn voor de mutatie. De allelfrequentie van dat schadelijke allel gaat dus van 0,5 bij de ouders naar 0,33 bij de nakomelingen, en de mutatiebelasting van 1 naar 0,66 mutaties per individu.

Vergelijking van de effecten van accumulatie van recessieve schadelijke mutaties in populaties die verschillende gradaties van inteelt ondergaan, en met een theoretische volledig gekruiste populatie. Paneel A: Mendeliaanse wetten voorspellen dat wanneer een kruising plaatsvindt tussen twee individuen die heterozygoot zijn voor een recessieve schadelijke mutatie, de allelfrequentie voor die mutatie daalt van 0,5 bij de ouders tot 0,33 bij de nakomelingen. Paneel B: Evaluatie van de vruchtbaarheid als functie van mutatiebelastingen en inteeltcoëfficiënten. De dikke rode curve komt overeen met de vruchtbaarheid die wordt voorspeld in een volledig gekruiste populatie. Het werd getekend met de vergelijking F = (1- M 2 .10 -8) 10.000 (zie tekst). De dunnere rondingen van verschillende kleuren komen overeen met de vruchtbaarheid van kruisingen met een zekere mate van inteelt, zoals aangegeven op de figuur. Die werden berekend als F = (1-I) M , waarbij F de voorspelde vruchtbaarheid is, M de gemiddelde mutatiebelasting in de populatie en I de inteeltcoëfficiënt. In natuurlijke populaties zou de feitelijke vruchtbaarheid een factor zijn van die twee theoretische vruchtbaarheidsgraden.

Als een ruwe schatting op basis van het simplistische geval van een enkel gen, zou men dus kunnen zeggen dat een snelheid van spontane mutatie van 0,17 per generatie (0,5 - 0,33) zal worden gecompenseerd door een vermindering van 0,25 in vruchtbaarheid. Deze waarde van 0,17 is redelijk compatibel met de verschillende schattingen van het aantal spontane mutaties, die voor mensen tussen de 0,1 en 3 nieuwe schadelijke mutaties per genoom per generatie liggen [24]. Hoewel ik me realiseer dat die cijfers waarschijnlijk onnauwkeurig zijn voor het additieve effect van meerdere genen, ging het mijn beperkte wiskundige capaciteiten te boven om preciezere berekeningen uit te voeren. Ik ben er echter van overtuigd dat anderen dergelijke berekeningen later tamelijk eenvoudig zullen vinden, en het zal dan bijzonder interessant zijn om te evalueren welke soorten evenwichten worden bereikt voor verschillende mutaties, verschillende mutatiesnelheden en verschillende effectieve populatiegroottes (dwz verschillende graden van inteelt).

In paneel B van figuur 1 heb ik geprobeerd de vruchtbaarheid van broedparen te evalueren als een functie van mutatiebelastingen en inteeltcoëfficiënten. De theoretische vruchtbaarheid van broedparen in een populatie kan worden berekend als een functie van M, het gemiddelde aantal recessieve mutaties per individu (dwz de mutatiebelasting) en van I, de totale gemiddelde inteeltcoëfficiënt in die populatie (dwz de kans dat een willekeurig genomen locus in het genoom zal homozygoot zijn door afstamming, wat overeenkomt met de helft van de gemiddelde mate van bloedverwantschap van ouders). De gemiddelde vruchtbaarheid is dan (1- I) M . De verschillende gekleurde curven werden berekend voor de aangegeven inteeltcoëfficiënten, en we kunnen zien dat de vruchtbaarheid pas significant wordt beïnvloed voor populaties met inteeltcoëfficiënten > 0,01, overeenkomend met ouders met een bloedverwantschap van 0,02, dwz ongeveer die van derde of vierde neven en nichten .

Tegelijkertijd kan men ook de vruchtbaarheid van broedparen evalueren in een panmictisch oneindig grote populatie, waar in feite geen inteelt is (in echte populaties zou de gemiddelde vruchtbaarheid eigenlijk een factor zijn van de twee graden van vruchtbaarheid). Voor zoogdieren, als men schat dat ongeveer een derde van de genen essentieel is, zou dit neerkomen op een totaal van ongeveer 104 essentiële genen. Als de mutatiebelasting in de populatie M is, is de kans dat een locus wordt gemuteerd M/104 en is de kans dat twee gemuteerde allelen van een bepaald gen drager zijn (M/10 4 ) 2 = M 2 .10 -8 en dus zou het effect op de vruchtbaarheid in totaal (1- M 2 .10 -8) 10.000 zijn, aangezien de bedreiging geldt voor elk van de 10.000 essentiële genen. Dit wordt weergegeven als de dikke rode curve op paneel B. We kunnen zien dat, hoewel de kans om twee geïnactiveerde kopieën van hetzelfde gen te dragen extreem laag blijft voor mutatiebelastingen onder de 20, deze behoorlijk significant begint te worden voor mutatiebelastingen van meer dan 30, en de vruchtbaarheid zal dalen tot onder 75% wanneer het genoom gemiddeld meer dan 50 recessieve mutaties heeft verzameld. Voor populaties met bloedverwantschapsniveaus van meer dan 0,02 is de vruchtbaarheidsvermindering, zoals te verwachten was, veel gevoeliger voor mutatiebelasting, en voor een populatie met een inteeltcoëfficiënt van 0,06 zal een daling van de vruchtbaarheid tot 75% optreden bij een mutatiebelasting tussen 5 en 6, maar dit cijfer stijgt tot bijna 30 mutaties voor een inteeltcoëfficiënt van 0,01.

We hebben in de vorige paragraaf gezien dat, op basis van berekeningen voor een enkel gen, een daling van 0,25 in vruchtbaarheid gelijke tred zou houden met de snelheid van 0,17 nieuwe schadelijke recessieve mutatie, d.w.z. één per genoom elke zes generaties. De cijfers zouden mogelijk iets anders zijn als men het additieve effect zou beschouwen van meerdere recessieve schadelijke mutaties die verschillende genen aantasten, elk met lagere allelfrequenties en duidelijk verschillend met verschillende mutatiesnelheden. De mutatiesnelheid van 0,17 per generatie kan echter niet ver van de werkelijkheid verwijderd zijn aangezien de meest extreme schattingen van 0,1 naar 3 gaan, en een daling van de vruchtbaarheid van 0,25 lijkt geen volledig onrealistisch cijfer om gelijke tred te houden met nieuwe recessieve mutaties die zich een keer voordoen. elke zes generaties. Voor mensen betekent dit echter niet dat één op de vier pasgeboren baby's ter wereld zou komen met een verstandelijke beperking of ernstige lichamelijke gebreken. Van de meeste recessieve mutaties die essentiële genen raken, zou inderdaad worden verwacht dat ze in zeer vroege stadia van de zwangerschap spontane premature abortussen veroorzaken, en veel zelfs voordat ze als miskramen zouden worden herkend. Vanuit dit oogpunt is het eigenlijk nogal opvallend om op te merken dat bij moderne mensen miskramen voorkomen met een snelheid van ergens tussen de 10 en 40%.Hoewel het optreden van deze miskramen duidelijk ook verband houdt met andere factoren, zoals de leeftijd en de gezondheid van de moeder, suggereren deze cijfers dat het niet onredelijk is om te veronderstellen dat de prijs die moet worden betaald om Muller's ratel te bestrijden, is dat een redelijk deel van de zygoten (zeg 20 tot 30%) zullen verloren moeten gaan om het optreden van één nieuwe recessieve mutatie om de zes generaties te compenseren. En deze cijfers lijken ook compatibel met wat men bij muizen ziet. Inderdaad, hoewel muizen wel 10 tot 12 jongen in een nest kunnen hebben, zijn inteeltstammen veel minder productief, met nesten die vaak beperkt zijn tot 4 tot 6 jongen. Toen ik zwangere vrouwelijke muizen moest offeren voor experimenten met embryonale weefsels, werd ik vaak getroffen door het aandeel geaborteerde foetussen dat men kan vinden in de baarmoeder van een drachtige vrouwelijke muis, dat vaak bijna 50% bedraagt. Dus zelfs bij inteeltmuizen waarbij de erfelijke mutatiebelasting bijna nul moet zijn, suggereert het aantal abortussen dat de novo recessieve mutaties optreden met een snelheid die waarschijnlijk hoger is dan één op de zes zygoten, of één op de zes generaties.

Het adjectief "inteelt" heeft duidelijke denigrerende connotaties wanneer het naar mensen verwijst en de algemeen aanvaarde perceptie over inteelt is dat het degeneratie van het genoom bevordert. Enigszins ironisch, inteelt resulteert in feite in "verbetering" van het genoom, en het feit dat inteelt resulteert in eliminatie van recessieve schadelijke mutaties uit de populatie is eigenlijk algemeen bekend, althans bij dieren- of plantenveredelaars en wetenschappers: de mate van inteeltdepressie neemt af over opeenvolgende generaties van inteelt [31] 1 (door het manuscript verwijzen subscriptnummers de lezer naar voetnoten die te vinden zijn in addendum 4, aan het einde van het manuscript). Via dit type fenomeen zal het gevolg van inteelt zijn dat de allelfrequentie van recessieve mutaties lager zal zijn bij de nakomelingen dan bij hun ouders. Voor elke mutatie is de efficiëntie van het proces echter opmerkelijk laag. In het geval van een heterozygoot kweekpaar zou de allelfrequentie voor de gemuteerde kopie van het gen inderdaad slechts van 0,5 bij de ouders (elke heterozygoot voor het schadelijke allel) tot 0,33 bij de nakomelingen gaan (zie figuur 1A). Maar inteelt is de enige praktische manier voor de leden van een soort met een verplicht diploïde genoom om hun genomen te zuiveren van de recessieve mutaties die zich anders onverbiddelijk zullen ophopen over opeenvolgende generaties totdat ze een evenwicht bereiken, wanneer het gemiddelde aantal recessieve mutaties in de genomen van individuen voldoende hoog is dat de snelheid waarmee ze zich ophopen in het genoom wordt gecompenseerd door een snelheid van eliminatie door willekeurig toeval in plaats van door bloedverwante afkomst (zie figuur 1 en bovenstaande tekst). De reden waarom ik het woord 'praktisch' in de vorige zin heb gebruikt, is vanwege de bdelloïde raderdiertjes, het enige onbetwiste voorbeeld van aseksuele diploïde organismen, die een alternatieve strategie voor seks lijken te hebben aangenomen om hun diploïde genomen te zuiveren van recessieve mutaties, maar zoals besproken in addendum 1 roept het zulke extremen op dat het voor de meeste andere organismen onpraktisch zou zijn. Haploïde organismen zoals prokaryoten hebben dit probleem niet om te voorkomen dat hun genoom schadelijke mutaties ophoopt, omdat bij haploïden alle mutaties dominant zijn en schadelijke mutaties daarom zeer snel zullen worden geëlimineerd. Er bestaan ​​in de natuur meerdere gevallen van het gebruik van een haploïde toestand door anders diploïde eukaryoten, en in addendum 2 heb ik drie van dergelijke voorbeelden ontwikkeld die ik bijzonder welsprekend vind, namelijk de gevallen van organismen die door haploïde stadia gaan, van de seksuele chromosomen en van de endosymbiotische organellen.

Diploïde genomen moeten in hoge mate hebben bijgedragen aan de adaptieve 'explosie' die 1,5 miljard jaar geleden onder eukaryoten plaatsvond. De belangrijkste factor hiervoor moet de robuustheid van organismen zijn geweest, d.w.z. hun hernieuwde tolerantie voor nieuwe mutaties die onmiddellijk schadelijk zouden zijn geweest in haploïde organismen. Mogelijk heeft dit zelfs de diploïde organismen in staat gesteld om "hun waakzaamheid te verlagen", dwz om de betrouwbaarheid van de replicatie van hun DNA te verminderen, en recombinatiemechanismen te bevorderen [32], waardoor het verschijnen van nieuwe adaptieve mutaties werd bevorderd, waardoor ze in met name om ziekteverwekkers efficiënter te bestrijden of om zich aan te passen aan nieuwe omgevingen. Deze opvatting wordt ondersteund door het feit dat de overgrote meerderheid van de metazoën van tegenwoordig verplichte diploïden zijn. Het nadeel van alleen vertrouwen op diploïde genomen is dat dit ook aanleiding geeft tot het verraderlijke type Muller's ratel dat ik zojuist heb besproken, waardoor recessieve schadelijke mutaties zich stilletjes kunnen ophopen in het genoom van gekruiste individuen. Zonder seks zouden de voordelen van een diploïde genoom dus van zeer korte duur zijn, vooral op de evolutionaire tijdschaal, en genomen zouden uiteindelijk een mutatie-meltdown bereiken [33]. Maar seks zonder inteelt is beladen met nog meer verraderlijke, en dus veel grotere gevaren die, zoals we zullen zien, uiteindelijk kunnen leiden tot het uitsterven van soorten.

DNA-replicatie is verre van een perfect betrouwbaar proces, en het wordt algemeen erkend dat de snelheid waarmee mutaties in het genoom van gewervelde dieren verschijnen in de orde van grootte van 2,10-8 per nucleotide voor elke generatie is, hoewel de volledige sequencing van de hele genomen van een gezin van vier suggereert dat het half zo hoog kan zijn [34]. Voor zoogdieren, aangezien hun haploïde genomen ruwweg 3,109 basenparen omvat, zal elke diploïde pasgeborene dus gemiddeld ongeveer 100 nucleotiden dragen die zullen verschillen van de nucleotiden die het van zijn ouders zou hebben geërfd als de DNA-replicatie volkomen getrouw was, en als DNA was perfect stabiel en volledig bestand tegen beschadigingen door straling en chemicaliën. Van die mutaties zal de overgrote meerderheid zwijgen, maar zoals ontwikkeld in tabel 1 zullen sommige genfuncties wijzigen of inactiveren, en de meeste daarvan zullen schadelijk zijn, maar recessief.

Op de lange termijn zal het evolutieverschijnsel voornamelijk gebaseerd zijn op het verwerven van nieuwe karakters, overeenkomend met dominante mutaties. Maar dit kan heel gemakkelijk worden verdoezeld door de veel hogere prevalentie van recessieve mutaties. Dit kan worden vastgesteld door de herhaalde waarnemingen dat de specifieke kenmerken die zijn geselecteerd bij gedomesticeerde soorten bijna systematisch recessief blijken te zijn tegen het fenotype van de wilde stam 2 . Zelfs als DNA-replicatie zou kunnen worden geselecteerd om volledig getrouw te worden, zou dit geen oplossing zijn, omdat, zoals beroemd onderstreept door Leigh van Valen [35], organismen geen andere keuze hebben dan voortdurend te evolueren in het licht van natuurlijke selectie, net als Lewis Carol's Red Queen, die moet blijven rennen om op dezelfde plek te blijven.

Maar omdat evolutie blind is en alleen plaatsvindt door willekeurige mutaties, om een ​​kans te hebben om adaptieve mutaties te zien ontstaan, of het nu nieuwe functies zijn of het voordelige verlies van bestaande, zal er geen ontkomen aan de honderdvoudige overmaat aan schadelijke mutaties zijn, die door natuurlijke selectie moeten worden geëlimineerd. Zoals eerder vermeld, zullen de meeste van die schadelijke mutaties echter perfect recessief zijn, d.w.z. ze zullen geen fenotype hebben in heterozygoten. Daarom is de kans dat één individu twee kopieën van een geïnactiveerd gen bij zich draagt, binnen een grote uitkweekpopulatie erg klein. Maar die zullen bijgevolg worden overgedragen op de helft van het nageslacht, en over opeenvolgende generaties, aangezien dergelijke mutaties zich blijven ophopen, zal de mutatiebelasting onverbiddelijk toenemen. Zelfs bij de laagste snelheid van het hierboven beoogde bereik, dwz één extra recessieve mutatie om de tien generaties, zal de mutatiebelasting dus nog steeds vrij snel toenemen totdat, zoals voorgesteld door Muller [28], het een evenwicht bereikt waarbij zoveel mutaties worden geëlimineerd bij elke generatie ontstaat dan door nieuwe spontane mutaties. Dit eliminatieproces, dat rechtstreeks verband houdt met onvruchtbaarheid, zal uiteraard sterk afhankelijk zijn van de inteeltcoëfficiënt, d.w.z. van de effectieve omvang van de populatie. Hierboven heb ik geprobeerd te evalueren hoe de accumulatie van recessieve mutaties in een populatie de vruchtbaarheid van individuen kan beïnvloeden als een functie van de inteeltcoëfficiënt in die populatie. Uit nogal simplistische berekeningen concludeer ik dat, als de accumulatiesnelheid van recessieve mutaties in de orde van grootte van één per zes generaties is, dit zal worden gecompenseerd door een daling van de vruchtbaarheid in de orde van grootte van 0,25. Deze cijfers, hoewel nogal speculatief, lijken verenigbaar met het aantal spontane abortussen dat men ziet bij mensen en muizen, waarvan een redelijk deel (ik schat tussen een en twee derde) waarschijnlijk te wijten is aan genetische oorzaken. Zoals Muller 60 jaar geleden al onderstreept [28], zal het aandeel miskramen als gevolg van genetische defecten dat nodig is om de mutatiebelasting in een stabiele toestand te houden voornamelijk afhankelijk zijn van de snelheid waarmee bij elke generatie nieuwe mutaties in het genoom verschijnen. Het proces van uitteelt zal inderdaad de initiële frequentie verminderen waarmee recessieve mutaties worden gevonden op beide kopieën van een gen, maar dit voordeel zal slechts een tijdje duren, totdat de mutatiebelasting is toegenomen tot niveaus waarop de afname in vruchtbaarheid als gevolg van mutaties eenmaal compenseert opnieuw de snelheid waarmee ze verschijnen. Het voordeel van uitteelt is dus van zeer korte duur op de evolutionaire tijdschaal. En, zoals eerder vermeld, beweer ik dat het de deur opent voor een veel grotere dreiging. Inderdaad, als een grote populatie gedurende honderden generaties uitgebreid wordt voortgeplant, zal het evenwicht pas worden bereikt wanneer elk individu gemiddeld enkele tientallen recessieve mutaties in zijn genoom draagt. Als die populatie een plotselinge toename van selectiedruk ondergaat, bijvoorbeeld door een nieuwe ziekteverwekker, door competitie met een andere soort, door een heropflakkering van predatoren of door abrupte veranderingen in de natuurlijke omgeving, zal de effectieve omvang van die populatie krimpen, en de inteeltcoëfficiënt onder de overlevenden zal daardoor zeer significant worden 3 . Als we ons voorstellen dat de mutatiebelasting in zo'n grote populatie de 40 had bereikt, en dat het verminderde aantal individuen ervoor zorgt dat de inteeltcoëfficiënt in de resterende populatie stijgt tot 0,03, zal dit resulteren in slechts 30% levensvatbare zygoten. Als we bedenken dat dit zou gebeuren onder omstandigheden waarin natuurlijke selectie bijzonder hard zou zijn, zouden de vertraagde kosten van het vermijden van inteelt voor de kortetermijnvoordelen die door kruising worden geboden, op de lange termijn wel eens een belangrijke rol kunnen spelen bij het snel uitsterven van die soort. soorten, evenals het verminderen van hun vermogen om nieuwe omgevingen te koloniseren (in de sectie 'convergentie van karakter' van The Origin merkte Darwin zelf op dat 'Wanneer een soort zeer zeldzaam wordt, zal nauwe kruising helpen om deze uit te roeien'). Tegenover Mullers ratel, zoals Muller zelf 60 jaar geleden zeer terecht zei:We kunnen onze cake vandaag niet opeten en morgen hebben" [28] blz. 150.

In gevallen waar er een relatief plotselinge verschuiving is in de druk van natuurlijke selectie, zoals die veroorzaakt door natuurrampen (vulkaan, meteorieten. ), of door een globale verandering in de temperatuur van de aarde, zou de resulterende krimp in effectieve populatiegroottes dus naar verwachting minder goed getolereerd door de meer prominente populaties, dwz waarschijnlijk degenen die ten volle hebben geprofiteerd van uitgebreide kruising. Overigens zou een dergelijk mechanisme een verklaring kunnen bieden voor het door Gould en Eldredge voorgestelde fenomeen van onderbroken evenwicht [36, 37]. Inderdaad, gedurende perioden van stabiliteit zullen de individuen van de meest succesvolle soorten zich vermenigvuldigen en steeds groter wordende territoria koloniseren. Zij zullen dus degenen zijn die het meest waarschijnlijk in het fossielenarchief worden gevonden. Maar met deze toename van de effectieve omvang van populaties zal het verraderlijke gevolg zijn van verhoogde mutatiebelastingen, en bijgevolg de minste overlevingskansen wanneer er onrust ontstaat, wat een dramatische vermindering van de omvang van de populaties tot gevolg heeft. Vanuit dit oogpunt is het dan ook niet verwonderlijk dat, in perioden waarin het natuurlijke landschap verandert, het de meest talrijke soorten zijn, die gevonden zijn in het fossielenarchief, die het meest zouden strijden tegen de opgelegde inteelt veroorzaakt door de populatie krimpen en verdwijnen met een schijnbare gelijktijdigheid.

4) De kosten van seks verlagen

Een ander voordeel van inteelt is dat het de kosten van seks verlaagt. Bij seksuele reproductie geeft elke ouder inderdaad slechts de helft van zijn genoom door aan elk van zijn nakomelingen, wat rechtstreeks verband houdt met de overweging dat de kosten van seks tweevoudig zijn [38], in vergelijking met ongeslachtelijke voortplanting, waarbij elk nageslacht erft het hele genoom van de ouder. Maar deze factor van twee is niet helemaal een volledig nauwkeurige meting, al was het maar omdat voor de meeste metazoën seksuele reproductie verplicht is en geen optie. Bovendien, als we een hypothetische soort beschouwen met de meest doorgefokte populatie die mogelijk is, zal elk individu van die soort nog steeds genetisch nauwer verwant zijn aan alle andere individuen van dezelfde soort dan aan enig ander individu van een nauw verwante soort. Met andere woorden, alle individuen van een bepaalde soort hebben meer gemeenschappelijke voorouders dan die van een nauw verwante soort. Dus wanneer ze binnen hun eigen soort broeden, delen individuen een significant niveau van verwantschap met hun seksuele partner in vergelijking met die van een individu van een andere soort. Dus zelfs in een volledig gekruiste populatie, omdat individuen van dezelfde soort noodzakelijkerwijs enkele gemeenschappelijke voorouders zullen delen, zijn de kosten van seks nooit zo hoog als twee. En hoe nauwer een individu verbonden is met zijn partner, hoe lager die kosten zullen zijn, voor beiden 4 . Bijgevolg zal elke evolutionaire stap die inteelt bevordert in plaats van het voortbrengen van nakomelingen met verder verwante individuen, zelfs van dezelfde soort, dus de kosten van seks verlagen.

5) Inteelt bevordert de fragmentatie van de populatie, wat op zijn beurt collaboratief of altruïstisch gedrag kan bevorderen

Vanuit het oogpunt van de 'egoïstische gen'-hypothese [39] moeten individuen altijd hun eigen belangen behartigen, of in ieder geval die van nauw verwante individuen [40, 41]. Aan de andere kant heeft wiskundige modellering ertoe geleid dat bepaalde populatiebiologen tot de conclusie zijn gekomen dat selectie op groepsniveau niet kan werken, en dat om een ​​gedragskenmerk te selecteren, dat kenmerk een direct selectief voordeel voor het individu moet hebben. Dergelijke opvattingen zijn tegenwoordig echter veel minder prominent aanwezig, en iedereen die er niet van overtuigd is dat selectie op groepsniveau een belangrijke rol kan spelen in de evolutie, zou de uitstekende recente recensie van Wilson en Wilson [42] moeten lezen.

Het soort redenering dat leidde tot de afwijzing van groepsselectie was altijd gebaseerd op de veronderstelling dat populaties bestaan ​​uit grote aantallen individuen die zich vrij met de rest van de populatie voortplanten. Maar, zoals Wright zelf onderstreepte [12], natuurlijke populaties zijn niet zo. Als we alleen naar de menselijke populatie kijken, hoewel alle individuen theoretisch kunnen fokken met al diegenen van het andere geslacht met schijnbaar gelijkwaardige efficiënties, kunnen we zien dat de totale menselijke populatie is gestructureerd in etnische groepen, rassen, typen, families. en dat bepaalde karakters prominenter zijn in bepaalde groepen individuen dan in de rest van de bevolking. Naast het algemeen erkende en zeer significante voordeel van het vertragen van de verspreiding van ziekteverwekkers en het bevorderen van het behoud van genetische diversiteit [4], heeft populatiefragmentatie het andere, veel minder directe en minder voor de hand liggende voordeel van het bevorderen van de evolutie van altruïstisch gedrag. , door selectie op groepsniveau mogelijk te maken [42]. Wat betreft groepsselectie, kies ik ervoor om de opvatting aan te nemen dat, in gefragmenteerde populaties, elke groep in feite gelijk wordt aan een meercellig organisme (zie [43] voor recente opvattingen over organismaliteit). Bij metazoën maakt het feit dat alle cellen dezelfde genetische samenstelling delen het voor de overgrote meerderheid van de cellen mogelijk om zichzelf op te offeren, hetzij rechtstreeks door apoptose, hetzij door zich te differentiëren in somatische cellen die absoluut geen hoop hebben om nakomelingen te genereren, ten behoeve van van de weinige die bestemd zijn voor de kiembaan. Evenzo, als een populatie bestaat uit vele kleine groepen individuen die nauwer verwant zijn aan elkaar dan aan de rest van de populatie, ben ik er vast van overtuigd dat het dan mogelijk wordt voor natuurlijke selectie om de evolutie van collaboratief of altruïstisch gedrag te bevorderen, omdat uiteindelijk, zelfs als dat gedrag niet direct ten goede komt aan de individuen die dat altruïstische gedrag vertonen, de leden van die groep, en dus, gemiddeld genomen, alle genen van de genenpool van die groep, het beter zullen doen dan die van de "buurgroep" die mogelijk vasthield aan strikt egoïstisch gedrag. Over dit onderwerp deed Darwin in 1871 zelf de volgende uitspraak in zijn boek "The Descent of Man":

Men mag niet vergeten dat, hoewel een hoge standaard van moraliteit elke individuele man en zijn kinderen slechts een klein of geen voordeel geeft ten opzichte van de andere mannen van dezelfde stam. een toename van het aantal goed bedeelde mannen en een vooruitgang in de moraal zal zeker een enorm voordeel geven aan de ene stam boven de andere.

Hoewel, wanneer men naar natuurlijke populaties kijkt, er tientallen voorbeelden te vinden zijn in alle koninkrijken van het leven waar blijkbaar is gekozen voor altruïstisch, of op zijn minst samenwerkend gedrag, blijven de vragen die verband houden met selectie op groepsniveau vandaag de dag zeer controversiële kwesties. Ik ken geen beter voorbeeld van coöperatief altruïstisch gedrag dan dat van de nederige slijmzwam, Dictyostelium discoideum, en ik beweer dat het wordt bevorderd door het vermogen van afzonderlijke cellen om nieuwe niches te koloniseren, wat resulteert in gefragmenteerde populaties. Een van de redenen waarom ik het voorbeeld van Dictyostelium bijzonder veelzeggend vind, is dat het niet gecompliceerd wordt door tussenkomst van seksuele voortplanting (zie addendum 3 voor meer details).

In sommige gevallen zou soortvorming conceptueel kunnen overeenkomen met de behoefte aan populaties die coöperatieve/altruïstische strategieën hebben ontwikkeld om meer egoïstische indringers af te weren. De kwestie van altruïsme is echter in feite een bijzaak van de hoofdfocus van dit essay. Alles wat ik hier wil zeggen is dat, vanuit een weliswaar ultradarwiniaans oogpunt, de enige realistische manier om de evolutie van coöperatie en altruïsme in natuurlijke populaties te verklaren, is via selectie op groepsniveau, en deze selectie kan alleen plaatsvinden in populaties die gefragmenteerd in kleine groepen van genetisch onderling verwante individuen, of met andere woorden, door natuurlijke selectie die inwerkt op groepen die meer inteelt ondergaan dan wanneer de populatie als geheel zou worden beschouwd. Het feit dat inteelt het extra kenmerk kan hebben dat het een selectief voordeel biedt op populatieniveaus, versterkt gewoon de opvatting dat inteelt kan en zal plaatsvinden en niet altijd zal worden vermeden. Dit zal resulteren in gestructureerde populaties, die op hun beurt zullen bijdragen aan het fenomeen van soortvorming.

6) Nadelen van inteelt

Omwille van de eerlijkheid van het betoog lijkt het noodzakelijk om onze argumenten hier tegen te werken en te onderstrepen dat inteelt ook een aantal zeer belangrijke nadelen heeft. Inderdaad, wanneer uitgegaan wordt van een gekruiste populatie, zal inteeltdepressie resulteren in een groot aantal volledig ongeschikte nakomelingen, en in de meeste van de nakomelingen die minder fit zijn dan die van gekruiste broedparen. Een ander gevolg van overmatige inteelt is dat door het verkleinen van de genenpool die beschikbaar is voor het genereren van gevarieerde combinaties van genotypen, dit zal resulteren in minder diversiteit, en dus in een beperkter aanpassingsvermogen van de populaties. Daarom zullen populaties die buitensporige inteelt ondergaan, minder snel nieuwe functies ontwikkelen dan grote populaties die uitteelt ondergaan, waar nieuwe functies die selectieve voordelen bieden zich snel kunnen verspreiden naar de hele populatie, en verder kunnen worden gecombineerd met andere voordelige functies die onafhankelijk van elkaar zijn ontstaan ​​bij andere individuen . Inteelt kan dus resulteren in een langzamer evolutietempo.

Dit laatste argument moet echter worden gecompenseerd door een aantal tegenargumenten. Ten eerste, zoals we eerder hebben gezien, zijn voordelige eigenschappen niet noodzakelijk dominant, en die recessief kunnen alleen aan het licht komen onder een bepaald niveau van inteelt. Dus, hoewel inteelt de kans verkleint dat dominante eigenschappen zich verspreiden naar hele populaties, zal het de frequentie verhogen waarmee recessieve eigenschappen verschijnen, en aangezien de mutaties die dergelijke eigenschappen veroorzaken veel frequenter zijn dan die welke nieuwe functies veroorzaken, kan dit het effect van inteelt compenseren. over het vertragen van de evolutie. Ten tweede, als het gaat om epistatische fenotypes die het resultaat zijn van voordelige gencombinaties, hebben we gezien dat inteelt opnieuw de enige manier is om ze in stand te houden. Ten slotte is, zoals al lang wordt erkend, de snelheid waarmee karakters in populaties kunnen worden vastgelegd omgekeerd gecorreleerd aan de grootte van die populaties [44]. Door de effectieve omvang van populaties te verkleinen, kan dus ook de tragere evolutie die door inteelt wordt veroorzaakt, worden gecompenseerd. Zoals we later zullen zien, beweer ik eigenlijk dat overmatige inteelt, wat leidt tot overmatige soortvorming, bijgevolg zal resulteren in een kortere levensduur van individuele soorten, en dus in een versneld tempo van de soortwisseling, wat niet hetzelfde is als de evolutiesnelheid, hoewel de twee te vaak als gelijkwaardig worden beschouwd.

Een ander potentieel nadeel van overmatige inteelt is dat het zou kunnen leiden tot vermindering van de niveaus van polymorfisme in een populatie, door het veroorzaken van wat in feite neerkomt op repetitieve knelpunten. Voor gewervelde dieren met kaken, die afhankelijk zijn van polymorfisme op het niveau van het MHC (Major Histocompatibility Complex) voor het bestrijden en elimineren van infectieuze pathogenen, zou dit naar verwachting bijzonder schadelijke gevolgen hebben. Zoals we later zullen zien, onthult het vergelijken van MHC-polymorfisme tussen verwante soorten echter dat inteelt en soortvorming blijkbaar kan plaatsvinden zonder gezonde niveaus van polymorfisme over het MHC-gebied [45, 46] en vermoedelijk over het grootste deel van het genoom te verliezen.

II) Onze reflecties richten op wat de OORSPRONG van soorten zou kunnen zijn

Of hoe kan het soms voordelig zijn voor een paar individuen om preferentieel onderling te fokken in plaats van met de rest van de populatie, met andere woorden met de voorouderlijke stam?

We hebben dus onderstreept hoe inteelt tal van voordelen kan hebben, en hoe systematische uitteelt eigenlijk een strategie is die vooral voordelen op korte termijn heeft, maar die op lange termijn tot grote nadelen kan leiden. Ik stel nu voor om het pad te volgen dat Darwin in de titel van zijn boek heeft uitgestippeld, en me te concentreren op de oorsprong van soorten zelf, dat wil zeggen te proberen me voor te stellen welke initiële genetische gebeurtenis uiteindelijk zou kunnen leiden tot de scheiding van een subgroep van individuen die fokken bij voorkeur met elkaar in plaats van met de rest van de populatie.

Buiten de nogal anekdotische gevallen van soortvorming in één stap via polyploïdie (zie C&O, p321), lijken opeenvolgende stappen van progressieve scheiding voor de overgrote meerderheid van de metazoën als meer waarschijnlijke scenario's om soortvorming te bereiken. Maar zelfs als het niet leidt tot onmiddellijke soortvorming, moet er op een bepaald moment een initiële mutatie plaatsvinden die uiteindelijk zal resulteren in het bevorderen van de kruising tussen individuen die die mutatie dragen in plaats van met de rest van de populatie. Ik heb ervoor gekozen om zo'n proces 'saeptatie' te noemen, van het Latijnse woord saeptum: barrière, envelop. Met andere woorden, saeptatie zal het gevolg zijn van een mutatie die verhoogde inteelt bevordert binnen een groep die die mutatie erft, en dus in een vermindering van de genenstroom tussen deze nieuwe groep en zijn directe voorouderlijke stam.

Laten we ons nu eens voorstellen welk type mutatie uiteindelijk tot saeptatie zou kunnen leiden. Deze nieuwe mutatie zal op een dag optreden op één DNA-streng van één cel die tot de kiembaan behoort, en dus aanwezig zijn in maximaal de helft van zijn gameten, en zal vervolgens aanwezig zijn op één chromosoom van alle cellen van sommige van de zijn nakomelingen.

1) Saeptatiescenario's veroorzaakt door een recessieve mutatie

Zoals herhaaldelijk vermeld in de vorige paragrafen, denk ik dat het meest waarschijnlijke scenario een recessieve mutatie als de allereerste stap betreft, d.w.z. de initiële saeptatie, die uiteindelijk zal leiden tot een gedeeltelijke reproductieve isolatie van de dragers ervan. De eerste reden hiervoor is dat, zoals uiteengezet in tabel 1 buiten stille mutaties, nieuwe mutaties het vaakst zullen leiden tot functieverlies en meestal recessief zullen zijn. Maar, zoals we in de vorige paragraaf hebben gezien, betekent functieverlies niet per se een selectief nadeel.

Laten we teruggaan naar het voorbeeld van de paardenvoorlopers, en hoe ze de strepen van hun zebra-achtige voorouders hadden kunnen verliezen. In de eerste plaats, om het niet-gestreepte recessieve fenotype te onthullen, moet er enige significante inteelt hebben plaatsgevonden. Die inteelt had in feite kunnen worden bevorderd door het feit dat de groep waarvoor het streeploze fenotype gunstig was, bezig was meer noordelijke breedtegraden te koloniseren. Koloniserende populaties, die een kleinere effectieve grootte hebben, hebben bijgevolg hogere inteeltcoëfficiënten [47], en we zullen later zien dat dit met name relevant is voor de situaties van eilandkolonisatie. Een ander gevolg van de kleine omvang van een dergelijke groep is dat het de fixatie van een gunstig recessief fenotype aanzienlijk zal vergemakkelijken [44]. Deze isolatie van een kleine relatief ingeteelde groep zou dus resulteren in een vermindering van de genenstroom met de voorouderlijke groep omdat de aangepaste groep een ander territorium zou bezetten. Dit zou echter niet echt een stap van biologische soortvorming zijn, dwz bonafide reproductieve isolatie, want als één individu van die aangepaste groep tussen individuen van de voorouderlijke stam terecht zou komen, zou het waarschijnlijk heel gelukkig en efficiënt met hen voortplanten, en de het definiërende streeploze fenotype zou worden verdund en slechts in zeer zeldzame gevallen aan de oppervlakte komen (zoals we later zullen zien, gebeurt dit soort fenomeen in feite bij stekelbaarzen, die een selectief voordeel behalen door hun pantserplaten te verliezen wanneer ze zoetwateromgevingen koloniseren). Dit soort situaties zou echter de basis leggen voor de ontwikkeling van verder geïsoleerde karakters, omdat het in de context van hun geïsoleerde groep zeer nadelig zou zijn voor individuen om te fokken met gestreepte partners uit de voorouderlijke poel, aangezien al hun nakomelingen zouden eindigen dan met de gevreesde strepen op hun rug, en zijn dus veel vatbaarder om door roofdieren te worden geëlimineerd.

Als er een bijkomende mutatie plaatsvond in een lid van die aangepaste groep die leidde tot een effectievere reproductie bij verwanten dan bij individuen die die tweede mutatie niet droegen, zou het inherente nadeel van een dergelijke mutatie als gevolg van de vermindering van de vruchtbaarheid bij de rest van de aangepaste groep zou worden gecompenseerd door een zeer significant voordeel voor zijn dragers, omdat het zou helpen voorkomen dat die subgroep van individuen opnieuw wordt binnengevallen door de dominante maar nadelige eigenschap. Deze preferentiële paring met verwanten zou ook neerkomen op het bevorderen van verdere inteelt. Dit kan verder worden vergemakkelijkt door het feit dat, wanneer populaties eerder stadia van significante inteelt hebben doorgemaakt, de kosten van inteeltdepressie sterk worden verlaagd omdat de meeste recessieve schadelijke mutaties al uit het genoom zijn verwijderd. Daarom zien we uit de bovenstaande redenering dat, in de context van een gekruiste populatie, een mutatie die eenvoudigweg resulteert in het bevorderen van inteelt, moeite zal hebben om zich te vestigen, omdat het veel nadelen zou hebben om af te wegen tegen het voordeel van het verminderen van de kosten van seks. Maar in de context van een groep die significante inteelt heeft ondergaan, zal de beveiliging van de mutatiebelasting tegen verdere inteelt veel zwakker zijn geworden, en onder de selectieve druk van de aanhoudende dreiging die uitgaat van invasie door de voorouderlijke stam, zal de waarschijnlijkheid van extra stappen van saeptatie binnen die groep zou dus veel hoger zijn.

2) Scenario's met twee mutaties (Dobzhansky-Muller-model)

Om te verklaren hoe mutaties die reproductieve isolatie bevorderen, ooit zouden kunnen voorkomen in natuurlijke populaties, kwamen Bateson (1909), Dobzhansky (1936) en Muller (1942) allemaal met een soortgelijk hypothetisch model, dat tegenwoordig onterecht het Dobzhansky-Muller-model wordt genoemd ( zie C&O, p 269). Dit model beroept zich op het bestaan ​​van twee volledig gescheiden groepen (allopatry), waar twee afzonderlijke mutaties plaatsvinden die elk geen effect zouden hebben op de reproductieve fitheid in de groep waarin ze voorkomen, maar die incompatibiliteit tussen de groepen zouden veroorzaken als en wanneer die twee groepen weer met elkaar in contact worden gebracht. Dergelijke modellen zijn echter niet in overeenstemming met Darwins opvattingen dat elke stap op het zeer lange pad van een evolutieproces zijn eigen selectieve voordeel moet hebben. In de context van een groep die een recessieve voordelige mutatie draagt, kunnen we echter zien hoe de druk van de populaties van buiten, die dominante maar nadelige allelen dragen, de selectie van een mutatie zou kunnen bevorderen die reproductieve isolatie van de voorouderlijke stam bevordert. Aan het einde van de vorige paragraaf heb ik betoogd dat deze selectieve druk voldoende kan zijn om verdere stappen van saeptatie, dwz isolatie van de andere leden binnen de aangepaste groep, te bevorderen, omdat de nadelen van deze inteeltbevorderende mutatie zouden worden overwonnen door het voordeel van het weerstaan ​​van invasie door het dominante nadelige fenotype. En deze gewijzigde kanteling van de balans zou verder worden begunstigd door de verminderde inteeltdepressie als gevolg van het relatief hoge niveau van inteelt dat al binnen die groep aanwezig is.

Er is echter een ander scenario mogelijk, dat tot op zekere hoogte verwant is aan het Dobzhansky-Muller-model, in die zin dat het meerdere stappen zou omvatten, maar die in volgorde zouden plaatsvinden, en niet onafhankelijk: de secundaire isolatiestappen zouden gericht zijn op eigenschappen die specifiek zijn voor de gesaepteerde populatie die heel goed degene zou kunnen zijn die de saeptatie heeft veroorzaakt, maar niet noodzakelijkerwijs. Tijdens de beginfasen van saeptatie zou inteelt bij een beperkt aantal individuen ertoe leiden dat een groot deel van andere genen homozygoot wordt, en zou zo aanvullende recessieve fenotypes kunnen onthullen die slechts zelden worden aangetroffen in de voorouderlijke populatie. Bovendien zouden in andere genen dan degene die de saeptatie heeft aangestuurd, bepaalde allelen veel frequenter zijn geworden, hetzij omdat ze genetisch gekoppeld waren aan de voordelige mutatie, of gewoon omdat de kleinere populatie hun drift naar fixatie had bevorderd. Voor deze drie typen genen (extra recessief fenotype, genetisch gekoppeld aan de voordelige recessieve mutatie, gen dat bij toeval fixatie heeft bereikt), zouden de allelfrequenties daarom heel verschillend zijn in de gesaepteerde ingeteelde populatie en in de voorouderlijke. En die zouden dan evenveel potentiële doelen vertegenwoordigen voor de selectie van isolerende mechanismen die zouden voorkomen dat de individuen van de gesaepteerde groep terug zouden paren met de voorouderlijke groep. Technisch gesproken zou dit echter geen saeptatie zijn, maar versterking, omdat het isolatiemechanisme zich specifiek zou richten op de buitenstaanders, en niet op de directe voorouderlijke stam, d.w.z. de geïsoleerde groep. Dit type scenario zou dus twee of meer stappen omvatten zoals het Dobzhansky-Muller-model, maar het fundamentele verschil met het Dobzhansky-Muller-model is dat selectieve druk de isolatie zou aandrijven, in plaats van te vertrouwen op toeval voor de afzonderlijke evolutie van twee eigenschappen dat zal in een later stadium onverenigbaar blijken te zijn. Een van de voorspellingen afgeleid uit het Dobzhansky-Muller-model is dat de snelheid van accumulatie van reproductieve barrières met de tijd zou moeten toenemen, het zogenaamde "sneeuwbaleffect" [48-50]. Maar deze voorspelling laat eigenlijk niet toe om te discrimineren met het hierboven beschreven sympatrische scenario. Inderdaad, als de dreiging van hybridisatie gedurende het soortvormingsproces wordt gehandhaafd, zou men een soortgelijk sneeuwbaleffect verwachten: zodra een zekere mate van reproductieve isolatie is begonnen zich op te stapelen tussen de twee populaties, resulterend in een verminderde inclusieve fitheid van de hybriden verder dan het eenvoudige initiële verlies van het recessief voordelige fenotype (om verschillende redenen, waaronder verminderde vruchtbaarheid, intermediaire onaangepaste fenotypes, slechte gezondheid, verhoogde recombinatiebelasting of zelfs letaliteit), zullen de kosten van paren en/of fokken met de voorouderlijke stam nog meer zijn gestegen. Bijgevolg zal de druk om verdere mechanismen voor reproductieve isolatie te selecteren ook toenemen, en men zou dus verwachten dat de snelheid waarmee dergelijke eigenschappen worden geselecteerd, zal toenemen, totdat de twee populaties voldoende geïsoleerd zijn dat geen van beide een significante bedreiging vormt voor de andere.

3) Scenario's met een dominante mutatie

Laten we nu bekijken of er een scenario denkbaar is waarbij een dominante mutatie saeptatie zou bevorderen. Het meest voor de hand liggende type van een dergelijke mutatie lijkt er een te zijn die de werkelijke niche van de populatie wijzigt, een fenomeen dat vaak wordt aangeduid als ecologische soortvorming. Inderdaad, als individuen die een nieuwe mutatie dragen nieuwe gebieden kunnen gaan bezetten (geografisch, seizoensgebonden, nutritioneel). afstammen van dezelfde voorouder, en zullen daarom hun naaste verwanten zijn (broers of zussen of neven en nichten). Aangezien we het nu hebben over een dominante mutatie, om de eerste individuen met de nieuwe mutatie in staat te stellen partners te vinden om zich voort te planten, kan de aanvankelijke scheiding tussen de aangepaste subgroep en de voorouderlijke stam echter slechts gedeeltelijk zijn, en de mogelijkheid van hybridisatie tussen de twee groepen moeten daarom behouden blijven. Hoewel inteelt onder kolonisten initiële kosten kan hebben vanwege inteeltdepressie, zou dit gemakkelijk kunnen worden gecompenseerd door het voordeel van het gebrek aan concurrentie in het nieuwe territorium, en de inteeltdepressie zou slechts van voorbijgaande aard zijn en na een paar generaties verdwijnen. Hoewel, zoals we later zullen zien, dominante mutaties een belangrijke rol zouden kunnen spelen in verdere stappen van het soortvormingsproces, dwz in versterking, is het dus moeilijk voor te stellen hoe ze op zichzelf de selectie van reproductieve barrières met de voorouderlijke stam zouden kunnen bevorderen . In het geval van een dominante mutatie die leidt tot de kolonisatie van een nieuwe niche, zou de toegenomen inteelt onder de individuen die de mutatie dragen echter de kans aanzienlijk vergroten om enkele aanvullende recessieve kenmerken te onthullen, waarvan sommige zich kunnen aanpassen aan de nieuw gekoloniseerde omgeving. En die recessieve mutaties zouden op hun beurt de basis kunnen vormen voor een selectief voordeel om te stoppen met fokken met de voorouderlijke stam.

4) De speciale gevallen van co-recessieve karakters, chromosomale translocaties en versterking

4a) Co-recessieve tekens

Binnen het kader van de analyses die in de vorige paragrafen zijn uitgevoerd, lijken mutaties die leiden tot hybriden die intermediaire co-recessieve fenotypes herbergen (zie tabel 1) bijzonder vatbaar voor het bevorderen van soortvorming. Inderdaad, als zo'n mutatie een adaptief fenotype teweegbrengt, zodanig dat de gedeeltelijke winst of het gedeeltelijke verlies van een functie het mogelijk maakt om een ​​nieuwe niche te koloniseren (warmer of kouder klimaten, grotere hoogte, ander voedsel, andere broedtijd.), de heterozygoten van de eerste paar generaties zouden nauw verwant zijn aan elkaar, maar zouden intermediaire fenotypes tot expressie brengen die hen niet te veel zouden scheiden van de voorouderlijke stam, en dus de generatie van meerdere individuen mogelijk zouden maken. Het kruisen van die semi-aangepaste individuen met elkaar zou worden begunstigd door het feit dat ze die nieuwe niche zouden bezetten. Dit zou ertoe leiden dat een kwart van hun nakomelingen homozygoot wordt voor de adaptieve eigenschap, die ze dus sterker zouden uitdrukken, en mogelijk beperkt zou blijven tot het bezetten van alleen de nieuw gekoloniseerde niche, met weinig of geen mogelijkheid tot contact met de voorouderlijke. Het intermediaire fenotype van de heterozygoten zou dus kunnen worden vergeleken met een soort springplank voor de assemblage van een geïsoleerde, noodzakelijkerwijs meer ingeteelde groep individuen die homozygoot zijn voor de adaptieve eigenschap. Als die groep eenmaal is gevormd, zou naast het feit dat de kosten van seks bij de externe groep hoger zouden zijn dan binnen de groep, een bijkomend voordeel zijn dat er waarschijnlijk vrij snel voor aanvullende aanpassingen aan de nieuwe niche zou worden gekozen, en het fenotype van het nageslacht dat zou resulteren uit ontmoetingen met de voorouderlijke stam zou ze zeer waarschijnlijk ongeschikt maken voor beide omgevingen. Dit zou dus de basis vormen voor het Wallace-effect, d.w.z. voor de selectie van verdere mutaties die de reproductieve isolatie tussen de twee populaties versterken. We kunnen dus zien hoe co-recessieve eigenschappen conceptueel reproductieve isolatie zelfs sneller zouden kunnen bevorderen dan volledig recessieve.

Belangrijk is dat of de mutatie die de saeptatie aanstuurt, volledig recessief of co-recessief is, aanzienlijke gevolgen kan hebben voor de grootte van de oprichterspopulaties. Inderdaad, in het geval van volledig recessieve mutaties, kunnen die gedurende lange tijd volledig stil blijven binnen een populatie, en dus aan de oppervlakte komen wanneer er kruisingen plaatsvinden tussen individuen die niet noodzakelijk erg nauw verwant zijn aan elkaar. In het geval van een co-recessieve mutatie zal het nieuwe intermediaire karakter echter tot uiting komen in de helft van de nakomelingen van het oprichtende individu, en de oprichtende populatie zal dus noodzakelijkerwijs voornamelijk bestaan ​​uit broer-zus paringen, of op zijn best nauwe neven en nichten. We komen later terug op overwegingen met betrekking tot de omvang van de oprichterspopulaties en het behoud van heterogeniteit in de populatie.

4b) Chromosomale translocaties

Chromosomen kunnen circulair zijn, zoals in de meeste bacteriën en in endosymbionte organellen, of lineair, zoals in alle eukaryoten en een paar bacteriën.Voor zover ik weet, zijn er geen organismen bekend met circulaire chromosomen die meiotische seksuele reproductie kunnen uitvoeren, en alle eukaryoten hebben ook meerdere chromosomen. Meerdere lineaire chromosomen verschijnen dus als een voorwaarde voor meiose, met drie chromosomen als het kleinste aantal gedocumenteerd, in de splijtingsgist Schizosaccharomyces pombe (de meeste soorten hebben enkele tientallen, en tot enkele honderden, of zelfs meer dan duizend in bepaalde varens). Een van de belangrijkste redenen om de genetische informatie op dergelijke meervoudige en lineaire structuren te rangschikken, is vrijwel zeker het bevorderen van een van de belangrijkste doelen van seks, namelijk het bereiken van een efficiënte herverdeling van de genen tussen individuen die parallel zijn geëvolueerd, via zowel inter- en intra-chromosomale recombinatie. Een ander algemeen erkend voordeel van deze regeling bij metazoën is dat het behoud van telomeren een zekere mate van bescherming biedt tegen de schurkenstaten zelfzuchtige vermenigvuldiging van cellen die tot kanker zullen leiden. Naast deze twee voor de hand liggende voordelen, zie ik dat de rangschikking van genomen op meerdere lineaire chromosomen waarschijnlijk ook een centrale rol speelt in het fenomeen van soortvorming. In overeenstemming met de waarneming dat zelfs nauw verwante soorten bijna altijd verschillen in hun chromosomale architectuur, is de rol van chromosomale herschikkingen in soortvorming al lang verondersteld (zie C&O p 256-267, waarbij White 1978 wordt geciteerd). Een hindernis voor deze hypothese is echter dat een chromosomale herschikking, zoals het schoolvoorbeeld van een wederzijdse translocatie van de hele arm, afgebeeld in figuur 2, zal resulteren in een significante afname van de vruchtbaarheid van de individuen waarbij deze translocatie in de eerste plaats plaatsvindt, met de helft van de zygoten die naar verwachting niet levensvatbaar zijn wanneer paring plaatsvindt met individuen van de rest van de populatie, die deze translocatie niet zouden dragen. Zodra de translocatie binnen een groep gefixeerd is, zal de volledige vruchtbaarheid worden hersteld voor alle individuen van die groep. Maar om dit te laten gebeuren, zullen heterozygote individuen die dezelfde mutatie dragen eerst met elkaar moeten paren, en onder dergelijke omstandigheden zal het aandeel levensvatbare nakomelingen naar verwachting zelfs nog iets meer dalen, van 1/2 tot 3/8 ( Figuur 2), en dit is zonder rekening te houden met de inteeltdepressie die noodzakelijkerwijs zou optreden, aangezien deze individuen logischerwijs nauw verwant aan elkaar zouden moeten zijn. Bovendien zou de translocatie dan homozygoot worden in slechts 1/6 van hun levensvatbare nakomelingen (overeenkomend met 1/16 van de zygoten). Hoewel andere soorten chromosomale hermodellering, zoals inversies of centromere fusies, het aandeel levensvatbare nakomelingen mogelijk niet in dezelfde mate beïnvloeden als wederzijdse translocaties, zou toch enig effect op het aandeel levensvatbare gameten worden verwacht, aangezien bekend is dat dergelijke modificaties de fenomeen van chromosomale paring dat plaatsvindt tijdens meiose [51].

Voorspelde chromosomale structuren in zygoten afkomstig van individuen die een reciproke chromosomale translocatie van de hele arm dragen. Bij een persoon die een wederzijdse chromosomale translocatie draagt, is slechts 50% van de nakomelingen levensvatbaar (eerste lijn). Als de kruising plaatsvindt tussen twee heterozygoten, daalt het aandeel levensvatbare nakomelingen tot 6/16 (= 3/8). Zodra de translocatie in een populatie is gefixeerd, zullen kruisingen met de voorouderlijke stam een ​​eerste generatie (F1) genereren die 100% levensvatbaar zal zijn, maar die F1-individuen zullen terugkeren naar de situatie van verminderde vruchtbaarheid waarmee de individuen die het eerst droegen de translocatie, en dit zal waar zijn, of ze nu oversteken naar individuen van de voorouderlijke stam, of naar individuen die homozygoot zijn voor de translocatie.

Gezien de bovenstaande overwegingen, is het moeilijk in te zien hoe chromosomale translocaties ooit vat zouden kunnen krijgen in een populatie en fixatie zouden kunnen bereiken, tenzij ze direct geassocieerd waren met een fenotype dat een zeer significant selectief voordeel had. Als dat voordeel overeenkwam met een dominant fenotype, zouden de geremodelleerde chromosomen zich naar de hele populatie kunnen verspreiden. Veel fenotypes die geassocieerd zijn met chromosomale hermodellering zouden echter naar verwachting worden opgelost via inteelt in plaats van via een selectieve sweep. Een chromosomale modificatie zou bijvoorbeeld loci die overeenkomen met een voordelige gencombinatie dicht bij elkaar op dezelfde DNA-streng kunnen brengen en zo de recombinatiebelasting kunnen verminderen. Veel van dergelijke genetisch gekoppelde genensets zijn daadwerkelijk te vinden in het genoom, bijvoorbeeld in de MHC [52]. Deze genomische architectuur kan alleen het resultaat zijn geweest van opeenvolgende gebeurtenissen van genomische remodellering, en de fixatie van de meeste daarvan moet een zeer significante inteelt hebben vereist. Als alternatief kan een van de breekpunten een gen verstoren, en dit zou naar verwachting leiden tot een recessief fenotype, wat opnieuw alleen tot uiting zou komen in de context van inteelt.

Naast het argument dat zelfs zeer nauw verwante soorten gewoonlijk significante verschillen vertonen in hun chromosomale architectuur, wordt de opvatting dat chromosomale hermodellering een belangrijke rol speelt bij soortvorming ook ondersteund door de relatief hoge frequentie waarmee chromosomale herschikkingen plaatsvinden, en zou dus mogelijk voldoende frequent zijn om zelfs in kleine geïsoleerde groepen die saeptatie ondergaan, voor te komen. Systematische studies van menselijke karyotypen hebben inderdaad aangetoond dat detecteerbare neo-herschikkingen voorkomen met een frequentie van ongeveer één op de duizend [53]. Hoewel veel van dergelijke herschikkingen kunnen leiden tot spontane abortussen (maar liefst 50% van de menselijke reproductieve mislukkingen kunnen te wijten zijn aan chromosomale afwijkingen), zullen vele andere levensvatbaar zijn, zoals blijkt uit het feit dat maar liefst één op de 625 fenotypisch gezonde mensen draagt ​​een wederzijdse chromosomale translocatie [54]. Omdat die translocaties een aanzienlijk verminderde vruchtbaarheid veroorzaken, wordt verwacht dat ze, tenzij ze gekoppeld zijn aan een voordelig fenotype, geleidelijk worden geëlimineerd uit grote populaties die zich voortplanten over opeenvolgende generaties. Maar als ze met zo'n grote frequentie worden gevonden, staat dat garant voor het feit dat individuen die chromosomale herschikkingen dragen vrij vaak zullen voorkomen bij mensen, en dus waarschijnlijk bij alle soorten.

Een andere mogelijkheid om te overwegen is dat chromosomale herschikkingen kunnen worden geselecteerd als secundaire saeptatiestappen, dwz simpelweg omdat ze de vruchtbaarheid van een gesaepteerde groep zouden verminderen wanneer ze fokken met de voorouderlijke groep, zelfs als het aanvankelijk ook enige verminderde vruchtbaarheid met de rest van de die oprichtersgroep. Conceptueel kan deze afname in vruchtbaarheid soms een voldoende voordeel zijn om op zichzelf te worden geselecteerd, zoals gesuggereerd door de observatie dat chromosomale herschikkingen vaker voorkomen tussen sympatrische dan tussen allopatrische soorten drosophila [55]. Het recessieve gunstige voordeel zou er dan een zijn van het handhaven van geoptimaliseerde vruchtbaarheid, maar het proces zou zeker veel directer zijn, en dus de voorkeur genieten als de chromosomale translocatie direct geassocieerd zou zijn met een gemuteerd gen dat tot een voordelig fenotype leidt.

4c) Het Wallace-effect: secundaire stappen naar soortvorming, d.w.z. versterking

Als een kleine groep individuen eenmaal uit de voorouderlijke stam is 'ontsproten', als ze de recessieve voordelige eigenschappen die de constitutie van die groep hebben voortgebracht, moeten blijven uitdrukken, zal fokken met de voorouderlijke stam een ​​permanente bedreiging vormen voor het welzijn van hun nakomelingen, en de verschillende groottes van de twee groepen zullen een factor zijn die het gewicht van deze dreiging aanzienlijk vergroot (zie [56]). Als de initiële mutatie direct gekoppeld was aan een chromosomale herschikking, zou dit de genenstroom tussen de twee groepen beperken, maar zou de dreiging juist verder vergroten omdat de hybride nakomelingen levensvatbaar zouden zijn, maar minder vruchtbaar.

Na een eerste stap van saeptatie zouden verdere stappen van reproductieve isolatie van de voorouderlijke stam daarom duidelijk voordelig zijn voor die nieuwe, maar veel kleinere groep. Binnen de gesaepteerde groep zou daarom worden verwacht dat elke verdere mutatie die reproductieve isolatie van de voorouderlijke stam zou vergroten, een zeer significant voordeel zou hebben, en zich dus snel zou kunnen verspreiden naar de hele groep, wat de kleine omvang van de gesaepteerde groep verder zou bevorderen.

We kunnen ons nu afvragen wat voor soort mutaties en/of eigenschappen zouden kunnen ingrijpen in de voortschrijdende vestiging van volledig gescheiden populaties, dat wil zeggen niet-detecteerbare genenstroom, zoals wat men ziet tussen nauw verwante groepen die als afzonderlijke soorten worden erkend, hoewel ze naast elkaar leven in natuurlijke omgevingen. En ik beweer dat, als er eenmaal een gesaepteerde groep is gevormd, waarin individuen allemaal nauwer aan elkaar verwant zijn dan aan de rest van de voorouderlijke groep, verdere stappen van reproductieve isolatie niet noodzakelijk afhankelijk hoeven te zijn van recessieve mutaties. In de vorige paragrafen heb ik betoogd dat, in sommige omstandigheden, de selectieve druk van de voorouderlijke stam voldoende kan zijn om verdere stappen van saeptatie binnen de geïsoleerde groep te bevorderen, gebaseerd op aanvullende recessieve mutaties, die zouden worden begunstigd door de verhoogde inteeltcoëfficiënt en de daaruit voortvloeiende lage mutatiebelasting binnen die gesaepteerde groep. Aan de andere kant zouden dominante eigenschappen zich vermoedelijk zeer snel naar de groep verspreiden en het extra voordeel hebben dat het proces de eliminatie van de rest van de groep niet zou vereisen. Op de lange termijn, zolang hybridisatie met de voorouderlijke stam een ​​bedreiging blijft, zou elke extra eigenschap die de kans op het produceren van nakomelingen met leden van die voorouderlijke populatie aanzienlijk vermindert, voldoende voordeel kunnen opleveren om op te worden geselecteerd. Als zodanig kunnen mechanismen die paring of de vorming van zygoten voorkomen (en daarom prezygote isolatie genoemd), zoals seksuele voorkeur, bezetting van niches die verder van de voorouder liggen, incompatibiliteit van gameten of zelfs cultureel verworven eigenschappen allemaal bijdragen aan de bescherming van de nieuw gevormde groep van de dreiging van fokken met de voorouderlijke populatie. Dit type redenering, die uitgaat van een asymmetrische relatie tussen een nieuw gevormde groep en een meer talrijke voorouderlijke stam, biedt een verklaring voor de waarneming die Muller in 1942 voor het eerst onderstreepte dat onverenigbaarheden tussen nauw verwante soorten vaak asymmetrisch zijn (C&O, p274).

Wanneer prezygote isolatie niet volledig is en nauw verwante soorten nog steeds kunnen paren en zygoten kunnen produceren, blijken die hybriden vaak niet-levensvatbaar of geschikt, maar steriel te zijn. Scenario's voor de ontwikkeling van dit soort barrière tussen soorten, die postzygote isolatie wordt genoemd, zijn iets moeilijker voor te stellen omdat men moet uitleggen hoe, hoewel paring heeft plaatsgevonden en gameten zijn gebruikt om zygoten te genereren, het toch voordeliger kan zijn om geen nakomelingen te produceren dan om hybriden te produceren. Om dit te verklaren, vind ik echter één observatie bijzonder nuttig: terwijl levensvatbaarheidsproblemen gewoonlijk nakomelingen van beide geslachten treffen, volgen steriliteitsproblemen gewoonlijk de regel van Haldane en treffen ze bijna altijd alleen het heterogametische geslacht (C&O, p311-312). We kunnen dus de problemen van het verklaren van hybride letaliteit en hybride steriliteit beschouwen als volledig afzonderlijke gevallen van postzygotische isolatie.

Met betrekking tot hybride letaliteit zie ik twee voor de hand liggende redenen waarom het beter zou zijn om helemaal geen nakomelingen te produceren dan om hybriden te produceren. Ten eerste, als er voor een of beide ouders aanzienlijke kosten zijn voor het grootbrengen van nakomelingen die uiteindelijk ongeschikt zullen zijn, zal het voordelig zijn om die middelen te sparen voor de daaropvolgende opvoeding van "raszuivere" nakomelingen. En ten tweede, als de hybride nakomelingen een niche innemen die overlapt met die van de raszuivere nakomelingen, zouden die twee soorten nakomelingen dan met elkaar concurreren. Soms zou een verdere bedreiging voor de meer ingeteelde nakomelingen kunnen liggen in het feit dat de hybriden bijzonder felle concurrenten zouden zijn voor de bezetting van de niche, omdat ze zouden profiteren van hybride kracht, en het dus het beste zou zijn om die hybride nakomelingen niet te produceren bij alle.

Met betrekking tot het fenomeen hybride steriliteit zie ik drie manieren waarop het kan worden gepromoot, die elkaar niet uitsluiten.

1) De eerste ligt bij chromosomale herschikkingen. Zoals reeds vermeld op de vorige pagina's, worden chromosomale herschikkingen heel vaak geassocieerd met verschijnselen van soortvorming, en zelfs nauw verwante soorten blijken vaak te divergeren door verschillende chromosomale structurele verschillen. Hoewel hybriden die een enkele chromosomale translocatie dragen, zoals die afgebeeld op figuur 2, hun vruchtbaarheid slechts met 50% zullen zien dalen wanneer ze paren met homozygote individuen van elk type, zal dit aandeel verder dalen voor elke extra chromosomale herschikking en al snel cijfers bereiken die nul naderen. . Een factor die verder bijdraagt ​​aan de steriliteit is de observatie dat chromosoomparing een noodzakelijke stap is gebleken voor de juiste voltooiing van meiose, althans bij eutherische zoogdieren (C&O p 262-264, onder vermelding van Searle1993). Zoals we op de vorige pagina's hebben gezien, zou de fixatie van dergelijke herschikkingen het meest waarschijnlijk plaatsvinden wanneer ze direct gekoppeld zijn aan een voordelig fenotype. De waarneming dat er meer verschillen zijn in chromosomale architectuur tussen drosophila-soorten die in sympatrie leven dan in allopatry [55] suggereert echter dat de verminderde vruchtbaarheid die door dergelijke herschikkingen wordt geboden, soms een voldoende voordeel op zich kan zijn.

2) De tweede reden ligt in het haploïde karakter van de geslachtschromosomen in het heterogametische geslacht (zie bijlage 2). Zoals eerder besproken (sectie II-3), zou na een proces van saeptatie de allelfrequenties van veel genen in de nieuw gevormde groep naar verwachting significant verschillen van die in de voorouderlijke populatie. Net als wat hierboven werd besproken, zouden die genen, of ze nu worden gedragen door autosomen of seksuele chromosomen, dus potentiële doelen zijn voor de selectie van nieuwe mutaties die worden gedragen door de seksuele chromosomen: nieuw gemuteerde genen zouden nog steeds goed functioneren met de genotypen die vaak aanwezig zijn in de geïsoleerde groep, maar zou niet langer werken in combinatie met de genotypen die prominent aanwezig zijn in de voorouderlijke stam. Dit zou met name waarschijnlijk zijn voor het heterogametische geslacht, omdat elke mutatie die wordt gedragen door een van de geslachtschromosomen, zelfs die welke overeenkomen met een functieverlies, onmiddellijk dominant zou zijn, zoals al onderstreept door Muller in 1940, en geformaliseerd als de dominantie theorie van Turelli en Orr [57]. Aangezien seksuele chromosomen noodzakelijkerwijs zijn begiftigd met veel genen die verband houden met seksuele reproductie, zou een waarschijnlijk fenotype dat voortvloeit uit een dergelijk selectief proces een fenotype zijn dat de seksuele capaciteiten beïnvloedt, en dus resulteert in de steriliteit van het heterogametische geslacht. Als alternatief kunnen de genen die betrokken zijn bij de reproductieve isolatie deel uitmaken van het grote aantal genen dat wordt gedragen door de chromosomen die diploïde zijn bij de helft van de individuen (X bij zoogdieren en vliegen of Z bij bepaalde insecten, vissen, reptielen en vogels). van duidelijkheid en eenvoud, ik zal X als voorbeeld gebruiken voor de rest van deze paragraaf, maar ik had net zo goed Z kunnen gebruiken). Laten we ons nu voorstellen dat er een mutatie plaatsvindt op een gen dat wordt gedragen door het X-chromosoom, zodat het genproduct nog steeds goed zal functioneren met de allelvorm van een ander gen dat met hoge frequentie wordt aangetroffen in de gesaepteerde groep die wordt bedreigd door hybridisatie, maar zal niet langer functioneren met de allele vorm(en) gevonden in de voorouderlijke groep. Zolang de individuen van de groep onder elkaar broeden, zou die mutatie geen aantoonbaar effect hebben, en dus ook niet echt een reden hebben om zich naar de hele groep te verspreiden. Maar als hybridisatie met de voorouderlijke stam zou plaatsvinden, omdat deze mutatie overeenkomt met een verlies van functie, zal dit meestal resulteren in een recessief fenotype, en zou het dus de typische kenmerken van X-gebonden deficiënties hebben, dwz stil zijn in diploïde vrouwelijke nakomelingen, en uitgedrukt in de hemizygote mannetjes. Het X-chromosoom draagt ​​​​veel genen die betrokken zijn bij vitale functies, en het uitschakelen daarvan zou vermoedelijk leiden tot dodelijke fenotypen. Onder de dreiging van het genereren van hybride nakomelingen met een externe groep, zouden de individuen die dergelijke mutaties dragen dan een duidelijk voordeel krijgen dat zou verklaren hoe, hoewel neutraal binnen de gesaepteerde populatie, dergelijke mutaties tot fixatie zouden kunnen worden gedreven in de groep die soortvorming ondergaat. De bovenstaande scenario's zouden dus verklaren waarom fenotypes van reproductieve isolatie vaak asymmetrisch zijn, waarom ze vaak sterker zijn in situaties van sympathie, en mogelijke verklaringen bieden voor de regel van Haldane, dwz waarom, wanneer kruisingen tussen soorten plaatsvinden, als slechts één geslacht wordt beïnvloed , het is meestal de heterogametische die ofwel niet-levensvatbaar is [58], wat volgens mij vaak kan voorkomen door recessieve mutaties van vitale genen op het X-chromosoom, of steriel, door mutaties van genen die betrokken zijn bij seksuele reproductie gedragen door ofwel de Y of het X-chromosoom.

3) De derde reden waarom voor hybride steriliteit kan worden gekozen, ligt in het feit dat seksuele reproductie gewoonlijk veel duurder is voor vrouwen dan voor mannen, waarbij de laatste het vermogen heeft om vrijwel onbeperkte aantallen nakomelingen te produceren. In het geval dat een populatie die soortvorming ondergaat, concurreert met de voorouderlijke stam voor de bezetting van een niche, beweer ik dat het genereren van hybriden waarbij vrouwtjes fit en vruchtbaar zijn, maar mannetjes ongeschikt, een uiterst voordelige strategie kan zijn. Deze aspecten worden in hoofdstuk IV verder uitgewerkt.

III) Er bestaat waarschijnlijk zelden zoiets als echt allopatrische soortvorming

In de vorige sectie hebben we gezien hoe voordelige recessieve eigenschappen de vorming van kleine gesaepteerde groepen binnen grote populaties zouden kunnen bevorderen, en hoe de noodzaak om die recessieve fenotypes tot expressie te blijven brengen vervolgens versterking zou kunnen opleveren, dwz verdere stappen van reproductieve isolatie, gebaseerd op een geheel scala aan verschillende mechanismen. Het terugkerende thema van de redenering die op de vorige pagina's is ontwikkeld, is dat reproductieve isolatie niet zou optreden als een omstandereffect van uiteenlopende evolutie, maar direct zou worden geselecteerd onder druk van een externe groep, meestal de onmiddellijke voorouderlijke bevolking. Zelfs als vandaag de dag de meerderheid van de evolutionaire wetenschappers gelooft dat de meeste gebeurtenissen van soortvorming zich moeten hebben voorgedaan in allopatrie, geloof ik echt dat als echt allopatrische soortvorming ooit plaatsvindt, dat wil zeggen dat hele populaties voldoende uit elkaar drijven om onvruchtbaar met elkaar te worden, het moet een uiterst langzaam proces zijn, en bijgevolg een zeer zeldzame gebeurtenis. Inderdaad, als populaties van individuen volledig gescheiden zijn, zal er geen selectieve druk zijn voor het ontwikkelen van kenmerken die de genenstroom tussen de twee groepen verder zullen verminderen, omdat de genenstroom al niet bestaat. Als de geografische barrière later wordt opgeheven, zullen de kenmerken van de individuen in elke groep vrijwel zeker heel anders zijn omdat ze zich hebben aangepast aan hun respectieve omgeving.Sommige mechanismen van voorkeur tussen gelijkaardige fenotypes kunnen de reproductie bevorderen tussen de individuen die samen zijn geëvolueerd, maar aangezien er geen selectieve druk zal zijn geweest, beweer ik dat er geen reden zou zijn waarom de individuen van beide groepen onvruchtbaar zouden zijn geworden met die van de andere groep. Dit is in feite in volledige overeenstemming met wat zeer recentelijk is beschreven voor Caribische Anoles-hagedissen. Die hebben zich miljoenen jaren onafhankelijk ontwikkeld op afzonderlijke eilanden die pas relatief recent zijn samengekomen om het grote eiland Martinique te vormen, en er lijken meer reproductieve barrières te zijn geselecteerd tussen populaties die zij aan zij zijn geëvolueerd om zich aan te passen aan kust- of bergachtige omstandigheden dan tussen degenen die zich op afzonderlijke eilanden hebben ontwikkeld [59].

Dit is ook precies wat er gebeurt met gedomesticeerde soorten. Onder de voorwaarden van domesticatie kunnen soorten divergeren om zeer merkbaar verschillend te worden, en tientallen generaties voort te planten onder zeer uiteenlopende selectievoorwaarden, maar ze worden niet onvruchtbaar met elkaar. In dit opzicht vind ik het voorbeeld van hondenrassen bijzonder veelzeggend. Bij het vergelijken van de skeletten van een Duitse dog en van een chihuahua, of van een teckel en een sint-bernard, zou geen enkele taxonoom bij zijn volle verstand ze ooit plaatsen als behorend tot dezelfde soort. Maar als mijn stappen me naar openbare parken of andere plaatsen brengen waar mensen naartoe gaan om hun viervoetige vrienden hun natuurlijke behoeften te laten bevredigen, ben ik vaak geslagen (en geamuseerd) om te zien hoe honden van zeer verschillende grootte en uiterlijk elkaar nog steeds kunnen herkennen als potentiële seksuele partners. En we weten wel dat ze inderdaad tot dezelfde soort behoren. Ze delen allemaal precies dezelfde chromosomale architectuur als wilde wolven. Als al deze honden van verschillende grootte in een reusachtige omheining zouden worden geplaatst en regelmatig zouden worden gevoerd, zouden er zelfs seksuele voorkeuren tussen bepaalde typen aan de oppervlakte kunnen komen (zie het lange citaat van Wallace's boek in sectie V), zwangerschappen tussen kleine vrouwtjes en grote mannetjes kunnen blijken fataal zijn voor de moeders, en de kleinere mannetjes zouden het waarschijnlijk niet zo goed doen in gevechten met grotere, maar uiteindelijk zouden al die honden extreem fitte nakomelingen produceren die zeker veel homogener zouden zijn dan de beginnende populatie, en vrijwel zeker genen bevatten die zijn geërfd van zowel de chihuahua's als de grote Denen. Ik beweer dat, als gedomesticeerde soorten geen soortvorming ondergaan, dit komt omdat het selectieproces wordt uitgevoerd door de fokkers en niet door natuurlijke selectie. Onder natuurlijke omstandigheden concurreren individuen en groepen individuen rechtstreeks met elkaar voor de productie van nakomelingen en de bezetting van een niche, en het verliezen van deze concurrentie betekent sterven zonder nakomelingen.

In een omgeving van domesticatie, zelfs als de meeste karakters die door de fokkers worden geselecteerd recessief zijn en soms zelfs geassocieerd kunnen worden met chromosomale herschikkingen, is er nooit enige directe druk voor individuen om te stoppen met fokken met de voorouderlijke stam, en er kan dus geen selectie voor saeptatie of versterking. Het feit dat verschillende gedomesticeerde rassen, waaronder honden en duiven, nu in effectieve allopatry zijn gehouden, dwz in volledige scheiding van elkaar gedurende honderden generaties zonder dat er ooit enig waarneembaar teken van soortvorming is waargenomen, is in mijn ogen een van de sterkere argumenten tegen de mogelijkheid dat allopatrische soortvorming, als gevolg van uiteenlopende selectie en/of genetische drift, een belangrijke rol zou kunnen spelen in de verschijnselen van soortvorming die duidelijk continu plaatsvinden in de natuurlijke wereld.

Een ander argument tegen de rol van intrinsieke genetische onverenigbaarheid als gevolg van een willekeurig proces in de evolutie van reproductieve isolatie kan worden gevonden in het vergelijken van de schattingen van de levensduur van soorten en van de tijd die nodig is om dergelijke onverenigbaarheden te ontwikkelen. Inderdaad, voor zowel zoogdieren als vogels, vertelt het fossielenbestand ons dat de gemiddelde tijd van bestaan ​​​​van een soort ongeveer een miljoen jaar is [35], terwijl de tijd die nodig is voordat de genomen van zoogdieren voldoende divergeren om genetisch onverenigbaar te worden, wordt geschat ongeveer 2-4 miljoen jaar [60], en meer dan 10 miljoen jaar voor vogels [61]. Gezien deze aantallen kan men constateren dat er een flagrante inconsistentie is tussen de biologische gegevens en het fossielenbestand, aangezien men zou moeten bedenken dat de meeste taxonomische soorten zouden uitsterven voordat ze een kans zouden hebben om te evolueren tot genetisch onverenigbare soorten. Ik zie dit als een sterk argument tegen het idee dat allopatrische (en dus passieve) genetische divergentie de belangrijkste factor zou kunnen zijn die verantwoordelijk is voor soortvorming.

Tegenstanders van de standpunten die in dit essay worden geuit, zouden er niet nalaten erop te wijzen dat er veel gedocumenteerde voorbeelden zijn van allopatrische soortvorming, d.w.z. waar groepen individuen die geografisch gescheiden waren "goede soorten" zijn geworden, d.w.z. volledig onvruchtbaar met elkaar. Maar om dit argument te weerleggen, hoeven we alleen maar terug te denken aan de voorouderlijke soort, de soort waarvan wordt aangenomen dat hij het voorouderlijk grondgebied heeft bezet en de nieuwe heeft gekoloniseerd (of, zoals Darwin voorstelde, in tweeën werd gesplitst door een stijgende berg bereik). Als de twee moderne soorten niet met elkaar kunnen voortplanten, kunnen we er gerust van uitgaan dat ten minste één van de twee ook onvruchtbaar zou zijn geweest met de voorouderlijke soort. Maar per definitie waren individuen van die voorouderlijke soort aanvankelijk aanwezig op de twee territoria, en die soort kan niet zijn verdwenen voordat een subgroep van individuen verscheen die minder vruchtbaar waren bij de voorouderlijke individuen, en die uiteindelijk zou leiden tot de moderne soort. De logische consequentie van dit standpunt is dat, wanneer allopatrische soortvorming lijkt te hebben plaatsgevonden, dit waarschijnlijk overeenkomt met verschillende opeenvolgende stappen van 'sympatrische' saeptatie, waarbij de nieuwe, beter aangepaste groep de voorouderlijke tussenvorm vervangt.

De meest opvallende voorbeelden van soortvorming komen vaak voor op eilanden, en toen Charles Darwin de Galapagos bezocht tijdens zijn reis op The Beagle, zou de observatie van alle zeer ongewone exemplaren die op die afgelegen eilanden werden gevonden hem later enorm helpen bij het formuleren van zijn evolutietheorie, evenals het idee te overwegen dat geografische isolatie zou kunnen bijdragen aan soortvorming vanwege de onafhankelijke evolutie van populaties die geleidelijk onvruchtbaar zouden worden met elkaar.

Laten we nu het fenomeen eilandsoort bekijken vanuit het in de vorige paragrafen ontwikkelde gezichtspunt, dat wil zeggen dat soortvorming meestal optreedt als gevolg van natuurlijke selectie, met andere woorden in een context waarin het voordelig is voor subgroepen van individuen om te stoppen met fokken met de voorouderlijke voorraad. Kolonisatie van eilanden is inherent zeer zeldzame gebeurtenissen, en nog meer voor een verplichte seksuele soort, omdat dit impliceert dat ten minste twee individuen van verschillende geslachten zich tegelijkertijd op hetzelfde eiland bevinden, wat heel vaak broers kunnen zijn en zussen afstammen van een enkele zwangere vrouw. De initiële populatie zal daardoor door een zeer krappe bottleneck gaan, met extreme mate van inteelt. De resulterende verminderde fitheid van de individuen kan echter goed worden getolereerd omdat, in de nieuw gekoloniseerde gebieden, die paar individuen geen concurrentie van verwanten zullen hebben, en vermoedelijk zeer weinig roofdieren en pathogenen die aan hen zijn aangepast. Vanwege deze eerste episode van inteelt zal echter verwacht worden dat de kosten van daaropvolgende inteelt na slechts enkele generaties sterk zullen afnemen, en deze populatie van kolonisatoren zou zich dan vermoedelijk vrij snel vermenigvuldigen om haar nieuw ontdekte niche te bezetten. Maar de karakters van de voorouderlijke stam zouden waarschijnlijk niet het best aangepast zijn aan hun nieuwe omgeving, en de omstandigheden zouden dus zeer gunstig lijken voor de selectie van nieuwe karakters die hen in staat stellen zich aan te passen. Zoals we eerder hebben gezien, komen mutaties die leiden tot recessieve karakters veel vaker voor dan dominante. En deze zouden zelfs nog meer aan het licht komen in de beoogde omstandigheden, waar inteelt zou worden begunstigd door zowel de kleine omvang van de populatie als het feit dat inteeltdepressie minimaal zou zijn. Als zich dus een recessieve mutatie voordoet die een adaptief voordeel oplevert voor de nieuwe omgeving van het gekoloniseerde eiland, zou er een zeer significant voordeel zijn voor de individuen die het aangepaste, recessieve fenotype dragen, om hun voortplanting met de rest van het koloniserende eiland te verminderen. groep. Elke mutatie die die saeptatie zou versterken, zou dus voordelig zijn en zou niet per se zelf recessief hoeven te zijn. Vandaar dat mechanismen die de isolatie van de aangepaste groep van de rest van de populatie versterken, zoals eigenschappen van genetische of postnataal geërfde seksuele voorkeur, gametische incompatibiliteit, genomische incompatibiliteit of chromosomale herschikkingen, binnen die groep kunnen evolueren, terwijl de initiële selectie van dergelijke eigenschappen heeft normaal gesproken niet de voorkeur in grotere, meer gekruiste populaties, waar de inteeltdepressie hoog is.

Het beeld dat we uit het bovenstaande scenario krijgen, is er een waarin, wanneer een afgelegen niche, zoals een eiland, aanvankelijk door zeer weinig individuen wordt binnengevallen, opeenvolgende stappen van saeptatie en/of versterking van een paar aangepaste individuen sterk zullen worden begunstigd door de aanvankelijke inteelt aflevering. En bij elke stap zouden de beter aangepaste afstammelingen van die groep hoogstwaarschijnlijk de minder goed aangepaste stam van hun directe voorouders wegvagen. Voor elk van deze stappen zou de vermindering van de genenstroom met de directe voorouders niet per se erg hoog zijn, maar hoewel die voorouderlijke voorraad al lang van het eiland zou zijn geëlimineerd, zou elk van die stappen de vruchtbaarheid tussen de bevolking van aangepaste individuen en hun directe voorouders, en zou bijgevolg naar verwachting een cumulatief effect hebben op de vruchtbaarheid tussen de aangepaste populatie en de voorouderlijke voorraad. Dus als de populatie van individuen die zich door opeenvolgende stappen van saeptatie en/of versterking aan het eiland hebben aangepast, ooit weer in contact zou worden gebracht met de talrijkere, voortplantende populatie die op het continent bleef, zouden individuen uit die twee groepen zeer waarschijnlijk volledig onvruchtbaar met elkaar, zelfs als de laatste niet veel van de voorouderlijke stam was geëvolueerd. Het soortvormingsproces waarvan we getuige zijn geweest, zou echter niet echt hebben plaatsgevonden in allopatrie, maar als een opeenvolging van sympatrische stappen die alleen kunnen plaatsvinden onder de selectieve druk van de onmiddellijke voorouderlijke voorraad. Een argument dat de geldigheid van dit soort redenering ondersteunt, is de terugkerende observatie dat soortvormingsgebeurtenissen zich vooral voordoen in de context van kleine populaties, zoals die worden bevorderd door kleine eilanden. De grootte van de niche zelf (bijvoorbeeld een klein eiland of een meertje) zou inderdaad de belangrijkste factor kunnen zijn die bijdraagt ​​aan het behoud van een relatief hoge mate van inteelt, en dus aan het verminderde niveau van inteeltdepressie die soortvorming kan bevorderen. Dus zelfs in de context van eilanden die niet volledig geïsoleerd zijn van de reguliere invasie door individuen van het vasteland (zoals de Balearen, de Caraïben of de Canarische Eilanden), of van andere nabijgelegen eilanden (zoals de Galapagos), hebben kleine eilanden bijzonder gunstig gebleken voor soortvorming in allerlei geslachten (vogels, hagedissen, zoogdieren, insecten. ).

Om deze paragraaf af te sluiten, zou ik willen zeggen dat, in de meeste gevallen die als onbetwistbare voorbeelden van allopatrische soortvorming worden beschouwd, de scheidingstijden vaak veel langer zijn dan de verwachte levensduur van de beschouwde soort. Aangezien in de meeste gevallen voorouder- en soortvormende groepen waarschijnlijk veel korter naast elkaar bestaan ​​dan de levensduur van soorten, is het niet verwonderlijk dat zo weinig gevallen van soortvorming sympatrisch lijken. Maar het is niet omdat we het niet zien gebeuren dat sympatrische soortvorming niet plaatsvindt. Dus, in tegenstelling tot het standpunt van Coyne en Orr, beweer ik dat allopatrische soortvorming niet als de standaardmodus moet worden beschouwd (C&O, p84). Om te bewijzen dat er ooit echt allopatrische soortvorming heeft plaatsgevonden, pleit ik ervoor dat men zou moeten aantonen dat er geen stap van saeptatie heeft plaatsgevonden tijdens het evolutionaire proces, waarbij één subpopulatie reproductief geïsoleerd zou zijn geraakt van zijn directe sympatrische voorouder, en vervolgens verwijderd.

IV) Welke relatie kan worden verwacht tussen de verschillende vormen van soortvorming, de mechanismen van reproductieve isolatie waarop wordt geselecteerd en de diversiteit van de nieuw gescheiden populatie? 5

Ondanks de argumenten die in de vorige paragraaf zijn gepresenteerd, valt niet te ontkennen dat de omstandigheden waaronder soortvorming plaatsvindt (sympatrie, parapatry, allopatry) waarschijnlijk een belangrijke rol zullen spelen bij zowel de soorten reproductieve isolatiemechanismen waarop wordt geselecteerd, als bij de omvang en diversiteit van de oprichtende populatie die uiteindelijk het gevolg zal zijn van het soortvormingsproces. In figuur 3 heb ik simplistische schetsen getekend die zouden overeenkomen met scenario's van soortvorming die zich voordoen in die drie omstandigheden. In deze tekening vertegenwoordigen de vormen de nis die wordt ingenomen door een bevolking. Ik denk dat een belangrijk punt om te onderstrepen met betrekking tot de aard van niches is dat ze niet alleen verband houden met geografische beperkingen, maar met vele andere factoren, zoals de aard van de voedingsstoffen, de timing van de levenscyclus, de identiteit van andere partnersoorten zoals bestuivers voor planten, of gastheren voor parasieten, enz. Al met al zie ik dat het bepalende punt tussen parapatry en sympatrie is of de niches van twee populaties die soortvorming ondergaan voldoende niet overlappend zijn dat geen van beide de andere ooit zou kunnen wegvagen. Aan de andere kant, zelfs als twee groepen zulke verschillende levensstijlen of levenscycli hebben dat ze zelden met elkaar fokken, maar toch strijden om precies hetzelfde voedsel of om hetzelfde territorium, zou je ten volle kunnen verwachten dat een van de twee hoofdrolspelers zal vroeg of laat een nieuw personage erven, waardoor het de andere volledig kan elimineren. Kortom, wanneer bezetting van de niche gelijk staat aan competitie om te overleven, zal ik dit sympathie noemen als de twee populaties naast elkaar kunnen bestaan ​​zonder dat de ene ooit door de andere wordt weggevaagd, zal ik dit parapatry noemen en wanneer de twee populaties zo weinig interacties dat geen van beide een bedreiging is voor de ander, noem ik dit allopatry.



Opmerkingen:

  1. Ham

    Hoe wordt het bevolen te begrijpen?

  2. Matunaagd

    eerlijk denken

  3. Elwood

    Daar zit iets in en ik denk dat dit een goed idee is. Ik ben het met je eens.

  4. Cesaro

    Excuseer, ik heb dit bericht verwijderd

  5. Fekus

    Ik feliciteer, welke woorden ..., een opmerkelijk idee

  6. Bardulf

    ALS VOOR MIJ, EENS JE KUNT ZIEN



Schrijf een bericht