Duża różnorodność genetyczna zapewnia prawidłowy rozwój populacji i czyni ją odporną na niekorzystne czynniki środowiskowe, w tym patogeny. I na odwrót – im mniejsze zróżnicowanie genetyczne populacji, tym bardziej jest ona zagrożona wyginięciem.

R1MLIsbOCIzgd
Na ilustracji przedstawione są różne ubarwienia i desenie muszli ślimaka gajowego będące wynikiem różnorodności genetycznej
Źródło: Tomorrow Sp. z o.o., Liz Lister (https://www.flickr.com), Kristine Paulus (https://www.flickr.com), Kabir Bakie (http://commons.wikimedia.org), Didier Descouens (http://commons.wikimedia.org), Erik Veldhuis (http://commons.wikimedia.org), Rubén Díaz Caviedes (https://www.flickr.com), Norbert Nagel (http://commons.wikimedia.org), Gary Rogers (http://www.geograph.org.uk), licencja: CC BY-SA 3.0.
Aby zrozumieć poruszane w tym materiale zagadnienia, przypomnij sobie:
  • jaki rodzaj rozmnażania prowadzi do zróżnicowania genetycznego potomstwa.

Twoje cele
  • Poznasz różne poziomy różnorodności biologicznej.

  • Wyjaśnisz, czym jest różnorodność genetyczna.

  • Określisz przyczyny różnorodności genetycznej.

  • Wymienisz czynniki, które prowadzą do spadku różnorodności genetycznej.

ibZgVZvGFf_d5e161

1. Poziomy różnorodności biologicznej

Występowanie zróżnicowanych form życia na Ziemi określane jest jako różnorodność biologicznaróżnorodność biologicznaróżnorodność biologiczna. Wyróżnia się jej trzy poziomy:

  • różnorodność ekosystemową, która dotyczy ekosystemów;

  • różnorodność gatunkową odnoszącą się do liczby gatunków żyjących w określonych ekosystemach;

  • różnorodność genetyczną (wewnątrzgatunkową), dotyczącą występowania zróżnicowanych cech w populacji, wynikających z różnych wersji genów (różnych alleli).

R1VI7Kpk3N6HZ
Poziomy różnorodności biologicznej
Źródło: Tomorrow Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.
ibZgVZvGFf_d5e215

2. Znaczenie adaptacyjne różnorodności genetycznej

Środowisko, w którym żyją organizmy, nie jest jednorodne. Określone warunki życia wymagają od zasiedlających je organizmów posiadania konkretnych przystosowań (adaptacjiadaptacjaadaptacji). Dla przykładu, kaczki zwane płaskonosami mają długie, szerokie i płaskie dzioby, umożliwiające im cedzenie planktonu, a dolna i górna część dzioba ptaka nazwanego krzyżodziobem krzyżują się ze sobą, co ułatwia temu zwierzęciu wydobywanie nasion z szyszek drzew iglastych. Inne cechy ułatwiające, a często nawet umożliwiające przeżycie w danym środowisku, to m.in. masa ciała i odporność na niektóre choroby. Różne cechy organizmów są efektem działania różnych wersji genów, czyli alleli.

W różnorodnych, dynamicznie zmieniających się warunkach siedliskowych mogą przetrwać tylko takie populacje, których osobniki są silnie zróżnicowane pod względem genetycznym. Im większe zróżnicowanie genetyczne populacji, tym większe prawdopodobieństwo, że przynajmniej część osobników przetrwa niekorzystne zmiany środowiska. Adaptacja do warunków środowiskowych obejmuje również zasiedlanie przez populacje nowych obszarów.

Przykładem szeroko rozpowszechnionego gatunku jest człowiek. Zasiedlanie kolejnych kontynentów umożliwiły mu cechy o znaczeniu adaptacyjnym, takie jak barwa skóry. Kolor skóry stanowi przystosowanie do różnego natężenia promieniowania UV. Chroniąca przed nim melanina, odpowiedzialna za ciemne zabarwienie skóry, najintensywniej wytwarzana jest u osób pochodzących z okolic równika, gdzie promieniowanie UV jest bardzo silne. U ludzi żyjących od tysiącleci w wyższych szerokościach geograficznych melanina występuje w mniejszej ilości. Barwa skóry człowieka jest bardzo zróżnicowana, co świadczy o dużej różnorodności genetycznej, a przez to o dużych możliwościach adaptacyjnych naszego gatunku.

R1LPpxoTQVsmg
Ludzie różnią się zabarwieniem skóry, co wynika z różnej ilości melaniny
Źródło: Tomorrow Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

Znaczenie adaptacyjne ma też np. barwa muszli pospolitego ślimaka gajowego, gatunku, który charakteryzuje się dużą różnorodnością genetyczną. Populacje tego gatunku zamieszkujące lasy i zarośla mają ciemne zabarwienie muszli. Sprawia ono, że ptakom trudno je dostrzec, a ponadto ułatwia nagrzewanie się ciała. Ślimaki występujące na otwartej przestrzeni są jasno ubarwione, co w pewnym stopniu chroni je przed drapieżnikami i przed przegrzaniem.

R1QIXNwBpiRMY
Ślimak gajowy
Źródło: jhenning, Pixabay, domena publiczna.
Ciekawostka

Niektóre cechy w określonych warunkach życia mogą być korzystne, a w innych – nieprzydatne, a nawet szkodliwe. Zaobserwowano na przykład, że ludzie o ciemnej skórze, mieszkający na stałe w strefie klimatu umiarkowanego, mają problemy z odpornością i przyswajaniem wapnia. Dzieje się tak dlatego, że duża ilość melaniny uniemożliwia przenikanie światła słonecznego w głąb skóry, gdzie pod jego wpływem zachodzi produkcja witaminy D. Deficyt witaminy D powoduje oba te zaburzenia.

1
Ćwiczenie 1
RyXaqlARPY5Mw
(Uzupełnij).
Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.
ibZgVZvGFf_d5e290

3. Różnorodność genetyczna warunkiem przetrwania gatunków, bioróżnorodności gatunkowej i ekosystemowej

Duża różnorodność genetyczna umożliwia gatunkom wykształcenie różnorodnych przystosowań, m.in. do walki z drapieżnikami i patogenami (wirusami, mikroorganizmami chorobotwórczymi, pasożytami). Przystosowania te, np. odporność na wybrane patogeny, są skutkiem pojawiania się różnych mutacji. Jednostki z korzystnymi mutacjami, a więc bardziej odporne, pozostawiają po sobie więcej potomstwa. Potomstwo na ogół dziedziczy po rodzicach geny warunkujące zwiększoną odporność, a w konsekwencji odsetek zmutowanych genów w danej populacji jest coraz większy. Patogeny również mutują, a przez to zwiększają skuteczność infekowania swoich żywicieli. Mikroorganizmy, które skuteczniej niż inne infekują organizm gospodarza, mnożą się intensywniej, przez co szerzej rozprzestrzeniają się w populacji żywiciela.

W układzie drapieżnik – ofiara to ofiara ewoluuje w kierunku uzyskania przystosowań, które ochronią ją przed drapieżnikami doskonalącymi skuteczność polowania.  W trwającym miliony lat procesie ewolucji wielorybów i rekinów wieloryby stopniowo zwiększały masę ciała. Chroniło je to przed drapieżnikami, które z kolei, adaptując się do wielkości ofiary, także zwiększały swoje rozmiary i siłę ścisku szczęk. Apogeum tego wyścigu stanowiło pojawienie się ok. 2–2,5 mln lat temu największego rekina w historii życia na Ziemi, Carcharocles megalodon, osiągającego 18 m długości i posiadającego siłę ścisku szczęk 10 razy większą niż u współczesnego żarłacza białego. Kiedy wieloryby zwiększyły swoje gabaryty, olbrzymie rekiny nie były w stanie kontynuować wyścigu zbrojeń. Nie mogły skutecznie polować na ofiary ogromnych rozmiarów, zaczęły więc stopniowo wymierać. Taki wyścig oparty na ciągłym zwiększaniu rozmiarów przez ofiarę (dla zwiększenia bezpieczeństwa w razie ataków drapieżnika) nazywa się ewolucyjną ucieczką w rozmiary.

R1H9NblZY3H1e
Porównanie rozmiarów rekinów
Źródło: autor, licencja: CC BY-SA 3.0.
1
Ćwiczenie 2
Rp13RVJkAaLYa
(Uzupełnij).
Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.
ibZgVZvGFf_d5e368

4. Przyczyny spadku różnorodności genetycznej

Istnieje wiele gatunków, których różnorodność genetyczna stale maleje. Są wśród nich żubr, sokół wędrowny, gepard, oryks arabski, panda wielka czy goryl górski. Gatunki te utraciły zdolność przystosowania się do zmian środowiska, w tym do pojawiania się nowych patogenów. Zwierzęta te mogą mieć także ograniczoną płodność.

Na zmniejszenie różnorodności genetycznej wpływają:

  • spadek liczebności populacji,

  • wymieranie lokalnych podgatunków lub odmian organizmów,

  • pojawianie się coraz większej liczby wyselekcjonowanych, jednorodnych genetycznie odmian roślin uprawnych oraz rasrasaras zwierząt hodowlanych,

  • chów wsobnychów wsobnychów wsobny,

  • gatunki inwazyjnegatunek inwazyjnygatunki inwazyjne.

Ciekawostka

Panda wielka bardzo niechętnie rozmnaża się w niewoli, a i w środowisku naturalnym także dzieje się to rzadko. W dodatku zdolność do zapłodnienia trwa u niej tylko 2‑3 dni i występuje jedynie raz w roku. Aby ratować ten zagrożony wyginięciem gatunek, naukowcy rozmnażają pandy wielkie in vitroin vitroin vitro.

RkYv2pfTpHMbB
Noworodek pandy wielkiej w inkubatorze
Źródło: Aleksandra Ryczkowska, Colegota, Wikimedia Commons, licencja: CC BY-SA 2.5.

Bezpośrednim powodem zmniejszania się różnorodności genetycznej jest spadek liczebności osobników populacji, gdyż mają one mniejszy zasób wszystkich genów.

Ważną przyczyną spadku różnorodności genetycznej jest wymieranie lokalnych podgatunków lub odmian, ponieważ powoduje ono utratę wszystkich alleli obecnych tylko w danym taksonie. Allele te stanowią wynik przystosowania do lokalnych warunków środowiska, dlatego ich brak może skutkować wymieraniem innych podgatunków lub odmian w razie pojawienia się groźnego patogenu lub zmiany klimatu. Dla przykładu obecnie uprawiane odmiany ziemniaka odporne na zarazę ziemniaczaną zawierają geny R pochodzące od dzikich odmian ziemniaka. Brak genów odporności na zarazę ziemniaczaną może być przyczyną masowych zniszczeń całych plantacji. W XIX wieku w Irlandii porażenie ziemniaków doprowadziło do długotrwałej klęski głodu, pozbawiając życia ok. miliona osób.

1
Ćwiczenie 3
R1P3Did4Me6WT
(Uzupełnij).
ibZgVZvGFf_d5e424

5. Różnorodność genetyczna roślin uprawnych i zwierząt hodowlanych

Człowiek od kilku tysięcy lat uprawia rośliny i hoduje zwierzęta, wybierając do rozrodu osobniki, które mają pożądane przez niego cechy. W przypadku zbóż są nimi wielkość i liczba ziaren w kłosie. Z kolei len selekcjonuje się ze względu na zawartość oleju w nasionach lub wytrzymałość i rozciągliwość włókien pozyskiwanych z łodyg tej rośliny. W hodowli zwierząt dobór prowadzony jest pod kątem produkcji mięsa, mleka i jaj.

W wyniku doboru sztucznegodobór sztucznydoboru sztucznego i mutacji zmiany w genotypie, a co za tym idzie, także w fenotypie, są tak duże, że gatunek hodowlany znacznie różni się od dziko żyjącego. Bydło domowe pochodzi od tura, ale nie przypomina już tego wymarłego ssaka. W przypadku roślin uprawnych trudno czasami bez badań genetycznych wskazać dziki odpowiednik gatunku uprawianego przez człowieka.

Rv1yLLvSB7TmH
Na ilustracji tur i jego potomkowie, czyli różne rasy bydła domowego
Źródło: Tomorrow Sp. z o.o., Marilyn Peddle (https://www.flickr.com), Nils Mulvad (https://www.flickr.com), licencja: CC BY-SA 3.0.

Człowiek dąży do utrwalenia korzystnych cech, takich jak duże plonowanie u roślin uprawnych, duża mleczność u krów i duża mięsność u świń. Jednym ze sposobów przekazania takiej pożądanej cechy organizmom potomnym jest chów wsobny, czyli krzyżowanie ze sobą blisko spokrewnionych osobników. Rośnie wówczas homozygotyczność, czyli liczba alleli (wersji) genów w organizmie, które są identyczne dla organizmu matecznego i potomnego. Dlatego osobniki potomne są do siebie bardzo podobne. Jednocześnie w kolejnych pokoleniach dochodzi do coraz większego zubażania zasobów wszystkich genów, czego negatywną konsekwencją jest coraz mniejsza odporność na choroby zarówno w przypadku roślin, jak i zwierząt.

Polecenie 1

Kapusta, która króluje na naszych stołach, swój wygląd osiągnęła w wyniku selekcji i krzyżowania dopiero w średniowieczu, choć znana jest od starożytności. Zbierz informacje na temat historii kapusty i jej współczesnych odmian, a następnie na ich podstawie przygotuj prezentację multimedialną.

R6gWMxdc0f8rL
(Uzupełnij).

Kapusta, która króluje na naszych stołach, swój wygląd osiągnęła w wyniku selekcji i krzyżowania dopiero w średniowieczu, choć znana jest od starożytności. Zbierz informacje na temat historii kapusty i opisz swoje ustalenia w tym zakresie.

R13Nxpzd2bjjT
Ciekawostka

Najstarszą rośliną uprawną jest len. Wysiewano go już ponad 6 tysięcy lat temu. Pierwszym udomowionym zwierzęciem był pies, który towarzyszy człowiekowi od ok. 15 tysięcy lat. Najstarszymi zwierzętami gospodarskimi są natomiast owca i koza, udomowione ok. 9‑7 tysięcy lat p.n.e.

ibZgVZvGFf_d5e479

Podsumowanie

  • Wyróżnia się trzy rodzaje różnorodności biologicznej: różnorodność genetyczną, różnorodność gatunkową i różnorodność ekosystemów.

  • Różnorodność genetyczna (wewnątrzgatunkowa) to zróżnicowanie alleli genów w populacji danego gatunku. Umożliwia ona przystosowanie się gatunku do zmian środowiska.

  • Mutacje przyczyniają się do powstawania nowych wersji genów, a to pozwala na przystosowanie się organizmów do zmienionych warunków środowiska.

  • Głównymi przyczynami spadku różnorodności genetycznej są spadek liczebności osobników populacji poszczególnych gatunków oraz wymieranie lokalnych podgatunków lub odmian.

  • Dobór sztuczny i chów wsobny prowadzą do zmniejszenia różnorodności genetycznej gatunków.

Praca domowa

111
Ćwiczenie 1

Kakapo to gatunek dużej, nielotnej papugi (najcięższej papugi na świecie) zagrożonej wyginięciem. Jeszcze w połowie XIX w. zamieszkiwał prawie połowę obszaru Nowej Zelandii. Obecnie jego zasięg ogranicza się do kilku małych wysepek, a różnorodność genetyczna bardzo zubożała. Przedstaw możliwe przyczyny zubożenia zasobu wszystkich genów tego gatunku.

RABBG8ObVFpIr
Zasięg występowania kakapo dawniej i dziś
Źródło: Dariusz Adryan, John G. Keulemans, Msikma (http://commons.wikimedia.org), Msikma (http://commons.wikimedia.org), licencja: CC BY-SA 3.0.
RvE5mAcVFZxc5
(Uzupełnij).
1
Ćwiczenie 2
RJ6hq7QPcdUau
(Uzupełnij).

Słownik

adaptacja
adaptacja

przystosowywanie się gatunku do określonych warunków życia poprzez wytworzenie określonych cech (adaptacyjnych), które mogą być dziedziczne lub niedziedziczne

dobór sztuczny
dobór sztuczny

krzyżowanie osobników o pożądanych cechach w celu utrwalenia lub spotęgowania tych cech u potomstwa

gatunek inwazyjny
gatunek inwazyjny

roślina lub zwierzę, które zajmując dany obszar, wypiera z niego gatunki rdzenne (pierwotnie go zamieszkujące)

chów wsobny
chów wsobny

zwany także kojarzeniem krewniaczym; kojarzenie osobników blisko ze sobą spokrewnionych, którego skutkiem jest wzrost homozygotyczności potomstwa

in vitro
in vitro

(z łac.: w szkle) sposób przeprowadzania doświadczeń polegający na badaniu procesów biologicznych w warunkach sztucznych, poza organizmem

rasa
rasa

jednostka niższa od gatunku, odznaczająca się zespołem cech dziedzicznych, ukształtowanych przez hodowcę lub naturę

różnorodność biologiczna
różnorodność biologiczna

inaczej zwana bioróżnorodnością; zróżnicowanie organizmów na całej kuli ziemskiej na wszystkich poziomach złożoności życia: w obrębie gatunku, pomiędzy gatunkami oraz w obrębie ekosystemów

ibZgVZvGFf_d5e650

Zadania

1
Pokaż ćwiczenia:
11
Ćwiczenie 1
Ra5kjyHKXm250
zadanie interaktywne
Źródło: Katarzyna Lech, licencja: CC BY 3.0.
RUoNLAJ0KxRNq1
Ćwiczenie 2
Zaznacz wszystkie czynniki, które wpływają na zmniejszenie różnorodności genetycznej. Możliwe odpowiedzi: 1. Spadek liczebności populacji, 2. Wymieranie lokalnych podgatunków lub odmian organizmów, 3. Chów wsobny, 4. Wzrost liczebności populacji, 5. Hodowla zachowawcza
Źródło: Aleksandra Zarzycka, licencja: CC BY-SA 3.0.
2
Ćwiczenie 3
RcItJI6XrL9SK
zadanie interaktywne
Źródło: Katarzyna Lech, licencja: CC BY 3.0.
2
Ćwiczenie 4
R12enmzvB49sQ
zadanie interaktywne
Źródło: Katarzyna Lech, licencja: CC BY 3.0.
2
Ćwiczenie 5
R16qOrtow7xkJ
zadanie interaktywne
Źródło: Katarzyna Lech, licencja: CC BY 3.0.

Notatnik

Rx5dSLrT8riJ9
(Uzupełnij).
Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.