Różnorodność genetyczna

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

Fotografia przedstawia zróżnicowanie ubarwienia i deseni muszli ślimaka gajowego. Muszle różnią się grubością znajdujących się na nich pasów, kolorem muszli, na przykład jasnobrązowe, ciemnobrązowe, różowawe, białe.

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

Ilustracja przedstawia trzy owale jeden w drugim. Najmniejszy owal, najbardziej wewnętrzny popisany jest: różnorodność genetyczna. Powyżej podpisu widać model DNA. W większym owalu znajdują się wizerunki różnych organizmów, na przykład słonia, hipopotama, jaszczurki, drzewa, i podpis: różnorodność gatunkowa. Największy owal reprezentuje różnorodność ekosystemową. Znajdują się tu fotografie różnych krajobrazów, na przykład morskiego, pustynnego, jeziornego, górskiego.

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

Fotografie przedstawiają portrety czterech osób różnej płci i o różnym kolorze skóry. Pierwszy mężczyzna po lewej ma bardzo ciemną skórę, ciemne włosy i ciemne oczy. Kolejny mężczyzna ma lekko brązową skórę, ciemne włosy i ciemne oczy. Trzecia jest kobieta o jasnej skórze i ciemnych włosach i oczach. Ostatnia jest kobieta o jasnej skórze, jasnych oczach i blond włosach.

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

Na zdjęciu widoczny jest ślimak gajowy. Muszla ślimaka jest koloru zielono - żółtego. Ślimak na rysunku porusza się po pniu drzewa. Ma wyciągnięte czułki.

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

Ilustracja przedstawia na błękitnym tle sylwetki nurka i dwóch czarno‑białych rekinów. Największy rekin to wymarły gatunek. W środku współczesny żarłacz biały, znacznie mniejszy. Żarłacz jest o połowę mniejszy od wymarłego gatunku rekina. Ponad rekinami widać sylwetkę nurka. Jest on ponad dwa razy mniejszy od żarłacza.

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

Fotografia z lewej przedstawia noworodka pandy wielkiej w szarym inkubatorze. Różowe z szarymi plamami zwierzątko leży na białym podkładzie. Z tyłu stoją ludzie w błękitnych fartuchach. Fotografia z prawej to zbliżenie małej pandy, ukazujące pokrycie jej ciała białymi, rzadkimi włosami.

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.

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

Ilustracja przedstawia u góry wizerunek wymarłego gatunku, tura. Brązowe potężne zwierzę ma długie ostre rogi, zagięte do góry. Dwie fotografie u dołu przedstawiają współczesne odmiany bydła na pastwiskach. Z lewej czarno‑biała krowa rasy mlecznej. Z prawej jasny byk rasy mięsnej.

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.

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

Słownik

Zadania

Notatnik