Geneettinen ajautuminen: määritelmä, syyt ja vaikutus populaatioihin
Tutustu geneettiseen ajautumiseen: mitä se tarkoittaa, miksi se tapahtuu ja miten satunnaiset muutokset muokkaavat populaatioiden perimää ja monimuotoisuutta.
Geneettinen ajautuminen on satunnainen vaikutus biologisiin populaatioihin. Sen vaikutuksena on geneettisen vaihtelun poistuminen elävien organismien populaatiosta.
Luonnollisissa populaatioissa vaikuttavat useat voimat. On voimia, jotka lisäävät populaatioon periytyvää vaihtelua, kuten mutaatio ja rekombinaatio. On myös tekijöitä, jotka poistavat vaihtelua populaatiosta, ja ajelehtiminen on yksi näistä.
Miten geneettinen ajautuminen toimii
Geneettinen ajautuminen tarkoittaa alleelien (geenimuotojen) taajuuksien satunnaista vaihtelua sukupolvesta toiseen. Kun sukupolven jälkeläiset muodostuvat, vain osa vanhempien kantamasta perinnöllisestä muutoksesta siirtyy seuraavalle sukupolvelle. Tämä siirtymä on osittain sattumanvaraista: joillain yksilöillä voi sattua olemaan onnea lisääntyä ja välittää tiettyjä alleeleja paljon, kun taas toiset katoavat. Pienissä populaatioissa tämä satunnaisuus näkyy voimakkaammin — alleelit voivat kadota kokonaan tai tulla yleisiksi ilman, että niillä olisi ollut vaikutusta yksilön kelpoisuuteen.
Perustilanteet, joissa ajelehtiminen korostuu
- Pulssimainen kokoisvaihtelu (bottleneck): Jos populaatio kokee jollain vaiheella äkillisen supistumisen (esim. tauti, luonnonkatastrofi), vain pieni määrä yksilöitä jatkaa jälkeläisten tuottamista. Tällöin monia alleeleja voi kadota tuurilla.
- Perustajaefekti (founder effect): Kun pieni joukko yksilöitä perustaa uuden populaation, uuden populaation geenikoostumus heijastaa vain näiden perustajien geneettistä vaihtelua, ei alkuperäisen suuren populaation kaikkia alleeleja.
- Pienet effektiviiset populaatiokoot: Kun efektiivinen populaatiokoko (Ne) on pieni — vaikka yksilöitä olisi ennätystä enemmän — ajautuminen vaikuttaa voimakkaammin. Ne voi olla pienempi kuin laskennallinen kokonaismäärä esimerkiksi epätasaisen sukupuolijakauman tai suurten yksilöllisten jälkeläismäärien vuoksi.
Vaikutukset populaatioihin ja evoluutioon
- Geneettisen monimuotoisuuden väheneminen: Satunnaiset menetykset pienentävät populaation alleelikirjostoa, mikä voi heikentää sopeutumiskykyä muuttuviin olosuhteisiin.
- Alleelien fiksoituminen tai häviäminen: Ajautumisen seurauksena jokin alleeli voi satunnaisesti tulla ainoaksi muodoksi (fixaatio) tai kadota kokonaan, vaikka se olisi neutraali tai jopa haitallinen.
- Inbreeding ja epigeneettiset seuraukset: Pienissä populaatioissa läheistä sukua olevien yksilöiden lisääntyminen kasvaa, mikä voi lisätä haitallisten resessiivisten mutaatioiden ilmenemistä.
- Populaatioiden eriytyminen: Satunnaiset muutokset eri populaatioissa lisäävät geneettistä eroa populaatioiden välillä, mikä voi edistää paikallista sopeutumista tai pitkällä aikavälillä lajien eriytymistä.
Suhde luonnonvalintaan ja neutraaliin teoriaan
Geneettinen ajautuminen vaikuttaa erityisesti neutraaleihin eli valinnan kannalta merkityksettömiin alleeleihin. Kun selektio on heikko verrattuna satunnaiseen vaihteluun (esimerkiksi pienessä populaatiossa), ajautuminen voi ohittaa valinnan. Neutraalin teorian mukaan suuri osa molekyylitason vaihtelusta selittyy tällaisella satunnaisella ajautumisella ja mutaatioiden kertymisellä.
Yksinkertainen esimerkki
Kuvittele, että populaatiossa on kaksi alleelia A ja a, kumpikin aluksi 50 %:n osuudella. Jos seuraavan sukupolven yksilöt syntyvät satunnaisotannalla näistä alleeleista, satunnainen vaihtelu voi johtaa tilanteeseen, jossa A:n osuus kasvaa tai pienenee. Toistuvissa generoissa tämä satunnaisuus voi lopulta johtaa siihen, että toinen alleeli katoaa ja toinen jää ainoaksi — etenkin jos populaatio on pieni.
Matemaattinen näkökulma (lyhyesti)
- Monet mallit kuvaavat ajautumista, esim. Wright–Fisher- ja Moran-mallit, jotka kuvaavat alleelien taajuuksien satunnaista muutosta.
- Uuden neutraalin mutaation todennäköisyys jäädä pysyvästi populaatioon on pienissä populaatioissa usein korkea mutaation syntymiseen nähden, mutta yksittäisen uuden mutaation todennäköisyys tulla fiksoiduksi on suunnilleen 1/(2Ne) diploidisessa populaatiossa.
Merkitys suojelubiologiassa ja käytännön seuraukset
Geneettinen ajautuminen on keskeinen huolenaihe uhanalaisten ja pienten populaatioiden hoidossa. Se voi heikentää populaation pitkän aikavälin elinvoimaa, lisätä alttiutta taudeille ja vähentää sopeutumiskykyä ilmastonmuutokseen tai muihin ympäristömuutoksiin. Suojelutoimia, jotka hidastavat ajautumisen haittoja, ovat mm.:
- populaatiokokojen ylläpitäminen tai kasvattaminen;
- geneettisen vaihtelevuuden säilyttäminen siirroin ja risteytyksin eri populaatioiden välillä (hallittu geenivirta);
- monimuotoisuutta huomioivat lisääntymisohjelmat vankeudessa (avoid inbreeding);
- elintilojen ja vaellusyhteyksien säilyttäminen, jotta yksilöt voivat liikkua ja lisääntyä eri populaatioiden välillä.
Yhteenveto
Geneettinen ajautuminen on satunnaisluonteinen prosessi, joka muuttaa populaatioiden geneettistä rakennetta ja voi vähentää niiden perinnöllistä vaihtelua — erityisesti pienissä populaatioissa. Se toimii rinnakkain muiden evoluutiovoimien, kuten mutaation ja luonnonvalinnan, kanssa. Käytännössä ajautumisen vaikutusten ymmärtäminen on tärkeää biologisessa tutkimuksessa ja luonnonsuojelussa, jotta populaatioiden pitkäaikainen elinvoima voidaan turvata.
Yleiskatsaus
Lajissa tai risteytyvässä populaatiossa on yleensä paljon geneettistä vaihtelua. Tämä geneettinen vaihtelu on eri alleeleina monilla kromosomien lokuksilla (geenipaikoilla).
Muutokset alleelifrekvensseissä johtuvat pääasiassa luonnollisesta valinnasta, toisin sanoen erilaisesta selviytymisestä ja osallistumisesta seuraavaan sukupolveen. Kun populaatiot pienenevät, jokaisesta sukupolvesta tulee kuitenkin yhä homotsygoottisempi, ja alleelien kirjo vähenee. Tämä on samankaltainen vaikutus kuin sisäsiittoisuus: se johtaa geneettiseen yhdenmukaisuuteen.
Geneettinen ajelehtiminen on nimitys tälle vaihtelun häviämiselle. Se voi vaikuttaa evoluutioon yllättävän paljon, mutta vain silloin, kun populaatiot ovat melko pieniä. Se, mitä "pieni" tarkoittaa, riippuu organismista. 50 yksilöä on pieni, 5000 ei ole, 500 on ehkä. Driftin perusmekanismi on se, että geneettinen vaihtelu vähenee sattuman vuoksi, jolloin yksilöt ovat keskenään samankaltaisempia ja siten haavoittuvampia.
- Ajelehtiminen vähentää populaatioiden geneettistä vaihtelua, mikä saattaa heikentää populaation kykyä selviytyä uusista valikoivista paineista.
- Geneettinen ajelehtiminen vaikuttaa nopeammin ja sillä on rajummat seuraukset pienemmissä populaatioissa. Pienet populaatiot kuolevat yleensä sukupuuttoon.
- Geneettinen ajelehtiminen voi edistää lajinmuodostusta, jos pieni ryhmä selviytyy.
- Pullonkaulatapahtumat: Kun suuri populaatio pienenee äkillisesti ja jyrkästi jonkin tapahtuman vuoksi, geneettinen monimuotoisuus vähenee hyvin paljon. Tartunnat ja äärimmäiset ilmastotapahtumat ovat yleisiä syitä. Toisinaan kilpailukykyisempien lajien hyökkäykset voivat olla tuhoisia.
♦ 1880/90-luvulla metsästys vähensi pohjoisen norsuhylkeen kannan vain noin 20 yksilöön. Vaikka populaatio on elpynyt, sen geneettinen vaihtelu on paljon vähäisempää kuin eteläisen norsuhylkeen.
♦ Gepardeilla on hyvin vähän vaihtelua. Uskomme, että laji on vähentynyt pieneen määrään jossakin lähiaikoina. Koska sillä ei ole geneettistä vaihtelua, se on vaarassa tartuntatautien vuoksi. - Perustajatapahtumat: Nämä tapahtumat ilmenevät, kun pieni ryhmä irtoaa suuremmasta populaatiosta. Pieni ryhmä elää sitten erillään pääpopulaatiosta. Ihmislajin mainitaan usein käyneen läpi tällaisia vaiheita, esimerkiksi kun ryhmät lähtivät Afrikasta asettuakseen muualle (ks. ihmisen evoluutio). Ilmeisesti meillä on vähemmän vaihtelua kuin maailmanlaajuisen levinneisyytemme perusteella voisi olettaa.
Myös kaukana mantereesta sijaitseville saarille saapuneet ryhmät ovat hyviä esimerkkejä. Nämä ryhmät eivät pienen kokonsa vuoksi voi kantaa mukanaan kaikkia kantapopulaatiossa esiintyviä alleeleja.
Aiheeseen liittyvät sivut
Kysymyksiä ja vastauksia
K: Mitä on geneettinen ajautuminen?
V: Geneettinen ajautuminen on biologisiin populaatioihin kohdistuva satunnaisvaikutus, joka vähentää geneettisen vaihtelun määrää populaatiossa.
K: Mitkä voimat lisäävät perinnöllistä vaihtelua populaatioon?
V: Mutaatio ja rekombinaatio ovat kaksi voimaa, jotka lisäävät periytyvää vaihtelua populaatioon.
K: Onko olemassa tekijöitä, jotka poistavat vaihtelua populaatiosta?
V: Kyllä, geneettinen ajautuminen on yksi tekijä, joka poistaa vaihtelua populaatiosta.
K: Miten geneettinen ajautuminen vähentää geneettisen vaihtelun määrää populaatiossa?
V: Geneettinen ajelehtiminen vähentää geneettisen vaihtelun määrää populaatiossa poistamalla ajan mittaan sattumanvaraisesti tiettyjä alleeleja tai geenivariantteja geenipoolista.
K: Onko mutaatio esimerkki jostakin, joka lisää perinnöllistä vaihtelua populaatioon?
V: Kyllä, mutaatio on esimerkki jostakin, joka lisää periytyvää vaihtelua populaatioon.
K: Mikä muu voima voi lisätä populaatioihin periytyvää variaatiota kuin mutaatio ja rekombinaatio?
V: Mutaation ja rekombinaation lisäksi ei tunneta muita voimia, jotka voivat lisätä populaatioihin periytyvää vaihtelua.
Etsiä