Różnorodność genetyczna zapewnia prawidłowy rozwój populacji i czyni ją odporną na niekorzystne czynniki środowiskowe oraz patogeny. Obserwowane obecnie zubożenie puli genowej wielu gatunków prowadzi je do zagłady, której człowiek nie potrafi zapobiec mimo licznych starań.

Już wiesz
  • pierwotnym źródłem różnorodności genetycznej są mutacje;

  • rozmnażanie płciowe zapewnia zróżnicowanie genetyczne potomstwa;

  • gatunki są od siebie wzajemnie zależne, zachodzą między nimi interakcje antagonistyczne lub nieantagonistyczne;

Nauczysz się
  • wymieniać poziomy różnorodności biologicznej;

  • opisywać znaczenie różnorodności genetycznej w przystosowaniu organizmów do lokalnych warunków życia;

  • wyjaśniać, na czym polega ewolucyjny wyścig zbrojeń i jakie znaczenie w nim ma różnorodność genetyczna;

  • wyjaśniać przyczyny i skutki spadku różnorodności genetycznej.

1. Poziomy różnorodności biologicznej

Podczas Szczytu Ziemi zorganizowanego w 1992 r. pod hasłem „Środowisko i rozwój” w Rio de Janeiro 172 kraje przyjęły ustalenia Konwencji o różnorodności biologicznej (bioróżnorodności) i zobowiązały się ich przestrzegać.

W dokumencie tym pojęcie różnorodności biologicznej zdefiniowano jako zróżnicowanie wszystkich żywych organizmów występujących na Ziemi w ekosystemach lądowych, morskich i słodkowodnych oraz w zespołach ekologicznych, których są częścią. Zróżnicowanie to dotyczy wszystkich poziomów złożoności życia na Ziemi. Wyróżnia się następujące rodzaje różnorodności biologicznej:

  • genetyczną (wewnątrzgatunkową), czyli zróżnicowanie alleli genów w pulach genowych populacji danego gatunku;

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

  • ekosystemową, czyli rozmaitość naturalnych siedlisk oraz ekosystemów.

Polecenie 1

Zastanów się, która populacja ludzka charakteryzuje się większą różnorodnością genetyczną – polska czy obywateli Stanów Zjednoczonych. Uzasadnij odpowiedź.

2. Znaczenie adaptacyjne różnorodności genetycznej

Środowisko, w którym żyją organizmy, nie jest jednorodne. Poszczególne nisze ekologiczne różnią się czynnikami abiotycznymi, jak: wilgotność, nasłonecznienie, temperatura, typ podłoża, dostępność pożywienia. Uwarunkowania te występują w różnym nasileniu, często wykazując gwałtowne wahania. Określone warunki życia wymagają od zasiedlających je organizmów posiadania konkretnych przystosowań (adaptacji). Cechy organizmu, umożliwiające przeżycie w środowisku, są efektem działania genów – ustalonych zestawów ich alleli. Dobór naturalny powoduje, że w różnorodnych, dynamicznie zmieniających się warunkach siedliskowych mogą utrzymywać się przy życiu tylko takie populacje, których osobniki genetycznie różnią się między sobą. Niektóre z tych osobników mają cechy (tzw. preadaptacje), które w określonych warunkach środowiskowych dają im przewagę nad osobnikami niemającymi takich cech. Jednostki te łatwiej przeżywają zmiany w środowisku, są w lepszej kondycji zdrowotnej, mają liczniejsze potomstwo. W ten sposób ich geny stają się liczniej reprezentowane w kolejnym pokoleniu, preadaptacje stają się adaptacjami, a populacja ewoluuje. Populacje gatunków szeroko rozpowszechnionych mają ogromną pulę genową i wykazują tym samym dużą różnorodność genetyczną.

Klasycznym przykładem gatunku o bardzo szerokim zasięgu jest człowiek. Cechy o znaczeniu adaptacyjnym okazały się niezwykle istotne na przykład podczas zasiedlania kolejnych kontynentów. Barwa skóry to jedna z właściwości będąca przystosowaniem do różnego natężenia promieniowania UV. Jest ona tym ciemniejsza, im więcej znajduje się w niej melaniny – barwnika chroniącego komórki organizmu przed szkodliwym promieniowaniem. Melanina występuje także we włosach, a jej obecność w tęczówce oka sprawia, że przenikanie promieni słonecznych odbywa się głównie przez źrenicę. Najintensywniej wytwarzana jest w populacjach pochodzących z okolic równika, gdzie promieniowanie UV jest bardzo silne. U ludzi żyjących od tysiącleci w wyższych szerokościach geograficznych występuje w mniejszych ilościach. Barwa skóry wykazuje bardzo duże zróżnicowanie, co świadczy o sporej różnorodności genetycznej naszego gatunku.

Innym przykładem gatunku, który charakteryzuje się dużą różnorodnością genetyczną, jest krępak brzozowy. Motyl ten zawsze występował w dwóch odmianach barwnych. Pierwotnie liczniejsza była odmiana jasna. Należące do niej osobniki były mniej widoczne na korze brzozy, dzięki czemu rzadziej stawały się ofiarami ptaków, przeżywały i wydawały także jasne (na ogół) potomstwo. W połowie XIX w. wraz ze wzrostem uprzemysłowienia w Anglii nastąpił znaczny wzrost zanieczyszczenia środowiska. Pyły z kopalń i zakładów przemysłowych pokrywały wszystkie powierzchnie. W takich warunkach jaśniejsze ubarwienie motyli zaczęło działać na ich niekorzyść. Ptaki mogły je łatwiej dostrzec na pniach drzew pokrytych sadzą i schwytać. Ciemniejsza odmiana krępaka brzozowego miała natomiast większe szanse utrzymania się przy życiu i szybko stała się formą dominującą. Obecnie, z powodu poprawy stanu środowiska, obserwuje się przeciwny proces, czyli powtórną dominację krępaków o jasnym ubarwieniu. Także w tym przypadku przetrwanie gatunku było możliwe dzięki występowaniu w populacji różnych alleli genów odpowiedzialnych za ubarwienie motyli.

Znaczenie adaptacyjne ma także barwa muszli pospolitego ślimaka gajowego, gatunku, który charakteryzuje się dużą różnorodnością genetyczną. Populacje tego gatunku zamieszkujące lasy i zarośla mają ciemne ubarwienie 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.

Niektóre gatunki przystosowują się do różnych warunków środowiska, wytwarzając coraz to nowe lokalne odmiany lub podgatunki, z których każdy precyzyjnie adaptuje się do własnej niszy ekologicznej, np. do określonego mikroklimatu, zmniejszając tym samym różnorodność genetyczną. W konsekwencji, gdy warunki siedliska się zmieniają, wyspecjalizowane organizmy nie potrafią przetrwać w nowych okolicznościach i zwykle wymierają. Przykładem takiego wyspecjalizowanego gatunku jest tygrys, który w czasach historycznych występował w 10 podgatunkach zamieszkujących różne obszary Azji (od Kaukazu i Morza Kaspijskiego na zachodzie po wschodnią Syberię na północy i położone na południu wyspy Sumatrę i Jawę). Podgatunki tygrysa – kaspijski, balijski, jawajski wyginęły w XX w. Obecnie żyje 6 podgatunków tygrysa, które liczą niewiele osobników i są zagrożone wyginięciem głównie z powodu utraty siedlisk oraz kłusownictwa. Każdy z nich posiada określony zestaw alleli nieobecnych u innych podgatunków, umożliwiający mu przetrwanie tylko na swoim obszarze. Dlatego na przykład przeniesienie tygrysa sumatrzańskiego na Syberię nie sprawi, że ten ciepłolubny gatunek zaadaptuje się do nowych warunków. Tygrysy sumatrzańskie nie posiadają alleli, które w kolejnych pokoleniach pozwoliłyby im zadomowić się w surowym klimacie. Taki transfer nie powiódłby się także w przeciwnym kierunku. Przyczyną jest utrata alleli, która związana jest ze spadkiem liczebności populacji. W przypadku tygrysa wynosi ona nawet 93% w stosunku do populacji żyjących w XIX w.

Polecenie 2

W ogrodach zoologicznych żyje kilkaset tygrysów pochodzących od przodków schwytanych jeszcze w XIX w. Wyjaśnij, jaką rolę mogą one odegrać w odtworzeniu populacji tych wielkich kotów.

Ciekawostka

Podobnie jak w przypadku ślimaka gajowego i krępaka brzozowego, również u człowieka niektóre cechy stanowiące korzystne przystosowania w jednych warunkach życia mogą być nieprzydatne, a nawet szkodliwe w innych. Zaobserwowano, że ludzie o ciemnej skórze (mówi się o nich, że żyją w cieniu własnej skóry) 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, której deficyt powoduje oba te zaburzenia.

3. Różnorodność genetyczna orężem w ewolucyjnym wyścigu zbrojeń

Duża różnorodność genetyczna umożliwia gatunkom wykształcenie różnorodnych przystosowań, m.in. do walki z drapieżnikami i patogenami (wirusami, mikroorganizmami chorobotwórczymi, pasożytami). W przyrodzie między żywicielami i pasożytami oraz między drapieżnikami i ofiarami trwa nieustający ewolucyjny wyścig zbrojeń stanowiący przejaw koewolucji. Poprzez przetasowania w obrębie puli genowej oraz pojawianie się w genotypach nowych mutacji powstają przystosowania, które pozwalają danym gatunkom zdobyć przewagę nad gatunkami‑przeciwnikami. U osobników będących gospodarzami mutacje takie podwyższają odporność na patogeny. Jednostki bardziej odporne pozostawiają po sobie więcej potomstwa, które (na ogół) dziedziczy po nich geny warunkujące zwiększoną odporność. W konsekwencji występowanie zmutowanych genów w danej populacji jest coraz częstsze. Analogicznie u patogenów nowe mutacje zwiększają skuteczność infekowania żywicieli, np. poprzez przełamanie ich naturalnych mechanizmów obronnych. Patogeny, które posiadły zdolność skuteczniejszego infekowania gospodarza, mnożą się intensywniej, przez co skutecznej rozprzestrzeniają się w populacji żywiciela.

Przykładami mutacji dających ich nosicielom przewagę nad patogenami w ewolucyjnym wyścigu zbrojeń są:

  • mutacja recesywna w genie CCR5 zlokalizowanym na 3. chromosomie, która osobie posiadającej 2 recesywne allele zapewnia odporność na jedną z odmian wirusa HIV i ospy czarnej; u posiadaczy jednego zmutowanego allelu (heterozygot) odporność jest częściowa, zmniejsza prawdopodobieństwo zarażenia wirusem HIV przy kontakcie z krwią zakażonego;

  • mutacja recesywna w genie kodującym hemoglobinę zlokalizowanym na 11. chromosomie w przypadku posiadania jednego recesywnego allelu, zapewnia odporność na malarię, ale jest odpowiedzialna za pewien rodzaj anemii; homozygoty recesywne chorują na anemię sierpowatą i często umierają w młodym wieku.

W układzie drapieżnik – ofiara to ofiara ewoluuje w kierunku uzyskania przystosowań, które ochronią ją przed drapieżnikami doskonalącymi skuteczność polowania. Przykładem takiego wyścigu zbrojeń może być koewolucja wielorybów i rekinów. W trwającym miliony lat procesie ewolucji tych gatunków wieloryby stopniowo zwiększały masę ciała, gdyż pozwalało im to lepiej chronić się przed drapieżnikami. Te 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 nawet do 18 t/cm2, czyli 10 razy większą niż u współczesnego żarłacza białego. Kiedy wieloryby zwiększyły swe gabaryty, osiągając stan zbliżony do dzisiejszego, olbrzymie rekiny nie były w stanie kontynuować wyścigu zbrojeń, a nie mogąc skutecznie polować na ofiary ogromnych rozmiarów ani zaadaptować się do łowienia mniejszych zwierząt, stopniowo wymarły. Taki wyścig zbrojeń oparty na ciągłym zwiększaniu rozmiarów przez ofiarę (dla zwiększenia bezpieczeństwa w razie ataków drapieżnika) nazywa się ewolucyjną ucieczką w rozmiary.

Polecenie 3

Dobór naturalny faworyzuje nosicieli genu anemii sierpowatej (heterozygoty). Choć takie osoby mają objawy anemii, nie grozi im zachorowanie na malarię. Wyjaśnij, na czym polega przewaga nosiciela genu anemii sierpowatej nad członkiem jego populacji nieposiadającym takiej zmiany.

Wskazówka

Czy większe szanse dożycia wieku wydania potomstwa istnieją przy pojawieniu się objawów anemii czy też malarii?

Ciekawostka

Koncepcja wyjaśniająca ewolucyjny wyścig zbrojeń została nazwana hipotezą czerwonej królowej. Inspiracją dla jej autora były słowa Czerwonej Królowej, przedstawionej w powieści Lewisa Carolla pt.: „Po drugiej stronie lustra”, skierowane do głównej bohaterki: „Aby utrzymać się w tym samym miejscu, trzeba biec, ile sił”. Idealnie obrazują one zależności zachodzące między dwoma gatunkami, które biorą udział w nieustającym ewolucyjnym wyścigu zbrojeń.

Ciekawostka

Prawdopodobieństwo wystąpienia u osób wywodzących się z Afryki mutacji w genie kodującym hemoglobinę (czego skutkiem ubocznym jest uzyskanie odporności na malarię), wynosi 1 na 625 urodzeń, a u rdzennych Europejczyków 1 na 600 tysięcy urodzeń. Różnicę tę tłumaczy się dużym ryzykiem zachorowania na malarię wśród ludności Afryki i praktycznym brakiem zagrożenia tą chorobą w krajach Europy.

4. Przyczyny spadku różnorodności genetycznej

Istnieje wiele gatunków, których różnorodność genetyczna stale maleje, a one same stają się zagrożone wyginięciem. Są wśród nich na przykład żubr, sokół wędrowny, gepard, oryks arabski, panda wielka czy goryl górski. Gatunki te mają zubożoną pulę genetyczną, co wiąże się z ich znaczną podatnością na niektóre choroby i utratą zdolności przystosowania się do zmian warunków siedliskowych, a często także z obniżoną płodnością i rozrodczością.

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 te zwierzęta in vitro.

Bezpośrednim powodem zmniejszania się różnorodności genetycznej jest spadek liczebności osobników populacji. Geny przekazywane są z pokolenia na pokolenie w sposób losowy. Im większa liczba osobników posiada dany allel, tym większe jest prawdopodobieństwo, że zostanie on przekazany pokoleniu potomnemu i utrwali się w populacji. Jeżeli natomiast określony allel występuje w populacji sporadycznie, szansa na jego zniknięcie z puli genowej jest wysoka. Dlatego tylko odpowiednio duża liczebność populacji gwarantuje przekazanie kolejnym pokoleniom różnorodnego materiału genetycznego. Duża liczebność osobników to także większa szansa pojawienia się mutacji i uzyskania nowych alleli genów o znaczeniu przystosowawczym.

Ważną przyczyną spadku różnorodności genetycznej jest wymieranie lokalnych podgatunków lub odmian organizmów dzikich, a także pojawianie się coraz większej liczby wyselekcjonowanych, jednorodnych genetycznie odmian roślin uprawnych oraz ras zwierząt hodowlanych. Wraz z wymarciem odmian dzikich zanikają wszystkie unikatowe allele, które znajdowały się w ich genotypie i warunkowały przystosowanie do lokalnych warunków środowiska. Gdy wymarł tygrys kaspijski, zniknęły wszystkie allele specyficzne dla tego podgatunku, niewystępujące u innych podgatunków tygrysa. W XIX w. wyparcie starych odmian ziemniaka przez nowe spowodowało utratę genu warunkującego odporność tej rośliny na zarazę ziemniaczaną, czego efektem był nieurodzaj tego warzywa i wielki głód dziesiątkujący ludność Irlandii.

Polecenie 4

Korzystając z różnych źródeł informacji, wskaż przykłady 3 gatunków (niewymienionych w podręczniku), których różnorodność genetyczna jest zagrożona na skutek skrajnie małej liczebności ich populacji.

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 na przykład 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 (tak powstały rasy bydła Charolaise i Limousine), mleka (rasa bydła holsztyńsko‑fryzyjska), jaj (kury rasy Leghorn). Brano też pod uwagę takie cechy, jak jezdność (konie czystej krwi arabskiej) oraz przydatność do pracy (konie rasy ardeńskiej).

W wyniku doboru sztucznego, a także mutacji, które zaszły w ich genomie już po udomowieniu, ewolucja tych gatunków przebiega odmiennie niż miałoby to miejsce w środowisku naturalnym. Niejednokrotnie zmiany zachodzące w genotypie, a co za tym idzie także w fenotypie, są tak daleko idące, że dany gatunek znacznie się różni od żyjącego dziko przodka. Dla przykładu bydło domowe pochodzi od tura, ale nie przypomina już tego wymarłego ssaka. Nieliczne jego cechy zachowały się u ras krów takich, jak np. bydło Hecka lub francuskie bydło Camargue. W przypadku roślin uprawnych trudno czasami bez badań genetycznych wskazać dziki odpowiednik gatunku uprawnego.

Jednym ze sposobów utrwalenia pożądanej przez człowieka cechy jest chów wsobny, czyli krzyżowanie organizmów w bliskim pokrewieństwie, skutkujące wzrostem homozygotyczności u potomstwa. Poszczególne osobniki potomne są do siebie genetycznie bardzo podobne, a w przypadku roślin uprawnych niekiedy są nawet swoimi klonami. W ten sposób w kolejnych pokoleniach dochodzi do stopniowego zubażania puli genetycznej. Stosowanie chowu wsobnego u roślin sprzyja zwiększeniu plonu, sprawia jednak, że nowe odmiany są bardziej podatne na ataki różnych patogenów. U zwierząt może prowadzić do zwiększonej mięsności świń lub mleczności krów, ale obniża odporność tych zwierząt na choroby.

Dzięki doborowi sztucznemu człowiek uzyskał wiele odmian i ras roślin oraz zwierząt. W tysiącach odmian występują szczególnie rośliny ozdobne, np. róże, które były krzyżowane i selekcjonowane ze względu na wiele pożądanych cech: wielkość kwiatów, ich barwę, zapach, zdolność do pięcia się po podporach, wytwarzanie licznych kolców lub ich brak, drzewiasty lub miniaturowy pokrój, mrozoodporność. Dzięki temu zachowały wiele alleli genów. Podobnie jak róże, gatunek pies domowy, reprezentowany przez wiele ras, zachowuje wciąż dużą różnorodność genetyczną.

Polecenie 5

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.

Ciekawostka

Najstarszą rośliną uprawną jest len. Wysiewano go już ponad 6 tysięcy lat temu. Pierwszym zwierzęciem udomowionym 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.

Podsumowanie

  • Różnorodność genetyczna (wewnątrzgatunkowa) to zróżnicowanie alleli genów w pulach genowych populacji danego gatunku.

  • Różnorodność genetyczna umożliwia przystosowanie się gatunku do zmian środowiska.

  • Różnorodność genetyczna jest dla gospodarzy i patogenów oraz drapieżników i ich ofiar orężem wykorzystywanym podczas ewolucyjnego wyścigu zbrojeń trwającego między nimi od milionów lat.

  • Mutacje, wzbogacając pulę genową populacji, mogą dawać organizmom przewagę odzwierciedlającą się w ich lepszym przystosowaniu do warunków życia w zmiennych warunkach środowiska.

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

  • Dobór sztuczny zwykle prowadzi do zubożenia puli genetycznej gatunków.

Praca domowa
Polecenie 6.1

1. Oszacuj prawdopodobieństwo (duże – małe), że wszyscy ludzie na Ziemi zginą w wyniku epidemii nowej choroby. Uzasadnij swoją prognozę.

Polecenie 6.2

2. 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. Wyjaśnij, w jaki sposób najprawdopodobniej doszło do zubożenia puli genetycznej tego gatunku.

Słowniczek

adaptacja

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

chów wsobny

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

koewolucja

proces współzależnej ewolucji gatunków pozostających w różnych relacjach międzygatunkowych, np. symbiotycznych lub antagonistycznych, w którym każdy z gatunków wytwarza nowe przystosowania dające mu korzyści, a w przypadku relacji antagonistycznych – przewagę nad drugim gatunkiem

nisza ekologiczna

sposób wykorzystania zasobów środowiska przez dany gatunek; ogół wszystkich przystosowań gatunku i jego pozycja w ekosystemie

pula genowa

wszystkie allele genów występujących u osobników danej populacji

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

Zadania

Ćwiczenie 1
Ćwiczenie 2
Ćwiczenie 3
Ćwiczenie 4
Ćwiczenie 5