Πληροφορίες

12.2: Επιλεκτικές και Περιβαλλοντικές Πιέσεις - Βιολογία

12.2: Επιλεκτικές και Περιβαλλοντικές Πιέσεις - Βιολογία


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.

Στόχοι μάθησης

Κατανοήστε πώς οι περιβαλλοντικές αλλαγές και οι επιλεκτικές πιέσεις επηρεάζουν την εξάπλωση των μεταλλάξεων, συμβάλλοντας στη διαδικασία της εξέλιξης

Η φυσική επιλογή δρα μόνο στα κληρονομικά χαρακτηριστικά του πληθυσμού: επιλέγει ωφέλιμα αλληλόμορφα και συνεπώς αυξάνει τη συχνότητά τους στον πληθυσμό, ενώ επιλέγει ενάντια σε επιβλαβή αλληλόμορφα και συνεπώς μειώνει τη συχνότητά τους—μια διαδικασία γνωστή ως προσαρμοστική εξέλιξη. Ωστόσο, η φυσική επιλογή δεν δρα σε μεμονωμένα αλληλόμορφα, αλλά σε ολόκληρους οργανισμούς. Ένα άτομο μπορεί να φέρει έναν πολύ ωφέλιμο γονότυπο με ένα προκύπτον φαινότυπο που, για παράδειγμα, αυξάνει την ικανότητα αναπαραγωγής (γονιμότητα), αλλά εάν το ίδιο άτομο φέρει επίσης ένα αλληλόμορφο που οδηγεί σε μια θανατηφόρα παιδική ασθένεια, αυτός ο φαινότυπος γονιμότητας δεν θα περάσει. στην επόμενη γενιά γιατί το άτομο δεν θα ζήσει για να φτάσει στην αναπαραγωγική ηλικία. Η φυσική επιλογή δρα στο επίπεδο του ατόμου. επιλέγει για άτομα με μεγαλύτερη συνεισφορά στη γονιδιακή δεξαμενή της επόμενης γενιάς, γνωστή ως οργανισμός εξελικτική (δαρβινική) φυσική κατάσταση.

Η φυσική κατάσταση είναι συχνά ποσοτικοποιήσιμη και μετριέται από επιστήμονες στον τομέα. Ωστόσο, δεν μετράει η απόλυτη φυσική κατάσταση ενός ατόμου, αλλά το πώς συγκρίνεται με τους άλλους οργανισμούς του πληθυσμού. Αυτή η έννοια, που ονομάζεται σχετική φυσική κατάσταση, επιτρέπει στους ερευνητές να προσδιορίσουν ποια άτομα συνεισφέρουν επιπλέον απογόνους στην επόμενη γενιά και, επομένως, πώς μπορεί να εξελιχθεί ο πληθυσμός.

Υπάρχουν διάφοροι τρόποι με τους οποίους η επιλογή μπορεί να επηρεάσει τη διακύμανση του πληθυσμού: σταθεροποιητική επιλογή, κατευθυντική επιλογή, διαφοροποιητική επιλογή, επιλογή εξαρτώμενη από τη συχνότητα και σεξουαλική επιλογή. Καθώς η φυσική επιλογή επηρεάζει τις συχνότητες των αλληλόμορφων σε έναν πληθυσμό, τα άτομα μπορούν είτε να γίνουν περισσότερο ή λιγότερο γενετικά παρόμοια και οι φαινότυποι που εμφανίζονται μπορεί να γίνουν πιο όμοιοι ή πιο διαφορετικοί.

Σταθεροποιητική Επιλογή

Εάν η φυσική επιλογή ευνοεί έναν μέσο φαινότυπο, επιλέγοντας έναντι ακραίων διακυμάνσεων, ο πληθυσμός θα υποστεί σταθεροποιητική επιλογή (Εικόνα 1α). Σε έναν πληθυσμό ποντικών που ζουν στο δάσος, για παράδειγμα, η φυσική επιλογή είναι πιθανό να ευνοεί τα άτομα που συνδυάζονται καλύτερα με το δάσος και είναι λιγότερο πιθανό να εντοπιστούν από τα αρπακτικά. Υποθέτοντας ότι το έδαφος είναι μια αρκετά σταθερή απόχρωση του καφέ, αυτά τα ποντίκια των οποίων η γούνα ταιριάζει περισσότερο με αυτό το χρώμα θα είναι πιο πιθανό να επιβιώσουν και να αναπαραχθούν, μεταβιβάζοντας τα γονίδιά τους για το καφέ τρίχωμα τους. Τα ποντίκια που φέρουν αλληλόμορφα που τα κάνουν λίγο πιο ανοιχτόχρωμα ή λίγο πιο σκούρα θα ξεχωρίσουν στο έδαφος και θα είναι πιο πιθανό να πέσουν θύματα θηρευτή. Ως αποτέλεσμα αυτής της επιλογής, η γενετική διακύμανση του πληθυσμού θα μειωθεί.

Επιλογή κατεύθυνσης

Όταν το περιβάλλον αλλάζει, οι πληθυσμοί θα υποστούν συχνά επιλογή κατεύθυνσης (Σχήμα 1β), το οποίο επιλέγει για φαινότυπους στο ένα άκρο του φάσματος της υπάρχουσας παραλλαγής. Ένα κλασικό παράδειγμα αυτού του τύπου επιλογής είναι η εξέλιξη του σκόρου με πιπεριά στην Αγγλία του δέκατου όγδοου και του δέκατου ένατου αιώνα. Πριν από τη Βιομηχανική Επανάσταση, οι σκώροι είχαν κυρίως ανοιχτόχρωμο χρώμα, κάτι που τους επέτρεπε να ενωθούν με τα ανοιχτόχρωμα δέντρα και τους λειχήνες στο περιβάλλον τους. Αλλά καθώς η αιθάλη άρχισε να εκτοξεύεται από τα εργοστάσια, τα δέντρα σκοτείνιασαν και οι ανοιχτόχρωμοι σκώροι έγιναν πιο εύκολο να εντοπιστούν από τα αρπακτικά πουλιά. Με την πάροδο του χρόνου, η συχνότητα της μελανικής μορφής του σκώρου αυξήθηκε επειδή είχαν υψηλότερο ποσοστό επιβίωσης σε ενδιαιτήματα που επηρεάζονταν από την ατμοσφαιρική ρύπανση, επειδή ο πιο σκούρος χρωματισμός τους αναμειγνύεται με τα αιθαλικά δέντρα. Ομοίως, ο υποθετικός πληθυσμός των ποντικιών μπορεί να εξελιχθεί για να πάρει διαφορετικό χρώμα, εάν κάτι έκανε το δάσος όπου ζουν να αλλάξει χρώμα. Το αποτέλεσμα αυτού του τύπου επιλογής είναι μια μετατόπιση της γενετικής διακύμανσης του πληθυσμού προς τον νέο, κατάλληλο φαινότυπο.

Στην επιστήμη, μερικές φορές πιστεύεται ότι τα πράγματα είναι αληθινά και στη συνέχεια έρχονται στο φως νέες πληροφορίες που αλλάζουν την κατανόησή μας. Η ιστορία του πεπερασμένου σκόρου είναι ένα παράδειγμα: τα γεγονότα πίσω από την επιλογή για πιο σκούρους σκώρους έχουν πρόσφατα τεθεί υπό αμφισβήτηση. Διαβάστε αυτό το άρθρο για να μάθετε περισσότερα.

Διαφοροποίηση επιλογής

Μερικές φορές δύο ή περισσότεροι διακριτοί φαινότυποι μπορεί να έχουν ο καθένας τα πλεονεκτήματά τους και να επιλέγονται από τη φυσική επιλογή, ενώ οι ενδιάμεσοι φαινότυποι είναι, κατά μέσο όρο, λιγότερο κατάλληλοι. Γνωστό ως διαφοροποιητική επιλογή (Εικόνα 1γ), αυτό φαίνεται σε πολλούς πληθυσμούς ζώων που έχουν πολλαπλές αρσενικές μορφές. Τα μεγάλα, κυρίαρχα αρσενικά άλφα αποκτούν σύντροφο με ωμή βία, ενώ τα μικρά αρσενικά μπορούν να εισέλθουν κρυφά για κρυφές συναναστροφές με τα θηλυκά στην περιοχή ενός άλφα αρσενικού. Σε αυτήν την περίπτωση, θα επιλεγούν τόσο τα άλφα αρσενικά όσο και τα «ύπουλα» αρσενικά, αλλά επιλέγονται τα μεσαίου μεγέθους αρσενικά, τα οποία δεν μπορούν να ξεπεράσουν τα άλφα αρσενικά και είναι πολύ μεγάλα για να κρυφτούν συνδιασμοί. Η διαφοροποίηση της επιλογής μπορεί επίσης να συμβεί όταν οι περιβαλλοντικές αλλαγές ευνοούν άτομα σε κάθε άκρο του φαινοτυπικού φάσματος. Φανταστείτε έναν πληθυσμό ποντικών που ζει στην παραλία όπου υπάρχει ανοιχτόχρωμη άμμος διάσπαρτη με κομμάτια ψηλού χόρτου. Σε αυτό το σενάριο, θα ευνοούνται ανοιχτόχρωμα ποντίκια που αναμειγνύονται με την άμμο, καθώς και σκουρόχρωμα ποντίκια που μπορούν να κρυφτούν στο γρασίδι. Τα μεσαίου χρώματος ποντίκια, από την άλλη πλευρά, δεν θα έμπαιναν ούτε με το γρασίδι ούτε με την άμμο, και έτσι θα ήταν πιο πιθανό να καταναλωθούν από τα αρπακτικά. Το αποτέλεσμα αυτού του τύπου επιλογής είναι η αυξημένη γενετική διακύμανση καθώς ο πληθυσμός γίνεται πιο διαφοροποιημένος.

Ερώτηση πρακτικής

Τα τελευταία χρόνια, τα εργοστάσια έχουν γίνει πιο καθαρά και λιγότερη αιθάλη απελευθερώνεται στο περιβάλλον. Τι αντίκτυπο πιστεύετε ότι είχε αυτό στην κατανομή του χρώματος του σκόρου στον πληθυσμό;

[prectice-area rows=”2″][/practice-area]
[αποκάλυψη-απάντηση q=”173318″]Δείξε την απάντηση[/reveal-answer]
[hidden-answer a=”173318″]Ο σκόρος έχει αλλάξει σε πιο ανοιχτό χρώμα.[/hidden-answer]

Επιλογή που εξαρτάται από τη συχνότητα

Ένας άλλος τύπος επιλογής, που ονομάζεται επιλογή ανάλογα με τη συχνότητα, ευνοεί τους φαινοτύπους που είναι είτε κοινοί (επιλογή που εξαρτάται από τη θετική συχνότητα) είτε σπάνιοι (επιλογή που εξαρτάται από την αρνητική συχνότητα). Ένα ενδιαφέρον παράδειγμα αυτού του τύπου επιλογής φαίνεται σε μια μοναδική ομάδα σαυρών του Βορειοδυτικού Ειρηνικού. Οι αρσενικές κοινές σαύρες με πλευρικές κηλίδες διατίθενται σε τρία μοτίβα στο χρώμα του λαιμού: πορτοκαλί, μπλε και κίτρινο. Κάθε μία από αυτές τις μορφές έχει διαφορετική αναπαραγωγική στρατηγική: τα πορτοκαλί αρσενικά είναι τα πιο δυνατά και μπορούν να πολεμήσουν άλλα αρσενικά για πρόσβαση στα θηλυκά τους. Τα μπλε αρσενικά είναι μεσαίου μεγέθους και σχηματίζουν ισχυρούς δεσμούς ζευγαριού με τους συντρόφους τους. και τα κίτρινα αρσενικά (Εικόνα 2) είναι τα μικρότερα και μοιάζουν λίγο με τα θηλυκά, κάτι που τους επιτρέπει να κρυφτούν συζεύξεις. Σαν ένα παιχνίδι με βράχο-χαρτί-ψαλίδι, το πορτοκαλί νικάει το μπλε, το μπλε το κίτρινο και το κίτρινο το πορτοκαλί στον διαγωνισμό για τις γυναίκες. Δηλαδή, τα μεγάλα, δυνατά πορτοκαλί αρσενικά μπορούν να παλέψουν με τα μπλε αρσενικά για να ζευγαρώσουν με τα θηλυκά ζευγών του μπλε, τα μπλε αρσενικά είναι επιτυχή στο να προστατεύουν τους συντρόφους τους από τα κίτρινα sneaker αρσενικά και τα κίτρινα αρσενικά μπορούν να αποσπάσουν κρυφά συναναστροφές από τους πιθανούς συντρόφους από τα μεγάλα, πολυγυναικά πορτοκαλί αρσενικά.

Σε αυτό το σενάριο, τα πορτοκαλί αρσενικά θα ευνοούνται από τη φυσική επιλογή όταν ο πληθυσμός κυριαρχείται από μπλε αρσενικά, τα μπλε αρσενικά θα ευδοκιμούν όταν ο πληθυσμός είναι κυρίως κίτρινα αρσενικά και τα κίτρινα αρσενικά θα επιλέγονται όταν τα πορτοκαλί αρσενικά είναι τα πιο πολυπληθή. Ως αποτέλεσμα, πληθυσμοί σαυρών με πλευρικές κηλίδες κάνουν κύκλους στην κατανομή αυτών των φαινοτύπων - σε μια γενιά, το πορτοκαλί μπορεί να κυριαρχεί και στη συνέχεια τα κίτρινα αρσενικά θα αρχίσουν να αυξάνονται σε συχνότητα. Μόλις τα κίτρινα αρσενικά αποτελούν την πλειοψηφία του πληθυσμού, θα επιλεγούν μπλε αρσενικά. Τέλος, όταν τα μπλε αρσενικά γίνονται κοινά, τα πορτοκαλί αρσενικά θα ευνοούνται και πάλι.

Η αρνητική επιλογή που εξαρτάται από τη συχνότητα χρησιμεύει για την αύξηση της γενετικής διακύμανσης του πληθυσμού επιλέγοντας σπάνιους φαινοτύπους, ενώ η θετική εξαρτώμενη από τη συχνότητα επιλογή συνήθως μειώνει τη γενετική διακύμανση επιλέγοντας κοινούς φαινοτύπους.

Σεξουαλική Επιλογή

Τα αρσενικά και τα θηλυκά ορισμένων ειδών είναι συχνά αρκετά διαφορετικά μεταξύ τους με τρόπους πέρα ​​από τα αναπαραγωγικά όργανα. Τα αρσενικά είναι συχνά μεγαλύτερα, για παράδειγμα, και εμφανίζουν πολλά περίτεχνα χρώματα και στολίδια, όπως η ουρά του παγωνιού, ενώ τα θηλυκά τείνουν να είναι μικρότερα και πιο θαμπά στη διακόσμηση. Τέτοιες διαφορές είναι γνωστές ως σεξουαλικούς διμορφισμούς (Εικόνα 3), τα οποία προκύπτουν από το γεγονός ότι σε πολλούς πληθυσμούς, ιδιαίτερα σε πληθυσμούς ζώων, υπάρχει μεγαλύτερη διακύμανση στην αναπαραγωγική επιτυχία των αρσενικών από ό,τι στα θηλυκά. Δηλαδή, μερικά αρσενικά -συχνά τα μεγαλύτερα, πιο δυνατά ή πιο διακοσμημένα αρσενικά- λαμβάνουν τη συντριπτική πλειοψηφία των συνολικών ζευγαρωμάτων, ενώ άλλα δεν λαμβάνουν κανένα. Αυτό μπορεί να συμβεί επειδή τα αρσενικά είναι καλύτερα να παλεύουν με άλλα αρσενικά ή επειδή τα θηλυκά θα επιλέξουν να ζευγαρώσουν με τα μεγαλύτερα ή πιο διακοσμημένα αρσενικά. Σε κάθε περίπτωση, αυτή η διακύμανση στην αναπαραγωγική επιτυχία δημιουργεί μια ισχυρή πίεση επιλογής μεταξύ των αρσενικών για να αποκτήσουν αυτά τα ζευγαρώματα, με αποτέλεσμα την εξέλιξη μεγαλύτερου μεγέθους σώματος και περίτεχνων στολιδιών για να τραβήξουν την προσοχή των θηλυκών. Τα θηλυκά, από την άλλη πλευρά, τείνουν να έχουν μια χούφτα επιλεγμένα ζευγαρώματα. Ως εκ τούτου, είναι πιο πιθανό να επιλέξουν πιο επιθυμητά αρσενικά.

Ο σεξουαλικός διμορφισμός ποικίλλει ευρέως μεταξύ των ειδών, φυσικά, και ορισμένα είδη αντιστρέφονται ακόμη και ως προς τον ρόλο του φύλου. Σε τέτοιες περιπτώσεις, τα θηλυκά τείνουν να έχουν μεγαλύτερη διακύμανση στην αναπαραγωγική τους επιτυχία από τα αρσενικά και αντίστοιχα επιλέγονται για το μεγαλύτερο σωματικό μέγεθος και τα περίτεχνα χαρακτηριστικά συνήθως χαρακτηριστικά των αρσενικών.

Οι πιέσεις επιλογής στα αρσενικά και τα θηλυκά για να αποκτήσουν ζευγαρώματα είναι γνωστές ως σεξουαλική επιλογή. μπορεί να οδηγήσει στην ανάπτυξη δευτερογενών σεξουαλικών χαρακτηριστικών που δεν ωφελούν την πιθανότητα επιβίωσης του ατόμου, αλλά συμβάλλουν στη μεγιστοποίηση της αναπαραγωγικής του επιτυχίας. Η σεξουαλική επιλογή μπορεί να είναι τόσο ισχυρή που επιλέγει χαρακτηριστικά που είναι στην πραγματικότητα επιζήμια για την επιβίωση του ατόμου. Σκεφτείτε, για άλλη μια φορά, την ουρά του παγωνιού. Ενώ είναι όμορφο και το αρσενικό με τη μεγαλύτερη, πιο πολύχρωμη ουρά είναι πιο πιθανό να κερδίσει το θηλυκό, δεν είναι το πιο πρακτικό εξάρτημα. Εκτός από το ότι είναι πιο ορατό στα αρπακτικά, κάνει τα αρσενικά πιο αργά στις απόπειρες φυγής τους. Υπάρχουν κάποιες ενδείξεις ότι αυτός ο κίνδυνος, στην πραγματικότητα, είναι γιατί τα θηλυκά αρέσουν αρχικά οι μεγάλες ουρές. Η εικασία είναι ότι οι μεγάλες ουρές ενέχουν κίνδυνο και μόνο τα καλύτερα αρσενικά επιβιώνουν από αυτόν τον κίνδυνο: όσο μεγαλύτερη είναι η ουρά, τόσο πιο ταιριαστό το αρσενικό. Αυτή η ιδέα είναι γνωστή ως το αρχή μειονεξίας.

ο υπόθεση καλών γονιδίων δηλώνει ότι τα αρσενικά αναπτύσσουν αυτά τα εντυπωσιακά στολίδια για να αναδείξουν τον αποτελεσματικό μεταβολισμό τους ή την ικανότητά τους να καταπολεμούν τις ασθένειες. Στη συνέχεια, τα θηλυκά επιλέγουν αρσενικά με τα πιο εντυπωσιακά χαρακτηριστικά γιατί σηματοδοτεί τη γενετική τους ανωτερότητα, την οποία στη συνέχεια θα μεταδώσουν στους απογόνους τους. Αν και θα μπορούσε να υποστηριχθεί ότι τα θηλυκά δεν πρέπει να είναι επιλεκτικά επειδή πιθανότατα θα μειώσει τον αριθμό των απογόνων τους, εάν τα καλύτερα αρσενικά γεννήσουν πιο ταιριαστούς απογόνους, μπορεί να είναι ωφέλιμο. Λιγότεροι, πιο υγιείς απόγονοι μπορεί να αυξήσουν τις πιθανότητες επιβίωσης περισσότερο από πολλούς, πιο αδύναμους απόγονους.

Τόσο στην αρχή της αναπηρίας όσο και στην υπόθεση των καλών γονιδίων, το χαρακτηριστικό λέγεται ότι είναι ένα ειλικρινές σήμα της ποιότητας των αρσενικών, δίνοντας έτσι στα θηλυκά έναν τρόπο να βρουν τους καλύτερους συντρόφους—αρσενικά που θα περάσουν τα καλύτερα γονίδια στους απογόνους τους.

Κανένας τέλειος οργανισμός

Η φυσική επιλογή είναι μια κινητήρια δύναμη στην εξέλιξη και μπορεί να δημιουργήσει πληθυσμούς που είναι καλύτερα προσαρμοσμένοι να επιβιώνουν και να αναπαράγονται με επιτυχία στο περιβάλλον τους. Όμως η φυσική επιλογή δεν μπορεί να παράγει τον τέλειο οργανισμό. Η φυσική επιλογή μπορεί να επιλέξει μόνο με βάση την υπάρχουσα διακύμανση στον πληθυσμό. δεν δημιουργεί τίποτα από την αρχή. Έτσι, περιορίζεται από την υπάρχουσα γενετική διακύμανση ενός πληθυσμού και από οποιαδήποτε νέα αλληλόμορφα προκύπτουν μέσω της μετάλλαξης και της γονιδιακής ροής.

Η φυσική επιλογή είναι επίσης περιορισμένη επειδή λειτουργεί σε επίπεδο ατόμων, όχι αλληλόμορφων, και ορισμένα αλληλόμορφα συνδέονται λόγω της φυσικής τους εγγύτητας στο γονιδίωμα, καθιστώντας τα πιο πιθανό να μεταδοθούν μαζί (ανισορροπία σύνδεσης). Κάθε δεδομένο άτομο μπορεί να φέρει μερικά ευεργετικά αλληλόμορφα και μερικά δυσμενή αλληλόμορφα. Είναι η καθαρή επίδραση αυτών των αλληλίων, ή η φυσική κατάσταση του οργανισμού, πάνω στην οποία μπορεί να δράσει η φυσική επιλογή. Ως αποτέλεσμα, τα καλά αλληλόμορφα μπορούν να χαθούν εάν μεταφέρονται από άτομα που έχουν επίσης πολλά συντριπτικά κακά αλληλόμορφα. Ομοίως, τα κακά αλληλόμορφα μπορούν να διατηρηθούν εάν μεταφέρονται από άτομα που έχουν αρκετά καλά αλληλόμορφα για να οδηγήσουν σε ένα συνολικό όφελος φυσικής κατάστασης.

Επιπλέον, η φυσική επιλογή μπορεί να περιοριστεί από τις σχέσεις μεταξύ διαφορετικών πολυμορφισμών. Μια μορφή μπορεί να προσδίδει υψηλότερη ικανότητα από μια άλλη, αλλά μπορεί να μην αυξάνεται σε συχνότητα λόγω του γεγονότος ότι η μετάβαση από το λιγότερο ωφέλιμο στο πιο ωφέλιμο χαρακτηριστικό θα απαιτούσε τη μετάβαση από έναν λιγότερο ωφέλιμο φαινότυπο. Σκεφτείτε τα ποντίκια που ζουν στην παραλία. Μερικά είναι ανοιχτόχρωμα και αναμειγνύονται με την άμμο, ενώ άλλα είναι σκούρα και αναμειγνύονται με τα κομμάτια του γρασιδιού. Τα σκουρόχρωμα ποντίκια μπορεί, συνολικά, να είναι πιο κατάλληλα από τα ανοιχτόχρωμα ποντίκια, και με την πρώτη ματιά, θα περίμενε κανείς ότι τα ανοιχτόχρωμα ποντίκια επιλέγονται για πιο σκούρο χρωματισμό. Αλλά να θυμάστε ότι ο ενδιάμεσος φαινότυπος, ένα μεσαίου χρώματος τρίχωμα, είναι πολύ κακό για τα ποντίκια - δεν μπορούν να ενωθούν ούτε με την άμμο ούτε με το γρασίδι και είναι πιο πιθανό να καταναλωθούν από τα αρπακτικά. Ως αποτέλεσμα, τα ανοιχτόχρωμα ποντίκια δεν θα επιλέγονταν για σκούρο χρωματισμό, επειδή εκείνα τα άτομα που άρχισαν να κινούνται προς αυτή την κατεύθυνση (άρχισαν να επιλέγονται για ένα πιο σκούρο τρίχωμα) θα ήταν λιγότερο κατάλληλα από εκείνα που έμειναν ανοιχτά.

Τέλος, είναι σημαντικό να κατανοήσουμε ότι δεν είναι όλη η εξέλιξη προσαρμοστική. Ενώ η φυσική επιλογή επιλέγει τα πιο κατάλληλα άτομα και συχνά οδηγεί σε έναν πιο κατάλληλο πληθυσμό συνολικά, άλλες δυνάμεις της εξέλιξης, συμπεριλαμβανομένης της γενετικής μετατόπισης και της γονιδιακής ροής, συχνά κάνουν το αντίθετο: εισάγοντας επιβλαβή αλληλόμορφα στη γονιδιακή δεξαμενή του πληθυσμού. Η εξέλιξη δεν έχει σκοπό - δεν μετατρέπει έναν πληθυσμό σε ένα προκαθορισμένο ιδανικό. Είναι απλώς το άθροισμα των διαφόρων δυνάμεων που περιγράφονται σε αυτό το κεφάλαιο και πώς επηρεάζουν τη γενετική και φαινοτυπική διακύμανση ενός πληθυσμού.

Στόχοι μάθησης

Επειδή η φυσική επιλογή δρα για να αυξήσει τη συχνότητα των ευεργετικών αλληλόμορφων και χαρακτηριστικών ενώ μειώνει τη συχνότητα των επιβλαβών ιδιοτήτων, είναι προσαρμοστική εξέλιξη. Η φυσική επιλογή δρα στο επίπεδο του ατόμου, επιλέγοντας εκείνα που έχουν υψηλότερη συνολική φυσική κατάσταση σε σύγκριση με τον υπόλοιπο πληθυσμό. Εάν οι φαινότυποι προσαρμογής είναι αυτοί που είναι παρόμοιοι, η φυσική επιλογή θα έχει ως αποτέλεσμα τη σταθεροποίηση της επιλογής και τη συνολική μείωση της διακύμανσης του πληθυσμού. Η επιλογή κατεύθυνσης λειτουργεί για να μετατοπίσει τη διακύμανση ενός πληθυσμού προς έναν νέο, κατάλληλο φαινότυπο, καθώς αλλάζουν οι περιβαλλοντικές συνθήκες. Αντίθετα, η διαφοροποίηση της επιλογής οδηγεί σε αυξημένη γενετική διακύμανση επιλέγοντας δύο ή περισσότερους διαφορετικούς φαινοτύπους.

Άλλοι τύποι επιλογής περιλαμβάνουν επιλογή εξαρτώμενη από τη συχνότητα, στην οποία επιλέγονται άτομα είτε με κοινούς (επιλογή που εξαρτάται από τη θετική συχνότητα) είτε με σπάνιους (αρνητική επιλογή που εξαρτάται από τη συχνότητα) φαινότυπους. Τέλος, η σεξουαλική επιλογή προκύπτει από το γεγονός ότι το ένα φύλο έχει μεγαλύτερη διακύμανση στην αναπαραγωγική επιτυχία από το άλλο. Ως αποτέλεσμα, τα αρσενικά και τα θηλυκά βιώνουν διαφορετικές επιλεκτικές πιέσεις, οι οποίες συχνά μπορούν να οδηγήσουν στην εξέλιξη φαινοτυπικών διαφορών ή σεξουαλικών διμορφισμών μεταξύ των δύο.


Επιλεκτική Πίεση - Ερευνητικό άρθρο από το World of Biology

Η επιλεκτική πίεση είναι κάθε φαινόμενο που μεταβάλλει τη συμπεριφορά και την ικανότητα των ζωντανών οργανισμών σε ένα δεδομένο περιβάλλον. Είναι η κινητήρια δύναμη της εξέλιξης και της φυσικής επιλογής και μπορεί να χωριστεί σε δύο τύπους πίεσης: βιοτική ή αβιοτική.

Η βιοτική πίεση που επηρεάζει έναν οργανισμό είναι ζωντανοί οργανισμοί μέσα στο ίδιο οικοσύστημα που αλληλεπιδρούν με τον προσβεβλημένο οργανισμό. Η αβιοτική πίεση δημιουργείται από μη ζωντανούς παράγοντες μέσα στο περιβάλλον του οργανισμού, όπως το φως, ο άνεμος και το έδαφος. Όλοι αυτοί οι παράγοντες αλληλεπιδρούν με τον οργανισμό για να προσφέρουν αντίθεση στη συνεχιζόμενη επιβίωσή του. Ορισμένα χαρακτηριστικά είναι καλύτερα κατάλληλα για να επιβιώσουν με ένα συγκεκριμένο σύνολο συνθηκών και αυτές οι συνθήκες είναι οι επιλεκτικές πιέσεις που οδηγούν την πορεία της εξέλιξης για τον οργανισμό. Κάποια επιλεκτική πίεση είναι ουδέτερη και αποτελεί παράδειγμα σταθεροποιητικής επιλογής. Άλλες πιέσεις που επηρεάζουν την ανάπτυξη ενός οργανισμού είναι παραδείγματα επιλογής κατεύθυνσης και διασπαστικής επιλογής.


Αφηρημένη

Η κοινοτική οικολογία και η οικολογία εισβολής έχουν αναπτυχθεί ως επί το πλείστον ανεξάρτητα. Υπάρχει ουσιαστική επικάλυψη στις διαδικασίες που καταγράφονται από διαφορετικά μοντέλα στα δύο πεδία και έχουν αναπτυχθεί διάφορα πλαίσια για τη μείωση αυτού του πλεονασμού και τη σύνθεση του περιεχομένου πληροφοριών. Παρά την ευρεία αναγνώριση ότι η κοινότητα και η οικολογία εισβολής είναι αλληλένδετες, λείπει ένα πλαίσιο βασισμένο στη διαδικασία που συνθέτει μοντέλα σε αυτά τα δύο πεδία. Εδώ εξετάζουμε 65 αντιπροσωπευτικά μοντέλα κοινότητας και εισβολής και προτείνουμε ένα κοινό πλαίσιο που διαρθρώνεται γύρω από έξι διαδικασίες (διασπορά, μετατόπιση, αβιοτικές αλληλεπιδράσεις, αλληλεπιδράσεις εντός της συντεχνίας, αλληλεπιδράσεις μεταξύ συντεχνιών και γενετικές αλλαγές). Το πλαίσιο έχει σχεδιαστεί για να συνθέτει το περιεχόμενο των δύο πεδίων, να παρέχει μια γενική προοπτική για την ανάπτυξή τους και να επιτρέπει τη σύγκρισή τους. Η εφαρμογή αυτού του πλαισίου και μιας νέας μεθόδου που βασίζεται στη θεωρία δικτύων αποκαλύπτει κάποια έλλειψη συνοχής μεταξύ των δύο πεδίων, παρά ορισμένες ιστορικές ομοιότητες. Τα κοινοτικά οικολογικά μοντέλα χαρακτηρίζονται από συνδυασμούς πολλαπλών διαδικασιών, που πιθανότατα αντανακλούν την αναζήτηση μιας γενικής θεωρίας για να εξηγήσει τη συναρμολόγηση και τη δομή της κοινότητας, βασιζόμενη κυρίως σε διαδικασίες αλληλεπίδρασης, αλλά και σε μεγάλο βαθμό σε άλλες διαδικασίες. Αντίθετα, τα περισσότερα μοντέλα στην οικολογία εισβολής επικαλούνται λιγότερες διαδικασίες και εστιάζουν περισσότερο στις αλληλεπιδράσεις μεταξύ των εισαγόμενων ειδών και του νέου βιοτικού και αβιοτικού τους περιβάλλοντος. Η ιστορική κυριαρχία των διαδικασιών αλληλεπίδρασης και οι ανεξάρτητες εξελίξεις τους στα δύο πεδία αντανακλάται επίσης στο χαμηλότερο επίπεδο συνοχής για μοντέλα που περιλαμβάνουν αλληλεπιδράσεις, σε σύγκριση με μοντέλα που περιλαμβάνουν διασπορά, μετατόπιση και γενετικές αλλαγές. Φαίνεται ότι η κοινοτική οικολογία, με μεγαλύτερη ιστορία από την οικολογία εισβολής, έχει περάσει από την αναζήτηση μεμονωμένων εξηγήσεων για μοτίβα που παρατηρούνται στη φύση για να διερευνήσει πώς οι διαδικασίες μπορούν να αλληλεπιδράσουν μηχανιστικά, δημιουργώντας και δοκιμάζοντας έτσι υποθέσεις. Το πλαίσιο μας ανοίγει το δρόμο για μια παρόμοια μετάβαση στην οικολογία εισβολής, ώστε να αποτυπωθεί καλύτερα η δυναμική πολλών εξωγήινων ειδών που εισάγονται σε πολύπλοκες κοινότητες. Αμοιβαία, η εφαρμογή γνώσεων από την εισβολή στην οικολογία της κοινότητας θα μας βοηθήσει να κατανοήσουμε και να προβλέψουμε το μέλλον των οικολογικών κοινοτήτων στην Ανθρωπόκαινο, όπου οι ανθρώπινες δραστηριότητες αποδυναμώνουν τα φυσικά όρια των ειδών. Τελικά, η επιτυχής ενοποίηση των δύο πεδίων θα μπορούσε να προωθήσει μια προγνωστική οικολογία που απαιτείται επειγόντως σε έναν ταχέως μεταβαλλόμενο κόσμο.


Πρακτική Εργασία για Μάθηση

Επίδειξη

Η περίπτωση των σαλιγκαριών με ταινίες – Cepaea nemoralis και Cepaea hortensis – είναι ένα πολύ γνωστό παράδειγμα φυσικής επιλογής. Η προσαρμογή των πληθυσμών των ειδών αυτού του σαλιγκαριού σε διαφορετικές περιβαλλοντικές συνθήκες χρησιμοποιείται ως μελέτη περίπτωσης για την εξέλιξη στη δράση. Οι δάσκαλοι μπορούν να χρησιμοποιήσουν Cepaea να ενθαρρύνει τη συζήτηση για το πώς αλλάζουν τα είδη και να διευκρινίσει τις παρεξηγήσεις σχετικά με τις φυσικές διαδικασίες που οδηγούν στην αλλαγή των ειδών.

Οργάνωση μαθήματος

Μοιράστε τα φύλλα και συζητήστε τα δεδομένα που παρουσιάζονται.

Εάν ακολουθείτε το πρωτόκολλο Evolution Megalab, συλλέξτε μερικά σαλιγκάρια για να τα μελετήσετε σε ένα μάθημα και εξασκηθείτε χρησιμοποιώντας τα κλειδιά στο εργαστήριο (με το βίντεο για υποστήριξη), στη συνέχεια συλλέξτε σαλιγκάρια σε ένα επόμενο μάθημα και υποβάλετε τα δεδομένα στον ιστότοπο. Περάστε ένα άλλο μάθημα ή μια κατανομή εργασιών για το σπίτι, κοιτάζοντας τα εκτενή δεδομένα στον ιστότοπο Evolution Megalab.

Συσκευές και Χημικά

Για κάθε ομάδα μαθητών:

Κλειδί για τα σαλιγκάρια με ταινίες και το φύλλο εγγραφής (αν ακολουθείτε το πρωτόκολλο Evolution Megalab)

Υγεία & Ασφάλεια και Τεχνικές σημειώσεις

Εάν σκοπεύετε σαλιγκάρια στη φύση, πραγματοποιήστε μια πλήρη αξιολόγηση κινδύνου για εργασία σε εξωτερικούς χώρους και τηρήστε τις κατάλληλες προφυλάξεις υγιεινής μετά το χειρισμό των σαλιγκαριών.

Ηθικά ζητήματα

Οι δάσκαλοι θα πρέπει να είναι προσεκτικοί ώστε να εισάγουν τα σαλιγκάρια με τρόπο που προωθεί μια καλή ηθική στάση απέναντί ​​τους και όχι απλώς εργαλειακή. Αν και είναι απλοί οργανισμοί που μπορεί να μην «υποφέρουν» με τον ίδιο τρόπο όπως τα ανώτερα ζώα, εξακολουθούν να αξίζουν σεβασμό. Τα ζώα θα πρέπει να επιστρέφονται αμέσως στο φυσικό τους περιβάλλον ή σε κατάλληλη δεξαμενή αποθήκευσης αφού αναγνωριστούν και καταμετρηθούν. Αυτό υποστηρίζει τις ηθικές προσεγγίσεις στην εργασία πεδίου όπου τα ζώα επιστρέφουν στον βιότοπό τους μετά από παρατηρήσεις.

Διαδικασία

Ερευνα

ένα Σκεφτείτε τα δεδομένα σχετικά με το χρώμα του κελύφους που συγκεντρώθηκαν σε διαφορετικούς μήνες σε ένα συγκεκριμένο αμόνι μιας τσίχλας σε ένα δάσος κοντά στην Οξφόρδη.

σι Μελετήστε το γράφημα των ποσοστών κίτρινων σαλιγκαριών και σαλιγκαριών με μία ή περισσότερες ταινίες, με βάση τις παρατηρήσεις που έγιναν σε διαφορετικούς οικοτόπους.

ντο Απαντήστε στις ερωτήσεις και αξιολογήστε τι υποδηλώνουν αυτές οι πληροφορίες για τη φυσική επιλογή.

Διδακτικές σημειώσεις

Οι τσίχλες συνθλίβουν τα σαλιγκάρια σε συγκεκριμένες πέτρες (που ονομάζονται «αμόνια») για να ανοίξουν το κέλυφος και να ελευθερώσουν το μαλακό σώμα του σαλιγκαριού για να φάει. Η συλλογή κελυφών σαλιγκαριού από το αμόνι μιας τσίχλας καθιστά δυνατό να μάθουμε την αναλογία των διαφορετικών χρωμάτων και σαλιγκαριών με σχέδια που έχει βρει και έχει φάει η τσίχλα σε διαφορετικές εποχές του χρόνου.

Συγκεντρώθηκαν κοχύλια που ήταν κίτρινα (%)

Τα στοιχεία δείχνουν ότι, σε ένα συγκεκριμένο έτος, το 42% των κελυφών που συλλέχθηκαν ήταν κίτρινα τον Απρίλιο, ενώ το 22% των κελυφών ήταν κίτρινα τον Ιούνιο. Τα απλά, χωρίς ζώνη κίτρινα κοχύλια σαλιγκαριών φαίνεται να είναι καλύτερα καμουφλαρισμένα με νέο γρασίδι και φύλλα την άνοιξη (Απρίλιος). Τα κοχύλια χωρίς λωρίδες ή μία ταινία είναι πιο κοινά σε δασικές εκτάσεις και κοχύλια με πολλές ταινίες είναι πιο κοινά σε λιβάδια και φράχτες. Το ποσοστό των κίτρινων σαλιγκαριών είναι υψηλότερο σε φράχτες και λιβάδια. Αυτό συνεπάγεται ότι, εάν η ποσότητα των δασικών εκτάσεων μειωνόταν, ο αριθμός των κίτρινων σαλιγκαριών θα αυξανόταν.

Τα σαλιγκάρια με ταινίες παρουσιάζουν σημαντικές παραλλαγές. Στα δεξιά είναι τα τέσσερα πρώτα σαλιγκάρια που ήρθαν στα χέρια σε έναν κήπο στην Ουαλία τον Οκτώβριο του 2009.

Τουλάχιστον τρεις επιλεκτικές πιέσεις θα μπορούσαν να δράσουν σε αυτόν τον πληθυσμό. Το χρώμα και ο βαθμός της ζώνης επηρεάζει το καμουφλάζ σε διαφορετικούς οικοτόπους. Αυτό σημαίνει ότι τα χαρακτηριστικά του πληθυσμού μπορεί να αλλάξουν καθώς οι άνθρωποι κάνουν αλλαγές στο περιβάλλον, όπως με την εκκαθάριση των δασών. Ένας από τους βασικούς θηρευτές αυτών των ειδών είναι η τσίχλα, η οποία θα επιλέξει κατά προτίμηση αυτούς που μπορεί να δει εύκολα. Οι πληθυσμοί της τσίχλας έχουν μειωθεί σημαντικά τα τελευταία χρόνια, πράγμα που σημαίνει ότι τα θετικά αποτελέσματα ορισμένων μοτίβων καμουφλάζ μπορεί να μειωθούν. Όσο πιο σκούρα ήταν τα κοχύλια, τόσο πιο γρήγορα θα ζεσταίνονταν τα σαλιγκάρια στο φως της ημέρας. Τα πιο ζεστά σαλιγκάρια θα είναι πιο δραστήρια και μπορεί να έχουν πλεονέκτημα στην εύρεση τροφής. Εάν το βρετανικό κλίμα έχει γίνει σημαντικά θερμότερο συνολικά, αυτό μπορεί να είναι λιγότερο πλεονέκτημα τώρα από ό,τι πριν από μερικές δεκαετίες.

Έλεγχος υγείας & ασφάλειας, Οκτώβριος 2009

Λήψεις

Κατεβάστε ένα φύλλο μαθητή Επιλογή σε δράση – σαλιγκάρια με ταινίες (187 KB) με ερωτήσεις και απαντήσεις.

Διαδικτυακοί σύνδεσμοι

www.evolutionmegalab.org
Αυτό το έργο συντονίζει μια έρευνα σαλιγκαριών με λουρίδες στο Ηνωμένο Βασίλειο. Παρέχει βασικές πληροφορίες σχετικά με τα σαλιγκάρια, βίντεο για να δείξει πώς να συλλέγει και να αναγνωρίζει τα σαλιγκάρια στην περιοχή σας, κλειδιά για την ακριβή αναγνώριση διαφορετικών ποικιλιών Cepaea, και καταγράψτε φύλλα στα οποία θα συλλέξετε τα ευρήματά σας. Η Evolution Megalab προσπαθεί να ανακαλύψει εάν τα χρώματα και οι ζώνες του κελύφους αλλάζουν εκεί όπου υπάρχουν λιγότερες τσίχλες και εάν τα χρώματα του κελύφους αλλάζουν με το θερμαινόμενο κλίμα. Εάν εγγραφείτε για να συμμετάσχετε στο έργο, τα δεδομένα σας θα συγκεντρωθούν με δεδομένα από άλλους συμμετέχοντες.

(Πρόσβαση στον ιστότοπο τον Οκτώβριο του 2011)

© 2019, Royal Society of Biology, 1 Naoroji Street, London WC1X 0GB Εγγεγραμμένος Φιλανθρωπικός Αρ.


Gene Flow

Εικόνα 4. Η γονιδιακή ροή μπορεί να συμβεί όταν ένα άτομο ταξιδεύει από τη μια γεωγραφική τοποθεσία στην άλλη.

Μια άλλη σημαντική εξελικτική δύναμη είναι η γονιδιακή ροή: η ροή αλληλόμορφων μέσα και έξω από έναν πληθυσμό λόγω της μετανάστευσης ατόμων ή γαμετών (Εικόνα 4). Ενώ ορισμένοι πληθυσμοί είναι αρκετά σταθεροί, άλλοι βιώνουν μεγαλύτερη ροή. Πολλά φυτά, για παράδειγμα, στέλνουν τη γύρη τους πολύ μακριά, με αέρα ή με πουλί, για να επικονιάσουν άλλους πληθυσμούς του ίδιου είδους σε κάποια απόσταση. Ακόμη και ένας πληθυσμός που μπορεί αρχικά να φαίνεται σταθερός, όπως το καμάρι των λιονταριών, μπορεί να βιώσει το μερίδιο μετανάστευσης και μετανάστευσης, καθώς τα αναπτυσσόμενα αρσενικά αφήνουν τις μητέρες τους για να αναζητήσουν μια νέα υπερηφάνεια με γενετικά άσχετα θηλυκά. Αυτή η μεταβλητή ροή ατόμων μέσα και έξω από την ομάδα όχι μόνο αλλάζει τη γονιδιακή δομή του πληθυσμού, αλλά μπορεί επίσης να εισάγει νέα γενετική παραλλαγή σε πληθυσμούς σε διαφορετικές γεωλογικές τοποθεσίες και ενδιαιτήματα.


12.2: Επιλεκτικές και Περιβαλλοντικές Πιέσεις - Βιολογία

Τα φυτά έχουν διαμορφώσει τη μορφή της ανθρώπινης ζωής μας από την αρχή. Με την αναδυόμενη αναγνώριση της σίτισης του παγκόσμιου πληθυσμού, την παγκόσμια κλιματική αλλαγή και τους περιορισμένους ενεργειακούς πόρους με ορυκτά καύσιμα, η συνάφεια της φυτικής βιολογίας και της βιοτεχνολογίας γίνεται δραματικά σημαντική. Ένα βασικό ζήτημα είναι η βελτίωση της παραγωγικότητας των φυτών και της αντοχής σε αβιοτικά/βιοτικά στρες στη γεωργία λόγω της περιορισμένης έκτασης και των αυξανόμενων περιβαλλοντικών πιέσεων. Μια άλλη πτυχή είναι η ανάπτυξη του CO2-ουδέτεροι φυτικοί πόροι για ίνες/βιομάζα και βιοκαύσιμα: μετάβαση από φυτά πρώτης γενιάς όπως ζαχαροκάλαμο, καλαμπόκι και άλλες σημαντικές θρεπτικές καλλιέργειες σε ενεργειακές καλλιέργειες δεύτερης και τρίτης γενιάς, όπως Μίσκανθος και δέντρα για λιγνοκυτταρίνη και φύκια για βιομάζα και ζωοτροφές, υδρογόνο και παραγωγή λιπιδίων. Ταυτόχρονα, πρέπει να διατηρήσουμε και να προστατεύσουμε τη φυσική ποικιλότητα και τον πλούτο των ειδών ως θεμέλιο της ζωής μας στη γη. Εδώ, οι τράπεζες βιοποικιλότητας συζητούνται ως βάση της τρέχουσας και μελλοντικής έρευνας για την αναπαραγωγή φυτών. Ως εκ τούτου, μπορεί να προβλεφθεί ότι η φυτική βιολογία και η οικολογία θα έχουν περισσότερους απαραίτητους μελλοντικούς ρόλους σε όλες τις κοινωνικοοικονομικές πτυχές της ζωής μας από ποτέ. Χρειαζόμαστε λοιπόν μια εις βάθος κατανόηση της φυσιολογίας των μεμονωμένων φυτικών ειδών για πρακτικές εφαρμογές καθώς και τη μετάφραση αυτής της γνώσης σε πολύπλοκα φυσικά καθώς και ανθρωπογενή οικοσυστήματα. Οι τελευταίες εξελίξεις στη βιολογική και βιοαναλυτική έρευνα θα οδηγήσουν σε μια αλλαγή παραδείγματος προς την προσπάθεια κατανόησης των οργανισμών σε επίπεδο συστημάτων και στο οικοσυστημικό τους πλαίσιο: (i) κυνηγετικό όπλο και αλληλουχία γονιδιώματος επόμενης γενιάς, ανακατασκευή γονιδίων και σχολιασμός, (ii) κλίμακα γονιδιώματος μοριακή ανάλυση με χρήση τεχνολογιών OMICS και (iii) ανάλυση, μοντελοποίηση και ερμηνεία βιολογικών δεδομένων με τη βοήθεια υπολογιστή. Η βιολογία συστημάτων συνδυάζει αυτά τα μοριακά δεδομένα, τη γενετική εξέλιξη, τις περιβαλλοντικές ενδείξεις και την αλληλεπίδραση ειδών με την κατανόηση, τη μοντελοποίηση και την πρόβλεψη ενεργών βιοχημικών δικτύων μέχρι ολόκληρων πληθυσμών ειδών. Αυτή η διαδικασία βασίζεται στην ανάπτυξη νέων τεχνολογιών για την ανάλυση μοριακών δεδομένων, ιδιαίτερα γονιδιωματικών, μεταβολομικών και πρωτεϊνικών δεδομένων. Ο φιλόδοξος στόχος αυτών των μη στοχευμένων «omic» τεχνολογιών είναι να επεκτείνουμε την κατανόησή μας πέρα ​​από την ανάλυση χωριστών τμημάτων του συστήματος, σε αντίθεση με τις παραδοσιακές αναγωγικές προσεγγίσεις που βασίζονται σε υποθέσεις. Η επακόλουθη ενσωμάτωση του γονότυπου, του φαινοτυπικού/μορφότυπου και της ανάλυσης του μοριακού φαινοτύπου χρησιμοποιώντας μεταβολομική, πρωτεϊνομική και μεταγραφομική θα αποκαλύψει μια νέα κατανόηση του μεταβολισμού των φυτών και της αλληλεπίδρασής του με το περιβάλλον. Η ανάλυση συστημάτων μεμονωμένων μοντέλων –φυτών, μυκήτων, ζώων και βακτηρίων– θα προκύψει τελικά στην ανάλυση πληθυσμών φυτών και άλλων οργανισμών και στην προσαρμογή τους στην οικολογική θέση. Παράλληλα, αυτή η νέα κατανόηση της οικοφυσιολογίας θα μεταφραστεί σε προσεγγίσεις βασισμένες στη γνώση στη βιοτεχνολογία φυτών καλλιεργειών και σε προσεγγίσεις αναπαραγωγής με τη βοήθεια δεικτών ή γονιδιώματος. Σε αυτή την ανασκόπηση περιγράφονται τα θεμέλια της βιολογίας των πράσινων συστημάτων και παρουσιάζονται εφαρμογές στην έρευνα οικοσυστημάτων. Η ανταλλαγή γνώσεων για την έρευνα οικοσυστημάτων και η συγχώνευση της πράσινης βιοτεχνολογίας στη βιολογία των πράσινων συστημάτων αναμένεται με βάση τις αρχές της φυσικής ποικιλότητας, της βιοποικιλότητας και της σχέσης περιβάλλοντος γονότυπου-φαινότυπου ως θεμελιώδεις κινητήριες δυνάμεις της οικολογίας και της εξέλιξης.


#139 Φυσική επιλογή

Οι πληθυσμοί των οργανισμών έχουν τη δυνατότητα να παράγουν μεγάλους αριθμούς απογόνων, ωστόσο ο αριθμός τους παραμένει αρκετά σταθερός χρόνο με το χρόνο.


Η φυσική επιλογή εμφανίζεται καθώς οι πληθυσμοί έχουν την ικανότητα να παράγουν πολλούς απογόνους --> ανταγωνίζομαι για πόρους --> άτομα καλύτερα προσαρμοσμένο να επιβιώσει ράτσας και μεταβιβάζω δικα τους αλληλόμορφα .
Παραλλαγή σημαίνει ότι ορισμένα άτομα σε έναν πληθυσμό θα έχουν χαρακτηριστικά που τους δίνουν μια πλεονέκτημα στον «αγώνα για ύπαρξη».

Περιβαλλοντικοί παράγοντες
- βιοτική : προκαλείται από άλλους οργανισμούς
π.χ.: θήραμα, διατροφικός ανταγωνισμός, μόλυνση από παθογόνα
- αβιοτικός : προκαλείται από μη ζωντανά συστατικά του περιβάλλοντος
π.χ.: παροχή νερού, επίπεδο θρεπτικών στοιχείων του εδάφους

Πιέσεις επιλογής ελέγχουν τις πιθανότητες να μεταδοθούν ορισμένα αλληλόμορφα στην επόμενη γενιά.
π.χ.: αρπακτικά - άτομα που μπορούν καλύτερα να καμουφλάρονται επιβιώνουν περισσότερο, μεταδίδουν αλληλόμορφα
Τα αποτελέσματα τέτοιων πιέσεων επιλογής στη συχνότητα των αλληλόμορφων σε έναν πληθυσμό ονομάζονται ΦΥΣΙΚΗ ΕΠΙΛΟΓΗ . Η συχνότητα των πλεονεκτικών αλληλόμορφων αυξάνεται, η συχνότητα των μειονεκτικών αλληλόμορφων μειώνεται.

Τύποι επιλογής
Σταθεροποιητική επιλογή: το status quo διατηρείται επειδή οι οργανισμοί είναι ήδη καλά προσαρμοσμένοι στο περιβάλλον τους
- πράξεις ενάντια στα άκρα
- ευνοεί το περιβάλλον
- π.χ.: βάρος γέννησης


Επιλογή κατεύθυνσης: οι πιο κοινές ποικιλίες ενός οργανισμού επιλέγονται ενάντια στην --> αλλαγή στα χαρακτηριστικά του πληθυσμού
- ευνοεί παραλλαγές του 1 ακραίο όταν εμφανίζεται νέο αλληλόμορφο ή εμφανίζεται νέος περιβαλλοντικός παράγοντας
- π.χ.: πιπερατισμένος σκόρος

Ανατρεπτική επιλογή: ευνοεί την επιβίωση ατόμων σε 2 διαφορετικά σημεία εντός του εύρους διακύμανσης, με αποτέλεσμα 2 διαφορετικούς φαινότυπους
- ευνοούν οι συνθήκες και τα δύο άκρα --&g διατηρούν διαφορετικούς φαινότυπους στον πληθυσμό
- π.χ.: σπίνοι Γκαλαπάγκος

Γενετικής παρέκκλισης
- ένα αλλαγή στη συχνότητα των αλληλόμορφων ενός μικρού πληθυσμού
- εμφανίζεται τυχαία, γιατί μόνο ορισμένοι από τους οργανισμούς κάθε γενιάς αναπαράγονται.
Το ιδρυτικό αποτέλεσμα εμφανίζεται σε μικρούς, απομονωμένους πληθυσμούς
- αποτελέσματα από την αποικισμός μιας νέας τοποθεσίας από μικρό αριθμό ατόμων
- στον μικρό πληθυσμό εμφανίζεται περαιτέρω γενετική μετατόπιση
- η εξέλιξη αυτού του πληθυσμού μπορεί να πάρει διαφορετική κατεύθυνση από τον μεγαλύτερο πληθυσμό


Η αρχή Hardy-Weinberg
- όταν ένα συγκεκριμένο φαινοτυπικό χαρακτηριστικό ελέγχεται από 2 αλληλόμορφα ενός μόνο γονιδίου A/a
- γονότυποι: AA, Aa, aa
- να υπολογίσετε την αναλογία αυτών των γονότυπων σε έναν μεγάλο πληθυσμό που ζευγαρώνει τυχαία


ΦΥΣΙΚΗ ΕΠΙΛΟΓΗ

Δαρβίνος και Κάθοδος με Τροποποίηση

Εικόνα 1. Ο Δαρβίνος παρατήρησε ότι το σχήμα του ράμφους ποικίλλει μεταξύ των ειδών σπίνων. Υπέθεσε ότι το ράμφος ενός προγονικού είδους είχε προσαρμοστεί με την πάροδο του χρόνου για να εξοπλίσει τους σπίνους να αποκτήσουν διαφορετικές πηγές τροφής.

Ο Κάρολος Δαρβίνος είναι περισσότερο γνωστός για την ανακάλυψη της φυσικής επιλογής. Στα μέσα του δέκατου ένατου αιώνα, ο πραγματικός μηχανισμός για την εξέλιξη επινοήθηκε και περιγράφηκε ανεξάρτητα από δύο φυσιοδίφες: τον Κάρολο Δαρβίνο και τον Άλφρεντ Ράσελ Γουάλας. Είναι σημαντικό ότι κάθε φυσιοδίφης ξόδεψε χρόνο εξερευνώντας τον φυσικό κόσμο σε αποστολές στους τροπικούς. Από το 1831 έως το 1836, ο Δαρβίνος ταξίδεψε σε όλο τον κόσμο H.M.S. Ράτσα αγγλικού λαγωνικού, συμπεριλαμβανομένων στάσεων στη Νότια Αμερική, την Αυστραλία και το νότιο άκρο της Αφρικής. Ο Γουάλας ταξίδεψε στη Βραζιλία για να συλλέξει έντομα στο τροπικό δάσος του Αμαζονίου από το 1848 έως το 1852 και στο Αρχιπέλαγος της Μαλαισίας από το 1854 έως το 1862. Το ταξίδι του Δαρβίνου, όπως και τα μεταγενέστερα ταξίδια του Γουάλας στο Αρχιπέλαγος της Μαλαισίας, περιλάμβανε στάσεις σε πολλές τελευταίες αλυσίδες νησιών, τις είναι τα νησιά Γκαλαπάγκος δυτικά του Ισημερινού. Σε αυτά τα νησιά, ο Δαρβίνος παρατήρησε είδη οργανισμών σε διαφορετικά νησιά που ήταν σαφώς παρόμοια, αλλά είχαν διακριτές διαφορές. Για παράδειγμα, οι σπίνοι του εδάφους που κατοικούσαν στα νησιά Γκαλαπάγκος αποτελούνταν από πολλά είδη με μοναδικό σχήμα ράμφους (Εικόνα 1).

Το είδος στα νησιά είχε μια διαβαθμισμένη σειρά μεγεθών και σχημάτων ράμφους με πολύ μικρές διαφορές μεταξύ των πιο όμοιων. Παρατήρησε ότι αυτοί οι σπίνοι έμοιαζαν πολύ με ένα άλλο είδος σπίνου στην ηπειρωτική χώρα της Νότιας Αμερικής. Ο Δαρβίνος φαντάστηκε ότι το νησιωτικό είδος μπορεί να ήταν είδος τροποποιημένο από ένα από τα αρχικά είδη της ηπειρωτικής χώρας. Μετά από περαιτέρω μελέτη, συνειδητοποίησε ότι τα ποικίλα ράμφη κάθε σπίνου βοηθούσαν τα πουλιά να αποκτήσουν ένα συγκεκριμένο είδος τροφής. Για παράδειγμα, οι σπίνοι που τρώνε σπόρους είχαν πιο δυνατά, παχύτερα ράμφη για να σπάσουν τους σπόρους και οι εντομοφάγοι σπίνοι είχαν ράμφη σαν δόρατα για να μαχαιρώνουν τη λεία τους.

Ο Wallace και ο Darwin παρατήρησαν και οι δύο παρόμοια μοτίβα σε άλλους οργανισμούς και ανέπτυξαν ανεξάρτητα την ίδια εξήγηση για το πώς και γιατί θα μπορούσαν να συμβούν τέτοιες αλλαγές. Ο Δαρβίνος ονόμασε αυτόν τον μηχανισμό φυσική επιλογή. ΦΥΣΙΚΗ ΕΠΙΛΟΓΗ, γνωστό και ως «#8220επιβίωση του ισχυρότερου», είναι η πιο παραγωγική αναπαραγωγή ατόμων με ευνοϊκά χαρακτηριστικά που επιβιώνουν από την περιβαλλοντική αλλαγή εξαιτίας αυτών των χαρακτηριστικών που οδηγεί σε εξελικτική αλλαγή.

Για παράδειγμα, ένας πληθυσμός από γιγάντιες χελώνες που βρέθηκαν στο Αρχιπέλαγος των Γκαλαπάγκος παρατήρησε ο Δαρβίνος ότι είχε μακρύτερο λαιμό από εκείνους που ζούσαν σε άλλα νησιά με ξηρές πεδιάδες. Αυτές οι χελώνες “επιλέχθηκαν” επειδή μπορούσαν να φτάσουν σε περισσότερα φύλλα και να έχουν πρόσβαση σε περισσότερη τροφή από εκείνες με κοντό λαιμό. Σε περιόδους ξηρασίας που θα ήταν διαθέσιμα λιγότερα φύλλα, αυτά που μπορούσαν να φτάσουν περισσότερα φύλλα είχαν καλύτερες πιθανότητες να φάνε και να επιβιώσουν από εκείνα που δεν μπορούσαν να φτάσουν στην πηγή τροφής. Κατά συνέπεια, οι χελώνες με μακρύ λαιμό θα ήταν πιο πιθανό να είναι αναπαραγωγικά επιτυχημένες και να μεταδώσουν το χαρακτηριστικό του μακρύλαιμου στους απογόνους τους. Με την πάροδο του χρόνου, μόνο οι χελώνες με μακρύ λαιμό θα υπήρχαν στον πληθυσμό.

Η φυσική επιλογή, υποστήριξε ο Δαρβίνος, ήταν ένα αναπόφευκτο αποτέλεσμα τριών αρχών που λειτουργούσαν στη φύση. Πρώτον, τα περισσότερα χαρακτηριστικά των οργανισμών κληρονομούνται ή μεταβιβάζονται από τον γονέα στους απογόνους. Αν και κανείς, συμπεριλαμβανομένων των Δαρβίνων και Γουάλας, δεν γνώριζε πώς συνέβη αυτό εκείνη την εποχή, ήταν μια κοινή αντίληψη. Δεύτερον, παράγονται περισσότεροι απόγονοι από αυτούς που μπορούν να επιβιώσουν, επομένως οι πόροι για επιβίωση και αναπαραγωγή είναι περιορισμένοι. Η ικανότητα αναπαραγωγής σε όλους τους οργανισμούς ξεπερνά τη διαθεσιμότητα πόρων για την υποστήριξη του αριθμού τους. Έτσι, υπάρχει ανταγωνισμός για αυτούς τους πόρους σε κάθε γενιά. Η κατανόηση αυτής της αρχής από τον Δαρβίνο και τον Γουάλας προήλθε από την ανάγνωση ενός δοκιμίου του οικονομολόγου Thomas Malthus, ο οποίος συζήτησε αυτήν την αρχή σε σχέση με τους ανθρώπινους πληθυσμούς. Τρίτον, οι απόγονοι διαφέρουν μεταξύ τους ως προς τα χαρακτηριστικά τους και αυτές οι παραλλαγές κληρονομούνται. Ο Δαρβίνος και ο Γουάλας υποστήριξαν ότι οι απόγονοι με κληρονομικά χαρακτηριστικά που τους επιτρέπουν να ανταγωνίζονται καλύτερα για περιορισμένους πόρους θα επιβιώσουν και θα έχουν περισσότερους απογόνους από εκείνα τα άτομα με παραλλαγές που είναι λιγότερο ικανά να ανταγωνιστούν. Επειδή τα χαρακτηριστικά κληρονομούνται, αυτά τα χαρακτηριστικά θα εκπροσωπούνται καλύτερα στην επόμενη γενιά. Αυτό θα οδηγήσει σε αλλαγή πληθυσμών κατά τη διάρκεια των γενεών σε μια διαδικασία που ο Δαρβίνος ονόμασε κάθοδο με τροποποίηση. Τελικά, η φυσική επιλογή οδηγεί σε μεγαλύτερη προσαρμογή του πληθυσμού στο τοπικό του περιβάλλον, είναι ο μόνος γνωστός μηχανισμός για την προσαρμοστική εξέλιξη.

Οι εργασίες του Δαρβίνου και του Γουάλας (Εικόνα 2) που παρουσιάζουν την ιδέα της φυσικής επιλογής διαβάστηκαν μαζί το 1858 ενώπιον της Εταιρείας Linnean στο Λονδίνο. Το επόμενο έτος το βιβλίο του Δαρβίνου, Σχετικά με την προέλευση των ειδών, είχε εκδοθεί. Το βιβλίο του περιέγραψε με πολλές λεπτομέρειες τα επιχειρήματά του για σταδιακές αλλαγές και προσαρμοστική επιβίωση από τη φυσική επιλογή.

Εικόνα 2. Και οι δύο (α) ο Κάρολος Δαρβίνος και (β) ο Άλφρεντ Γουάλας έγραψαν επιστημονικές εργασίες για τη φυσική επιλογή που παρουσιάστηκαν μαζί ενώπιον της Linnean Society το 1858.

Οι επιδείξεις εξέλιξης μέσω της φυσικής επιλογής είναι χρονοβόρες και δύσκολο να ληφθούν. Ένα από τα καλύτερα παραδείγματα έχει αποδειχθεί στα ίδια τα πουλιά που βοήθησαν στην έμπνευση της θεωρίας του Δαρβίνου: οι σπίνοι των Γκαλαπάγκος. Ο Peter και η Rosemary Grant και οι συνάδελφοί τους μελετούν τους πληθυσμούς σπίνων των Γκαλαπάγκος κάθε χρόνο από το 1976 και έχουν προσφέρει σημαντικές επιδείξεις φυσικής επιλογής. Οι επιχορηγήσεις βρήκαν αλλαγές από τη μια γενιά στην άλλη στην κατανομή των σχημάτων του ράμφους με τον μεσαίο αλεσμένο σπίνο στο νησί Daphne Major των Γκαλαπάγκος. Τα πουλιά έχουν κληρονομήσει διακυμάνσεις στο σχήμα των γραμμών, με μερικά πουλιά να έχουν φαρδιές βαθιές ράβδους και άλλα να έχουν πιο λεπτές μύτες. Κατά τη διάρκεια μιας περιόδου κατά την οποία οι βροχοπτώσεις ήταν υψηλότερες από το κανονικό λόγω ενός Ελ Νίνιο, οι μεγάλοι σκληροί σπόροι που έτρωγαν τα πουλιά με τα μεγάλα τιμολόγια μειώθηκαν σε αριθμό, ωστόσο, υπήρχε μια αφθονία των μικρών μαλακών σπόρων που έτρωγαν τα πουλιά. Ως εκ τούτου, η επιβίωση και η αναπαραγωγή ήταν πολύ καλύτερη τα επόμενα χρόνια για τα μικρόσωμα πτηνά. Στα χρόνια που ακολούθησαν αυτό το Ελ Νίνιο, οι Grants μέτρησαν τα μεγέθη του ράμφους στον πληθυσμό και διαπίστωσαν ότι το μέσο μέγεθος του λογαριασμού ήταν μικρότερο. Δεδομένου ότι το μέγεθος του λογαριασμού είναι ένα κληρονομικό χαρακτηριστικό, οι γονείς με μικρότερους λογαριασμούς είχαν περισσότερους απογόνους και το μέγεθος των λογαριασμών είχε εξελιχθεί σε μικρότερο. Καθώς οι συνθήκες βελτιώθηκαν το 1987 και οι μεγαλύτεροι σπόροι έγιναν πιο διαθέσιμοι, η τάση για μικρότερο μέσο μέγεθος λογαριασμού σταμάτησε.


Βιοαισθητήρες: Χαρακτηριστικά, Αρχή και Τύποι (Με Διάγραμμα)

Ο βιοαισθητήρας είναι μια αναλυτική συσκευή που περιέχει ένα ακινητοποιημένο βιολογικό υλικό (ένζυμο, αντίσωμα, νουκλεϊκό οξύ, ορμόνη, οργανίδιο ή ολόκληρο κύτταρο) που μπορεί να αλληλεπιδράσει ειδικά με μια αναλυόμενη ουσία και να παράγει φυσικά, χημικά ή ηλεκτρικά σήματα που μπορούν να μετρηθούν. Μια αναλυόμενη ουσία είναι μια ένωση (π.χ. γλυκόζη, ουρία, φάρμακο, φυτοφάρμακο) της οποίας η συγκέντρωση πρέπει να μετρηθεί.

Οι βιοαισθητήρες βασικά περιλαμβάνουν την ποσοτική ανάλυση διαφόρων ουσιών μετατρέποντας τις βιολογικές τους δράσεις σε μετρήσιμα σήματα. Η μεγάλη πλειοψηφία των βιοαισθητήρων έχει ακινητοποιημένα ένζυμα. Η απόδοση των βιοαισθητήρων εξαρτάται κυρίως από την ειδικότητα και την ευαισθησία της βιολογικής αντίδρασης, εκτός από τη σταθερότητα του ενζύμου.

Γενικά χαρακτηριστικά των βιοαισθητήρων:

Ένας βιοαισθητήρας έχει δύο διακριτά στοιχεία (Εικ. 21.13).

1. Βιολογικό συστατικό—ένζυμο, κύτταρο κ.λπ.

2. Φυσικό εξάρτημα—μορφοτροπέας, ενισχυτής κ.λπ.

Το βιολογικό συστατικό αναγνωρίζει και αλληλεπιδρά με την αναλυόμενη ουσία για να παράγει μια φυσική αλλαγή (ένα σήμα) που μπορεί να ανιχνευθεί από τον μορφοτροπέα. Στην πράξη, το βιολογικό υλικό ακινητοποιείται κατάλληλα πάνω στον μορφοτροπέα και οι έτσι παρασκευασμένοι βιοαισθητήρες μπορούν να χρησιμοποιηθούν επανειλημμένα αρκετές φορές (μπορεί να είναι περίπου 10.000 φορές) για μεγάλο χρονικό διάστημα (πολλούς μήνες).

Αρχή Βιοαισθητήρα:

Το επιθυμητό βιολογικό υλικό (συνήθως ένα συγκεκριμένο ένζυμο) ακινητοποιείται με συμβατικές μεθόδους (φυσική ή μεμβρανική παγίδευση, μη ομοιοπολική ή ομοιοπολική δέσμευση). Αυτό το ακινητοποιημένο βιολογικό υλικό βρίσκεται σε στενή επαφή με τον μορφοτροπέα. Η αναλυόμενη ουσία συνδέεται με το βιολογικό υλικό για να σχηματίσει μια δεσμευμένη αναλυόμενη ουσία η οποία με τη σειρά της παράγει την ηλεκτρονική απόκριση που μπορεί να μετρηθεί.

Σε ορισμένες περιπτώσεις, η αναλυόμενη ουσία μετατρέπεται σε ένα προϊόν που μπορεί να σχετίζεται με την απελευθέρωση θερμότητας, αερίου (οξυγόνο), ηλεκτρονίων ή ιόντων υδρογόνου. Ο μορφοτροπέας μπορεί να μετατρέψει τις αλλαγές που συνδέονται με το προϊόν σε ηλεκτρικά σήματα τα οποία μπορούν να ενισχυθούν και να μετρηθούν.

Τύποι Βιοαισθητήρων:

Υπάρχουν διάφοροι τύποι βιοαισθητήρων με βάση τις συσκευές αισθητήρων και τον τύπο των βιολογικών υλικών που χρησιμοποιούνται. Μερικά επιλεγμένα από αυτά συζητούνται παρακάτω.

Ηλεκτροχημικοί Βιοαισθητήρες:

Οι ηλεκτροχημικοί βιοαισθητήρες είναι απλές συσκευές που βασίζονται στις μετρήσεις του ηλεκτρικού ρεύματος, των ιοντικών αλλαγών ή της αγωγιμότητας που πραγματοποιούνται από βιοηλεκτρόδια.

Αμπερομετρικοί Βιοαισθητήρες:

Αυτοί οι βιοαισθητήρες βασίζονται στην κίνηση των ηλεκτρονίων (δηλαδή στον προσδιορισμό του ηλεκτρικού ρεύματος) ως αποτέλεσμα των αντιδράσεων οξειδοαναγωγής που καταλύονται από ένζυμα. Κανονικά, μια σταθερή τάση περνά μεταξύ των ηλεκτροδίων η οποία μπορεί να προσδιοριστεί. Σε μια ενζυματική αντίδραση που συμβαίνει, το υπόστρωμα ή το προϊόν μπορεί να μεταφέρει ένα ηλεκτρόνιο με την επιφάνεια του ηλεκτροδίου που πρόκειται να οξειδωθεί ή να αναχθεί (Εικ. 21.14).

Αυτό έχει ως αποτέλεσμα μια μεταβαλλόμενη ροή ρεύματος που μπορεί να μετρηθεί. Το μέγεθος του ρεύματος είναι ανάλογο της συγκέντρωσης του υποστρώματος. Ηλεκτρόδιο οξυγόνου Clark που καθορίζει τη μείωση του Ο2, είναι η απλούστερη μορφή αμπερομετρικού βιοαισθητήρα. Ο προσδιορισμός της γλυκόζης με οξειδάση γλυκόζης είναι ένα καλό παράδειγμα.

Στους αμπερομετρικούς βιοαισθητήρες πρώτης γενιάς (που περιγράφονται παραπάνω), υπάρχει άμεση μεταφορά των ηλεκτρονίων που απελευθερώνονται στο ηλεκτρόδιο που μπορεί να δημιουργήσει κάποιες πρακτικές δυσκολίες. Έχουν αναπτυχθεί αμπερομετρικοί βιοαισθητήρες δεύτερης γενιάς όπου ένας μεσολαβητής (π.χ. σιδηροκένια) προσλαμβάνει τα ηλεκτρόνια και στη συνέχεια τα μεταφέρει στο ηλεκτρόδιο. Ωστόσο, αυτοί οι βιοαισθητήρες δεν έχουν γίνει ακόμη δημοφιλείς.

Βιοαισθητήρας γλυκόζης αίματος:

Είναι ένα καλό παράδειγμα αμπερομετρικών βιοαισθητήρων, που χρησιμοποιούνται ευρέως σε όλο τον κόσμο από διαβητικούς ασθενείς. Ο βιοαισθητήρας γλυκόζης αίματος μοιάζει με στυλό ρολογιού και έχει ένα ηλεκτρόδιο μίας χρήσης (αποτελούμενο από ένα ηλεκτρόδιο αναφοράς Ag/AgCI και ένα ηλεκτρόδιο εργασίας άνθρακα) με οξειδάση γλυκόζης και ένα παράγωγο σιδηροκενίου (ως μεσολαβητή). Τα ηλεκτρόδια καλύπτονται με υδρόφιλο πλέγμα γάζας για ομοιόμορφη εξάπλωση μιας σταγόνας αίματος. Οι δοκιμαστικές ταινίες μιας χρήσης, σφραγισμένες σε αλουμινόχαρτο έχουν διάρκεια ζωής περίπου έξι μήνες.

Αναπτύχθηκε ένας αμπερομετρικός βιοαισθητήρας για την αξιολόγηση της φρεσκάδας των ψαριών. Η συσσώρευση ιονοσίνης και υποξανθίνης σε σχέση με τα άλλα νουκλεοτίδια υποδηλώνει φρεσκάδα του ψαριού - πόσο καιρό είναι νεκρό και αποθηκευμένο. Για το σκοπό αυτό έχει αναπτυχθεί ένας βιοαισθητήρας που χρησιμοποιεί ακινητοποιημένη νουκλεοσιδική φωσφορυλάση και οξειδάση ξανθίνης πάνω από ένα ηλεκτρόδιο.

Ποτενσιομετρικοί Βιοαισθητήρες:

Σε αυτούς τους βιοαισθητήρες, οι αλλαγές στις ιοντικές συγκεντρώσεις προσδιορίζονται με τη χρήση ηλεκτροδίων επιλεκτικών ιόντων (Εικ. 21.15). Το ηλεκτρόδιο pH είναι το πιο συχνά χρησιμοποιούμενο ιοντοεκλεκτικό ηλεκτρόδιο, καθώς πολλές ενζυματικές αντιδράσεις περιλαμβάνουν την απελευθέρωση ή την απορρόφηση ιόντων υδρογόνου. Τα άλλα σημαντικά ηλεκτρόδια είναι τα επιλεκτικά αμμωνίας και το CO2 επιλεκτικά ηλεκτρόδια.

Η διαφορά δυναμικού που προκύπτει μεταξύ του ποτενσιομετρικού ηλεκτροδίου και του ηλεκτροδίου αναφοράς μπορεί να μετρηθεί. Είναι ανάλογο της συγκέντρωσης του υποστρώματος. Ο κύριος περιορισμός των ποτενσιομετρικών βιοαισθητήρων είναι η ευαισθησία των ενζύμων σε ιοντικές συγκεντρώσεις όπως το H + και το NH + 4.

Τα τρανζίστορ επιλεκτικού πεδίου ιόντων (ISFET) είναι οι συσκευές χαμηλού κόστους που μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τη σμίκρυνση ποτενσιομετρικών βιοαισθητήρων. Ένα καλό παράδειγμα είναι ένας βιοαισθητήρας ISFET που χρησιμοποιείται για την παρακολούθηση του ενδο-μυοκαρδιακού pH κατά τη διάρκεια χειρουργικής επέμβασης ανοιχτής καρδιάς.

Διεξαγωγή μετρικών βιοαισθητήρων:

Υπάρχουν αρκετές αντιδράσεις στα βιολογικά συστήματα που επιφέρουν αλλαγές στα ιοντικά είδη. Αυτά τα ιοντικά είδη μεταβάλλουν την ηλεκτρική αγωγιμότητα που μπορεί να μετρηθεί. Ένα καλό παράδειγμα μετρικού βιοαισθητήρα αγωγής είναι ο βιοαισθητήρας ουρίας που χρησιμοποιεί ακινητοποιημένη ουρεάση. Η ουρεάση καταλύει την ακόλουθη αντίδραση.

Η παραπάνω αντίδραση σχετίζεται με δραστική μεταβολή της ιοντικής συγκέντρωσης που μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την παρακολούθηση της συγκέντρωσης της ουρίας. Στην πραγματικότητα, οι βιοαισθητήρες ουρίας χρησιμοποιούνται με μεγάλη επιτυχία κατά τη διάρκεια της αιμοκάθαρσης και της νεφρικής επέμβασης.

Θερμομετρικοί Βιοαισθητήρες:

Αρκετές βιολογικές αντιδράσεις σχετίζονται με την παραγωγή θερμότητας και αυτό αποτελεί τη βάση των θερμομετρικών βιοαισθητήρων. Συνήθως αναφέρονται ως θερμικοί βιοαισθητήρες ή θερμιδομετρικοί βιοαισθητήρες. Μια διαγραμματική αναπαράσταση ενός θερμικού βιοαισθητήρα απεικονίζεται στο Σχ. 21.16. Αποτελείται από θερμομονωμένο κουτί με εναλλάκτη θερμότητας (κύλινδρος αλουμινίου).

Η αντίδραση λαμβάνει χώρα σε έναν μικρό αντιδραστήρα κλίνης γεμάτο με ένζυμα. Καθώς το υπόστρωμα εισέρχεται στην κλίνη, μετατρέπεται σε προϊόν και παράγεται θερμότητα. Η διαφορά θερμοκρασίας μεταξύ του υποστρώματος και του προϊόντος μετριέται με θερμίστορ. Ακόμη και μια μικρή αλλαγή στη θερμοκρασία μπορεί να ανιχνευθεί από θερμικούς βιοαισθητήρες.

Οι θερμομετρικοί βιοαισθητήρες χρησιμοποιούνται για την εκτίμηση της χοληστερόλης ορού. Όταν η χοληστερόλη οξειδώνεται από το ένζυμο οξειδάση της χοληστερόλης, παράγεται θερμότητα που μπορεί να μετρηθεί. Ομοίως, οι εκτιμήσεις της γλυκόζης (ένζυμο-οξειδάση της γλυκόζης), της ουρίας (ένζυμο-ουρεάση), του ουρικού οξέος (ένζυμο-ουρικάση) και της πενικιλλίνης G (ένζυμο-P λακταμάση) μπορούν να γίνουν από αυτούς τους βιοαισθητήρες. Γενικά, ωστόσο, η χρησιμότητά τους είναι περιορισμένη. Οι θερμομετρικοί βιοαισθητήρες μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως μέρος της ενζυμικής ανοσοδοκιμασίας (ELISA) και η νέα τεχνική αναφέρεται ως θερμομετρική ELISA (TELISA).

Οπτικοί Βιοαισθητήρες:

Οι οπτικοί βιοαισθητήρες είναι οι συσκευές που χρησιμοποιούν την αρχή των οπτικών μετρήσεων (απορρόφηση, φθορισμός, χημειοφωταύγεια κ.λπ.). Χρησιμοποιούν τη χρήση οπτικών ινών και οπτοηλεκτρονικών μετατροπέων. Η λέξη optrode, που αντιπροσωπεύει μια συμπύκνωση των λέξεων οπτικό και ηλεκτρόδιο χρησιμοποιείται συνήθως. Οι οπτικοί βιοαισθητήρες περιλαμβάνουν κυρίως ένζυμα και αντισώματα ως στοιχεία μεταγωγής.

Οι οπτικοί βιοαισθητήρες επιτρέπουν μια ασφαλή μη ηλεκτρική τηλεπισκόπηση υλικών. Ένα άλλο πλεονέκτημα είναι ότι αυτοί οι βιοαισθητήρες συνήθως δεν απαιτούν αισθητήρες αναφοράς, καθώς το συγκριτικό σήμα μπορεί να δημιουργηθεί χρησιμοποιώντας την ίδια πηγή φωτός με τον αισθητήρα δειγματοληψίας. Μερικοί από τους σημαντικούς οπτικούς βιοαισθητήρες περιγράφονται συνοπτικά παρακάτω.

Βιοαισθητήρας γαλακτικού οπτικών ινών:

Το Σχ. 21.17 αντιπροσωπεύει τον βιοαισθητήρα γαλακτικού οπτικών ινών. Η λειτουργία του βασίζεται στη μέτρηση των αλλαγών στο μοριακό Ο2 συγκέντρωσης προσδιορίζοντας το αποτέλεσμα σβέσης του Ο2 σε μια φθορίζουσα βαφή. Η ακόλουθη αντίδραση καταλύεται από το ένζυμο γαλακτική μονο-οξυγενάση.

Η ποσότητα του φθορισμού που δημιουργείται από το βαμμένο φιλμ εξαρτάται από το Ο2. Αυτό συμβαίνει γιατί ο Ο2 έχει σβηστική (μειωτική) επίδραση στον φθορισμό. Καθώς η συγκέντρωση του γαλακτικού στο μίγμα της αντίδρασης αυξάνεται, το Ο2 χρησιμοποιείται, και κατά συνέπεια υπάρχει μια ανάλογη μείωση του φαινομένου σβέσης. Το αποτέλεσμα είναι ότι υπάρχει μια αύξηση στην έξοδο φθορισμού που μπορεί να μετρηθεί.

Οπτικοί βιοαισθητήρες για τη γλυκόζη του αίματος:

Η εκτίμηση της γλυκόζης στο αίμα είναι πολύ σημαντική για την παρακολούθηση του διαβήτη. Για το σκοπό αυτό χρησιμοποιείται μια απλή τεχνική που περιλαμβάνει λωρίδες χαρτιού εμποτισμένες με αντιδραστήρια. Οι λωρίδες περιέχουν οξειδάση γλυκόζης, υπεροξειδάση ραπανάκι και ένα χρωμογόνο (π.χ. τολουιδίνη). Εμφανίζονται οι ακόλουθες αντιδράσεις.

Η ένταση του χρώματος της βαφής μπορεί να μετρηθεί χρησιμοποιώντας φορητό μετρητή ανακλαστικότητας. Η παραγωγή ταινιών γλυκόζης είναι μια πολύ μεγάλη βιομηχανία παγκοσμίως.

Colorimetric test strips of cellulose coated with appropriate enzymes and reagents are in use for the estimation of several blood and urine parameters.

Luminescent biosensors to detect urinary infections:

The microorganisms in the urine, causing urinary tract infections, can be detected by employing luminescent biosensors. For this purpose, the immobilized (or even free) enzyme namely luciferase is used. The microorganisms, on lysis release ATP which can be detected by the following reaction. The quantity of light output can be measured by electronic devices.

Other Optical Biosensors:

Optical fibre sensing devices are in use for measuring pH, pCO2 and pO2 in critical care, and surgical monitoring.

Piezoelectric Biosensors:

Piezoelectric biosensors are based on the principle of acoustics (sound vibrations), hence they are also called as acoustic biosensors. Piezoelectric crystals form the basis of these biosensors. The crystals with positive and negative charges vibrate with characteristic frequencies. Adsorption of certain molecules on the crystal surface alters the resonance frequencies which can be measured by electronic devices. Enzymes with gaseous substrates or inhibitors can also be attached to these crystals.

A piezoelectric biosensor for organophosphorus insecticide has been developed incorporating acetylcholine esterase. Likewise, a biosensor for formaldehyde has been developed by incorporating formaldehyde dehydrogenase. A biosensor for cocaine in gas phase has been created by attaching cocaine antibodies to the surface of piezoelectric crystal.

Limitations of Piezoelectric Biosensors:

It is very difficult to use these biosensors to determine substances in solution. This is because the crystals may cease to oscillate completely in viscous liquids.

Whole Cell Biosensors:

Whole cell biosensors are particularly useful for multi-step or cofactor requiring reactions. These biosensors may employ live or dead microbial cells. A selected list of some organisms along with the analytes and the types of biosensors used is given in Table 21.8

Advantages of microbial cell biosensors:

The microbial cells are cheaper with longer half-lives. Further, they are less sensitive to variations in pH and temperature compared to isolated enzymes.

Limitations of microbial cell biosensors:

The whole cells, in general, require longer periods for catalysis. In addition, the specificity and sensitivity of whole cell biosensors may be lower compared to that of enzymes.

Immuno-Biosensors:

Immuno-biosensors or immunochemical bio­sensors work on the principle of immunological specificity, coupled with measurement (mostly) based on amperometric or potentiometric bio­sensors. There are several possible configurations for immuno-biosensors and some of them are depicted in Fig. 21.18, and briefly described hereunder.

1. An immobilized antibody to which antigen can directly bind (Fig. 21.18A).

2. An immobilized antigen that binds to antibody which in turn can bind to a free second antigen (Fig. 21.18B).

3. An antibody bound to immobilized antigen which can be partially released by competing with free antigen (Fig. 21.18C).

4. An immobilized antibody binding free antigen and enzyme labeled antigen in competition (Fig. 21.18D).

For the biosensors 1-3, piezoelectric devices can be used. The immuno-biosensors using enzymes (4 above, Fig. 21.18D) are the most commonly used. These biosensors employ thermometric or amperometric devices. The activity of the enzymes bound to immuno-biosensors is dependent on the relative concentrations of the labeled and unlabeled antigens. The concentration of the unlabeled antigen can be determined by assaying the enzyme activity.


The Making of the Fittest: Natural Selection and Adaptation

1. Is the following statement true or false? Justify your answer in one or two sentences: “The appearance of dark-colored volcanic rock caused the mutation for black fur to appear in the rock pocket mouse population.” This is false because the pocket rock mice adapted to the black rock by breeding with the randomly mutated black genes.

2. Near the end of the video, Dr. Sean Carroll states that “While mutation is random, natural selection is not.” In your own words, explain how this is possible. This is accurate as widespread mutations can originate from singular gene mutations, however, if this mutation is beneficial to the environment and survival then the gene will spread to the population further and become a more prominent trait.

3. You are studying a recently discovered population of rock pocket mice with dark-colored fur that lives on a volcanic rock. You take a DNA sample from a member of this new population and determine the DNA sequence of a gene known to play a role in fur color. The sequence you get is identical to that of the same gene in another rock pocket mouse population with dark-colored fur that lives on a different patch of volcanic rock. Which of the following could explain this observation?

(a) The mice in the two populations evolved from the same ancestral population.

(b) The volcanic rock caused the same mutation in each rock pocket mouse population, resulting in dark coloration.

(c) The same mutation spontaneously arose in the two different populations.

(d) Both a) and c) are possible.

(e) All of the above are possible.

4. You are studying a new population of rock pocket mice in Arizona. These mice live on a recently discovered patch of dark-colored volcanic rock. This environment does not have nearly as many visual predators as in previously studied areas in New Mexico. You observed the following numbers of light- and dark-colored mice on this new patch of rock:

a) In one or two sentences, summarize the data presented in the graph.

The population of light mice has been inconsistently falling and rising while the population of dark mice has stayed consistent throughout the presented years. However, the population has remained approximatley the same.

b) Provide one possible hypothesis that would explain the observed data. Be sure to include the following keywords in your answer: selection (or selective), fitness (or fit), survival (or survive). The selective nature of the survival of the dark mice is constant as on the rock, the trait of dark fur is fit for the best survival over the light colored mice, however, when visual predators are decreased then the populations remain equallt fit.

5. You next decide to move 160 of these newly discovered light-colored rock pocket mice from Arizona to a colony in New Mexico (Graph A) that also lives on the dark-colored volcanic rock. You also move 160 dark-colored mice from the New Mexico colony to the Arizona colony (Graph B). You monitor the populations for five years and observe the following:

a) In one or two sentences, summarize the data presented in the graphs above.

In Graph A the data shows that dark mice have had a positive increase of population in New Mexico in comparison to the population of light colored mice. In Graph B the population of dark-colored mice has consistently stayed larger than the light colored population in Arizona.

b)Provide an explanation for these observations. Be sure to include the following keywords in your answer: selection (or selective), fitness (or fit), survival (or survive). Τhese observations of mice on dark, volcanic rock in separate environments are an example of how dark-colored mice have been bred selectively as the fittest example of survival when visual predators are present. In Graph A this is present as balck mice eventually overtake the light mice based on visual predators hunting patterns. However, in Graph B fur plays no dominance on mortality rates of mice populations.

6. Prior to your experiment above, you take a DNA sample from one dark-colored mouse in each population and sequence a gene known to play a role in making mice dark colored. You discover that the dark-colored mice from Arizona have a different allele of this gene than the dark-colored mice from New Mexico. Πώς είναι αυτό δυνατόν? This difference in allele is a result of the fact that separate genes are able to modify the color of fur and that separate populations of mice have developed separate genes to modify. In short, there is more than one mutation that results in dark fur.

7. CONSIDER: How would you design an experiment to test which population of dark-colored mice is more evolutionarily fit in an environment of your choice? You may want to use the above experiments as a guide. Be sure to state your hypothesis, as well as what type of data you will record.

I would design an experiment that would test the mice’s ability to find safety based completely on their ability to use their given useful camouflage to hide from predators. I would do this by placing both populations in an environment which was separated into a third of dark, rocky and mountainous terrain, a third light and sandy strip, and a third sandy dark flat area. By dumping these two populations in the middle (the light sandy area) and introducing an airbron predator one can gather what population is more likely to survive based on survival skills and given camouflage. Since both groups are equally dark colored they have the same camouflage, however, one can infer that after a set time for the predator to hunt, the population of the more successful environment will be substantially greater. Therefore by creating a discerning “fittest” survival trait that is based on survival, the two groups can be surveyed. The data would then be collected following the number from each group to hide in each environment. The environment with the greatest survival rate would then be subdivided to discern which group of dark-colored mice was in fact fittest to survive in the dark colored environment.


Δες το βίντεο: Γιώργος Μερτζάνης- Δρ. Βιολογίας (Νοέμβριος 2022).