Genetische erosie ( genetic drift )


zie onder Genetica

°

Overlevingskansen van planten- en diersoorten in een versnipperd landschap

 Wie een kaart van Drenthe van rond 1900 vergelijkt met een kaart van hetzelfde gebied van, zeg, 2000 zal onmiddellijk worden getroffen door de enorme achteruitgang van het gebied dat door heide wordt bedekt. Waren er rond 1900 uitgestrekte heidevelden, zover als het oog kon zien, vandaag de dag is het moeilijk een heide terrein van enige omvang te vinden.

Deze achteruitgang, die ook geldt voor b.v. bosgebieden en veen- en moeras gebieden, heeft twee belangrijke gevolgen: in de eerste plaats zijn de resten heide, bos, veen of moeras elk op zich gering van omvang, en in de tweede plaats liggen die resten veel verder uit elkaar dan dat in 1900 het geval was. Dat betekent voor de planten en dieren in die snippers natuur dat zij relatief gering in aantal zijn, en dat zij veel grotere afstanden moeten overbruggen om in het volgende natuurgebied terecht te komen.Ongeveer 15 jaar geleden begonnen biologen zich te realiseren dat deze twee verschijnselen (kleine populaties, grotere isolatie) belangrijke gevolgen konden hebben voor de overlevingskansen van planten en dieren. Hoe zit dat in elkaar?

Bedreigingen
Kleine restjes natuur kunnen slechts een gering aantal individuen herbergen. Veel populaties van planten en dieren in onze hedendaagse natuur zijn dus relatief klein.

Het was de Amerikaanse bioloog Shaffer die in 1987 duidelijk maakte dat wanneer je met een klein aantal individuen bent er vier processen zijn die de overlevingskans verlagen.

In de eerste plaats zijn dat processen die aan de toevallige variatie in milieu omstandigheden zijn gekoppeld. Het weer varieert nu eenmaal op een onvoorspelbare manier van jaar tot jaar, en zelfs van dag tot dag. Als je met weinig bent kan het zijn dat er bij toeval een slecht jaar is waarin alle individuen het niet redden, en de populatie sterft op zo’n moment dus uit.

 In de tweede plaats zijn er processen die te maken hebben met de toevallige variatie in geboorte en sterfte processen. Ondanks de zegswijze, leggen niet alle vogels in mei een ei. Als er weinig vogels zijn kan het door toeval zo uitkomen dat op een bepaald moment geen enkele vogel een ei legt, en de populatie zal ook dan uitsterven.

In de derde plaats zijn er de onvoorspelbare catastrofes; denk daarbij aan overstromingen, bosbranden, orkanen, etc. De kans dat een bosbrand alle muizen in een bos ombrengt is aanmerkelijk groter wanneer er maar weinig muizen in een bos zijn.

Tenslotte wees Shaffer erop dat in een kleine, ge챦soleerde populatie genetische processen wellicht voor problemen zorgen. Het was dit vierde proces dat voor veel ecologen een onverwacht gezichtspunt introduceerde

Deze processen, die altijd door ecologen over het hoofd waren gezien, waren gemeengoed voor populatiegenetici, die op hun beurt echter weer weinig ophadden met de ecologische problemen van het natuurbeheer. Het was de verdienste van mensen als Shaffer en de Amerikaanse ecoloog Michael Soul챕 dat zij de twee denkwijzen bij elkaar brachten.

Vanaf dat moment heeft onderzoek naar genetische problemen die de overlevingskansen van kleine ge챦soleerde populaties van planten en dieren verlagen een grote vlucht genomen. Honderden artikelen over dit onderwerp zijn sindsdien gepubliceerd, en elke maand verschijnen er nog steeds tientallen.

Genetische erosie
Wat heeft genetica nu te maken met natuurbeheer en met overleving? Uit de populatie genetische theorie was al lang bekend dat een aantal processen heel nauw afhangen van de populatie grootte.

In de eerste plaats is dat een proces dat genetische drift wordt genoemd. Daarbij verandert de genetische samenstelling van een populatie door eenvoudige toevalseffecten.

Het best is dit nog in te zien door een analogie met een dobbelsteen te trekken. Iedereen weet dat als je 1.000.000 keer met een goede dobbelsteen gooit je evenveel enen, twee챘n, drie챘n , vieren, vijven en zessen zult gooien. En toch is niemand verbaast wanneer je na drie keer gooien drie keer een zes hebt gegooid.

Dat wil zeggen: bij kleine steekproeven wijkt de frequentie van zessen af van wat hij eigenlijk zou moeten zijn. In een populatie van planten of dieren gaat dat precies zo.

Is de populatie enorm groot dan zullen de nakomelingen – tenslotte te zien als een steekproef uit het genetisch materiaal van de ouders – dezelfde genetische samenstelling hebben als de ouders.

 Is de populatie erg klein dan kan door toeval die samenstelling veranderen van ouders naar nakomelingen, precies zo als bij een dobbelsteen.

Populatiegenetische theorie heeft ons voorgerekend dat naarmate de populatie kleiner wordt het effect van deze genetische drift groter wordt.

Het uiteindelijke resultaat is dat er genetische varianten uit de populatie verloren zullen gaan; door toeval zijn zij simpelweg niet meer vertegenwoordigd in de nakomelingenpopulatie. Het effect van genetische drift is dan ook wel genetische verarming of ook wel genetische erosie genoemd.

In de tweede plaats treedt in kleine populaties inteelt op. Inteelt noemen we dat verschijnsel waarbij aan elkaar verwante individuen (d.i. familie) met elkaar voor nageslacht zorgen. Omdat in een kleine populatie die generaties lang klein blijft spoedig alle individuen familie van elkaar zijn, is inteelt een proces dat nauw met populatiegrootte is verbonden.

Verder kent iedereen de uitingsvormen van inteelt: b.v. onder de kleine, ge챦soleerde Amish populaties in de VS is het percentage erfelijke afwijkingen belangrijk hoger dan gemiddeld in de VS; Amish trouwen slechts binnen hun eigen kringen, een duidelijke vorm van inteelt.

Maar ook onder planten en dieren komt inteelt voor. Veredelaars van landbouwgewassen, die vooral goede individuen met elkaar willen kruisen in een poging een ras met een betere opbrengst te kweken, lopen zeer regelmatig aan tegen de problemen van inteelt. Ingeteelde individuen gaan slechter presteren, een verschijnsel dat bekend staat als inteeltdepressie.

In kleine ge챦soleerde populaties in onze natuur kunnen genetische drift en inteelt leiden tot een verlies van genetische varianten (genetische erosie) en tot een verlaagde fitness van de aanwezige individuen (inteeltdepressie).

Deze processen kunnen vervolgens leiden tot een verlaging van de overlevingskans van de hele populatie. En dat zijn processen die niet te stoppen zijn door het toepassen van de meer traditionele natuurbeheers methoden van maaien, begrazen, verschralen, etc. (zie afbeelding 1).

Afbeelding 1: Een schematisch overzicht van genetische processen, die in kleine ge챦soleerde populaties de overlevingskansen van die populaties nadelig kunnen be챦nvloeden.klik op de afbeelding voor een grotere versie

 

Onderzoek
De afgelopen 10 jaar is veel onderzoek gedaan naar het optreden van genetische erosie in natuurlijke situaties. Opvallend genoeg is een belangrijk deel van dit onderzoek in Nederland verricht. Met name het eerste deel van het proces – kleine populaties raken genetisch verarmd – wordt door nog al wat studies bevestigd (zie afbeelding 2).

 Het tweede deel – in genetisch verarmde populaties presteren individuen slechter ten gevolge van inteeltdepressie – is heel wat minder onderzocht, voor namelijk omdat dit soort onderzoek veel ingewikkelder en tijdrovender is (zie afbeelding 3).

Het derde deel tenslotte – populaties met slechter presterende individuen hebben een hogere kans op uitsterven – is in computersimulaties onderzocht. Daarbij blijk dat de overlevingskans van kleine, ge챦soleerde populaties inderdaad kan afnemen door genetische erosie, maar dat dit wel afhangt van welke eigenschappen van de planten of dieren negatief be챦nvloed worden door inteelt (depressie).

Samengevat blijkt dus dat, hoewel er nog wel gaten zitten in onze kennis over dit proces, er voldoende aanwijzingen zijn om de problemen van genetische erosie en versnippering van de natuur bij het beheer en behoud van soorten, serieus te nemen.

Afbeelding 2: Opsomming van studies, die zijn gedaan naar de relatie tussen populatiegrootte en genetische variatie klik op de afbeelding voor een grotere versie(bron: Hendriks et al. 1998).

 

Afbeelding 3: Opsomming van studies, die zijn gedaan naar de relatie tussen genetische variatie in populaties en het presteren (“de fitness”) van individuen in die populatiesklik op de afbeelding voor een grotere versie(bron: Hendriks et al. 1998).

 

Oplossingen
Het onderzoek naar dit proces gaat voort. Belangrijk is om te begrijpen welke soorten, met welke eigenschappen, het meest ‘vatbaar’ zijn voor genetische erosie. B.v., sommige plantensoorten planten zich voort via zelfbestuiving, de meest intense vorm van inteelt denkbaar. Het is aannemelijk te veronderstellen dat deze soorten weinig of geen last zullen hebben van genetische erosie, omdat zij altijd al intelen.


Belangrijk is ook duidelijk te krijgen wat er tegen de gevolgen van genetische erosie gedaan kan worden. De meest efficiënte en voor de hand liggende oplossing – zorgen dat de natuur niet versnippert – is in onze moderne maatschappij geen optie. Wel probeert de overheid in haar beleid de versnippering tegen te gaan door het instellen van verbindingsbanen tussen natuurgebieden: de zogenaamde Ecologische Hoofd Structuur (een overzicht van wat de EHS betekent en hoe hij eruit ziet is te vinden op http://www.natuurbeheer.info/ ). Meest bekende uitingen van dit beleid zijn de aanleg van wild viaducten over snelwegen heen, of de aanleg van dassentunnels onder (snel)wegen door.

Tenslotte is er de optie: we helpen de planten en dieren een handje, b.v door ze zelf tussen populaties te verplaatsen. Bij dieren gebeurt dit al – denk aan de introductie van bevers en otters. Bij planten is dit nog geen gebruik. Maar als we soorten willen behouden voor ons versnipperd landschap dan kan het zijn dat we ‘gedwongen’ worden tot dit soort onconventionele maatregelen.

Bronnen:
R.J.J. Hendriks, N.J. Ouborg en J.M. van Groenendael.(1998) Is natuurbeheer ook beheer van genen? Katholieke Universiteit Nijmegen. ISBN 90-9011553-6
M.L. Shaffer (1987). Minimum viable populations: coping with uncertainty. In: Viable populations for conservation, pp. 69-86, (M.E. Soul챕, editor). Cambridge University Press.
M.E. Soul챕 (1986). Conservation Biology : the science of scarcity and diversity. Sinauer, Sunderland.

Zie ook:
natuurbeheer
Bezoek de website van het NIBI
Genetische variatie binnen een soort 
omvat genetische variatie binnen natuurlijke populaties en de genetische differentiatie tussen populaties.
De combinatie van genmigratie, natuurlijke selectie en genetische drift liggen aan de basis van de intra- specifieke genetische variatie.
Het belang van dispersie en gen- migratie uit zich bijvoorbeeld in de doorgaans grotere genetische differentiatie tussen populaties van terrestrische soorten dan van mariene soorten. In welke mate genetische differentiatie tussen natuurlijke populaties vooral bepaald wordt door toevals- processen dan wel door natuurlijke selectie is controversieel.
 
“Darwinisten ” erkennen dat niet elke verandering het gevolg is van natuurlijke selectie
( creationisten hanteren graag de “stroman “dat  “darwinisten ” UITSLUITEND  NS / RM als  exclusief mechanisme  hanteren  …)
 
(1) sexuele selectie (Darwin)
(2) genetische drift: bepaalde mutaties kunnen toevalligerwijze verdwijnen, vooral in kleine populaties. 
Uitkomst is niet bewaard blijven van “fitte” genen maar van toevallig die genen die niet zijn verloren gegaan door gen-erosie en 
stochastische processen .
Voor kleine populaties heeft genetische drift (verlies van genetische informatie door toeval) een belangrijke negatieve invloed op de genetische diversiteit. In kleine populaties verhoogt ook de kans op inteelt met als gevolg een verlaagde “fitness” van de nakomelingen wat op zich weer leidttot een reductie van de populatiegrootte (het zogenaamde “vortex of extinction” effect).
(3) neutrale evolutie: evolutie van moleculen
 

Modellen

Vele van de modellen die gebruikt worden om evoluerende systemen te bestuderen, veronderstellen oneindig grote populaties.

Biologische populaties zijn in de meeste gevallen ook zeer groot, waardoor met de benadering van oneindig grote populaties ook goede voorspellingen kunnen gemaakt worden. Daarnaast maakt de veronderstelling van oneindig grote populaties het modelleren mathematisch eenvoudig.

Er zijn echter een aantal gevallen waar populaties klein zijn, en waar de benadering van oneindig grote populaties niet geldig is.

Hierbij denken we bijvoorbeeld aan populaties in genetische algoritmes, populaties in evolutionaire speltheorie, en biologische populaties van met uitsterven bedreigde soorten.

 In deze (kleine) populaties speelt het stochastisch samplen van opeenvolgende generaties een belangrijke rol.

Sampling van individuen leidt tot stochastische schommelingen in allelfrequenties in de populaties. Allelen, die niet noodzakelijk optimaal zijn, geraken daardoor gefixeerd in de eindige populaties. Dit effect heet genetische drift.

Het effect van drift is groter bij kleinere populaties, en onbestaande bij oneindig grote populaties.

Modellen voor de bestudering  van Genetische Drift zijn  :  eindige Markov modellen van evoluerende populaties. Deze modelleringstechniek is onder biologen bekend als hetFischer-Wright-Haldane model, en in de wereld van genetische algoritmes als finite Markov models.

http://anthony.liekens.net/index.php/Doctorate/Samenvatting

Advertenties

Over tsjok45
Gepensioneerd . Improviserend jazzmuzikant . Instant composer. Jamsession fanaat Gentenaar in hart en nieren

One Response to Genetische erosie ( genetic drift )

  1. Pingback: VERKLARENDE WOORDENLIJST PALEONTOLOGIE E | Tsjok's blog

Geef een reactie

Vul je gegevens in of klik op een icoon om in te loggen.

WordPress.com logo

Je reageert onder je WordPress.com account. Log uit / Bijwerken )

Twitter-afbeelding

Je reageert onder je Twitter account. Log uit / Bijwerken )

Facebook foto

Je reageert onder je Facebook account. Log uit / Bijwerken )

Google+ photo

Je reageert onder je Google+ account. Log uit / Bijwerken )

Verbinden met %s

%d bloggers liken dit: