Informatie

Wat is het moeilijkste kenmerk om evolutionair uit te leggen?


Ik vraag me af wat voorbeelden zijn van organen/structuren/gedrag/samenwerking die evolutionaire biologen zelf het moeilijkst kunnen verklaren - om uit te leggen hoe ze evolutionair zouden kunnen verschijnen - binnen bekende mutatiesnelheden, generatiefrequentie en bekende tijdsbestekken. Exclusief kwestie van verschijning van het leven zelf.

Als we de mutatiesnelheden en generatiecyclus (en populatiegrootte) kennen, zou het mogelijk zijn om de tijd te schatten die nodig is voor het verschijnen van een nieuwe functie.

Het zou dus mogelijk zijn om tegenvoorbeelden te ontdekken, voorbeelden die waarschijnlijk niet kunnen verschijnen in een gegeven evolutionaire tijd. Zijn dergelijke voorbeelden bekend?

Ik ben misschien naïef, maar ik denk dat een zeldzame gedragskenmerk een kandidaat kan zijn, gedrag dat gemiddeld niet één keer in een leven van een organisme triggert, dat echt zelden triggert.


Ik zal niet beweren dat deze zijn het moeilijkste dingen om evolutionair uit te leggen, maar deze twee zijn moeilijk:

  1. Gastheer-pathogeen dynamiek. Ze beginnen gemakkelijk genoeg, maar de interactie tussen een ziekteverwekker en zijn gastheer is intens complex. Je hebt het immuunsysteem, pathogeen-pathogeen interactie, de balans tussen het verzwakken van een gastheer en het doden van een gastheer, tientallen verschillende transmissiemechanismen, minstens twee niveaus van evolutionaire druk (inter-gastheer en populatie), enz.
  2. Eigenschappen op sociaal/maatschappelijk niveau. Evolutionaire psychologie is bijvoorbeeld bekritiseerd omdat het niet veel verder kan komen dan het niveau van "Just So Stories" in termen van zijn vermogen om menselijke maatschappelijke eigenschappen te verklaren met behulp van evolutietheorie.

Om je vraag direct te beantwoorden, zijn er een aantal voorbeelden die creationisten graag naar voren brengen, zoals de spechtentong die om zijn hersenen is gewikkeld of de boogschuttervis die insecten neerschiet met water en zijn doel moet aanpassen voor het brekingsverschil tussen water en lucht. Deze kenmerken zouden zogenaamd 'niet kunnen zijn geëvolueerd', maar natuurlijk maakt iemands ongeloof niets waar of onwaar. Dit is wat Dawkins 'argument uit persoonlijk ongeloof' noemt.

Laat me ook wijzen op een paar evolutionaire tegenargumenten voor een dergelijke redenering.

De aanwezigheid van selectie verandert radicaal wat 'waarschijnlijk' of 'mogelijk' zal gebeuren. Je zou bijvoorbeeld niet beweren dat het hoogst onwaarschijnlijk is dat de stenen op het strand op grootte zijn geordend, als je weet dat de werking van golven ze op een bepaalde manier ordent. Dawkins' wezel (http://en.wikipedia.org/wiki/Weasel_program) demonstreert dit principe ook.

Een ander argument van Dawkins is dat, in tegenstelling tot wat creationisten beweren, complexe functies zoals het oog niet volledig functioneel hoeven te zijn om bruikbaar te zijn. In de vroege geschiedenis van het leven, toen geen enkel organisme ogen had, kon elk eenvoudig systeem dat licht van duisternis kon onderscheiden, een enorm voordeel opleveren voor de eigenaar. Het eenvoudige systeem kan dan evolueren naar een complexer systeem om een ​​concurrentievoordeel te bieden, enz.

Ten slotte vindt evolutie plaats op tijdschalen die we niet kunnen bevatten. We hebben geen goed idee van wat miljarden jaren van kleine veranderingen waarvoor is geselecteerd, kunnen optellen.


Het Nautilus-oog was (nog steeds?) een "probleem" en werd een uithangbord voor creationistische argumenten. Het heeft een pin-hole camera-oog, het niet-lensoog met de hoogste resolutie. Ik begrijp echter dat er tijdens het Cambrium verschillende geslachten zijn ontstaan ​​en dat de bestaande soorten sindsdien niet veel zijn veranderd. Dus de Nautilus zag het goed om enkele honderden miljoenen jaren geleden een geavanceerd maar niet-optimaal oog te ontwikkelen (andere koppotigen hebben een veel beter zicht), maar het niet verder te ontwikkelen.

Dit is misschien moeilijk uit te leggen in evolutionaire termen, hoewel ik merk dat ze waarschijnlijk jagen via reukzin, niet via visie.


De evolutionaire oorsprong van complexe kenmerken

Een al lang bestaande uitdaging voor de evolutietheorie was of het de oorsprong van complexe organismekenmerken kan verklaren. We hebben dit probleem onderzocht met behulp van digitale organismen: computerprogramma's die zichzelf repliceren, muteren, concurreren en evolueren. Populaties van digitale organismen ontwikkelden vaak het vermogen om complexe logische functies uit te voeren die de gecoördineerde uitvoering van veel genomische instructies vereisten. Complexe functies evolueerden door voort te bouwen op eenvoudigere functies die eerder waren geëvolueerd, op voorwaarde dat deze ook selectief werden bevoordeeld. Er was echter geen bepaald tussenstadium essentieel voor het ontwikkelen van complexe functies. De eerste genotypen die complexe functies konden uitvoeren, verschilden van hun niet-presterende ouders door slechts één of twee mutaties, maar verschilden van de voorouder door vele mutaties die ook cruciaal waren voor de nieuwe functies. In sommige gevallen dienden mutaties die schadelijk waren toen ze verschenen, als opstapjes in de evolutie van complexe kenmerken. Deze bevindingen laten zien hoe complexe functies kunnen ontstaan ​​door willekeurige mutatie en natuurlijke selectie.


De bron van de kleuren

De zwarte, bruine en grijze pigmenten in veren komen uit het bloed van de vogel en de rode en gele pigmenten uit het vet. Lipochroom pigmenten produceren rode, oranje en gele kleuren, en melanine produceert zwarte, bruine, roodbruine en grijze kleuren.6 De regenboog van kleuren op vogels, inclusief de blauwe glinstering op de keel en staartveren, is te wijten aan zowel pigmenten als differentiële verstrooiing van licht. Verwezen naar Als structurele kleuren, deze methode gebruikt deeltjes in de veer om korte golflengten te verstrooien, omdat de verstrooiingsintensiteit evenredig is met de inverse vierde macht van de golflengte. Ook fungeren microscopisch kleine ribbels op de veren als een diffractierooster om het licht dat erop valt op te splitsen in alle kleuren van het lichtspectrum. Deze systemen combineren allemaal om de levendige regenboog van kleuren te produceren die vogels gewoonlijk vertonen. Hun kleuren hebben verschillende functies, waaronder schijnbaar tegenstrijdige functies, zoals het aantrekken van partners en het opgaan in hun omgeving.

Veel vogels hebben duizenden veren a Plymouth Rock Hen heeft naar schatting 8.000, en a Fluitende zwaan 25.000. Zelfs een kleine vogel zoals een winterkoninkje heeft meer dan 1000 veren.7 Ogburn zegt:

'Vogels zijn verantwoordelijk voor een onevenredig groot deel van onze perceptie van de natuur, niet alleen omdat hun vlucht, zang en kleuren ze zowel opvallend als aantrekkelijk maken, maar ook omdat ze bijna alomtegenwoordig zijn.'8

De reden waarom ze zo alomtegenwoordig zijn, merkt Ogburn op, is omdat, net zoals het vliegtuig 'mensen in staat heeft gesteld hun rijk uit te breiden tot de verste uithoeken van de planeet', zo heeft de veer, het 'meesterwerk' van de natuur, ook vogels in staat gesteld om dit te doen

De verbluffende reeks kleuren is het duidelijkst in het verenkleed van de pauw.


Wat is het moeilijkste biologische concept dat je hebt geprobeerd te leren?

Populatie genetica. Dingen als "de variatie binnen deze populatie is vergelijkbaar met de verschillende variatie binnen die populatie", selectieve sweeps en de verscheidenheid aan Hardy-Weinberg-onevenwichtigheden.

Ik heb tijdens mijn bachelor een cursus gevolgd die uitsluitend was gewijd aan populatiegenetica. Ik vond het leuk, dus ik denk dat ik raar ben. Of misschien omdat de professor zo enthousiast was over de stof dat het de zaak gemakkelijker maakte.

Ik ben een populatiegeneticus en ik denk nog steeds dat het heel moeilijk is. Coalescentietheorie is een bitch.

Ook het idee dat de variatie binnen een populatie groter is dan de variatie tussen twee populaties duurde even voordat ik het begreep.

Ik ben een trotse bezitter van een B.Sc. in biologie en kan het Hardy-Weinberg-evenwicht nog steeds niet achterhalen. Was een van de vreemdste concepten die ik leerde in mijn lagere klassen.

Biochemie - Menselijk metabolisme is me altijd opgevallen als absurd voor een persoon om volledig te begrijpen.

Ik laat mijn studenten dit altijd zien als ze klagen over hoe ingewikkeld het is om de basisstappen in de citroenzuurcyclus te leren.

Het is een geheugenspel dat. Doe geen moeite om te leren, print het uit en neem het mee, of een pdf op je telefoon.

De meer gecompliceerde biochemie komt van vertakte interacties in plaats van eenvoudige lineaire. Eiwitten die overal een rol spelen of meerdere acties hebben, afhankelijk van factoren die eraan gebonden zijn, of kleine post-translationele modificaties.


1. Wat is een Beslissingsboom?

Beslissingsbomen verwijzen naar een type classificatie dat afhankelijk is van een stroomdiagram zoals een boomstructuur. Het onderliggende model classificeert waarnemingen door eenvoudige beslissingsregels te leren die zijn afgeleid uit de gegevenskenmerken.

Onderstaande grafiek geeft een voorbeeld van a Beslissingsboom. Het is getraind in het tevredenheidsonderzoek van luchtvaartpassagiers met behulp van: Scikit leren Beslisboom module.

De Beslissingsboom laat zien dat voor zakenreizen de belangrijkste factor voor klanttevredenheid het online instappen is: een eenvoudig en efficiënt online instappen vergroot de kans dat klanten tevreden zijn. Het benadrukt ook het belang van de kwaliteit van wifi aan boord.

Ze zijn op grote schaal gebruikt voor classificatietaken zoals ze bieden: tal van voordelen:

  • Begrijpelijk en interpreteerbaar karakter dat lijkt op menselijk redeneren
  • Mogelijkheid om te hanteren numerieke en categorische gegevens
  • Hiërarchische ontleding die een beter gebruik van beschikbare variabelen mogelijk maakt.

De meeste algoritmen die worden gebruikt om een ​​beslissingsboom te laten vertrouwen op a hebzuchtige top-down recursieve partitiestrategie om de boom te laten groeien.

De bronset, die staat voor de hoofdknooppunt van de boom, is opgesplitst in subsets (kinderen knooppunten) op basis van specifieke regels. Het proces wordt herhaald op elke afgeleide subset totdat de subset op een knooppunt alle dezelfde waarden van de doelvariabele heeft, of het splitsen geen waarde toevoegt aan de voorspellingen.

De statistieken gebruikt om te bepalen wat de beste manier is om de test in knooppunten en splitsingen te genereren, varieert van algoritme tot algoritme. De meest voorkomende zijn de Informatiewinst (of Entropie) en de Gini onzuiverheid. Zij zijn onzuiverheid maatregelen wat betekent dat ze gelijk zijn aan 0 wanneer alle steekproeven van een knoop tot dezelfde klasse behoren en dat ze een maximale waarde bereiken wanneer we een uniforme klassenverdeling hebben (d.w.z. wanneer alle klassen van de knoop een gelijke kans hebben). Voor meer informatie kunt u dit artikel lezen.

Deze strategie heeft echter 2 grote nadelen:

  1. Het kan leiden tot suboptimale oplossingen
  2. Het kan te complexe bomen genereren die niet goed generaliseren op basis van de trainingsgegevens, wat leidt tot overfitting-problemen.

Er zijn verschillende technieken voorgesteld om deze problemen op te lossen:

  • Snoeitechniek: Eerst is een beslisboom volledig opgebouwd, d.w.z. totdat alle instanties in een blad tot dezelfde klasse behoren. Vervolgens wordt de grootte van de boom verkleind door "onbeduidende" knooppunten of subbomen te verwijderen.
  • Ensemble bomen: Er worden verschillende bomen gebouwd en de uiteindelijke classificatie wordt gegeven via een specifieke regel, in de meeste gevallen een stemschema. Merk op dat dit leidt tot een verlies van het begrijpelijkheidsaspect van beslisbomen.

Daarom is het noodzakelijk om andere alternatieven te onderzoeken voor het genereren van modelbomen. In deze context, Evolutionaire algoritmen (EA's) hebben onlangs een sterke interesse gewekt.

Ze voeren een robuuste wereldwijde zoekopdracht uit in de ruimte van kandidaat-oplossingen in plaats van een lokale zoekopdracht. Als gevolg hiervan hebben EA's de neiging om betere attribuutinteracties aan te kunnen dan hebzuchtige methoden.

Laten we eens kijken hoe ze werken.


Het heden

Moleculaire genetica heeft de afgelopen twee decennia een revolutie teweeggebracht in evo-devo. Het integreren van ons groeiend moleculair begrip met mechanismen die werkzaam zijn op de cel of op andere niveaus (weefsels, organen, het hele organisme, interacties tussen organisme en omgeving Box 1) was en blijft een belangrijk doel en een uitdaging voor evo-devo. In wezen gaat het om het openen van de zwarte doos tussen genotype en fenotype, eruit halen wat er in de doos zit en hoe het in elkaar past en dan bepalen hoe de inhoud terug in de doos moet worden gedaan (Hall 1999, 2003a, b West-Eberhard 2003 Carroll et al. 2005). Een van de items in de zwarte doos staat bekend als epigenetica.

Kader 1. Een voorbeeld van evolutionaire ontwikkelingsmechanismen die op verschillende niveaus werken

Gen Regulatie, netwerken, interacties, genoomgrootte, epigenetische processen (methylering, imprinting, chromosoominactivatie)
Cel Deling, migratie, condensatie, differentiatie, interactie, patroonvorming, morfogenese, embryonale inductie
Weefsel, orgaan Differentiatie, specialisatie, embryonale inducties, epitheel-mesenchymale interacties, groei
Organisme Ontogenetische re-patterning, genetische assimilatie, fenotypische plasticiteit, polymorfisme, functionele morfologie
Omgeving Fenotypische reacties op chemicaliën die vrijkomen door roofdieren, prooien en voedselvoorraden temperatuurverdringing

19.1 Bevolkingsontwikkeling

Aan het einde van dit gedeelte kunt u het volgende doen:

  • Definieer populatiegenetica en beschrijf hoe wetenschappers populatiegenetica gebruiken bij het bestuderen van populatie-evolutie
  • Definieer het Hardy-Weinberg-principe en bespreek het belang ervan

Mensen begrepen de mechanismen van overerving, of genetica, niet op het moment dat Charles Darwin en Alfred Russel Wallace hun idee van natuurlijke selectie ontwikkelden. Dit gebrek aan kennis was een struikelblok voor het begrijpen van vele aspecten van evolutie. De overheersende (en onjuiste) genetische theorie van die tijd, het mengen van overerving, maakte het moeilijk te begrijpen hoe natuurlijke selectie zou kunnen werken. Darwin en Wallace waren niet op de hoogte van de publicatie van de Oostenrijkse monnik Gregor Mendel uit 1866, "Experiments in Plant Hybridization", die niet lang na het boek van Darwin uitkwam, Over de herkomst van soorten. Geleerden herontdekten Mendels werk in het begin van de twintigste eeuw, toen genetici snel de basisprincipes van overerving begonnen te begrijpen. Aanvankelijk maakte de nieuw ontdekte deeltjesvormige aard van genen het voor biologen moeilijk om te begrijpen hoe geleidelijke evolutie kon plaatsvinden. In de daaropvolgende decennia integreerden wetenschappers echter genetica en evolutie in wat bekend werd als de moderne synthese - het coherente begrip van de relatie tussen natuurlijke selectie en genetica die in de jaren veertig vorm kreeg. Over het algemeen wordt dit concept tegenwoordig algemeen aanvaard. Kortom, de moderne synthese beschrijft hoe evolutionaire processen, zoals natuurlijke selectie, de genetische samenstelling van een populatie kunnen beïnvloeden, en hoe dit op zijn beurt kan resulteren in de geleidelijke evolutie van populaties en soorten. De theorie verbindt ook populatieverandering in de tijd (micro-evolutie), met de processen die aanleiding gaven tot nieuwe soorten en hogere taxonomische groepen met sterk uiteenlopende karakters, genaamd (macro-evolutie).

Dagelijkse verbinding

Evolutie en griepvaccins

Elk najaar beginnen de media met berichten over griepvaccinaties en mogelijke uitbraken. Wetenschappers, gezondheidsexperts en instellingen bepalen aanbevelingen voor verschillende delen van de bevolking, voorspellen optimale productie- en inentingsschema's, creëren vaccins en zetten klinieken op om inentingen te verstrekken. Je zou de jaarlijkse griepprik kunnen zien als een mediahype, een belangrijke gezondheidsbescherming of gewoon een kortstondig ongemakkelijk prikje in je arm. Zie je het echter in termen van evolutie?

De mediahype van jaarlijkse griepprikken is wetenschappelijk gebaseerd op ons begrip van evolutie. Elk jaar streven wetenschappers over de hele wereld ernaar om de griepstammen te voorspellen waarvan zij verwachten dat ze het komende jaar het meest wijdverbreid en schadelijk zijn. Ze baseren deze kennis op hoe griepstammen zich in de loop van de tijd en de afgelopen griepseizoenen hebben ontwikkeld. Wetenschappers werken vervolgens aan het creëren van het meest effectieve vaccin om die geselecteerde stammen te bestrijden. Farmaceutische bedrijven produceren in korte tijd honderden miljoenen doses om belangrijke populaties op het optimale moment te kunnen vaccineren.

Omdat virussen, net als de griep, zeer snel evolueren (vooral in evolutionaire tijd), vormt dit een hele uitdaging. Virussen muteren en vermenigvuldigen zich in een snel tempo, dus het vaccin dat is ontwikkeld om te beschermen tegen de griepstam van vorig jaar, biedt mogelijk niet de bescherming die men nodig heeft tegen de stam van het komende jaar. Evolutie van deze virussen betekent voortdurende aanpassingen om te overleven, inclusief aanpassingen om eerdere vaccins te overleven.

Populatiegenetica

Bedenk dat een gen voor een bepaald karakter meerdere allelen of varianten kan hebben die coderen voor verschillende eigenschappen die bij dat karakter horen. In het ABO-bloedgroepsysteem bij mensen bepalen bijvoorbeeld drie allelen het specifieke bloedtype koolhydraat op het oppervlak van rode bloedcellen. Elk individu in een populatie van diploïde organismen kan slechts twee allelen voor een bepaald gen dragen, maar er kunnen er meer dan twee aanwezig zijn in de individuen die de populatie vormen. Mendel volgde allelen zoals ze werden geërfd van ouder op nageslacht. In het begin van de twintigste eeuw begonnen biologen op het gebied van populatiegenetica te bestuderen hoe selectieve krachten een populatie veranderen door veranderingen in allel- en genotypische frequenties.

De allelfrequentie (of genfrequentie) is de snelheid waarmee een specifiek allel binnen een populatie voorkomt. Tot nu toe hebben we evolutie besproken als een verandering in de kenmerken van een populatie van organismen, maar achter die fenotypische verandering zit genetische verandering. In populatiegenetica definiëren wetenschappers de term evolutie als een verandering in de frequentie van het allel in een populatie. Met het ABO-bloedgroepsysteem als voorbeeld, de frequentie van een van de allelen, l A, is het aantal kopieën van dat allel gedeeld door alle kopieën van het ABO-gen in de populatie. Een onderzoek in Jordan 1 vond bijvoorbeeld een frequentie van l A tot 26,1 procent. De l B en l 0-allelen omvatten respectievelijk 13,4 procent en 60,5 procent van de allelen, en alle frequenties opgeteld tot 100 procent. Een verandering in deze frequentie in de tijd zou een evolutie in de populatie betekenen.

De allelfrequentie binnen een bepaalde populatie kan veranderen afhankelijk van omgevingsfactoren, daarom worden bepaalde allelen meer verspreid dan andere tijdens het natuurlijke selectieproces. Natuurlijke selectie kan de genetische samenstelling van de populatie veranderen. Een voorbeeld is als een bepaald allel een fenotype verleent waardoor een individu beter kan overleven of meer nakomelingen kan krijgen. Omdat veel van die nakomelingen ook het gunstige allel zullen dragen, en vaak het overeenkomstige fenotype, zullen ze zelf meer nakomelingen hebben die ook het allel dragen, waardoor de cyclus in stand wordt gehouden. Na verloop van tijd zal het allel zich over de populatie verspreiden. Sommige allelen worden op deze manier snel gefixeerd, wat betekent dat elk individu van de populatie het allel zal dragen, terwijl schadelijke mutaties snel kunnen worden geëlimineerd als ze afkomstig zijn van een dominant allel uit de genenpool. De genenpool is de som van alle allelen in een populatie.

Soms veranderen allelfrequenties binnen een populatie willekeurig zonder voordeel voor de populatie ten opzichte van bestaande allelfrequenties. We noemen dit fenomeen genetische drift. Natuurlijke selectie en genetische drift vinden meestal gelijktijdig plaats in populaties en zijn geen geïsoleerde gebeurtenissen. Het is moeilijk om te bepalen welk proces domineert, omdat het vaak bijna onmogelijk is om de oorzaak van verandering in allelfrequenties bij elk optreden vast te stellen. We noemen een gebeurtenis die een verandering in de allelfrequentie initieert in een geïsoleerd deel van de populatie, wat niet typisch is voor de oorspronkelijke populatie, het oprichterseffect. Natuurlijke selectie, willekeurige drift en oprichterseffecten kunnen leiden tot significante veranderingen in het genoom van een populatie.

Hardy-Weinberg Principe van Evenwicht

In het begin van de twintigste eeuw verklaarden de Engelse wiskundige Godfrey Hardy en de Duitse arts Wilhelm Weinberg het principe van evenwicht om de genetische samenstelling van de bevolking te beschrijven. De theorie, die later bekend werd als het Hardy-Weinberg-principe van evenwicht, stelt dat de allel- en genotypefrequenties van een populatie inherent stabiel zijn - tenzij een soort evolutionaire kracht op de populatie inwerkt, zouden noch het allel, noch de genotypische frequenties veranderen. Het Hardy-Weinberg-principe gaat uit van omstandigheden zonder mutaties, migratie, emigratie of selectieve druk voor of tegen genotype, plus een oneindige populatie. Hoewel geen enkele populatie aan die voorwaarden kan voldoen, biedt het principe een bruikbaar model om reële populatieveranderingen mee te vergelijken.

Werkend onder deze theorie vertegenwoordigen populatiegenetici verschillende allelen als verschillende variabelen in hun wiskundige modellen. De variabele p, bijvoorbeeld, vertegenwoordigt vaak de frequentie van een bepaald allel, zeg Y voor de eigenschap geel in Mendel's erwten, terwijl de variabele q de frequentie vertegenwoordigt van y-allelen die de kleur groen verlenen. Als dit de enige twee mogelijke allelen zijn voor een bepaalde locus in de populatie, p + q = 1. Met andere woorden, alle p-allelen en alle q-allelen omvatten alle allelen voor die locus in de populatie.

Wat uiteindelijk de meeste biologen interesseert, zijn echter niet de frequenties van verschillende allelen, maar de frequenties van de resulterende genotypen, bekend als de genetische structuur van de populatie, van waaruit wetenschappers de verdeling van fenotypes kunnen vermoeden. Als we het fenotype observeren, kunnen we alleen het genotype van het homozygote recessieve allel kennen. De berekeningen geven een schatting van de resterende genotypen. Aangezien elk individu twee allelen per gen draagt, is het voorspellen van de frequenties van de genotypen een eenvoudige wiskundige berekening om de kans te bepalen om deze genotypen te verkrijgen als we willekeurig twee allelen uit de genenpool trekken, als we de allelfrequenties (p en q) kennen. . In het bovenstaande scenario kan een individuele erwtenplant pp (YY) zijn en dus gele erwten pq (Yy), ook geel of qq (yy) produceren en dus groene erwten produceren (Figuur 19.2). Met andere woorden, de frequentie van pp individuen is gewoon p 2 de frequentie van pq individuen is 2pq en de frequentie van qq individuen is q 2 . Nogmaals, als p en q de enige twee mogelijke allelen zijn voor een bepaalde eigenschap in de populatie, zullen deze genotypenfrequenties optellen tot één: p 2 + 2pq + q 2 = 1.

Visuele verbinding

Bij planten is de violette bloemkleur (V) dominant over wit (v). Als p = 0,8 en q = 0,2 in een populatie van 500 planten, hoeveel individuen verwacht je dan homozygoot dominant (VV), heterozygoot (Vv) en homozygoot recessief (vv) te zijn? Hoeveel planten zou je verwachten met paarse bloemen en hoeveel met witte bloemen?

In theorie, als een populatie in evenwicht is - dat wil zeggen dat er geen evolutionaire krachten op inwerken - zou generatie na generatie dezelfde genenpool en genetische structuur hebben, en deze vergelijkingen zouden allemaal de hele tijd gelden. Natuurlijk erkenden zelfs Hardy en Weinberg dat geen enkele natuurlijke populatie immuun is voor evolutie. Populaties in de natuur veranderen voortdurend in genetische samenstelling als gevolg van drift, mutatie, mogelijk migratie en selectie. Als gevolg hiervan is de enige manier om de exacte verdeling van fenotypen in een populatie te bepalen, ze te tellen. Het Hardy-Weinberg-principe geeft wetenschappers echter een wiskundige basis van een niet-evoluerende populatie waarmee ze evoluerende populaties kunnen vergelijken en daardoor kunnen afleiden welke evolutionaire krachten een rol kunnen spelen. Als de frequenties van allelen of genotypen afwijken van de verwachte waarde van de Hardy-Weinberg-vergelijking, dan evolueert de populatie.

Link naar leren

Gebruik deze online calculator om de genetische structuur van een populatie te bepalen.


De heilige graal van de biologie: de soort en zijn controversiële recente geschiedenis

Hoeveel soorten planten en dieren zijn er op de wereld? Waar passen mensen in het enorme weefsel van het leven? Inderdaad, hoe is het leven, inclusief de mens, geëvolueerd?

Centraal bij dit soort vragen staat de wetenschappelijke praktijk van het identificeren en benoemen van soorten, of taxonomie.

En de basiseenheid van taxonomie – � soort’ – blijft een ongrijpbaar en controversieel concept, ondanks het fundamentele belang ervan voor de wetenschap.

Toch realiseren maar weinig mensen buiten de biologie en filosofie zich dat 'de soort'2019 het grootste deel van de afgelopen 50 jaar in het middelpunt van een grote controverse in de wetenschap heeft gestaan.

Een kardinale wetenschap

Taxonomie is een fundamentele of mogelijk makende wetenschap die ten grondslag ligt aan de hele biologie en de vele aanverwante gebieden, waaronder medisch onderzoek.

Hoe kunnen we bijvoorbeeld een vaccin of geneesmiddelen ontwikkelen om dodelijke ziekten zoals ebola te bestrijden zonder te weten wat hun status als virus of bacterie is?

Het staat ook centraal in grote wereldwijde projecten zoals de ‘Open Tree of Life’, die ambitieus streeft naar het reconstrueren van niet minder dan de evolutionaire relaties van de 1,8 miljoen benoemde levende soorten van de aarde.

Maar tot nu toe hebben biologen minder dan 20 procent van de naar schatting 11 miljoen levende organismen op aarde herkend en benoemd, waarvan sommige sneller uitsterven dan ze ontdekt kunnen worden.

Taxonomie vormt ook de kern van vakgebieden zoals die van mij, paleontologie, die zich bezighouden met de studie van oude werelden en uitgestorven organismen.

Door de diversiteit van het leven in het verleden te onderzoeken, krijgen we inzichten in alternatieve werelden, waardoor we ons realiseren dat de aarde niet altijd is geweest zoals ze nu is, en ons informeren over waar we naartoe zouden kunnen gaan met een planeet die wordt geteisterd door antropogene opwarming .

Bovendien, met ongeveer 99 procent van al het leven dat nu bestond, is het mogelijk dat er ongeveer 20 miljard soorten hebben bestaan ​​tijdens de ruwweg 4,0 miljard jaar geschiedenis van het leven, waardoor er genoeg werk over is voor toekomstige generaties paleontologen!

Taxonomie staat ook centraal in hoe we de natuur op een duurzame manier begrijpen, ervan genieten en gebruiken, zodat toekomstige generaties ook de verbazingwekkende rijkdom en schoonheid van de aarde kunnen delen.

Een geweldig debat over soorten

De ‘speciesâx2019 is het meest fundamentele niveau in de taxonomie en is tevens de eenheid van evolutie.

De soort is de enige categorie in het taxonomische systeem en met echt bedoel ik dat hij een objectief bestaan ​​heeft in de natuur, althans volgens de meeste taxonomen en filosofen van de biologie.

Ironisch genoeg is het echter de meest lastige van alle taxonomische categorieën gebleken om mee te werken, en een van de moeilijkste concepten om in de wetenschap te definiëren.

Op dit moment zijn er minstens 26 soortenconcepten in gebruik in de biologie, wat enorme verwarring toevoegt aan een toch al verwarrend gebied van de wetenschap.

Maar om eerlijk te zijn, genieten de meesten van hen geen brede steun of gebruik, met slechts een handvol - een half dozijn of zo - die routinematig worden toegepast door biologen.

Gedurende een groot deel van de tweede helft van de 20e eeuw, en ook in de huidige eeuw, waren filosofen en biologen verwikkeld in een intellectuele oorlog over de ontologische status (of realiteit in natuur en betekenis), basiseigenschappen en praktische aspecten van het herkennen van soorten.

Wat is dit ding dat we een soort noemen? Wat zijn de eigenschappen? Is het zoals de namen die we aan steden of aan onze kinderen geven? Heeft het zijn eigen unieke eigenschappen omdat het biologisch is?

Kruisen, zeker?

Maar is dit alles niet allang opgelost, hoor ik u vragen?

Ik heb op school geleerd, of in het eerste jaar biologie van de universiteit, dat soorten groepen organismen zijn die met elkaar kruisen, hoor ik je zeggen.

Jij oude sentimentalist! We gaan terug naar het midden van de 20e eeuw voordat het debat over de grote soorten losbarstte. Was het maar zo simpel.

Het idee van kruising werd al voor de tijd van Charles Darwin veel besproken door biologen, maar het werd pas in de 20e eeuw geformaliseerd als een soort 𠆌oncept’, en kreeg het een centrale plaats in de ideeën van Theodosius Dobzhansky en Ernst Mayr.

Met 𠆌oncept’ bedoel ik de soort als een sport op de Linnaean-hiërarchie, een beschrijving of definitie van wat de soort, in generieke zin, eigenlijk is.

Kruisen werd door Dhobzhansky en Mayr geformaliseerd als het zogenaamde 'biologische soortconcept', hoewel dit een verkeerde benaming is omdat alle soortconcepten per definitie biologisch zijn.

Ontevredenheid met dit concept was er echter vanaf het begin.

Een van de andere hoofdarchitecten van de '2018moderne synthese' van evolutionaire biologie, George Gaylard Simpson, stelde zijn eigen concept voor dat bekend staat als de '2018evolutionaire soort'.

Maar vanaf het begin van de jaren zestig groeide de ontevredenheid zo sterk dat het de katalysator werd voor een groot debat dat de komende decennia een groot deel van de biologie zou opslokken.

Moeilijke vragen

Vanaf die tijd begonnen filosofen en biologen nogal moeilijke vragen te stellen, zoals:

• Hoe verhoudt de soortcategorie zich tot andere wetenschappelijke groepen of soorten dingen zoals de chemische elementen?

• Speelt het dezelfde soort rol in de wetenschap – door dezelfde soorten informatie over te brengen en ons in staat te stellen voorspellingen te doen over de natuur?

• Wat is de beste, meest objectieve manier om een ​​soort te herkennen?

Ook, zo intuïtief aantrekkelijk als het vermogen van organismen om te kruisen, is als een test voor het lidmaatschap van soorten, het was vreselijk moeilijk om in de praktijk toe te passen.

Volgens Lélia Lagache van de Universiteit van Bordeaux en medewerkers was het in 2013 zelfs maar één keer rechtstreeks toegepast in een wilde populatie!

Het blijkt dus dat we allemaal zijn bedrogen door de studieboeken die we lazen op de middelbare school of universiteit.

Afgewisseld door onze bètadocenten en biologiedocenten.

Een meer eerlijke lezing van de geschiedenis laat zien dat in feite de meeste soorten, vooral dieren, de organismen waarmee ik het meest vertrouwd ben, zijn ontdekt en benoemd op basis van hun fysieke uiterlijk, of '2018fenotype'2019.

En de winnaar is.

Een van de grootste inzichten over het ‘species problemâ€x2019 kwam eind jaren negentig van de in Smithsonian wonende bioloog Kevin de Queiroz, die inzag dat de meeste gebruikte concepten gewoon een catalogus waren van de kenmerken die soorten zouden kunnen bezitten.

Een voorbeeld zal het belang ervan duidelijk maken: auto's.

Ze hebben een echt bestaan, los van ons: een objectieve status zo u wilt.

Ze hebben een motor, vier wielen, deuren, een radio, hebben brandstof nodig, vervoeren mensen en pakjes en boodschappen, bewegen en zijn er in allerlei vormen en kleuren.

Maar definieert een van deze eigenschappen een auto voldoende? Worden auto's goed beschreven door hun motoren of stoelen? Of door het feit dat ze wielen hebben of brandstof nodig hebben?

Sommige van deze kenmerken kunnen essentieel zijn om auto's te zijn, maar ze definiëren niet wat een auto eigenlijk is.

Auto's zijn per definitie door mensen bestuurde machines die bewegen (op een gecontroleerde manier voortbewegen) en mensen en andere voorwerpen van de ene plaats naar de andere vervoeren.

En zo is het ook met soorten. Zijn soorten gewoon organismen die zich met elkaar voortplanten? Of elkaars paringsroep herkennen? Of een ecologische rol of niche delen?

Net als auto's is er iets veel fundamentelers aan soorten dat ze definieert, ongeacht de bijzonderheden van een of andere soort.

Soorten zijn groepen organismen die alle of sommige van deze dingen kunnen doen, maar deze eigenschappen definiëren ze niet.

Het is veel productiever om soorten te zien als groepen organismen die een evolutionaire geschiedenis delen.

Ze behoren tot hun eigen tak aan de levensboom, een tak met een begin, een geschiedenis en uiteindelijk ook een einde en een evoluerende afstamming.

Het draait allemaal om de diagnose

Focussen op de andere fundamentele kwestie hier: als we kruising niet als ons criterium gebruiken, wat moeten we dan gebruiken om soorten te onderscheiden?

Kortom, hun diagnosestelling 2019.

Dat wil zeggen dat de evolutionaire takken die we soorten noemen, door een gemeenschappelijke geschiedenis te delen, een reeks fysieke kenmerken zullen delen die niet worden gedeeld met andere organismen.

Ze bezitten een reeks unieke kenmerken waardoor ze diagnosticeerbaar of te onderscheiden zijn van alle andere takken of soorten.

Een moderne mens (links) en Neanderthaler (rechts) schedel. De unieke fysieke kenmerken van elke groep worden gebruikt om ons als verschillende soorten te definiëren. Darren Curnoe.

Denk aan levende mensen of Homo sapiens. We kunnen onze soort herkennen als een bubbelvormig hersenomhulsel, gezichten die onder het voorste deel van onze hersenen zijn weggestopt en een steil voorhoofd produceren en kaken met een kin.

Wij zijn de enige primaat die deze reeks kenmerken in ons skelet heeft, en ze definiëren ons als een evolutionaire tak of soort.

Toch is niet elke taxonomist het erover eens dat diagnosticeerbaarheid de beste manier is om soorten te herkennen.

Maar tegenwoordig doen de meesten dat, en voor mij en vele anderen die geïnteresseerd zijn in het classificeren van leven, vooral uitgestorven organismen, is het heel logisch, omdat we normaal gesproken weinig anders hebben dan kenmerken van gefossiliseerde tanden en botten.

Geschreven in de genen?

Wat ik hier natuurlijk heb verwaarloosd, is de rol die DNA-bewijs in toenemende mate speelt in taxonomie.

Genetica wordt gezien als een centrale factor in het proces van het identificeren van levende soorten en in toenemende mate ook uitgestorven soorten na opmerkelijke ontwikkelingen in het onderzoek naar oud DNA.

Maar een voortdurende kwestie blijft of DNA-markers kunnen worden gebruikt om soorten in de natuur te beschrijven.

Veel insectensoorten zijn te herkennen aan de anatomie van hun genitaliën. Hier afgebeeld is een paar rode metselbijen. Wikimedia Commons

Hoewel elke soort per definitie genetisch uniek moet zijn, in ieder geval onder de dieren, zijn soortbeschrijvingen nog steeds fundamenteel gebaseerd op waarneembare fysieke kenmerken, of het nu gaat om zachte weefsels, vachtpatroon of kleuring, of kenmerken van de tanden en het skelet.

DNA complimenteert informatie over het fenotype en informeert ons natuurlijk over hoe fysieke kenmerken zich ontwikkelen en evolueren.

Toch zijn er soorten die niet gemakkelijk te onderscheiden zijn met fysieke kenmerken, maar waarvan is aangetoond dat ze genetisch zeer verschillend zijn.

Dit zijn cryptische soorten: en ik en anderen vermoeden dat ze veel vaker voorkomen in de natuur dan we ons realiseren.

Terug naar praktische zaken

Terwijl het debat over soorten voortduurt, ligt de focus van de huidige discussie vooral op hoe we ze in de natuur moeten identificeren.

Niet iedereen is tevreden met het criterium van diagnosticeerbaarheid. Een probleem dat met name voor ongemak zorgt, is dat verschillende concepten soms kunnen leiden tot sterk verschillende schattingen van het aantal soorten.

En dergelijke kwesties zullen ervoor zorgen dat het debat over soorten de komende jaren zal voortduren.

Maar we zijn dichter dan ooit bij het oplossen van de vraag, het bereiken van een consensus, over wat een van de meest omstreden vragen in de geschiedenis van de wetenschap is geweest, ondanks de opmerkelijk lage publieke bekendheid.

Darren Curnoe is specialist in menselijke evolutie en ARC Future Fellow bij UNSW Australia.

Dit artikel is oorspronkelijk gepubliceerd op The Conversation. Lees het originele artikel.


Referenties

Wynne, C.D.L. Natuur 428, 140 (2004).

Penn, D.C., Holyoak, K.J. & Povinelli, D.J. Gedraag je. Hersenen wetenschap. 31, 109–178 (2008).

Pinker, S. Het taalinstinct: hoe de geest taal creëert (W. Morrow, 1994).

Cosmides, L. & Tooby, J. Evolutionaire psychologie: een inleiding (1997) beschikbaar op http://www.psych.ucsb.edu/research/cep/primer.html.

Richardson, R.C. Evolutionaire psychologie als onaangepaste psychologie (MIT Pers, 2007).

Bolhuis, J.J. & Verhulst, S. De erfenis van Tinbergen. Functie en mechanisme in gedragsbiologie (Cambridge Univ. Press, 2009).


Seksueel dimorfisme en seksuele selectie

Een kracht die gewoonlijk seksueel dimorfisme in evolutie aandrijft, is: seksuele selectie. In deze vorm of selectie veroorzaakt de interactie tussen de geslachten die partners zoeken en kiezen, verschillen in de mannelijke en vrouwelijke populaties.

Grootte en seksuele selectie

Vrouwen die op zoek zijn naar een geschikte partner, kunnen bijvoorbeeld op zoek gaan naar een grote man, als bevestiging van zijn succes. Na verloop van tijd zouden mannen de neiging hebben groter te worden, als een teken voor vrouwen dat ze succesvol zijn. Dit is geen actief proces van de kant van de mannetjes, maar simpelweg het gevolg van het feit dat de grootste mannetjes de meeste nakomelingen krijgen. Kleinere mannetjes hebben over het algemeen minder nakomelingen en dragen dus minder bij aan de volgende generatie. Dit type op grootte gebaseerde seksuele selectie is bij veel dieren te zien.

Grootte is om vele redenen een algemeen seksueel geselecteerde eigenschap. Not only does it suggest to females that the male is capable of surviving, but also of fighting. Many males who compete for mates will develop high levels of sexual dimorphism. If not seen directly in their size, it can often be seen in other appendages, such as horns or enlarged appendages used for battles. Both Big Horn Sheep and Crabs share these enlargements caused by evolution, and both use them to battle for mates. However, size is far from the only trait selected for.

Other Sexually-Selected Traits

Other traits include color and other visual indications of success. A lion’s mane does not make the lion any bigger or protect him in a battle against other lions. However, a large mane simply looks more formidable. Manes may have developed as a type of sexually selected sexual dimorphism.

Birds are often a clear example of sexual dimorphism. Males and females have starkly different feathers and markings, while their bodies are usually of similar size. Males are often brightly colored, with extravagant and cumbersome ornamental feathers. Think of the peacock. The extra weight of the tail feathers should be a detriment to his success. However, in attracting females, it is extremely useful and the benefits outweigh the consequences.

There are many other examples, from simple things like eye color all the way to very complex rearrangements of each organism. Remember too that each species is different. Not all birds are sexually dimorphic. There are many species which have evolved monomorphic patterns.