Please note that some of the translations on this page are AI generated. Click here for the English version.
שונות נרחבת של פנוטיפים באוכלוסיות טבעיות מספקת את חומר הגלם לאבולוציה, שהוא השינוי בתכונות התורשתיות של אוכלוסיות לאורך הדורות הבאים. הברירה הטבעית היא אחד המנגנונים העיקריים של האבולוציה והיא דורשת שתכונות משתנות יהיו תורשתיות וקשורות להישרדות דיפרנציאלית ו/או להצלחת רבייה. לפנוטיפים המתואמים עם הצלחה גדולה יותר יהיו יותר צאצאים שישרדו כדי להתרבות בדור הבא, ולכן יוצגו ברמות גבוהות יותר בכל דור עוקב.
הצלחת הרבייה של אורגניזם ביחס לאחרים ידועה ככושרו וכל תכונה תורשתית התורמת לכשירותו של אורגניזם ידועה כהסתגלות. לכן, אנשים או פנוטיפים עם הצלחה גבוהה יותר במערכת הרבייה נחשבים כמתאימים יותר ומותאמים יותר לסביבתם.
דוגמה לכושר דיפרנציאלי מגיעה מארנבת נעלי השלג, שהיא חומה בקיץ אך מגדלת פרווה לבנה בחורף כדי להסוות בשלג. עם זאת, ארנבות ששומרות על מעילי הקיץ החומים שלהן לאורך כל השנה יהיו בעמדת נחיתות כושר בשל הראות הגבוהה יחסית שלהן לטורפים. לכן, ראות גבוהה יותר של טורף תפחית את שיעור ההישרדות של פנוטיפ הפרווה החומה ביחס לפנוטיפ הפרווה הלבנה, ובכך תפחית את הצלחת הרבייה שלו לכל החיים. שינויי האקלים, לעומת זאת, מאיימים על אורגניזמים שאינם מצליחים להסתגל לתנאים, ולכן חוקרים חוקרים כיצד ארנבות שלג מתמודדות עם טמפרטורות חמות יותר וכיסוי שלג מופחת בחורף. ארנבות שלג שמגדלות פרווה לבנה בסביבות עם כיסוי שלג מופחת הופכות גלויות יותר לטורפים, מה שמקטין את הצלחת הרבייה שלהן. חוקרים מצאו כי ארנבות נעלי שלג לא שינו את התנהגותן כדי להסתגל לחוסר התאמה בהסוואה 1 שלהן, וארנבות לא תואמות חוו ירידה משמעותית בשיעורי ההישרדות שלהן2.
חישוב הכושר מסתמך על שיעורי ההישרדות והרבייה היחסיים של פנוטיפים שונים באוכלוסייה. עבור פנוטיפ נתון, שיעור ההישרדות הוא החלק היחסי של אותו פנוטיפ ששרד, ושיעור הרבייה הוא הצאצא הממוצע שנוצר לאדם. היחס בין תוצרי ההישרדות ושיעורי הרבייה של הפנוטיפים השונים ידוע ככושר יחסי (w). לפיכך, כדי לחשב w עבור כל פנוטיפ (או תכונה), תחילה מחושבים מכפלת הכפל של שיעורי ההישרדות והרבייה עבור פנוטיפים בודדים, ולאחר מכן מחלקים זאת בערך המכפלה הגבוה ביותר ביניהם.
w = (הישרדותA x רבייהA) / (הישרדותמקסימלית x רבייהמקסימלית)
משוואה זו יכולה לשמש בתורו כדי לחשב את חוזק הבחירה על פנוטיפים שונים, או מקדם הבחירה (ים), על ידי חיסור w מ 1. לכן, הערך של מקדם הבחירה נע בין 0 ל -1; ככל שהערך נמוך יותר, כך הבחירה גבוהה יותר כנגד התכונה הספציפית. לכן, פנוטיפ בעל כושר מקסימלי של 1.0, לא יחווה בחירה.
s = 1 – w
ישנם שלושה סוגים עיקריים של בחירות: כיווני, מייצב ומפריע. ברירה כיוונית מעדיפה ערכים קיצוניים של תכונה בכיוון אחד ויכולה להיגרם על ידי שינוי בסביבה שהאוכלוסייה צריכה להסתגל אליה. דוגמה אחת היא אבולוציה של מבני לסת דיפרנציאליים של דגי ציקליד מזרח אפריקאים בהתאם למקור התזונה3. ייצוב הבחירה טומן בחובו תכונה בעלת ערך אופטימלי; ההנחה הרווחת היא שכל סטייה מאופטימום זה היא חיסרון. לדוגמה, גודל העובר האנושי נתון לברירה מייצבת; תינוקות שנולדו קטנים מדי נוטים פחות לשרוד ותינוקות גדולים מדי אינם יכולים לעבור בתעלת הלידה במהלך לידה טבעית4. בחירה משבשת מעדיפה שני קצוות שונים של פנוטיפ, ויוצרת התפלגות בימודאלית. האבולוציה של מקור פרוש מפצח הזרעים במערב אפריקה הביאה לשני פנוטיפים נפוצים, מקור גדול ששובר בקלות זרעים קשים ומקור קטן לזרעים רכים. פרושים עם מקור בינוני אינם טובים במיוחד בצריכת אף אחד מסוגי הזרעים, ולכן נבחרים כנגד5.
אחת הדרכים החשובות ביותר להשפיע על חיי האדם היא באמצעות עליית זני חיידקים עמידים לאנטיביוטיקה בבתי חולים ובשל שיטות חקלאיות המשתמשות בכמויות משמעותיות של אנטיביוטיקה6. תופעת העמידות לאנטיביוטיקה היא מעין צורה לא מכוונת של ברירה טבעית שנכפתה על ידי בני אדם.
שאלה שעומדת על הפרק היא האם אוכלוסיות טבעיות יוכלו להסתגל להשפעות שינויי האקלים במהירות מספקת כדי להימנע מהכחדה. הדבר תלוי לא רק בשונות הקיימת באוכלוסיות, אלא גם בעוצמת הסלקציה הגבוהה דיה כדי להשפיע על שינוי מהיר באוכלוסייה. בהקשר זה, צמצום גודל האוכלוסייה של מינים רבים ברחבי העולם מעורר דאגה מיוחדת.
האם שמעתם פעם את הביטוי "הישרדות החזקים"? כאשר רוב האנשים שומעים את הביטוי הזה, הם חושבים על תכונות כושר גופני כמו מהירות, כוח וסיבולת. אבל למה באמת מתכוונים ביולוגים בכושר?
הכל התחיל כאשר צ'ארלס דרווין פרסם את מוצא המינים ב-1859 שעורר ויכוחים רבים. תיאוריית הברירה הטבעית של דרווין, אותה הגדיר כ"עיקרון שלפיו כל וריאציה קלה, אם היא שימושית, נשמרת". עוררה את התעניינותו של הוגה דעות בולט בן המאה ה-19, הרברט ספנסר. בספרו "עקרונות הביולוגיה", ספנסר טבע את הביטוי "הישרדות החזקים", כדי להסביר את הברירה הטבעית של דרווין. ביטוי זה הדהד אצל רבים, כולל דרווין עצמו, והמונח כושר הפך לפופולרי.
עם זאת, כאשר ביולוגים חושבים על כושרו של אורגניזם, הם לא חושבים על החוזק, המהירות או הסיבולת שלו. במקום זאת, הם פשוט מחשיבים כושר כהצלחת הרבייה של אורגניזם ביחס לאחרים. קחו לדוגמה את ארנבות השלג האלה. לאורגניזמים בעלי כושר יחסי גבוה יותר יש התאמות שמאפשרות להם להוליד יותר צאצאים ששורדים ומתרבים. התאמות אלה נקראות פנוטיפים המוגדרים פשוט כביטוי חזותי של תכונה. לדוגמה, ארנבות נעלי שלג חומות בקיץ, אך מצמיחות פרווה לבנה כאשר הטמפרטורה יורדת. היכולת לשנות את צבע הפרווה מאפשרת לארנבות שלג להסוות. מכיוון שארנבות עם מעילי חורף לבנים פחות נראות לטורפים בשלג, שיעורי ההישרדות גבוהים בהרבה עבור ארנבות שהופכות לבנות בחורף. כתוצאה מכך, יותר ארנבות משנות צבע ישרדו כדי להתרבות בקיץ.
כדי לקבוע אם מתרחשת ברירה מול פנוטיפ, מדענים מחשבים את ההתאמה של כל פנוטיפ המכונה כושר יחסי, או 'w'. זה נעשה על ידי הכפלת שיעור ההישרדות - שהוא החלק היחסי של אותו פנוטיפ ששרד - בשיעור הרבייה של כל פנוטיפ, שהוא גודל ההמלטה הממוצע לעונת הזדווגות. לאחר מכן, ערך המוצר של כל פנוטיפ מחולק בערך המוצר הגבוה ביותר מבין הפנוטיפים.
ברגע שמדענים יודעים את הכושר היחסי, הם יכולים לחשב את מקדם הבחירה, או 's', שהוא חוזק הברירה מול פנוטיפ, על ידי הפחתת ההתאמה היחסית מ-1. מספרים גבוהים יותר פירושם ברירה חזקה יותר כנגד הפנוטיפ הבודד הזה. מדענים יכולים להשתמש במקדמי הישרדות, כושר יחסי וברירה כדי להבין אם האוכלוסיות עשויות להשתנות עם הזמן. לדוגמה, לאחר המהפכה התעשייתית, ההישרדות והכושר היחסי של עש מפולפל בהיר ירדו ומקדם הברירה נגדם גדל. ההשפעה על אוכלוסיית העשים המלניים הייתה בדיוק הפוכה, מכיוון שהתנאים היו נוחים להישרדותם. לאחר העברת חוק האוויר הנקי, הפיח התבהר וערכי ההישרדות, הכושר היחסי ומקדם הבחירה של שני הפנוטיפים נעו בכיוונים מנוגדים - מה שמראה שהברירה העדיפה שוב את עש האור.
באופן כללי, רוב התכונות הביולוגיות עם פנוטיפים פוטנציאליים שונים מראות התפלגות נורמלית. בואו ניקח את הכתמים על קבוצת פרת משה רבנו כדוגמה. אנו יכולים לראות שיש להם מספר מגוון של כתמים מאפס עד 12, אך ערך התכונה הממוצע הוא באמצע - המכונה התפלגות נורמלית מכיוון שלרוב פרת משה רבנו באוכלוסייה זו יש שש נקודות. גובה העקומה מציין את מספר הפרטים באוכלוסייה המציגים את התכונה הנתונה. עכשיו תארו לעצמכם שיש סלקציה נגד פרת משה רבנו עם מעט כתמים או ללא כתמים מכיוון שהם סופגים פחות חום ולא שורדים כל כך טוב בטמפרטורות קרות. זו תהיה דוגמה לבחירה כיוונית המעדיפה ערכים קיצוניים של תכונה בכיוון אחד.
כדי להבין סוג אחר של בחירה, בואו נסתכל על רובינס. אם נקבת רובין מטילה חמש ביצים או יותר במצמד אחד, הסיכון לתת-תזונה עולה עבור הגוזלים. אבל אם האדומים מטילים שלוש ביצים או פחות, ייתכן שלא יהיו להם צאצאים ברי קיימא. אז כאן, ייצוב הבחירה מחזיק בתכונה, גודל מצמד ביצים, אבל ערך אופטימלי... שכל סטייה ממנו היא חיסרון. לפיכך, רוב האדומים מטילים ארבע ביצים.
במערב אפריקה, פרושי קרקרים גדולים בעלי בטן שחורה שוברים בקלות זרעים קשים גדולים יותר מסוג אחד של עשב גומא בעוד פרושים קטנים מתמרנים ללא מאמץ ושוברים את הזרעים הקטנים יותר של סוג אחר של גומא. פרושים בעלי מקור בינוני אינם יכולים לפתוח אף אחד מהזרעים ביעילות ולכן נצפים לעתים רחוקות. סוג זה של ברירה מכונה משבש - כאשר קיצוניות של פנוטיפ היא אופטימלית, מה שיוצר התפלגות בימודאלית החורגת מהנורמלי.
במעבדה זו, תדגמו ארבעה תרחישי אוכלוסייה באמצעות מנקי מקטרות בצבעים ואורכים שונים המייצגים פנוטיפים שונים ולאחר מכן תקבע את סוג הבחירה המתרחשת בכל תרחיש.
