15, 11-13
LOODUSLIKU VALIKU TEOORIA
evolbio loeng 97-15
Looduslik valik (LV) on sünteetilise evolutsiooniteooria (neodarvinismi) keskne mõiste. Oma tänapäevases käsitluses on LV teooria samas populatsioonigeneetika (PG) formaalseks teooriaks: nad kattuvad. Teisest küljest vaadatuna on LV teooria matstatistika, mis on kohandatud ja osalt ka loodud loodusliku valiku empiiriliste vaatluste kirjeldamiseks ja veelgi enam mudelite loomiseks, mille abil empiirilisi fakte metatasemel seletada. Siinses kursuses me püüame hoida mataparaadi tutvustamise minimaalsel vajalikul tasemel ja kontsentreeruda formalismide puhul vaid essentsiaalsele. LV ei ole "jutustav aine" ja kursuse selle osa omandamine on evolutsiooniteooria ülikoolikursuse üheks alustoeks.
LOODUSLIK VALIK: MIDA SIIS IKKAGI VALITAKSE ?
KELLE VÕI MILLE KASUKS VALITAKSE ?
evol bio loeng 97-11
Me rääkisime adaptatsioonist - kohanemisest ümbritseva keskkonnaga kõige laiemas mõttes. Adaptatsioon on aga teisalt sedavõrd suure üldisuse astmega mõiste, et ta väljub evolutsiooni poolt haaratava alt. Kohanemist näeme igal tasemel ja suur osa sellest kohanemisest pole kuidagi vahetult evolutsiooniga seotud. Võib tuua lõputult näiteid elupuhusest kohanemisest tingimustega (nende muutusega) - inimene on selles mõttes eriti plastiline olend, kuivõrd ta suudab, paremini kui ükski teine loom, kohaneda muutuva ümbrusega põhjusel, et ta suudab aktiivselt kohandada ümbrust vastavalt oma vajadustele.
Piirdudes adaptatsiioniga evolutsiooniliselt huvipakkuvas kontekstis, on vaja omada arusaamist tasemetest, mille "kasuks" kohanetakse - kus on see märklaud, kuhu on suunatud looduslik valik ? On neid vähe või palju ?
Elu on jaotatav paljudeks organisatsioonilisteks tasemeteks: geenid, genoomid, organid ja organismid, liigid, kooslused jne. Mis tasemel toimib looduslik valik ja mis tasemel realiserub adapteerumine? Ja kas on oluline seda selgitada? Võibolla pole, sest võib ju ka arutleda nii: kui juba korra organ "saab kasu", ju on see ka kasulik organismile ja siit edasi ka liigile. Kuid lähemal vaatlusel selgub, et see polegi nii triviaalne. Kasulikkus organismi tasemel ei pruugi olla kasuks grupile. Vahetu kasu grupile ei pruugi olla kasuks liigile jne. Igaüks suudab vastavaid näiteid piisavalt tuua. Loosung "igaüks hoolitsegu enda eest, vanajumal kõigi eest" on primitiivse lähenemise puhul kaugel ja kohati väga kaugel pikaajalisest kasust nii liigile, grupile, kui ka indiviidile.
Seega - igal üksikjuhul, kus me soovime rääkida kohanemisest loodusliku valiku kaudu, kus me soovime aru saada, miks niisugune kohanemine aset leidis, on meil vaja ka selgitada, mis siis tegelikult toimus - kus realiseerus muudatus. Ja siit edasi - analüüsides suurt hulka konkreetseid üksikfakte, on meil võimalik selgitada, millisel tasemel tekivad muudatused, mis väljenduvad paremas kohanemises.
MOLEKULAARNE EVOLUTSIOON JA NEUTRAALSE
EVOLUTSIOONI TEOORIA
evolbio loeng 97-12
Evolutsiooni viivad edasi paljud tegurid, kuid eriti olulisteks on:
looduslik valik (natural selection)
geneetiline triiv (genetic drift = random drift = drift = random genetic drift = neutral drift)
Ei ole enam teadlasi, kes üht neist kahest täielikult eitaksid: küsimus on nende suhtelisest osast evolutsiooni mootoris. See vaidlus kestab ja just siin "tehakse" tänapäeval evolutsiooniteooriat. Seetõttu on ka loengukursuse raames sellel peatükil eriline tähtsus - vaatamata asjaolule, et küsimus ei ole veel kaugeltki lahendatud.
Nii looduslik valik (LV), kui ka geneetiline triiv (GT) suudavad põhjendada molekulaarset evolutsiooni
See on printsipiaalse tähtsusega kinnitus. Kas ka õige, on diskuteeritav. Loosungina õige, kuid sisult hoopis keerulisem on üritada viia läbi uus suur süntees: st. neodarvinismi ja NT vahel.
Molekulaarset evolutsiooni jälgitakse kas valkude aminohappelise järjestuse varieeruvuse alusel, või veel parem - otseselt DNA järjestuse alusel. Erijuhtudel ka RNA järjestuste alusel. DNA omab olulisi eeliseid, kuivõrd a) kaugelt suurem osa genoomist ei kodeeri paljude organismide puhul valke; b) kaugeltki mitte kõik muutused geenis ei pruugi põhjustada aminohappe muutust.
Neutraalse teooria (NT) ideestiku algajal (1968 - 1975) ei osatud veel sekveneerida DNA’d ja ka valkude massiline sekveneerimine evolutsioonibioloogiliste küsimuste lahendamiseks ei olnud valdavalt jõukohane. Seetõttu saadi suurem osa andmeist palju kaudsemate meetoditega - põhiliseks oli valkude elektroforeetilise liikuvuse muutuste hindamine. Nii saadud andmed aga ei peegelda kaugeltki piisava täpsusega mutatsioonide (polümorfismi) tegelikku taset geenis - liikuvuse muutumine elektriväljas eeldab laengu muudatust, mis aga ei käi kaasas kaugeltki iga muutusega AH koostises. Sel põhjusel on osa algse kvantitatiivse argumentatsiooni põhjendusi ebatäpsed. Sellest hoolimata on NT loomisel esiletõstetud probleemid endiselt arutlemisobjektiks ja me vaatleme neid ükshaaval koos sünteetilise evolutsiooniteooria (NeoD) vastuargumentidega.
Nagu juba eelnevalt seletatud, on vaidluse põhiteljeks loodusliku valiku (LV) ja juhusliku geneetilise triivi (GT) osakaalude suhe evolutsioonis. Me teame, et selle hindamiseks tuleb teda selektsioonikoefitsienti, st. ühtlasi kohanemust (Fitness) ja samuti populatsiooni suurust). Käsitluse lihtsustamiseks jätame N kõrvale (s.o. eeldame, et ta on piisavalt väike selleks, et GT saaks avaldada mõju)
Olgu vaatluse all mingi tänapäeval elav liik. Võib arvata, et tema kujunemine on miljonite molekulaarsete muudatuste tulemus. Kui suur on neis muudatustes GT, kui suur LV osa? 1968 esitas Motoo Kimura teooria, mille kohaselt molekulaarsel tasemel esinevate muudatuste hulgas on GT osa valdav. Kimura ei väitnud, et GT oleks kõigi muudatuste põhjustaja - jutt oli enamusest.
Modifitseerime siinkohal mõnevõrra selektsioonikoefitsiendi arvulist tähistamist ja võtame 0 väärtuseks olukorra, kus valik geeni sagedust ei mõjuta - st mutatsioon ei ole selektiivselt ei kasulik ega kahjulik - ei mõjuta kohanemust.
Pea kõik bioloogid usuvad, et kaugelt suurem osa mutatsionidest on kahjulikud, kuid puudub üksmeel kasulike ja neutraalsete muudatuste vahekorra osas. Kui enamus evolutsioonis tekkinud muudatustest on LV tulemus, siis peaks kasulikke mutatsioone olema rohkem.
sagedus
selektsioonikoefitsient
neodarvinism neutralism panneutralism
Panneutralismi pooldajaid on vähe ja see ei ole ilmselt hea mudel.
NT eeldab, et pea kogu evolutsiooniline muudatus on neutraalne - kuid see ei tähenda, et suurem enamus mutatsioonidest oleksid neutraalsed. NT ei eita LV’d, kuid kasutab seda vaid ühes suunas - selleks, et elimineerida kahjulikke mutatsioone. NeoD, erinevalt NT’st, soovib kasutada LV mehhanismi ka mittekahjulike mutatsioonide fikseerumise seletamiseks. NT kohaselt on selleks aga kaugelt valdavalt GT.
Seda vaidlust näib esimesel hetkel olevat võimalik lihtsalt lahendada: kasutades moodsa geenitehnoloogia arsenali tekitada parajas hulgas valitud geenides kõikvõimalikud mutatsioonid ja sis lugeda kokku kahjulike, neutraalsete ja kasulike arv ja määrata suhe. See on paraku palju raskem, kui paistab. Tõepoolest - keskmises valku kodeerivas geenis on ca 1000 nt ja seega on selle geeni jaoks kokku 41000 (~10600). Kosmiline suurus.
Kaudsed võimalused NT ja NeoD paikapidavuse võrdlemiseks
Kuivõrd hetkel on endiselt raske teha otseseid katseid (liiga kallis ajaliselt ja rahaliselt), siis jääb üle võrrelda NT’st ja NeoD’st tulenevaid erinevaid postulaate mitmesuguste eksperimentaalselt jälgitavate fenomenide seletamiseks. Näiteks:
kontrollida neutralistide kinnitust, et nii molekulaarse evolutsiooni absoluutne kiirus, kui ka looduses nähaolev polümorfismi aste on liiga suured selleks, et LV saaks olla nende põhjustamisel olulise kaaluga;
kontrollida neutralistide kinnitust, et molekulaarse kella tiksumise konstantsus ei ole kooskõlas LV’ga;
kontrollida neutralistide kinnitust, mille kohaselt funktsionaalselt vähemoluliste järjestuste evolutsiooni suurem kiirus ei ole kooskõlas LV’ga;
kontrollida NeoD kinnitust, et tegelikult ei seleta ka NT piisava korrektsusega ei molekulaarse evolutsiooni kiirust ja polümorfismi - s.o. loodusest saadud suurused ei lange kokku NT poolt ennustatuga
Molekulaarse kella kiiruse ja geneetilise varieeruvuse hindamisest
Molekulaarse kella (MK) kiiruse mõõtmise klassikaline teooria loodi küll juba kuuekümnendail (Emil Zuckerkandl ja Linius Pauling), kuid just alles viimase 10 aasta jooksul on selle testimine muutunud võimalikuks massilis ulatuses (DNA amplifitseerimine + sekveneerimine). MK tiksumise kiiruse mõõtmiseks võetakse kaks liiki, mille lahknemise aeg on paleontoloogiast (fossiilide dateering) piisava tõepärasusega teada (!?). Valitakse nende liikide kaks ortoloogset geeni (valku) ja määratakse nukleotiidne (AH) järjestus. Loetakse kokku erinevused ja arvutatakse kiirus. Olgu meil hiir ja inimene, kes lahknesid ~ 80 MA eest. Olgu meil 100 AH pikkune valk ja olgu leitud erinevuste arv 16. Esiteks - tuleb aru saada, et aeg tuleb arvestada topelt: lahknemine oli küll 80 MA eest, kuid selle ortoloogse geeni divergeerumine on toimunud mõlemas arengusuunas, seega 2 x 80 MA jooksul. Seega: kella kiiruse mõõt oleks: 16 / (100 x 160 x 109) = ~ 1 x 10-9 AH kohta aastas.
Muidugi on reaalsuses komplikatsioone - mitmekordsed muutused samas positsioonis (mida tavaliselt ei näe ja mis seega loetakse vaid ühekordselt) jm., kuid need raskused on teada ja neid proovitakse võimalust pidi vältida.
Kui võrrelda erinevaid valke, siis selgub, et nende evolutsiooniline kiirus on vägagi erinev.
valk kiirus x 109 /a
fibrinopeptiidid 8.3
lüsosüüm 2.0
insuliin 0.4
histoon H4 0.01
Vaatamata ulatuslikule verieeruvusele olid need need, omal ajal Kimura poolt kokkuvõetud arvud, tundusid talle LV tarvis kaugelt liiga suured (nüüdseks muidugi oleks võimalik niisuguseid tabeleid tega sadu kordi suuremaid).
Miks siis Kimura pidas neid kiirusi vastuolevaiks LV poolt seletuvaile? Täpne kvantitatiivne seletus nõuaks detaile, miska piirdume põhimõtete selgitamisega.
NeoD aparaadis on oluliseks mõisteks geneetiline surve (genetic load), mis avaldub populatsioonis, kus mitte kõik liikmed ei oma optimaalset kohanemust (mitte ideaalset, vaid optimaalset määratletuna kui võrdset selle konkreetse populatsiooni "parima" indiviidiga). Mida enam on populatsioonis indiviide, kellel on madalam kohanemus, seda tugevam geneetiline surve valitseb.
Teiseks, juba Haldane arutles kvantitatiivselt hinna üle, mida peab LV eest maksma. Saab seda seletada nii: kui mingi geen mutatsiooni tõttu asendub paremaga (põhjustab kõrgema kohanemuse), siis peab NeoD kohaselt minema käiku mehhanism, mis suretab halvema geeniga isendid välja. Mida tugevam selektsioon, seda enam sureb isendeid igas järgmises generatsioonis. Haldane näitas, et populatsioonid ei talu liiga kõrget geneetilist survet - surevad välja. Enamgi - ta andis semikvantitatiivse hinnangu: talutavuse ülempiiriks peaks olema ca 1 geeniasendus 300 põlvkonna jooksul.
Kasutades eksperimentaalseid andmeid molekulaarse evolutsiooni kiiruse kohta näitas Kimura, et ka n-ö keskmise kiirusega valgud evolutsioneeruvad ca 100 korda kiiremini, kui NeoD’i LV’st tulenev geneetiline surve taluks. Haldane alghinnang võib olla suure veaga, kuid kindlasti mitte suurusjärkudes.
Teisalt aga - kui evolutsiooni kiirust määrab eelkõige GT, siis pole saadud eksperimentaalsete andmete seletamisel mingeid raskusi. Evolutsioon GT läbi on proportsionaalne neutralsete mutatsioonide tekkekiirusega ja kuigi see viimane pole teada, on igati alust arvata, et see number on veel kaugelt suurem, kui eksperimentaalselt leitud molekulaarse evolutsiooni kiirus.
Tees sellest, et varieeruvus on suurem, kui NeoD võimaldab (s.o. ei ole seletatav paljalt LV toimega).
Kimura kasutas siin kogunisti üsna konservatiivseid, kindlasti alahimmatud algandmeid, sest ta opereeris D. melanogasteri (tol ajal avastatud) ca 10 000 lookuse ja ca 3000 polümorfismiga neis, kus omakorda oli veel 10% heterosügootsust. NeoD kohaselt peaks süsteem liikuma homosügootsuse poole - juhul kui ei eelda ülimalt massiivset selektsiooni heterosügootsuse kasuks. Viimane pole aga reaalne. Siin on terminiks segregatsiooniline surve. Jättes matemaatilise tuletuskäigu kõrvale, on võimalik väita, et selle populatsiooni isend, kes oleks polümorfne kõigi 3000 lookuse osas, peaks olema 1043 korda kõrgema kohanemusega juhuslikust populatsiooni liikmest. See on aga jabur. Kimura järeldus: NeoD seisukoht, mille kohaselt LV hoiab heterosügootsuse taset, on ekslik. Samas taas - NT suudab seda seletada möödaminnes: iga uus mutatsioon alustab oma "elu" heterosügootselt ja püsib polümorfismina seni, kuni triiv teda kas ei kaota ära ehk sis ei fikseeri.
Muuseas - NT eeldaks isegi veel kõrgemat heterosügootsuse taset, kui eksperimentaalset uuritud süsteemidest paistab.
Millised on NeoD vastulaused?
Pärast mõnda aega kestnud suumaigutamist on NeoD end kogunud ja asunud modifitseerima NeoD aparaati eesmärgil näidata, et Kimura leitud vastuolud on kõrvaldatavad lisaelduste sissetoomisel nii, et säilub LV kui mehhanism. Geneetilise surve vastuolu leevendub oluliselt, kui NeoD läheb "jäigalt" selektsioonilt üle "pehmele". Milles on argumendi mõte? See on postulaadis, et mitte kogu suremine (suremine, reproduktiivne seiskumine) ei ole LV tekitatud, vaid suur - mõnikord kaugelt suurem osa, on põhjustatud hoopis mittevalikulisest hukkumisest. Tuntud näide tursakala 5 miljoni marjateraga - 4 999 998 ei sa hukka mitte LV survel, vaid näiteks 4 500 000 hukkub mittevalikuliselt - mitte madalama kohanemuse pärast. Kui nii, siis pole aja eeldada ka NeoD jaoks ülisuuri molekulaarse evolutsiooni kiirusi ja NeoD on päästetud.
NeoD jaoks absurdselt kõrge heterosügootsuse aste on samuti välditav kui vastuolu - juhul, kui eeldada, et polümorfsete lookuste kontributsioon kohanemusse ei ole mitte otseselt aditiivne, vaid esineb tasandav sõltuvus. Kui oleks additiivne, siis kahe kehvema kohanemusega polümorfismi koosmõju oleks x2 jne. - näiteks võtame, et iga polümorfism alandab kohanemuse 0.9’ni. Siis summeeruva 3000 lookuse puhul olekski absurdselt väike arv: 0.93000.
Kella konstantsus
Kella klassikaline näide - hemoglobiini järjestus - näib küll olevat konstantne läbi 400 - 500 MA (vt pilt). Kuid mida see tähendab NT ehk siis NeoD mätta otsast vaadatuna? NeoD kohaselt mõjutab protsessi (evolutsiooni kiirust) nii LV kui mutatsioonide tekkekiirus. Et LV tagaks 500 MA jooksul kella konstantsuse, oleks vaja, et ka keskkonnamuutus selle aja jooksul oleks olnud konstantne. See on aga üpris kaugel tegelikkusest. Ja enamgi - adaptatiivsed muudatused (mis on muidugi LV produkt), ei ole kohe kindlasti tekkinud konstantse kiirusega. Muide, sel põhjusel eelistabki Kimura rääkida NT’st molekulide, mitte aga suurte fenotüübiliste muudatuste tasandil.
Head näited - linnu tiib ja elusad fossiilid.
Linnu tiib on selge adaptatsiooniline saavutus ja tekkis suhteliselt lühikese aja jooksul - samas aga samm-sammuline täiustumine kestis (kestab?) kaua. Kindlasti pole siin tegemist olnud mitusada miljonit aastat väldanud lineaarse protsessiga.
Elusateks fossiilideks kutsutakse liike, kes eonite jooksul ei ole praktiliselt muutnud oma väljanägemist. On näiteks haikala liike, kes on väljanägemiselt pea identsed oma 300 MA eest elanud esivanematega. Seega - on huvitav teada, kas makromuudatuste evolutsiooni konserveerumisega aeglustus neil ka molekulaarne kell. Mitmed otsesed valgu sekveneerimise andmed näitavad täie selgusega, et molekulaarne kell pole olnud mõjustatud morfoloogilise identiteedi säilumisest, vaid on tiksunud talle omase kiirusega rahuga edasi - seda nii (hai)kaladel, kui ka harudes, mis viisid üsna teistlaadi selgroogseteni - näiteks inimeseni. Konkreetselt kasutati siin globiini a ja b ahelat. Need globiini kaks vormi eraldusid teineteisest veidi varem, kui eraldusid inimeste ja haide eellased ( NB - geenide lahknemine ja liikide lahknemine ei pea, ega ka lange tavaliselt kokku). Kui nüüd "elava fossiili" kell oleks tiksunud aeglasemalt, kui inimesele suundunud liini kell, siis tuleks eeldada haide liinis väiksemat erinevust a ja b globiini vahel, kuid seda pole:
AH erinevuste
arv
inimese a vrld. inimese b 147
karpkala a vrld. inimese b 149
hai a vrld. hai b 150
Põlvkonna eluiga ja selle mõju molekulaarsele kellale
Kuidas tekivad mutatsioonid? Võime ilmselt eeldada, et stohhastiliselt ja üpris muutumatu kiirusega läbi aegade - näiteks peaasjalikult konstantsena püsiva kosmilise kiirguse/Maa radioaktiivse kiiruse tagapõhjal, aluste keto-enool tasakaalu tõttu vms. Kuid - meid ei huvita niivõrd mutatsioonide teke, vaid populatsioonis levivate/fikseeruvate mutatsioonide olemasolu. Seega, meid hakkavad huvitama alles need mutatsioonid, mis "elavad üle" rakutsükli idurakkudes. Ja just replikatsioon ongi üks kohtadest, mille jooksul, võib arvata, on spontaansetel mutatsioonidel sugurakkudes (nende eellastes) võimalus fikseeruda.
Sellest loogilisest oletusest (oletusest põhjusel, et on väga raske adekvaatselt hinnata spontaanselt tekkivate "virtuaalsete" mutatsioonide tegelikku hulka - see arv, ennustades näiteks UV kahjustuste arvu alusel naha pindmise kihi rakkudes, on päratu suur vrld. kogunisti nende mutatsioonide arvuga, mis "elavad üle " raku ühe pooldumise) tuleneb, et enama rakutsükli arvu puhul on ka enam mutatsioone, mis väljendub molekulaarse evolutsiooni suurema kiirusena.
Siinkohal lisamärkusena: on veel teisi "makroparameetreid", mida peetakse evolutsiooni kiiruse mõjutajateks - näiteks ainevahetuse kiirus. Arvatakse, et kiirema ainevahetusega (ja kõrgema kehatemperatuuriga) organismides kuhjub enam mutatsioone. Mammaalide puhul on generatsiooni aeg ja keha mass üldjuhul samasuunalised - suurema massiga liigid omavad pikemat generatsiooni aega.
Ja on veel üks kolmas, nimetatutega väga lähestikku paiknev hüpotees: evolutsiooni mootoriks on meessugu, kuna enamal juhul toimub spermatogeneesi jooksul palju enam rakutsükleid, kui munaraku küpsemisel. Selle viimase kohta on mitte just palju, kuid siiski juba pikema aja jooksul ilmunud artikleid, viimane neist 1997 sügisel Nature Genetics (lindudel).
Pöördume tagasi generatsiooni aja ja molekulaarse kella juurde. Allan Wilson (1977) näitas, et kui võrrelda omavahel pika ja lühikese generatsiooni ajaga imetajaid (elevant, vaal, hiir, küülik) terve hulga valkude järjestuste erinevuse osas ja võtta eelduseks, et liinid, mis viivad elevandi ja vaalani on olnud siiski valdavalt esivanematest, kelle põlvkonna pikkus oli suurem, kui neil esivanemail, kes paiknevad hiire ja küülikuni viivail liinidel, siis peaks neist ristvõrdlustest selguma generatsiooni aja effekt. Kui suur see loodetav effekt peaks olema? Wilsoni arvutuste kohaselt võiks pika generatsiooni ajaga liikidel olla mutatsioone 1/5 - 1/8 sellest, mis on lühikese põlvkonnaga liikide liinil. Seda aga valkude primaarse struktuuri erinevuste statistikast ei nähtunud. Seega - molekulaarne kell valkude primaarstruktuuri tasandil ei ole mõjutatud põlvkonna ajalisest pikkusest ( ~ elueast).
Nüüdseks on neid katseid korratud mitmel eri variandil ja mõned autorid on ka näidanud väikesi erinevusi - kõik need on aga kaugel paljukordsetest vahedest.
On võimalik arutluskäik, mille kohaselt "vaikivad muudatused" - mida võib kutsuda ka neutraalseiks - sõltuvad siiski populatsiooni põlvkonna kestvusest. S.o. - molekulaarne kell tiksub neile mutatsioonidele teistmoodi kiirusega. Kui suure osa see moodustab üldisest kiirusest, on teine asi. Ja siin on lisaks veel üks oluline tähelepanek: kui me võtame mingi neutraalsete positsioonide hulga (näiteks mtDNA D-aasas, kus evolutsiooni kiirus on ülepea suur ja seetõttu statistiline andmestik ulatuslik), siis näeme väga olulist kiiruste varieeruvust ka oletatavasti neutraalsete mutatsioonide sisesi. Siinkohal on pigem vaja tõsiselt uurida, kui neutraalsed on siiski need "neutraalsed muudatused", mis evolutsioneeruvad märgatavalt aeglasemalt.
Evolutsiooni kiirus ja funktsionaalsed piirangud
Jälgides evolutsiooni molekulaarsel tasemel, on palju lihtsam kui muidu märgata, et evolutsiooni kiirus on sõltuv funktsioonist. Täpsemalt: positsioonid valkudes ja nukleiinhapetes, milles asuvad konkreetsed aminohapped või nukleotiidid on seda konservatiivsemad, mida spetsiifilisemalt nad on haaratud mingi (mikro)funktsiooni täitmisest. Taas tuleb siin eeldada, et mutatsioonid neis positsioonides on samasagedad, kui mujalgi. Erinevus on tingitud sellest, et niisugused mutatsioonid kas likvideerivad funktsiooni või kahjustavad seda oluliselt - seega alluvad kiirele elimineerumisele populatsioonist. Kindlasti on terve hulk mutatsioone, mida ei saa ülepea jälgida - nad on alati letaalsed. Alles transgeensete organismide tehnoloogia (imetajad) võimaldas siin midagi nägema hakata; lihtsamate eukarüootide ja prokarüootide puhul on niisuguste mutatsioonide tuvastamine lihtsam.
Evolutsiooni kiiruse ja funktsioonist tulenevate piirangute suhe on üpris suure tähtsusega teaduse igapäevases praktikas - seda eriti just (molekulaarse) süstemaatika puhul. Nii näiteks on mõnda suurt molekuli (tüüpnäiteks ribosoomse RNA geenid) võimalik jagada paljudeks väga erineva evolutsioonilise kiirusega segmentideks. Seda tuleb teada pragmaatilistel kaalutlustel: kui meid huvitab näiteks periood 1 000 000 000 aastat tagasi, siis tuleb pöörata tähelepanu teatud lõikudele, kui 1 000 000 at, siis hoopis teistele jne. Miks ? Kui kasutada kiiresti muteeruvate alade mutatsioonide andmeid väga vanade fülogeneetiliste lahknemiste rekonstrueerimiseks, siis teostame arvutusi tegelikult müra, mitte info alusel: paljud kohad on muutunud juba korduvalt - sellest aga ei säilu ühtki jälge.
Pseudogeenide kiire evolutsioon on vesi NT veskile. Pseudogeenid on normaalsete geenide analoogid, mis on kaotanud oma funktsiooni. Nad võivad olla tekitatud pöördtranskriptsiooniliselt - st. vastava geeni mRNAst on mingil kombel tekkinud pöördtranskriptaasi (RNA-sõltuv DNA-polümeraas) abil jupike DNAd, mis siis on uuesti inkorporeerunud kuhugi raku DNAsse ja säilub seal. Neid pseudogeene kutsutakse protsessitud pseudogeenideks. Teine sort pseudogeene (nn. protsessimata) on mingi mutatsiooni tõttu inaktiveerunud geenid. Viimasel juhul säiluvad ka intronid - geenisisesed mittekodeerivad alad. NT jaoks on pseudogeen suurepärane näide GT olemasolust - peaks ju pseudogeen olema ideaalmolekuliks, kus LV ei peaks avaldama mingi mõju evolutsioonile. LV võiks ju töötada - kuid siis ainult negatiivses tähenduses - pseudogeenide elimineerimiseks. Aga et pseudogeene on massiliselt (mammaalidel on tihtipeale ühe normaalse geeni kohta kümmekond selle geeni erinevat pseudogeeni), siis tuleb paraku pigem järeldada, et pseudogeenidest lahtisaamiseks ei ole evolutsioonis tekkinud ühtki üldist mehhanismi. Samas vastupidine - LV tugev eelistus pseudogeenide kiireks evolutsioneerumiseks organismi kohanemuse (fitness) tõusu tõttu - see tundub olevat absurdne. Seega: pseudogeenide kiire evolutsioneerumine tuleb kirjutada GT arvele. Samas pole päris selge, kas pseudogeenide evolutsioneerumise kiirust saab samastada "vaba" GT "absoluutkiirusega". Nimelt paistab siin olevat ka mingeid, seni ebaselgetel põhjustel esinevaid piiranguid - sellest allpool.
Teine klass kiirelt evolutsioneeruvaid positsioone geenides on AH kodeerivate koodonite vaikivad positsioonid. Tänu koodi kõdumisele on suur hulk koodonite kolmandatest positsioonidest (ja mõned esimesed positsioonid) "vaikivad" - st. asendused neis ei muuda koodoni tähendust, s.o. kodeeritavat AH’t. Muide - selle fenomeni ennustas Motoo Kimura ette enne, kui osati ülepea geene sekveneerida. Samas: vaikivate positsioonide mutatsioonide sagedused eri geenides võivad olla siiski hämmastavalt erinevad.
positsioon koodonis geen AH muutev vaikiv
b 2-mikroglobuliin 1.12 11.77
albumiin 0.92 6.72
histoon H4 0.03 6.13
Ig VH 1.07 5.67
a - globiin 0.56 3.94
b - globiin 0.87 2.96
paratüroidhormoon 0.44 1.73
keskmine 0.88 4.65
Vaikivate positsioonide muutuste kiiruste erinevused nõuavad ilmselt case-by-case analüüsi. Kuid üldistuse tasemel on tänaseks hästi teda, et seda saab mõjutada eelistatud koodoni valik selles organismis, Eelistatud koodonid on selge tähendusega mõiste - 61’st mõttega koodonist tarvitatakse kõrge sagedusega vaid ca 25. Seda universaalselt - ka bakteritel. Kuid need eelistused on eri organismidel erinevad. Sama teemaga kattub nn. GC surve - s.o. on selgesti jälgitav tendents, et geene on tihedamalt genoomi GC rikastes alades - ka siit lisandub mõju koodoni tähe valikule isegi "vaikivas" positsioonis. Seetõttu võib olla ja tegelikult ka on teatav liikumisvabaduse puudus nukleotiidsete asenduste osas vaikivates positsioonides. Igal konkreetsel juhul võib esineda ka muid, hoobilt mitteselgeid takistusi - näiteks tulenevalt sekundaarse struktuuri vajalikkusest regulatsiooniks transkriptsiooni tasandil vms.
Kui aga võtta vaikivate positsioonide keskmine evolutsiooni kiirus, siis on see üpris lähedane j -geenide keskmisele kiirusele. Kuivõrd me teame, et koodoni vaikivad positsioonid alluvad ülalnimetatud põhjustel valikule, siis peame oletama, et GT kõrval on valikul ka mingi osa pseudogeenide evolutsioonis. Mis ja kuidas - pole teada, sest vaid üliharvadel juhtudel on pseudogeenidele omistatud mingi roll. Päris selge on see näiteks lindude Ig’de komplekteerimisel, kus kasutatakse diversiteedi rikastamiseks üsna originaalsel viisil ära ka pseudogeene.
Vaikivate ja koodoni omadusi mõjutavate positsioonide evolutsioonikiiruste vahe on ca 5-kordne - viimased on kiiremad. Kuidas seletada? Ilmne seletus kõlaks nii: LV on päris usinasti ametis selle nimel, et säilitada valkude primaarstruktuuri. Kas see on vastuolus NT’ga? Kindlasti mitte, kui eeldada, et spontaansed mutatsioonid on peaasjalikult kahjulikud. Ja selline eeldus on igati tõepärane.
Evolutsiooniliste muudatuste kiirused molekulides ja polümorfism (heterosügootsus).
Küsimuse võiks asetada nii: kas mol. evol. kiiruse ja polümorfismi (heterosügootsuse) taseme vahel on positiivne korrelatsioon? NT kohaselt oleks niisugune korrelatsioon loomulik, sest nii üht kui teist määrab sama - mutatsioonide sagedus. Kuid kui domineerib LV, ei pruugi korrelatsioon olla sugugi positiivne, sest LV-juhitud süsteemis peaks enamus polümorfismidest olema mingis stabiilses tasakaaluseisundis - mitte transientses liikumises, nagu GT seda suunaks. Sama argument mis varemaltki - pole ju põhjust eeldada, et suur hulk heterosügootseid süsteeme seletuksid LV’ga heterosügootsuse kasuks - pigem on see erand.
Küsimust evolutsiooni kiiruse ja polümorfismi korrelatsioonist on Kimurast alates püütud ka eksperimentaalselt selgitada. Alul viitasid tulemused "NT kasuks", nüüdne andmestik paljude geenide tasemel on heterogeenne ja koorub välja seisukoht, et reaalsus on keerulisem, kui emb-kumb: puhas NeoD (LV) või puhas NT (GT). Ja see olekski kokkuvõtteks käimasoleva NT ja NeoD debaadi kohta, kus me puudutasime alljärgnevat:
NT ja NeoD vaheline rajajoon seisneb GT ja LV osakaalu hindamises.
NT eeldab koos NeoD’ga LV toimet seal, kus on tegu kahjulike mutatsioonide elimineerimisega.
Nelja sorti katseid "tõe selgitamiseks".
Me nägime, et NT suudab, erinevalt NeoD’st, seletada talutavalt evolutsiooni suurt kiirust ilma, et geneetiline surve hävitaks populatsiooni.
Molekulaarne kell tiksub eelkõige absoluutse aja rütmis, mitte generatsiooni ajas.
NeoD’l oli "sisemisi reserve" kaitsta end NT rünnakute eest seal, kus oli vaja seletada geneetilise surve paradoksi.
NT on ideaalne seletama koodoni vaikivate positsioonide ja pseudogeenide kiiremat evolutsiooni.
NT eeldab positiivset korrelatsiooni evolutsiooni kiiruse ja polümorfismi astme vahel - siin aga on senised andmed vastuolulised.
Moraal: Neutraalne teooria on alates 70-ndatest aastatest andnud suure panuse evolutsiooniteooria arengusse. Tema suureks teeneks on suure hulga uute uurimuste genereerimine. Teisalt on konflikt NeoD ja NT vahel ka paljuski kunstlikult tuliseks aetud ning tingitud sellest, et NeoD ei soovinud anda piisavalt "väärilist" kohta loomulikule geneetilisele triivile.
JUHUSLIKUD SÜNDMUSED POPULATSIOONIS
evolbio loeng 97-13
Mingis lookuses asuvate genotüüpide sobivus (fitness) võib olla praktiliselt võrdne. Kui populatsioon on väike, allub genotüüpide sageduste muutumine juhuslikule geneetilisele triivile (random genetic drift, random drift, genetic drift, neutral drift).
Iga järgnev põlvkond on juhuvalik eelmise põlvkonna geenitiigist (gene pool). Olgu meil populatsioonis genotüübid AA, Aa ja aa nii, et A ja a sagedus on mõlemal 0.5 - seega võrdne. Olgu A ja a ühtviisi kohased e. sobivad (same fitness). Milline on nende genotüüpide sagedus järgmises põlvkonnas? Kihlveos on otstarbekas pakkuda, et sagedus on endiselt 0.5/0.5. Tegelikkuses tähendab see aga vaid, et kõige tõenäosemalt on sageduste jaotus sama, kuid võib olla ka erinev. Tähtis on siinkohal teada, et sageduste jaotus on erinev eelnevas põlvkonnas olnust seda tõenäosemalt, mida väiksem on populatsioon. See on nagu kulli-kirja viskamine: visates 2 korda, juhtub üpris sageli, et mõlemal korral on kas kull või kiri. Kui visata aga 10000 korda, siis võib üsna kindlalt eeldada, et sagedused on lähedased.
Asjaolu, et meil on kaks kromosoomi, teeb pildi hoobilt keerulisemaks. Kui me oleksime vaid homosügootsed (AA või aa), siis oleks lihtne. Et aga populatsioonis on nii homo- kui heterosügootseid (Aa) indiviide, siis on juhusel hoobilt suurem roll. Gameetide tasemel jagunevad nad enam-vähem võrdselt A ja a vahel, kuid kuna sellest gameetide hulgast kasutatakse järeltulijate jaoks vaid tühist osa, siis tõenäosus selleks, et ei säilu täpne tasakaal, on märkimisväärne. Kui urnist võtta pimesi musti ja valgeid mune ja kui neid on seal väga palju, siis esimese võtte tulemus praktiliselt ei mõjuta järgmise tulemuse tõenäosust. Kui aga vähe, siis mõjutab oluliselt.
Võrdse kohasusega (the same fitness) alleelide sagedused muutuvad ajas juhuslikult. Kui AA, Aa ja aa on kõik ühtmoodi kohased, öeldakse nende kohta, et need genotüübid on selektiivselt neutraalsed . Olgu lisatud, et selektiivne neutraalsus näib olevat üsna tavaline, nii et tegemist pole liialt kunstlike algtingimustega (kuid vt. ka pt. "kergelt kahjulikud mutatsioonid").
Kui alleelis on kaks lookust, siis võib juhuvalik mõjutada nende alleelide sagedust populatsioonis. Seda juhuvalikust tingitud muutust nimetataksegi geneetiliseks triiviks - GT (vt. sünonüümide osas ülalpool). GT omab olulist mõju juhuslikele asendustele geenides ja Hardy-Weinbergi tasakaalule.
Nagu juba öeldud, omab GT’st tingitud geenisageduste muutumise kiirusele suurt mõju populatsiooni suurus. See asjaolu on teoreetiliselt ennustatav ja samuti eksperimentaalselt korduvat kinnitust leidnud katsetes, näiteks äädikakärbse populatsioonidega (vt. illustratsioon). On eriti oluline mõista, et GT on "kumulatiivse" effektiga, seda eriti väikeses populatsioonis: kui juba ükskord (juhuslikult) tasakaal kaldub 50/50 suhtest oluliselt ära, siis suureneb tõenäosus, et see tasakaal nihkub pigem veelgi enam paigast. Ja et meil on tegemist lõplike suurustega, siis võib juhtuda ja juhtubki, et üks alleel kaob lõplikult ja pöördumatult populatsiooni geenitiigist - populatsioon muutub selle genotüübi suhtes homosügootseks. Kompuutersimulatsiooniga saadud tulemus on esitatud pildil.
Asutajaeffekt (founder effect) - AE
Juhusliku valiku erijuhuks on uue populatsiooni teke väikesest arvust asutajatest (minimaalselt üks viljastatud munarakk). Arusaadavalt sisaldub sel juhul selle uue populatsiooni geenitiigis vaid osake algse populatsiooni geenivariantidest. AE on vägagi tavaline nähtus nii inimpopulatsioonides, kui ilmselt ka kõikjal mujal. Üsna tüüpiline on ju näiteks tuua vaid näputäis mingi uue sordi seemneid, külvata nad esimesel aastal väikesele pinnale ja siis edasi juba suurele. Sama juhtub kindlasti ka looduslikult: satub väike arv asutajaid uuele vabale pinnale (inimkonna puhul näiteks alles hiljaaegu (13000 - 30 000 at) koloniseeritud Uus Maailm) ja hakkab seda täitma lastega ja lastelastega. AE teiseks tüüpiliseks tekkemehanismiks on nn. pudelikaelad populatsiooni arvukuses - mingil põhjusel hävis suurem osa populatsioonist ja säilunud väiksearvuline osa on uue kasvu juuretiseks. Kuigi pudelikael on harv sündmus, on (oli) nende esinemine ometigi ilmselt üsna regulaarne paljude inimpopulatsioonide jaoks - loodusõnnetused, taudid, sõjad jne. - mis kõik ei võinud katastroofiliselt vähendada saja - paarisaja liikmega valdavalt isoleeritud paleoliitilisi inimpopulatsioone Euraasia ja Ameerika tohututel avarustel.
Siiski tuleb rõhutada, et "absoluutse AE" - homosügootsuse - tekke tõenäosus on väga oluline vaid tõeliselt väikese asutava populatsiooni puhul. Kui see arv on juba kümme, siis on ka suhteliselt madala sagedusega alleeli sattumine uude geenitiiki: arvutus näiteks ütleb, et o.1 sagedusega alleelil on üle 80% tõenäosus sisalduda uues populatsioonis N = 10 puhul. Pigem on üpris palju enam tõenäone see, et väikese sagedusega alleel kaob ikkagi pea, kui populatsiooni arvukus ei hakka kohe (s.o. esimese kümnekonna generatsiooni jooksul) kiiresti kasvama. Ja teisalt - AE avaldub üsna sageli suure erinevusena alleelide sageduses vrld. emapopulatsiooniga. Harvad alleelid võivad olla sagedased ja vastupidi. Seda on suurepäraselt näha elust toodud näidetel. Kui buurid 1652 Kapimaale jõudsid, oli neid vaid üks leavatäis, hilisem juurdetulek küll lisas uut verd, kuid praeguste ca 2 500 000 afrikaaneri hulgas on 1 000 000 inimese juures tegu vaid 20 algse perekonnanimega! Ja ka geenide tasemel: toodi kaasa suhteliselt haruldane dominantne autosoomne geneetiline defekt porphyria variegata (barbituraatide mittetalumine), mis kuni barbituraatide kasutuselevõtuni meditsiinis ei omanud erilist tähendust - ja seega ei eksisteerinud mehhanismi selle elimineerumiseks populatsioonis. Alleel oli (arvatavasti) selektiivselt neutraalne. Nüüd on afrikaanerite hulgas ca 30 000 selle geeni kandjat - väga palju sagedamini, kui Hollandis. Ja on ka täpselt teada, et saabus see dominantne defektne alleel kahe inimese kaudu, 1685 ka 1688 aastal. Seega - kolm sajandit ehk ca 12 põlvkonda on olnud piisav, et levitada see haruldane alleel 30 000 inimesele. Ja samalaadseid näiteid võib tuua hulgem. Teadaolevalt on näiteks kõik Austraalia Huntingtoni tõve kandjad (N = 432) ühe daami ja tema 13 lapse järeltulijad. Soome on eriti kuulus oma haruldaste geneetiliste haiguste poolest - neid on seal paarkümmend - põhjuseks pakuvad nad ise kitsast pudelikaela soomlaste algpopulatsiooni tekkel/kujunemisel. Seda eriti ida-Soomes.
Hardy-Weinbergi tasakaal (HWT) ei kehti väikeste populatsioonide puhul, kus toimib GT. Suurtes populatsioonides jäävad geenide sagedused ~konstantseiks, samuti seega genotüübid - st. kehtib HWT. Väiksese populatsioonis läheb asi võnkuma. Ilma analüüsita võiks ju arvata, et need võnked tasakaalustuvad pikema ajalõigu jooksul ja HWT, kuid lähem vaatlus näitab, et see pole nii - juba ülalpool mainitud tendents mingi alleeli fikseerumiseks rikub tasakaalu pöördumatult. Seega - HWT on küll kena lähendus, kuid yuleb teada, kus ja millal teda tarvitada tohib. Homosügootsuse teket saab ennustada sealjuures kvantitatiivselt. Loobudes siinkohal tuletamisest, on võimalik näidata, et heterosügootsus väheneb kiirusega ~1/2N põlvkonna kohta.
Samas - polümorfism ei pruugi siiski kuhugile kaduda - teda taastoodetakse pidevalt uute mutatsioonide tekke läbi. Ka see on kvantitatiivselt kirjeldatav, kui me teame kiirust, millega tekivad neutraalsed mutatsioonid.
Olgu u netraalsete mutatsioonide tekkekiirus dimensioonis geeni kohta põlvkonnas (per gene per generation). Mõnede lihtsustustega on heterosügootse seisundi tasakaal H (= 1 - f, kus f on homosügootide osakaal) esimeses lähenduses:
4 Nu
H = --------------
4Nu + 1
Siit on näha, et heterosügootsuse aste sõltub nii uute mutatsioonide tekkekiirusest u, kui ka populatsiooni suurusest N. Intuitiivsed järeldused: a) väiksema populatsiooni juure püsib heterosügootsuse tasakaal madalamal tasemel; b) heterosügootsuse tasakaal püsib madalamal tasemel mutatsioonide aeglasemal tekkel.
Populatsiooni suuruse ja effektiivse populatsiooni suuruse mõisted
Nagu oli näha, on N üpris tähtis suurus, mistõttu evolutsiooniprotsesside õigeks mõistmiseks on vajalik tema märksa rangem määratlemine, kui seda võimaldab lihtsalt "peade kokkuarvamine". Madalaima taseme määratlus on tõepoolest peade kokkulugemine. See loendamine on muidugi valdavalt kahtlane tegevus. Äädikakärbeste hulka katsepuuris on muidugi võimalik hinnata enam-vähem … Korrektne on N siis, kui saab näidata, et järgmises generatsioonis on sama geeni kahekordse esinemise tõenäosus võrdne (1/2N)2.
On selge, et geenitiigi mahu antud generatsiooni jaoks moodustavad vaid parajasti reproduktiivses eas olevad isendid. Teisisõnu - reaalsed populatsioonid on segu suguküpsuse eelsetest, suguküpseist ja mõne liigi puhul ja reproduktiivsest east väljalangenud isendeist. Viimane on eelkõige tõsi inimeste puhul.
Teisalt on ju lisaks ilmne, et kui me võtame mõne suurema ja laial alal paikneva populatsiooni, siis võttes lokaalse valimi, on meil tõenäosus leida järgmises põlvkonnas mingit geeni 2x igatahes suurem, kui seda ennustaks "naiivselt" leitud N. Jne. Seetõttu on kasutusel mõiste effektiivne populatsioon - Ne. Ne on tavaliselt väiksem kui N ja tema suurust mõjutab palju tegureid. Mõned neist on ilmsed ja kergesti arvutatavad, mõnede mõju on intuitiivselt eeldatav, kuid formaliseeritud hindamine ei pruugi olla kerge. Mõjutavad:
populatsiooni vanuseline struktuur. See on siis küsimus reproduktiivses eas olevate isendite suhtest populatsiooni koguarvuga (peade hulgaga). Inimese puhul sõltub ka see suurus vägagi palju konkreetse ühiskonna arenguastmest: arenenud ühiskondades on vanade inimeste arv palju suurem, samas on teisalt alaealisi vähem. Mingi umbkaudne tõde on inimese puhul Ne=N/3
sugupoolte arvukuse suhe. Kui suhe on 50/50, siis pole probleeme, kuid kui suvalist neist on vähem, siis on Ne väiksem kui N. See sõltuvus on kvantitatiivselt kirjeldatav:
4NmNf
Ne = --------------
Nm + Nf
kus Nm ja Nf on vastavalt isaste ja emaste isendite arv; Tavaliselt on väiksem isaste arv, seda eriti polügaamsete liikide juures, olgu need siis "sotsiaalsed" imetajad, mitmed linnud, samuti liigid, kus esinevad populatsioonis spetsialiseeritud, paljunemises mitteosalevad alamhulgad (sipelgad, mesilased).
populatsiooni suuruse fluktuatsioonid: igasugu välistingimuste muutustest, kohalikest väljasuremistest, rekoloniseerimisest jne põhjustatud pudelikaelad jms. Neil põhjustel on toodud sisse veel lisaks ka termin pikaaegne effektiivse populatsiooni suurus. See suurus on sisult õige ja kvantitatiivselt muidugi lähendus. Kui on olemas mingeid andmeid fluktuatsioonide kohta, siis arvutatakse seda harmoonilise keskmisena üle paljude põlvkondade )1, 2,3,…n):
Ne = n/(1/N1 + 1/N2 + …… 1/Nn)
kus Ni on populatsiooni suurus põlvkonnas i.
kui populatsioon on reproduktiivses mõttes tegelikult jaotunud väikesteks gruppideks - N on näivalt suur, kuid kuna ei toimi teoreetiliselt eeldatav panmiksimine, on Ne taas märksa väiksem kui N.
Mõned kokkuvõtlikud järeldused
Väikestes populatsioonides võib gameetide juhuvalik panna geenisagedused triivima - seda kutsutakse geneetiliseks triiviks
Mida väiksem populatsioon, seda suurem on GT effekt
Uute alade hõivamisel on suur tõenäosus, et tütarpopulatsiooni geenisageduste jaotus erineb oluliselt emapopulatsiooni omast
GT on võimeline asendama alleele. Selle asendumise kiirus on proportsionaalne uute neutraalsete mutatsioonide tekkekiirusega
Mutatsioonide puudumisel on väikestes populatsioonides suur tõenäosus homosügootsuse tekkeks - Hardy-Weinbergy tasakaal ei kehti
Populatsioonis esinev variaabelsus (polümorfism) säilub tänu uute mutatsioonide tekkele
Populatsiooni suuruse arvutamisel tuleb püüda määrata mitte lihtsalt isendite arvu, vaid populatsiooni effektiivset suurust.