Teori ilmiah evolusi

Variasi genetik dan laju evolusi

Semakin banyak variasi genetik yang ada dalam suatu populasi, semakin besar peluang evolusi terjadi. Ketika jumlah lokus gen yang meningkat variabel dan ketika jumlah alel di setiap lokus menjadi lebih besar, kemungkinan tumbuh bahwa beberapa alel akan berubah dalam frekuensi dengan mengorbankan alternatif mereka. Ahli genetika Inggris, RA Fisher, secara matematis menunjukkan korelasi langsung antara jumlah variasi genetik dalam suatu populasi dan tingkat perubahan evolusioner melalui seleksi alam. Demonstrasi ini diwujudkan dalam teorema fundamental seleksi alam (1930): "Tingkat peningkatan kebugaran setiap organisme setiap saat sama dengan varians genetiknya dalam kebugaran pada waktu itu."

Teorema ini telah dikonfirmasi secara eksperimental. Satu penelitian menggunakan jenis Drosophila serrata yang berbeda, spesies cuka terbang dari Australia timur dan Papua. Evolusi lalat cuka dapat diselidiki dengan membiakkan mereka di “kandang populasi” yang terpisah dan mencari tahu bagaimana populasi berubah selama beberapa generasi. Populasi eksperimental dibentuk, dengan lalat hidup dan bereproduksi dalam mikrokosmos terisolasi mereka. Populasi galur tunggal dibentuk dari lalat yang dikumpulkan baik di Papua atau di Australia; selain itu, populasi campuran terbentuk dengan melintasi dua jenis lalat ini. Populasi campuran memiliki variasi genetik awal yang lebih besar, karena dimulai dengan dua populasi strain tunggal. Untuk mendorong perubahan evolusioner yang cepat, populasi dimanipulasi sedemikian rupa sehingga lalat mengalami persaingan yang ketat untuk makanan dan ruang. Adaptasi terhadap lingkungan eksperimental diukur dengan menghitung secara berkala jumlah individu dalam populasi.

Dua hasil patut diperhatikan. Pertama, populasi campuran memiliki, pada akhir percobaan, lebih banyak lalat daripada populasi strain tunggal. Kedua, dan lebih relevan, jumlah lalat meningkat lebih cepat pada populasi campuran daripada populasi strain tunggal. Adaptasi evolusioner terhadap lingkungan terjadi pada kedua tipe populasi; keduanya mampu mempertahankan jumlah yang lebih tinggi seiring dengan perkembangan generasi. Tetapi laju evolusi lebih cepat pada kelompok campuran daripada pada kelompok strain tunggal. Jumlah awal variasi genetik yang lebih besar memungkinkan laju evolusi yang lebih cepat.

Mengukur variabilitas gen

Karena potensi populasi untuk berevolusi ditentukan oleh variasi genetiknya, para evolusionis tertarik untuk menemukan sejauh mana variasi tersebut dalam populasi alami. Sudah jelas bahwa spesies tumbuhan dan hewan heterogen dalam segala hal — dalam warna bunga dan kebiasaan pertumbuhan tanaman, misalnya, atau bentuk cangkang dan pola garis-garis siput. Perbedaan lebih mudah diperhatikan di antara manusia — dalam fitur wajah, warna rambut dan kulit, tinggi, dan berat — tetapi perbedaan morfologis semacam itu terdapat pada semua kelompok organisme. Satu masalah dengan variasi morfologis adalah tidak diketahui berapa banyak disebabkan oleh faktor genetik dan berapa banyak yang dapat dihasilkan dari pengaruh lingkungan.

Peternak hewan dan tumbuhan memilih untuk percobaan mereka individu atau biji yang unggul dalam atribut yang diinginkan — dalam kandungan protein jagung (jagung), misalnya, atau produksi susu sapi. Seleksi berulang dari generasi ke generasi. Jika populasi berubah ke arah yang disukai oleh peternak, menjadi jelas bahwa stok asli memiliki variasi genetik sehubungan dengan sifat yang dipilih.

Hasil seleksi buatan sangat mengesankan. Seleksi untuk kandungan minyak tinggi dalam jagung meningkatkan kandungan minyak dari kurang dari 5 persen menjadi lebih dari 19 persen dalam 76 generasi, sementara pemilihan untuk kandungan minyak rendah menguranginya hingga di bawah 1 persen. Tiga puluh tahun seleksi untuk meningkatkan produksi telur dalam sekawanan ayam White Leghorn meningkatkan rata-rata hasil tahunan ayam dari 125,6 menjadi 249,6 telur. Seleksi buatan telah menghasilkan varietas anjing, kucing, dan kuda yang tak ada habisnya. Tumbuhan yang ditanam untuk makanan dan serat dan hewan-hewan yang dibiakkan untuk makanan dan transportasi semuanya adalah produk dari seleksi buatan kuno atau modern. Sejak akhir abad ke-20, para ilmuwan telah menggunakan teknik biologi molekuler untuk memodifikasi atau memperkenalkan gen untuk sifat-sifat yang diinginkan dalam berbagai organisme, termasuk tanaman dan hewan domestik; bidang ini telah dikenal sebagai rekayasa genetika atau teknologi DNA rekombinan. Perbaikan yang di masa lalu dicapai setelah puluhan generasi melalui seleksi buatan sekarang dapat dicapai jauh lebih efektif dan cepat (dalam satu generasi) oleh teknologi genetika molekuler.

Keberhasilan seleksi buatan untuk hampir setiap sifat dan setiap organisme di mana ia telah dicoba menunjukkan bahwa variasi genetik meresap di seluruh populasi alami. Tetapi para evolusionis suka melangkah lebih jauh dan memperoleh perkiraan kuantitatif. Hanya sejak tahun 1960-an, dengan kemajuan biologi molekuler, para ahli genetika mengembangkan metode untuk mengukur tingkat variasi genetik dalam populasi atau di antara spesies organisme. Metode ini pada dasarnya terdiri dari mengambil sampel gen dan mencari tahu berapa banyak variabel dan berapa variabel masing-masing. Salah satu cara sederhana untuk mengukur variabilitas lokus gen adalah untuk memastikan berapa proporsi individu dalam suatu populasi yang heterozigot di lokus itu. Pada individu heterozigot, dua gen untuk suatu sifat, satu diterima dari ibu dan lainnya dari ayah, berbeda. Proporsi heterozigot dalam populasi, oleh karena itu, sama dengan probabilitas bahwa dua gen yang diambil secara acak dari kumpulan gen berbeda.

Teknik untuk menentukan heterozigositas telah digunakan untuk menyelidiki berbagai spesies tanaman dan hewan. Biasanya, serangga dan invertebrata lainnya lebih bervariasi secara genetis daripada mamalia dan vertebrata lainnya, dan tanaman yang diternakkan melalui silang (bersilangan dengan galur yang relatif tidak berhubungan) menunjukkan lebih banyak variasi daripada yang dibiakkan melalui penyerbukan sendiri. Tetapi jumlah variasi genetik dalam hal apapun mencengangkan. Pertimbangkan sebagai contoh manusia, yang tingkat variasinya hampir sama dengan mamalia lain. Nilai heterozigositas manusia pada tingkat protein dinyatakan sebagai H = 0,067, yang berarti bahwa seorang individu heterozigot pada 6,7 ​​persen gennya, karena dua gen di setiap lokus menyandi protein yang sedikit berbeda. Genom manusia mengandung sekitar 20.000–25.000 gen. Ini berarti bahwa seseorang heterozigot pada tidak kurang dari 30.000 × 0,067 = 2.010 lokus gen. Seorang individu heterozigot pada satu lokus (Aa) dapat menghasilkan dua jenis sel kelamin yang berbeda, atau gamet, satu dengan setiap alel (A dan a); individu heterozigot pada dua lokus (AaBb) dapat menghasilkan empat jenis gamet (AB, Ab, aB, dan ab); heterozigot individu di n lokus berpotensi menghasilkan 2 ⁿ gamet berbeda. Oleh karena itu, individu manusia tipikal memiliki potensi untuk menghasilkan 2 ^2.010, atau sekitar 10 ⁶⁰⁵ (1 dengan 605 angka nol di bawah), berbagai jenis gamet. Angka itu jauh lebih besar dari perkiraan jumlah atom di alam semesta, sekitar 10 ⁸⁰.

Maka jelaslah bahwa setiap sel seks yang diproduksi oleh manusia secara genetik berbeda dari setiap sel seks lainnya dan, oleh karena itu, tidak ada dua orang yang pernah ada atau akan pernah ada yang cenderung identik secara genetis — dengan pengecualian identik. kembar, yang berkembang dari sel telur tunggal yang dibuahi. Kesimpulan yang sama berlaku untuk semua organisme yang bereproduksi secara seksual; setiap individu mewakili konfigurasi genetik unik yang kemungkinan tidak akan pernah terulang lagi. Waduk variasi genetik yang sangat besar ini dalam populasi alami memberikan peluang yang hampir tak terbatas untuk perubahan evolusioner dalam menanggapi kendala lingkungan dan kebutuhan organisme.

Asal usul variasi genetik: mutasi

Kehidupan berasal sekitar 3,5 miliar tahun yang lalu dalam bentuk organisme purba yang relatif sederhana dan sangat kecil. Semua makhluk hidup telah berevolusi dari awal yang rendah ini. Saat ini ada lebih dari dua juta spesies yang diketahui, yang sangat beragam dalam ukuran, bentuk, dan cara hidup, serta dalam urutan DNA yang mengandung informasi genetik mereka. Apa yang menghasilkan variasi genetis yang menyebar di dalam populasi alami dan perbedaan genetik di antara spesies? Pasti ada beberapa cara evolusi dimana sekuens DNA yang ada diubah dan sekuens baru dimasukkan ke dalam kumpulan gen spesies.

Informasi yang dikodekan dalam urutan nukleotida DNA, pada umumnya, direproduksi dengan setia selama replikasi, sehingga setiap replikasi menghasilkan dua molekul DNA yang identik satu sama lain dan dengan molekul induk. Tetapi faktor keturunan bukanlah proses konservatif yang sempurna; kalau tidak, evolusi tidak mungkin terjadi. Kadang-kadang "kesalahan," atau mutasi, terjadi dalam molekul DNA selama replikasi, sehingga sel anak berbeda dari sel induk dalam urutan atau dalam jumlah DNA. Mutasi pertama kali muncul dalam satu sel organisme, tetapi diturunkan ke semua sel yang diturunkan dari yang pertama. Mutasi dapat diklasifikasikan ke dalam dua kategori — gen, atau titik, mutasi, yang memengaruhi hanya beberapa nukleotida di dalam gen, dan mutasi kromosom, yang mengubah jumlah kromosom atau mengubah jumlah atau susunan gen pada kromosom.