laboratorio evoluzione Marcello Sala

DERIVA

[Eigen M. – Winkler R. (1975), Il gioco, Adelphi Milano 1986Luigi Luca Cavalli Sforza, L’evoluzione della cultura, Codice Torino 2004]

                                                                                                

                             

Anemia falciformemalattia ereditaria dovuta a una mutazione in un gene per l’emoglobina

eritrociti con vita dimezzataSoggetti omozigoti senza mutazione: sanisoggetti omozigoti con mutazione: gravemente malatisoggetti eterozigoti: forme più lievi di malattiaSoggetti con a.f. sono più frequenti in zone malariche:

perché?

Il Plasmodium falciparum agente della malaria non può riprodursi negli eritrociti falciformi

perché vivono troppo poco l’anemia protegge dalla malaria

Esempio di processo di selezione naturale

                                                                                                

                             

“… sono convinto che la selezione naturaleè stata la causa principale, ma non l’unica, delle modificazioni.”

C. Darwin L’origine delle specie, 1859

GIOCO A

Regole:• scacchiera 6x6 • pedine di due tipi diversi• si riempie la scacchiera di un numero uguale di pedine dei due tipi messe a caso

• a ciascuna faccia di una moneta si assegna uno dei due

tipi • si lancia la moneta• una pedina qualsiasi di quel tipo viene sostituita

con una dell’altro tipo

• il gioco finisce quando non ci sono più pedine di un tipo perché non ci può essere più “sostituzione”

Le regole riguardano i cambi di stato delle singole casellenon prevedono lo sviluppo della situazione sull’intera

scacchiera

Su computer versione più astratta eliminando la rappresentazione spaziale

Il software esegue le estrazioni a caso e, a ogni mossa, calcola le frequenze dei due tipi di pedine

che non dipendono dalla collocazione sulla scacchiera

Che cosa prevedete che succederà alle frequenze dei due tipi?

…

IL SOFTWAREsi assegna un numero progressivo a ogni pedina di un tipo poi, esaurite le n pedine di questo, a quelle dell’altro

i numeri ≤ n corrispondono al primo tipo, > n al secondo

Software: ogni volta riscrivere il numero di pedine X=18e premere [invio]

Dinamica: le frequenze “oscillano” fortemente Non apparenti tendenze: sviluppo casuale

Perché succede così?

L'aumento/diminuzione del numero di pedine di un tipo in ogni fase è indipendente dalla sua frequenza

Che cosa succede se all’inizio le frequenze dei due tipi sono diverse?

0 5 10 15 20 25 30 35

1

6

11

16

21

26

31

36

41

46

51

56

61

66

71

76

81

86

91

96m

os

se

numero pedine

Software: ogni volta scrivere il numero di pedine X≠18e premere [invio]

Stessa dinamica: le frequenze “oscillano” molto, Tanto che a volte uno dei due tipo “si estingue”

Perché succede così? Un’oscillazione forte può arrivare alla frequenza 0

GIOCO B

Regole:• scacchiera 6x6 e pedine di due tipi diversi• si riempie la scacchiera di un numero uguale (18) di pedine dei due tipi messe a caso

• si lanciano 2 dadi di due colori: uno determina l’ascissa l’altro l’ordinata della casella

• la pedina in quelle coordinate “si riproduce” cioè una pedina dello stesso tipo, presa dalla riserva, dovrà essere messa sulla scacchiera liberando un posto

• per liberare un posto si lancia la moneta: una pedina qualsiasi del tipo corrispondente viene tolta

•il gioco finisce se uno dei due tipi scompare dalla

scacchiera

Le regole riguardano i cambi di stato della singola casellanon prevedono lo sviluppo della situazione sull’intera

scacchiera

6

5

4

3

2

1

1 2 3 4 5 6

Su computer versione più astratta eliminando la rappresentazione spaziale

Il software esegue le estrazioni a caso e, a ogni mossa, calcola le frequenze dei due tipi di pedine

che non dipendono dalla collocazione sulla scacchiera

Che cosa prevedete che succederà alle frequenze dei due tipi?

Software: scrivere ogni volta il numero di pedine

(X=18)e premere [invio]

Oscillazioni meno forti ma tendenze progressive fino all’estinzione(anche rovesciando la situazione iniziale)

Perché succede così?

Pertinente la frequenza: più pedine di un tipo più probabile che vengano sorteggiate il "tasso di riproduzione" aumenta con la frequenza una differenza iniziale si amplificaL’eliminazione per far posto alla nuova pedina non bilancia questa dinamica, perché è del tipo “moneta” e quindi colpisce in modo uguale i due tipi indipendentemente dalla loro frequenza

“deriva” (Sewall Wright 1932)

Scacchiera più grande (30x30): previsioni?

Software: ogni volta scrivere il numero di pedine 400 ≤ X ≤

600 e premere [invio]

Sviluppo più “lento” ma ugualmente “deriva”

La deriva è legata

alla disparità delle frequenze

di partenza o al numero di elementi?

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600 650 700 750 800 850 900

1

6

11

16

21

26

31

36

41

46

51

56

61

66

71

76

81

86

91

96

mo

sse

numero pedine

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600 650 700 750 800 850 900

1

6

11

16

21

26

31

36

41

46

51

56

61

66

71

76

81

86

91

96

mo

sse

numero pedine

Scacchiera più piccola (4x4)

Che cosa prevedete che succederà?

Software: ogni volta scrivere il numero di pedine X=8e premere [invio]

Meno elementi dinamica più veloce la deriva dipende in modo sensibile dalla scarsità di elementi

Deriva: dinamica puramente statisticadipende solo dalle frequenzeun tipo si estingue odiventa dominante sull’altro senza alcuna causa selettiva

Cosa succede se c’è anche una pressione selettiva?

Software: ogni volta scrivere il numero di pedine, da X=18 a scendere

Selezione 2 a 1 a favore del verdeDeriva ma direzione incerta

Software: ogni volta scrivere il numero di pedine, da X=450 a scendere

Selezione 5 a 1 a favore del verde

Selezione 5 a 1 a favore del verde

Sotto una certa frequenza la pressione selettiva non riesce

a invertire la deriva sfavorevole

Tra gli indiani del SudAmerica il gruppo sanguigno 0 è dominante mentre nella popolazione dell’Asia, Europa e Africa i gruppi A, B, 0 sono in proporzioni poco diverse tra loro

perché?America colonizzatada Homo sapiensda (25.000) 18.000 anni fa popolazioni poco numerose dall’Asia orientale (stretto di BeringIsole Aleutine collegate dai ghiacci, navigazione attraverso l’Oceano)passaggi stretti e difficili “collo di bottiglia”

Migrazione in territorio “vuoto” popolazione abbastanza piccola

(gruppi di famiglie persone imparentate corredi genetici più omogenei)

distribuzione delle diverse forme di un tratto ereditario (alleli di geni)

lontana dall’equilibrio della popolazione intera:

“effetto del fondatore” Deriva il disequilibrio tende ad accentuarsi

(se la popolazione rimane isolata, non viene contrastato dall’ibridazione)

VVVLLL

Gel elettroforetico: malatodeidrogenasi (enzima ossidante) da campioni di 22 individui di Drosophila equinoxiails

perché tre tipi di polipeptidi?

L’enzima consiste di due catene che si combinanospontaneamente dopo essere state sintetizzate

Due forme varianti prodotti di due alleli: uno che migra velocemente (V) uno lentamente (L)

gli omozigoti producono solo una forma (o VV o LL) gli eterozigoti ne producono tre: VV, LL e VL

Perché esistono tre varianti dello stesso enzima nella stessa popolazione?

Ayala, Scientific American, sett. 1978

Inizio delle sequenze delle emoglobine e in alcune specieevidenziate le posizioni occupate dallo stesso AmminoAcido

Come sono possibili così estese variazioni

(mutazioni)in uno stesso enzima (= stessa funzione)?

Zuckerkandl, Scientific American, 213, p 110, 1965

Zuckerkandl, Scientific American, 213, p 110, 1965

Che cosa ci dicono questi dati?

I siti invarianti sono importanti per la struttura e la funzione del polipeptide

Le mutazioni colpiscono parti della proteina poco funzionali

11 di essi sono in uguali anche nelle mioglobine (a destra con numeri diversi)

26 siti di AA sono uguali in tutte le emoglobine note (a sinistra)

“La recente scoperta della “degenerazione” del codice, e cioè l’esistenza di due o più triplette che codificano per lo stesso aminoacido, sembra suggerire che le mutazioni neutrali potrebbero essere non così rare come si pensava. In aggiunta, alcune sostituzioni di aminoacidi in una catena polipeptidica possono avere un effetto assai scarso sull’attività biologica della proteina, rafforzando così l’idea di mutazioni neutrali o quasi.”

M. Kimura, 1968

“… per la maggior parte i geni mutanti, individuati solo con i procedimenti chimici della genetica molecolare sono neutrali di fronte alla selezione, cioè, sotto l’aspetto adattativo, non sono né più né meno vantaggiosi dei geni che sostituiscono; a livello molecolare la maggior parte dei cambiamenti evolutivi è provocata dalla deriva casuale di geni mutantiche sono equivalenti di fronte alla selezione.”

M. Kimura 1980

le mutazioni “neutrali” per la variazione fenotipica sfuggono al processo di selezione naturale

si accumulano per deriva

I tassi di evoluzione delle emoglobine sembrano essere costanti

Cosa suggerisce questo dato?

Le mutazioni neutrali costituiscono un “orologio molecolare”

(Zuckerkandl e  Pauling 1962)

Ridley, Evolution, 2004, p. 165-67

Come si possono con l’orologio molecolare misurare i tempi dell’evoluzione?

Se in uno stesso punto della catena di una proteina in specie diverse ci sono AA diversi

una mutazione è avvenuta su una delle due linee che provengono dall’antenato comune

Se le differenze si sono accumulate a ritmo costanteil numero di differenze AmminoAcidiche fra le due speciedeve essere proporzionale al tempo della loro divergenza

Perché devono essere mutazioni neutrali?

Il ritmo del loro accumulo non dipende dalla

selezione naturale (e quindi dal mutare delle condizioni ambientali)

. Ricostruzione della filogenesi delle mioglobine (Mb) e delle emoglobine (Hb) di un mollusco (Aplysia) e di alcuni vertebrati basata su una analisidelle sequenze di AmminoAcidi

I numeri lungo i ramisi riferiscono alle sostituzioni di nucleotidistimate dalle differenzedi amminoacidiI tempi di divergenza dei taxa sono basati su reperti fossili

Futuyma, Evolutionary Biology, 1986, p. 452

)

Diverse visioni del valore selettivo delle mutazioni da parte dei selezionisti (sinistra) e dei neutralisti (destra)

Coefficiente di selezione = 0: mutazioni neutrali

Le due teorie sono conflittuali e alternative?

Si tratta piuttosto di valutare caso per caso quanto la situazione è effetto della selezione naturale e quanto della deriva (molecolare o popolazionale)

Ridley, Evolution, 2006, p. 147

B Una nuova

barriera geografica

si forma nel territorio della

popolazione

e la divide

A Una parte

della popolazione attraversa

una barriera geografica

preesistente

Selezione o deriva?

Nel caso A filtro selettivo più forte ma anche deriva

Quali differenze nel processo di

speciazione?

Diversa velocità

Perché il “neutralismo” è una critica (interna) e una integrazione al darwinismo?

“Le condizioni ambientali svolgono sicuramente un ruolo decisivo nel determinare quali fenotipi vengono selezionati; Ma la selezione darwiniana, o positiva, non tiene in gran conto in che modo questi fenotipi siano determinati dai genotipi. Le leggi che governano l’evoluzione molecolare sono chiaramente diverse da quelle che governano l’evoluzione fenotipica. Anche se il principio darwiniano della selezione naturale prevale, a livello fenotipico, nel determinare l’evoluzione, al livello più basso della struttura interna del materiale genetico, una grande parte dei cambiamenti evolutivi è promossa dalla deriva casuale.  

M. Kimura, 1980

Un gruppo di 4 ♂ di cognomi A, B, C, D e 4 ♀ di cognomi E, F, G, H

migra e fonda un nuovo villaggioSi formano coppie: ♂A-♀E ♂B-♀F ♂C-♀G ♂D-♀H

Se ogni coppia genera un ♂ e una ♀quanti cognomi sono presenti nella nuova

generazione?

4 (da 8): A, B, C, D, rappresentati ciascuno da un ♂ e

una ♀

I giovani formano coppie con partner di cognome

diverso:♂A-♀B ♂B-♀C ♂C-♀D ♂D- ♀A

Se ogni coppia genera un ♂ e una ♀ quanti cognomi sono presenti nella nuova

generazione?

4: A, B, C, D, rappresentati ciascuno da un ♂ e una ♀…

I giovani formano coppie con partner di cognome diverso:

♂A-♀B ♂B-♀C ♂C-♀D ♂D- ♀A

Se la prime due coppie generano 2 ♂ e le altre generano 2 ♀

quanti cognomi sono presenti nella nuova generazione?

4: A e B rappresentati da 2 ♂, C e D da 2 ♀

I giovani formano coppie con partner di cognome

diverso:♂A-♀C ♂A-♀D ♂B-♀C ♂B- ♀D

Se ogni coppia genera un ♂ e una ♀ quanti cognomi sono presenti nella nuova

generazione?

2 (da 4): A e B rappresentati ciascuno da 2 ♂ e 2 ♀

Perché nei paesi piccoli senza immigrazione pochi cognomi?

“Estinzione” dei cognomi per effetto di deriva

I mitocondri contengono alcuni anelli DNA per un totale di solo poche decine di migliaia di nucleotidi

residuo di simbiosiNella fecondazione i mitocondri provengono tutti

dalla cellula uovo materna il DNA mitocondriale è ereditato per linea materna

Perché il DNA mitocondriale è un buon tracciante per l’evoluzione nella popolazione umana?

se la popolazione iniziale è poco numerosa, stessa

dinamica dei cognomi (estinzione per deriva), ma a favore della ♀

tendenza all’estinzione, nessuna “immigrazione”, nessuna ricombinazione riduzione della variazione bassa esposizione a selezione accumulo di mutazioni neutrali

Oggi la diversità genetica tra due boscimani è 5 volte superiore a quella tra

un europeo e un aborigeno australiano:

come si spiega?

Colori = varianti genetiche nelle

popolazioni umane

dati da analisi del DNA

mitocondriale

Con la migrazionela variazione diminuisce Se a migrare è un piccolo gruppo di individui, parte della variazionedella popolazione di partenza va persa per deriva genetica