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Selektiert die Evolution gegen die genetische Vielfalt?

Selektiert die Evolution gegen die genetische Vielfalt?


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Nur der beste Genotyp einer Art gewinnt. Es hört sich also so an, als ob die Evolution gegen die genetische Vielfalt selektiert.


TL;DR

In einer Population verringert die gerichtete Selektion die genetische Vielfalt.

Einfaches Szenario

In einer Population reduziert die direktionale Selektion die genetische Varianz (an den Loci, die selektiert werden, und anderen verknüpften Loci). Auswahl wählt für Varianten aus, die mit der höchsten Fitness verbunden sind. Daher reduziert die Selektion die Anzahl der Varianten (oder zumindest die Häufigkeit der Varianten, die mit einer geringeren Fitness verbunden sind).

Beachten Sie, dass die Selektion durch die Reduzierung der genetischen Varianz auch die Erblichkeit (Definition siehe diesen Beitrag) für das ausgewählte Merkmal reduziert.

Beachten Sie, dass Sie für eine korrekte Terminologie nicht sagen sollten, dass die Selektion auf eine geringe genetische Vielfalt „selektiert“. Selektion "selektiert nach" Varianten, die mit hoher Fitness verbunden sind, was eine Verringerung der genetischen Vielfalt bewirkt. Die Auswahl "selektiert" tatsächlich nicht nach einer bevölkerungsweiten Statistik, sondern nur nach bestimmten Varianten in der Bevölkerung, die sich auf diese bevölkerungsweiten Statistiken auswirken.

Auswahl vs. Evolution

Du sagst

Selektiert die Evolution gegen die genetische Vielfalt?

Bitte verwechseln Sie "Evolution" nicht mit "Auswahl". Neben der Selektion gibt es eine Reihe von "Treibern" der Evolution (z. B. genetische Drift, Mutation, Migration). Sowohl Selektion als auch Drift reduzieren die genetische Vielfalt, jedoch werden Mutationen und eingehende Migration sie typischerweise erhöhen.

Auswuchtauswahl

Beachten Sie auch, dass es Arten der Selektion gibt, die die genetische Varianz aufrechterhalten, wie zum Beispiel negative frequenzabhängige Selektion oder heterozygoter Vorteil. Diese Arten der Selektion, die die genetische Vielfalt erhalten, werden als ausgleichende Selektion bezeichnet.

Mehrere Populationen

Stellen Sie sich ein Szenario vor, in dem zwei Populationen in zwei verschiedenen Umgebungen vorhanden sind. Wenn es in jeder Umgebung eine gerichtete Selektion gibt, die in die entgegengesetzte Richtung geht (auch lokale Selektion genannt), wird die Selektion die genetische Diversität innerhalb der Population immer noch reduzieren, aber die genetische Diversität zwischen den Populationen erhöhen.

Definitionen der genetischen Vielfalt

Genetische Vielfalt ist ein Konzept, das in der Populations- und Evolutionsgenetik verwendet wird. Der Begriff genetische Diversität wird typischerweise als die Wahrscheinlichkeit der Nichtidentität durch den Zustand von zwei Allelen definiert. In einer einzelnen Population ist dies identisch mit der Definition der erwarteten Heterozygotie. Sei $p$ die Allelfrequenz in einer Population, die genetische Diversität $pi$ an diesem Locus in dieser Population ist definiert als $pi = 2p(1-p)$.

Weitere Informationen über diese Definitionen und ihre Beziehung zu $F_{ST}$ (einer weit verbreiteten Statistik der Bevölkerungsdivergenz) in Nei (1973) und Charlesworth (1998).

Definitionen der genetischen Varianz

Genetische Varianz ist typischerweise ein Begriff, der in der quantitativen Genetik verwendet wird. Man könnte sagen, dass die genetische Varianz durch die phänotypischen Konsequenzen der genetischen Vielfalt definiert wird. Siehe diesen Beitrag für die Definition

Der Einfachheit halber habe ich oben die Begriffe genetische Diversität und genetische Varianz korrekt verwendet, ohne jedoch hervorzuheben, dass sie unterschiedliche Definitionen haben.

Einführung in die evolutionäre Genetik

Ihre Frage ist eine sehr einführende Frage in die evolutionäre Genetik. Vielleicht interessieren Sie sich für einige Einführungsbücher (siehe den Beitrag Bücher über Populations- oder Evolutionsgenetik).


Heterozygoter Vorteil, Mehrfachpopulation, ausgleichende Selektion usw. verzögern das Problem lediglich oder zerlegen es in kleinere Teile. Es gibt keine Möglichkeit, die Tatsache zu umgehen, dass der beste Genotyp in einer Population für die überwiegende Mehrheit der Merkmale gewinnt.

Die praktische Konsequenz ist

https://www.natureworldnews.com/amp/articles/16388/20150907/endangered-species-genetic-diversity-explains-decline.htm

Einige Arten können vom Aussterben bedroht sein, wenn sie sich nicht so leicht an sich ändernde Umgebungen anpassen oder sich gegen neue Krankheiten verteidigen können. Um bedrohte und erzeugte Arten besser zu identifizieren oder einzuordnen, schlagen Forscher der Purdue University vor, die Rate des Verlustes der genetischen Vielfalt der Tiere zu verwenden.

Dies wird natürlich auf nähere Ursachen und nicht auf die Evolution zurückgeführt.


BIO-FINAL #1

Option A: Die Batterien sind leer oder die Glühbirne ist durchgebrannt.

Option B: Durch das Ersetzen der Batterien funktioniert die Taschenlampe.

Option C: Die Batterien sind leer.

Option A: Die Entwicklung ist immer zufällig.

Option B: Evolution ist immer gerichtet.

Option C: Mutationen sind gerichtet, aber die Auswahl ist zufällig.

Option A: Überleben der Ressourcenkonkurrenz.

Option B: Ökologische Abfolge dominanter Individuen.

Option C: Überleben des Stärkeren.

Option B: natürliche Selektion

Option B: Überbleibselstrukturen

Option C : vergleichende Embryologie

Option A: eine starke Hypothese.

Option B: nicht im Fossilienbestand zu sehen.

Option C: gestützt durch alle bisher untersuchten wissenschaftlichen Beweise.

Option A: Es zeigt nicht an, wie viele Beweise gegen die Evolution sind

Option B: Es ist keine Theorie, es ist eine Hypothese

Option C: Das Wort Theorie in der Wissenschaft unterscheidet sich stark von der Verwendung außerhalb der Wissenschaft

Option A: Beides führt zu einer genetischen Drift, die die Variation in der Population verringert.

Option B: Beide führen aufgrund extremer Bedingungen zu genetischer Variation.

Option C: Beide führen zu einer erhöhten Mutationsrate in der Population.

Option A: sind in der Regel genetisch weniger vielfältig als die ursprüngliche Population.

Option B: sind normalerweise fitter in der neuen Umgebung.

Option C: sind widerstandsfähiger gegen natürliche Selektion.

Option A: nicht zufällige Paarung.

Option C: verringerte Variabilität.

Option A: Umgebung und erworbene Merkmale wirken sich nicht auf Populationen aus, sondern nur auf Individuen

Option B: Nur die erbliche Variation bestimmt die Fitness eines Organismus

Option C: Die natürliche Selektion kann nicht allein auf die erbliche Variation wirken, sie braucht erworbene Eigenschaften

Option A: Die schlechten Allele würden schließlich alle verschwinden

Option B: Einige schlechte Allele müssten bleiben, um eine Überbevölkerung zu verhindern

Option C: Natürliche Mutationen würden auf einem konstanten, niedrigen Niveau stattfinden

Option A: Umwelterblichkeit.

Option C: stabilisierende Polymorphismen.

Option A: Populationsgenetik.

Option A: horizontaler Gentransfer

Option B: Eukaryonten-erste Hypothese

Option A: die Eukaryonten-erste Hypothese.

Option B: das Ursprungsproblem.

Option C: die Endosymbiontentheorie.

Option A: kann unterschiedlich zusammengestellt werden, je nachdem welche Merkmale untersucht werden.

Option B: bestimmt, wo bestimmte Fossilien im Fossilienbestand zu finden sind.

Option C: gibt den Beitrag der konvergenten Evolution an.

Option A: Molekulare Systematik

Option C: vergleichende Anatomie

Option A: Homologe Strukturen.

Option B: analoge Strukturen.

Option C: Überbleibselstrukturen.

Option A: Homologe Strukturen.

Option B: analoge Strukturen.

Option C: Überbleibselstrukturen.

Option A: Der Fossilienbestand zeigt Unterschiede auf

Option B: Sie tun in jedem untersuchten Organismus genau das Gleiche

Option C: kann unterschiedliche Funktionen haben, basiert aber auf der gleichen Grundstruktur

Option D: aufgrund gängiger Kladistik

Option A: haben keine Gemeinsamkeiten mit ihren Vorfahren.

Option B: keine genetischen Informationen an ihre Nachkommen weitergeben.

Option C: Einige Funktionen teilen mit ihren Vorfahren.

Option A: primärer Vorfahre

Option B: universeller Vorfahr

Option C: abweichender Vorfahr

Option D: Homo sapiens (kursiv)

Option A: taxonomische Auflistung.

Option B: Nebenabzweigung.

Option C: Stammbaum.

Option C: durch Ionenkanäle

Option D: Rezeptor-vermittelte Endozytose

Option B: doppelsträngige oder einzelsträngige Nukleinsäuren

Option C: lineares oder zirkuläres Genom

Option D: einzelnes Nukleinsäuremolekül oder in mehrere Moleküle segmentiert


Was ist der genetische Beweis für die menschliche Evolution?

In den letzten Jahrzehnten ist unser Verständnis der Genetik dramatisch gewachsen und liefert überwältigende Beweise dafür, dass Menschen mit allem Leben auf der Erde gemeinsame Vorfahren haben. Hier sind einige der wichtigsten Arten von genetischen Beweisen für gemeinsame Vorfahren.

1. Genetische Vielfalt. Menschliche Kinder erben 3 Milliarden Basenpaare DNA von jedem Elternteil, aber sie sind kein exaktes Duplikat. Die Veränderungsrate wurde auf durchschnittlich 70 Basen (von unseren insgesamt 6 Milliarden) pro Generation genau gemessen. Wenn wir also im Stammbaum zurückgehen, gibt es immer mehr genetische Unterschiede zwischen uns und unseren Vorfahren. Zum Beispiel gibt es ungefähr 140 Unterschiede zwischen Ihrer DNA und der Ihrer vier Großeltern und 210 Unterschiede zwischen Ihnen und Ihren acht Urgroßeltern und so weiter. Dies ermöglicht es uns, aus der Menge der genetischen Vielfalt zwischen zwei Arten eine Vorhersage über die Zeit zu machen, seit deren gemeinsame Vorfahrenpopulation gelebt hat. Anhand nicht-genetischer Beweise wurde geschätzt, dass der gemeinsame Vorfahr von Mensch und Schimpanse vor etwa 6 Millionen Jahren gelebt hat. Die Berechnung aus genetischen Unterschieden ergibt einen Wert, der dem Schätzwert bemerkenswert nahe kommt.

2. Genetische „Narben“. So wie Narben als Erinnerung an vergangene Ereignisse auf unserem Körper bleiben, enthält der DNA-Code „Narben“ und diese werden von Generation zu Generation weitergegeben. DNA-Narben entstehen durch Deletion oder Insertion eines Basenblocks (nicht nur einzelne Basenwechsel wie im vorherigen Abschnitt). Da wir viele davon haben (Hunderttausende) und sie genau lokalisiert werden können, dienen sie als historische Aufzeichnungen von Arten. Wenn wir die gleiche Narbe wie Schimpansen und Orang-Utans haben, muss die Deletion oder Insertion stattgefunden haben, bevor diese Arten in separate Populationen zerfielen. Wenn wir und Schimpansen eine bestimmte Narbe haben, Orang-Utans jedoch nicht, können wir schlussfolgern, dass die Deletion oder Insertion nach der Trennung des gemeinsamen Vorfahren von Schimpansen und Menschen von unserem gemeinsamen Vorfahren mit Orang-Utans erfolgt sein muss. Auf diese Weise können wir einen detaillierten Stammbaum der gemeinsamen Vorfahren erstellen.

3. Genetische Synonyme. In einem bestimmten Kontext bedeuten die Wörter „rund“ und „rund“ für einen Englischsprecher dasselbe – sie sind Synonyme. Auch im genetischen Code gibt es „Synonyme“ – unterschiedliche Sequenzen von DNA-Basen, die für Zellen das Gleiche bedeuten (dh sie bewirken die Produktion der gleichen Proteine). Mutationen im genetischen Code sind oft schädlich und führen dazu, dass sich ein Organismus nicht erfolgreich vermehren kann. Führt die Mutation jedoch zu einem „Synonym“, würde der Organismus genauso funktionieren und seine Gene weitervererben. Aus diesem Grund würden wir erwarten, dass die synonymen Änderungen viel effektiver weitergegeben werden als nicht-synonyme Änderungen. Genau das finden wir in der DNA von Mensch und Schimpanse: Es gibt viel mehr synonyme Unterschiede zwischen den beiden Arten als nicht-synonyme. Dies ist genau das, was wir erwarten würden, wenn die beiden Arten einen gemeinsamen Vorfahren hätten, und so liefert es einen weiteren Beweis dafür, dass Menschen und Schimpansen durch gemeinsame Abstammung von einer einzigen Vorfahrenart geschaffen wurden.

Je mehr Forschungen an der DNA betrieben werden, desto mehr Beweise finden wir, dass alles Leben verwandt ist.

Zuletzt aktualisiert am 11. März 2019

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Konflikt in der vermeintlichen Korrelation zwischen Genomduplikation und der Evolution von Komplexität und Diversität

Wurden diese Genomduplikationen von dramatischen Sprüngen im Artenreichtum begleitet? Ein kausaler Zusammenhang zwischen einem spezifischen Genom-Duplikationsereignis und einer erhöhten Artenvielfalt bleibt unklar (Otto und Whitton 2000 Wendel 2000 Donoghue und Purnell 2005). Bei Pflanzen trat ein uraltes Ereignis der Duplikation des gesamten Genoms vor der Divergenz von Arabidopsis und andere Dikotyledonen (Ku et al. 2000 Bowers et al. 2003), vermutlich vor der Bestrahlung von Kerneudikotylen – der vielfältigsten Gruppe von Angiospermen. Allerdings verschleiert die ausgedehnte genomische Expansion und Kontraktion in Pflanzen aufgrund häufiger Gen(om)e-Duplikationen und der anschließende Genverlust die Signatur einzelner Duplikationsereignisse (Blanc und Wolfe 2004 .).ein) und erschwert daher die Erkennung von Korrelationen zwischen bestimmten Ereignissen und einer erhöhten Diversität. Alternativ gibt es Hinweise aus einer gut untersuchten Genfamilie, den MADS-Box-Genen, die darauf hindeuten, dass umfangreiche Genduplikation und anschließende Modifikation in verschiedenen Abstammungslinien zu diversifizierten Proteinfunktionen geführt haben (Irish und Litt 2005) und mit der Entwicklung in Verbindung gebracht werden neuer Blütenmorphologien bei Angiospermen (Irisch 2003).

Bei Wirbeltieren lag ein Hauptaugenmerk beim Verständnis der Evolution von Komplexität und Diversität auf der Aufklärung der Ursachen und Auswirkungen der zunehmenden Anzahl und Konservierung von Hox-Clustern in der gesamten Chordate-Phylogenie. Es ist allgemein anerkannt, dass die Duplikation des Hox-Genclusters das Ergebnis von Duplikationen des gesamten Genoms ist, bevor die Ursprünge von Wirbeltieren, Gnathostomen und Knochenfischen entstanden sind (Meyer und Schartl 1999). Eine enge Korrelation zwischen Hox-Cluster-Duplikation und der Entwicklung von Komplexität und Diversität ist jedoch nicht ersichtlich. Erstens weisen Wirbellose eine größere Vielfalt an Körperbauplänen und eine weitaus größere Artenvielfalt auf als jede Wirbeltiergruppe, weisen jedoch höchstens einen einzigen Hox-Cluster auf (Carroll 1995). Sarcopterygier weisen eine größere Komplexität und Diversität auf als Knorpelfische, dennoch weisen beide Gruppen die gleiche Anzahl von Hox-Clustern auf (Robinson-Rechavi, Boussau und Laudet 2004).

Eines der populärsten Beispiele für eine mutmaßliche Korrelation zwischen Genomduplikation und erhöhter Diversität ist der Vorschlag, dass eine erhöhte genomische Komplexität von Strahlenflossern aufgrund mehrerer Runden der Genomduplikation zu ihrem evolutionären Erfolg und ihrer Diversität beigetragen hat ( Meyer und Schartl 1999 Zhou, Cheng und Tiersch 2001). Kürzlich wurde gezeigt, dass die „fischspezifische“ Hox-Cluster-Duplikation spezifisch für Knochenfische ist (Crow et al. 2005), und diese Ganzgenom-Duplikation wird durch zahlreiche Studien anderer paraloger Gene gestützt (zB Hoegg et al. 2004 .). ). Teleosten sind die vielfältigste Gruppe von Wirbeltieren – sie umfassen die Hälfte aller Wirbeltierarten (über 23.000 Arten, Nelson 1994). Nach allen Berichten gelten Teleosts als eine sehr erfolgreiche und vielfältige Gruppe. Die basalste Gruppe der Knochenfische, die Osteoglossomorpha, ist jedoch nicht durch eine Explosion des Artenreichtums gekennzeichnet (217 Arten, Nelson 1994), und die Mehrheit der mit Knochenfischen verbundenen Artenvielfalt wird in zwei Gruppen abgesondert, den Ostariophysi (6.508 Arten) und die Perciformes (9.293 Arten), die lange nach der Genomduplikation an der Wurzel der Knochenfische entstanden. Es sollte jedoch beachtet werden, dass in Linien innerhalb der Ostariophysi mehrere unabhängige Genomduplikationen entdeckt wurden (Le Comber und Smith 2004). Teleosten gehören zu einer Gruppe von Fischen, die Actinopterygier genannt werden, und tatsächlich sind basale Actinopterygier, einschließlich Bichir, Stör und Paddelfisch, Gars und Bowfin, relativ artenarm. Zusammen machen sie weniger als 1% der existierenden Aktinopterygier aus. Daher scheint es eine Zunahme der Artenvielfalt bei Knochenfischen zu geben. Donoghue und Purnell (2005) haben jedoch argumentiert, dass ausgestorbene basale aktinopterygische Abstammungslinien eine Vielfalt aufweisen, die in Hypothesen zur Genomduplikation und -diversität nicht berücksichtigt wurde, und dass eine erhöhte Komplexität des Körperplans nicht mit Knochenfischen verbunden ist, wenn ausgestorbene Formen berücksichtigt werden. Daher bieten paläontologische Daten keine Unterstützung für eine enge Korrelation zwischen Genomduplikationen und erhöhter Komplexität oder Artenvielfalt (Donoghue und Purnell 2005). Diese Beobachtung ist beunruhigend. Daher schlagen wir eine Hypothese vor, die mit Beobachtungen von Diversität und Komplexität in Bezug auf Genomduplikationen übereinstimmt, die bisher nicht vorgeschlagen wurden.


Zunehmend fragmentierte Tigerpopulationen erfordern möglicherweise eine „genetische Rettung“

Obwohl es sich um eine der charismatischsten Arten der Welt handelt, sehen Tiger vor allem aufgrund der Fragmentierung von Lebensräumen, Konflikten zwischen Mensch und Wildtieren und Wilderei einer ungewissen Zukunft entgegen. Mit dem Rückgang der weltweiten Tigerpopulationen nimmt auch ihre genetische Vielfalt ab. Doch wie sich die schwindende Zahl der Tiere auf genetischer Ebene auf sie auswirkt, war bisher unklar.

Um das herauszufinden, sequenzierten Forscher der Stanford University, des National Center for Biological Sciences, Indien, und verschiedener zoologischer Parks und NGOs 65 Genome von vier der überlebenden Tigerunterarten. Ihre Ergebnisse bestätigten, dass zwischen verschiedenen Tigerunterarten starke genetische Unterschiede bestehen, zeigten jedoch überraschenderweise, dass diese Unterschiede erst vor relativ kurzer Zeit auftraten, als die Erde eine große Klimaverschiebung durchmachte und unsere eigene Spezies zunehmend dominant wurde.

Die Forschung, detailliert in einem neuen Artikel, der diese Woche in der Zeitschrift veröffentlicht wurde Molekularbiologie und Evolution, zeigt, wie die Genomik dazu beitragen kann, Schutzbemühungen für wilde Tiger und andere Arten zu lenken, sagte die Co-Leiterin der Studie, Elizabeth Hadly, Professorin für Umweltbiologie von Paul S. und Billie Achilles an der School of Humanities and Sciences.

"Die zunehmende Dominanz des Menschen auf der ganzen Welt bedeutet, dass unser Verständnis darüber, welche Eigenschaften von Arten und Populationen am besten für das Anthropozän geeignet sind, immer wichtiger wird", sagte Hadly mit Blick auf die vorgeschlagene geologische Epoche, die von erheblichen menschlichen Auswirkungen auf die Umwelt geprägt ist.

„Einige Populationen sind gut an eine von Menschen dominierte Zukunft angepasst und unser neues Klima und andere nicht am Stanford Woods Institute for the Environment. "Erhaltungsgenomik ist bei weitem keine perfekte Wissenschaft, aber diese Tigerstudie weist auf die Leistungsfähigkeit einer angemessenen Probenahme sowohl über das Artenspektrum als auch auf das Genom hin."

Die Studie zeigt, dass die existierenden Tiger-Unterarten der Welt erst vor etwa 20.000 Jahren Anzeichen dramatischer und neuer Kontraktionen aufwiesen – eine Zeit, die sowohl mit dem globalen Übergang aus der pleistozänen Eiszeit als auch mit dem Aufstieg der menschlichen Dominanz in Asien zusammenfiel. Jede Unterart des Tigers, die das Team untersuchte, zeigte als Folge ihrer zunehmenden Isolation voneinander einzigartige genomische Signaturen.

Beispielsweise wurde bei den sibirischen (oder Amur-) Tigern, den nördlichsten Tigern im russischen Fernen Osten, eine lokale genomische Anpassung der Umwelt an kalte Temperaturen festgestellt. Diese Anpassungen fehlten in den anderen untersuchten Tiger-Subpopulationen. Tiger aus Sumatra zeigten unterdessen Hinweise auf Anpassungen bei der Körpergrößenregulierung, die ihre insgesamt geringere Größe erklären könnten. Trotz dieser Anpassungen weisen Tiger aus diesen Populationen eine geringe genetische Vielfalt auf, was darauf hindeutet, dass bei einem weiteren Rückgang der Populationen möglicherweise eine genetische Rettung in Betracht gezogen werden muss.

Eine Form der Rettung könnte die gemeinsame Paarung verschiedener Tigerunterarten sein, um ihre genetische Vielfalt zu erhöhen und sich vor den schädlichen Auswirkungen von Inzucht zu schützen. Inzucht tritt auf, wenn Populationen so klein und von anderen Populationen isoliert sind, dass verwandte Individuen miteinander brüten. Im Laufe der Zeit führt dies zu einer geringeren genomischen Vielfalt und zum Auftreten von rezessiven Krankheiten, körperlichen Missbildungen und Fruchtbarkeitsproblemen, die oft zu einem Rückgang des Verhaltens, der Gesundheit und der Bevölkerung führen. Obwohl die Erhöhung der genetischen Vielfalt ein Ziel ist, könnte ein anderes darin bestehen, nach vererbten Merkmalen zu selektieren, die ein höheres Überleben in einer sich verändernden Welt verleihen.

Sogar bengalische Tiger aus Indien, die etwa 70 Prozent der wilden Tiger der Welt ausmachen und im Vergleich zu anderen Unterarten eine relativ hohe genomische Vielfalt aufweisen, zeigten bei einigen Populationen Anzeichen von Inzucht, so die Studie.

"Einige bengalische Tigerpopulationen sind im Wesentlichen kleine Inseln, die von einem unwirtlichen Meer der Menschheit umgeben sind. Diese Tiger können sich nicht zerstreuen und haben daher nur ihre nahen Verwandten zur Auswahl", sagte Hadly.

Während viele Studien gefährdete Arten unter Verwendung von Genomsequenzen von einem einzelnen oder nur wenigen Individuen untersuchen, wiederholt diese Arbeit, dass Individuen wahrscheinlich nicht repräsentativ für eine Population oder einen Artstatus sind. Es sind weitere Arbeiten erforderlich, um die Folgen einer möglichen Inzucht und eines Rückgangs der Vielfalt bei den Unterarten zu untersuchen.

"Da die Genomik für den Naturschutz verfügbar geworden ist, ist es offensichtlich, dass gemeinsame Studien zur Untersuchung der Vielfalt innerhalb von Arten von entscheidender Bedeutung sind", sagte Ellie Armstrong, Erstautorin der Studie, eine Doktorandin in Stanford in Hadlys Labor. "Rückschlüsse aus einzelnen Genomen sind zwar hervorragende Ergänzungen zu unserem Wissen über die Vielfalt im Allgemeinen, können jedoch nicht auf ganze Arten übertragen werden, insbesondere wenn in Gefangenschaft gehaltene Tiere verwendet werden, um auf die Anpassung an komplexe Lebensraumveränderungen zu schließen."


Natürliche Selektion ist der einzige Mechanismus der Evolution

Ragnar Schmuck/Getty Images

Obwohl die natürliche Selektion die größte treibende Kraft der Evolution ist, ist sie nicht der einzige Mechanismus dafür, wie Evolution abläuft. Der Mensch ist ungeduldig und die Evolution durch natürliche Auslese dauert extrem lange. Auch scheinen sich die Menschen teilweise nicht darauf zu verlassen, der Natur ihren Lauf zu lassen.

Hier kommt die künstliche Selektion ins Spiel. Künstliche Selektion ist eine menschliche Aktivität, die darauf abzielt, die Eigenschaften auszuwählen, die für eine Art wünschenswert sind, sei es die Farbe der Blumen oder die Hunderasse. Nicht nur die Natur kann entscheiden, was eine günstige Eigenschaft ist und was nicht. Die menschliche Beteiligung und künstliche Selektion dienen meist der Ästhetik, können aber auch für die Landwirtschaft und andere wichtige Mittel verwendet werden.


Entwickelt sich der Mensch noch?

Ein Großteil der Schönheit des Evolutionskonzepts liegt in seiner eleganten Einfachheit. Nach Charles Darwins großer Theorie können sich die Eigenschaften von Populationen oder Arten im Laufe der Zeit ändern, wenn vererbbare Variationen vorhanden sind und wenn es Unterschiede im Fortpflanzungserfolg oder in den Überlebensraten gibt. Daher wird sich die Häufigkeit vererbbarer Merkmale als Reaktion auf Umweltbelastungen von einer Generation zur nächsten ändern, und es findet eine Evolution durch natürliche Auslese statt.

…Menschen weisen eine größere genetische Einheit auf als die meisten anderen Spezies, was viele zu der Annahme veranlasst hat, dass die menschliche Evolution mit der Entstehung des modernen Menschen endete

Die moderne Evolutionstheorie, die auf einer Vielzahl von unterstützenden Beweisen aus verschiedenen wissenschaftlichen Bereichen aufgebaut ist, ist heute weithin akzeptiert. Im sozialen Kontext war es jedoch weitaus umstrittener, insbesondere wenn es auf unsere eigene Spezies angewendet wird. Als Darwin veröffentlichte Zur Entstehung der Arten 1859 war er sich bewusst, dass die Anwendung des Konzepts der natürlichen Auslese auf den Menschen in einem religiösen Europa zu Kontroversen führen würde, und erwähnte daher nur kurz, dass “[i]in ferner Zukunft offene Felder für weit wichtigere Forschungen …] Licht wird auf den Ursprung des Menschen und seine Geschichte geworfen” (Darwin, 1859). Er wartete weitere 12 Jahre, um das Thema der menschlichen Evolution in Die Abstammung des Menschen (Darwin, 1871), in dem er feststellte, dass der Mensch sowohl einen einzigartigen Platz in der Natur hat als auch Teil der natürlichen Welt ist, so dass der Mensch mit einem “gottähnlichen Intellekt, der in die Bewegungen und die Konstitution des Sonnensystems eingedrungen ist System […] trägt noch immer in seinem Körper den unauslöschlichen Stempel seiner niederen Herkunft” (Darwin, 1871).

Die Evolutionstheorie wurde seitdem auf verschiedene Weise auf das Verständnis der menschlichen Variation angewendet. Die berüchtigtsten Verwendungen der Evolutionstheorie, die bis in die erste Hälfte des letzten Jahrhunderts am häufigsten vorkamen, benutzten sie, um soziale Vorurteile und Rassismus zu rechtfertigen. Die biologische Anthropologie und das Studium der menschlichen Vielfalt waren jedoch von zentraler Bedeutung für die Dekonstruktion des Mythos der „Rassen“. Biologische Merkmale sind übliche Komponenten dafür, wie Menschen Rassen sozial definieren. Menschliche Bevölkerungen weisen Variationen in Merkmalen wie Statur, Haar- und Hautfarbe auf, die mit den Umweltbedingungen korrespondieren. Diese Variation kann verwendet werden, um Trends in der Populationsstruktur und -geschichte unserer Arten sowie Muster der Umweltanpassung zu identifizieren. Es gibt jedoch keine wissenschaftliche Grundlage für die Unterteilung der menschlichen Spezies in einzigartige biologische Untergruppen, die Bandbreite der beobachtbaren Variationen dieser Merkmale ist kontinuierlich. Dies hat zu einer weit verbreiteten Annahme in der wissenschaftlichen Gemeinschaft geführt, dass es keine konsistente biologische Grundlage für die Identifizierung einzelner Rassen innerhalb unserer Spezies gibt (American Association of Physical Anthropologists, 1996).

Genetische, fossile und archäologische Beweise haben nun gezeigt, dass alle Menschen einen gemeinsamen Vorfahren haben, der vor etwa 200.000 Jahren in Ostafrika lebte. Infolgedessen weist der Mensch eine größere genetische Einheit auf als die meisten anderen Arten, was viele zu der Annahme veranlasst hat, dass die menschliche Evolution mit der Entstehung des modernen Menschen endete. Die Vielfalt, die wir innerhalb unserer Spezies sehen, muss jedoch noch erklärt werden. Ist Evolution immer noch ein Faktor, der die menschliche Variation antreibt? Gibt es Beweise dafür, dass die natürliche Selektion auf unsere Spezies einwirkt? Ist die menschliche Variation eher das Ergebnis zufälliger Prozesse wie genetischer Drift als der natürlichen Auslese? In den letzten zehn Jahren ist das Interesse an der Beantwortung dieser Fragen und dem Verständnis, ob und wie die Evolution unsere Spezies beeinflusst hat, gewachsen. Diese Forschung geht über die Wertschätzung biologischer Eigenschaften hinaus und versucht stattdessen, die zugrunde liegenden adaptiven und biologischen Mechanismen zu verstehen, die die Vielfalt kontrollieren.

�r Mensch wurde als eine Spezies angesehen, die so abhängig von Kultur und Technologie ist, dass kulturelle Anpassung die biologische Anpassung ersetzt hat

Berichte in den Medien und populären Schriften von Akademikern behaupten häufig, dass die Evolution für den Menschen nicht mehr relevant ist und dass wir als Spezies heute zum Überleben auf Kultur und Technologie angewiesen sind und nicht mehr auf die zufälligen Mechanismen der Variation und Selektion (Dyson, 2007 Bezirk, 2001). Der Kulturbegriff steht im Zentrum dieser Argumentation. Kultur wird oft als menschliche Errungenschaften definiert —künstlerischer Ausdruck, Wissenschaft, Technologie, Moral und Gesetze, zum Beispiel —, aber es kann einfacher definiert werden als geteiltes, erlerntes soziales Verhalten oder ein nicht-biologisches Mittel der Anpassung, das über den Körper hinausgeht ( Weiß, 1959). In dieser Hinsicht wurde der Mensch als eine Spezies betrachtet, die so stark von Kultur und Technologie abhängig ist, dass kulturelle Anpassung die biologische Anpassung ersetzt hat. In den letzten 12.000 Jahren haben die Menschen zunehmend Kultur und Technologie genutzt, die auf Landwirtschaft und Tierdomestikation aufgebaut ist, um die natürliche Umwelt zu kontrollieren und zu verändern. Daher spielt die Kultur eine wichtige Rolle beim Verständnis, ob die Evolution die Biologie unserer Spezies immer noch beeinflusst.

Anpassung ist im einfachsten Sinne ein Mechanismus, der es Organismen ermöglicht, die Belastungen ihrer Umwelt zu vermitteln, um Überleben und Fortpflanzung zu gewährleisten. Wir denken oft, dass Anpassung durch direkte genetische Veränderungen als Reaktion auf Umweltstress stattfindet. Viele Tierarten sind jedoch in der Lage, Umweltstress einfach dadurch zu bewältigen, dass sie ihr Verhalten als Reaktion auf die Umweltbedingungen ändern, ohne dass auf genetische Anpassung zurückgegriffen werden muss. Dies können so einfache Änderungen wie der Umzug in ein anderes Gebiet, die Änderung der jährlichen oder täglichen Aktivitäten oder die Änderung von Strategien für die Lebensmittelbeschaffung sein.

Wenn die Verhaltensflexibilität Umweltstress nicht ausgleichen kann, verfügen Tiere auch über eine Reihe physiologischer Mechanismen, die ihnen helfen, ohne genetische Anpassung wieder zu reagieren. Beispiele sind adaptive Veränderungen der Herzfrequenz, der Atmung und der Ansammlung von Körperfett. In Kombination bilden Verhaltens- und physiologische Flexibilität eine zweistufige Abwehr gegen Umweltstress (Abb. 1). Diese Mechanismen könnten mit der Regulation von Genen verbunden sein, ihre Variabilität könnte jedoch durch Umweltbedingungen ohne Veränderungen der Genfrequenz vermittelt werden. Wenn diese Abwehrmechanismen versagen oder nur teilweise gegen Umweltstress puffern, können die Überlebens- oder Reproduktionsraten variieren. In diesem Fall treten im Laufe der Zeit Veränderungen der Genfrequenzen auf und es findet eine Evolution statt.

Modell der Beziehung zwischen Umwelt und menschlicher Anpassung.

Wie passt der Mensch in dieses zweistufige Abwehrsystem gegen Umweltstress? Am wichtigsten ist, dass wir eine weitgehende Abhängigkeit von Kultur und Technologie entwickelt haben, die es uns ermöglicht hat, die extremsten Umgebungen weltweit zu bevölkern. Es gibt auch Hinweise darauf, dass andere komplexe soziale Arten wie Schimpansen eine kulturelle Variabilität aufweisen, die für ihr Überleben wichtig ist (McGrew, 2004). Unsere Abhängigkeit von der Technologie kann jedoch in unserer Fähigkeit zum kumulativen kulturellen Wandel als anders angesehen werden als bei anderen Arten, der ein größeres Potenzial bietet, den Menschen aus einer direkten Beziehung zur natürlichen Welt zu entfernen.

In Kombination bilden Verhaltens- und physiologische Flexibilität eine zweistufige Verteidigung gegen Umweltstress

Der früheste direkte Beweis für diesen Trend könnte der erste Einsatz von Feuer vor etwa 700.000 Jahren gewesen sein, der wahrscheinlich die frühe menschliche Spezies ermöglichte Homo heidelbergensis sich in nördliche Breiten auszubreiten und zu besetzen. Aus dem Fossilienbestand wissen wir, dass anatomisch moderne Menschen, Homo sapiens, entstand vor 150.000 bis 200.000 Jahren in Afrika, wanderte aber erst vor 50.000 bis 70.000 Jahren in andere Teile der Welt aus. Beweise für das, was wir als „modernes menschliches Verhalten“ bezeichnen können, finden sich in den archäologischen Aufzeichnungen über einen langen Zeitraum, von 300.000 bis 50.000 Jahren. Erst als die frühen Menschen ein komplettes Verhaltensspektrum entwickelt hatten, das wir als „modern“ betrachten, einschließlich künstlerischer Ausdrucksformen und Symbolik, besiedelten sie alle bewohnbaren Regionen der Welt.

Kultur und Technologie waren eindeutig entscheidend für die erfolgreiche Besiedlung der Welt durch unsere Spezies. Sie ermöglichten es uns, die meisten Regionen des Planeten durch den Einsatz von Feuer, Unterkünften, Wasserfahrzeugen, vielseitigen Werkzeugen und Kognition zu besetzen, was unsere Fähigkeit, in deutlich unterschiedlichen Umgebungen zu jagen und nach Nahrung zu suchen, enorm verbesserte und dabei mehr besetzen konnte Umweltnischen als die meisten anderen Arten.

Seit den Anfängen der Landwirtschaft hat der technologische Fortschritt exponentiell zugenommen. Die Landwirtschaft ist in den letzten 12.000 Jahren in verschiedenen Teilen der Welt unabhängig entstanden, und der Überschuss an Nahrungsmitteln, der aus der Landwirtschaft resultiert, hat es den Menschen ermöglicht, sich auf verschiedene Aufgaben zu spezialisieren und hat mehr Raum für Innovation und kulturelle Weitergabe geschaffen. Die technologischen Errungenschaften unserer heutigen und industrialisierten Gesellschaft beruhen immer noch auf unserem landwirtschaftlichen Produktionssystem und der effektiven Verteilung der Nahrungsressourcen. Diese Technologien wiederum ermöglichen es uns, unsere Umwelt so effektiv zu verändern, dass viele argumentiert haben, dass wir unsere Spezies aus der Natur entfernt haben. Die Genfrequenzen können sich im Laufe der Zeit durch zufällige Faktoren wie genetische Drift ändern, aber wenn unsere Kultur uns effektiv von Umweltstress befreit, findet keine natürliche Selektion mehr statt. Es ist jedoch wichtig, sich daran zu erinnern, dass unsere Fähigkeit, sich an Umweltbelastungen anzupassen, von der Verfügbarkeit und Verteilung von Ressourcen und Energie abhängt.

In Bezug auf die zweite Stufe der Umweltpufferung gibt es Hinweise darauf, dass Menschen physiologische Eigenschaften haben, die es ihnen ermöglichen, sich effizient an unterschiedliche oder sich verändernde Umgebungen anzupassen (Wells & Stock, 2007). Die Fähigkeit, Nahrung zuzubereiten, bietet dem Menschen eine größere diätetische Flexibilität als Schimpansen, Gorillas oder Orang-Utans. Diese diätetische Flexibilität und die umfassende Verwendung von Fleisch haben es den Menschen ermöglicht, sich einer gemeinsamen adaptiven Nische zu nähern und in einer größeren Vielfalt von Umgebungen zu überleben. Der Mensch zeigt auch eine größere Flexibilität im Wachstum und verfügt über größere Körperfettspeicher als viele andere Arten, was unsere Fähigkeit erhöht, kurzfristige Umweltschwankungen zu überleben. Wir haben größere Unterschiede bei der Fruchtbarkeit und dem Geburtsabstand, was es den Populationen ermöglicht, sich nach Perioden mit hoher Sterblichkeit schnell wieder zu erholen, und es gibt zunehmend Hinweise darauf, dass Umweltbedingungen die Regulation bestimmter Gene verändern können. All diese physiologischen Eigenschaften ermöglichen es uns, auf Umweltstress zu reagieren, ohne dass eine genetische Anpassung durch natürliche Selektion erforderlich ist.

Krankheiten sind Umweltstressoren, die die technologischen und physiologischen Abwehrmechanismen des menschlichen Genoms leicht durchbrechen können

Angesichts der starken Beweise dafür, dass unsere Spezies über eine größere Bandbreite an technologischen und physiologischen Mechanismen verfügt, um die Auswirkungen von Umweltstress abzufedern, könnte man argumentieren, dass die genetische Evolution unsere Spezies nicht mehr beeinflusst. Es ist jedoch klar, dass die meisten unserer nicht-genetischen Methoden zur Vermittlung von Umweltstress auf unseren Zugang zu den Ressourcen der Landwirtschaft angewiesen sind. Infolgedessen sind diese Mittel zur Umweltpufferung möglicherweise nicht unter allen Umständen ausreichend.

Aus der obigen Diskussion wäre leicht zu schließen, dass der Mensch aufgehört hat, sich zu entwickeln. Aber ist das wirklich so? Gibt es Beweise dafür, dass die Evolution immer noch auf unsere Spezies einwirkt? Gibt es denkbare Umstände, unter denen die Evolution unsere Spezies in Zukunft wieder beeinflussen könnte?

Dabei sind einige Punkte zu beachten. Erstens wurden viele der klassischen Studien zum Nachweis der natürlichen Selektion unter experimentellen Bedingungen an kurzlebigen und sich schnell vermehrenden Arten wie der Fruchtfliege durchgeführt. Der Mensch hingegen ist eine langlebige und sich langsam vermehrende Spezies mit Generationszeiten von etwa 20 Jahren oder mehr. Daher ist es schwierig, genetische Veränderungen zwischen den Generationen zu beobachten – seit der Entdeckung der DNA-Struktur sind nur zwei reproduktive Generationen vergangen. Natürlich brauchen wir einen anderen Ansatz, um die Evolution innerhalb unserer Spezies zu studieren.

Zweitens hat sich ein Großteil der genetischen Variation, die wir heute in menschlichen Populationen sehen, innerhalb der letzten 50.000 bis 70.000 Jahre entwickelt, nachdem sich Homo sapiens Jenseits von Afrika. Ein Großteil dieser Variation könnte durch genetische Drift verursacht worden sein, die auf zufällige genetische Unterschiede in kleinen Populationen von Jägern und Sammlern zurückzuführen ist, die in verschiedene Teile der Welt wanderten. In dieser Hinsicht könnte die Variabilität, die wir bei unserer Spezies sehen, nicht adaptiv sein und könnte tatsächlich das Ergebnis historischer Prozesse und zufälliger Zufälle im Zusammenhang mit dem Muster der menschlichen Ausbreitung sein. Die räumliche Verteilung einiger biologischer Merkmale unserer Art ist jedoch nicht zufällig. Zum Beispiel unterliegt die Variation der Hautpigmentierung genetischer Regulierung und korrespondiert mit der Variabilität des Breitengrades und der Lichtexposition (Parra, 2007). Diese genetische und phänotypische Variabilität hat sich nach der Entstehung des modernen Menschen entwickelt. Dennoch könnte man argumentieren, dass die Evolution dieser Variation vor dem Aufkommen der Landwirtschaft stattfand und dass nachfolgende technologische Entwicklungen den Menschen effektiv gegen Umweltbelastungen isoliert haben.

Es gibt jedoch Beispiele für die menschliche Evolution, die nach der Erfindung der Landwirtschaft stattfanden und die die Ko-Evolution kultureller und genetischer Systeme mit Veränderungen der Subsistenzstrategien beinhalten. Das am häufigsten genannte Beispiel ist die natürliche Selektion heterozygoter Träger des Sichelzellgens, um die Sichelzellanämie in malariaexponierten Populationen aufrechtzuerhalten. Diese natürliche Auslese ist besonders in Regionen Zentralafrikas sichtbar, in denen tropische Wälder für die Landwirtschaft gerodet wurden, was wiederum die Vermehrung von Mücken verursacht hat, die die Malaria verursachenden übertragen Plasmodium Parasit.

Ein weiteres Beispiel für eine neuere Evolution innerhalb des menschlichen Genoms ist der Nachweis einer starken natürlichen Selektion des Gens, das die Laktaseproduktion steuert (Bersaglieri et al., 2004). Bei Populationen mit einer langen Geschichte der Viehhaltung und des Milchkonsums bleibt die Fähigkeit zur Verstoffwechselung von Laktose bis ins Erwachsenenalter erhalten. Dies sind klare Beispiele dafür, dass die natürliche Selektion in letzter Zeit nach dem Ursprung der Landwirtschaft und der Domestikation von Tieren auf unsere Spezies eingewirkt hat, und zwar unabhängig von verschiedenen Populationen.

Unsere heutige technologische Gesellschaft ist daher auf Klima- und Umweltstabilität aufgebaut, die sich in Zukunft durchaus ändern könnte

Krankheiten sind Umweltstressoren, die die technologischen und physiologischen Abwehrmechanismen des menschlichen Genoms leicht durchbrechen können. Tatsächlich gibt es immer mehr Hinweise darauf, dass Epidemien selektiven Druck auf unsere Spezies ausüben. Neue Methoden zur Untersuchung der genetischen Variabilität, die verwendet werden können, um langlebige Arten mit langen Generationszeiten zu untersuchen, haben eine gerichtete natürliche Selektion auf menschliche Gene gezeigt, indem sie nach Signaturen der Selektion in den Genen heutiger Populationen gesucht haben (Quintana-Murci et al., 2007). ). Dazu gehören die Glucose-6-Phosphat-Dehydrogenase (G6PD) Gen, das Resistenz gegen Malaria verleiht (Tishkoff et al., 2001) und der Chemokinrezeptor 5 (CCR5) bei Europäern, die eine Resistenz gegen das Humane Immunschwächevirus (HIV) verleiht. Letzteres hat sich wahrscheinlich in den letzten 2.000 Jahren als Reaktion auf einen Infektionserreger entwickelt, der die CCR5 Rezeptor, um Wirtszellen zu infizieren (Stephens et al., 1998). Auch zahlreiche andere Studien haben durch Vergleiche großer DNA-Abschnitte Beweise für die neuere natürliche Selektion am menschlichen Genom erbracht (Sabeti et al., 2007 Frazer et al., 2007 Hawks et al., 2007).

Diese Studien liefern klare Beweise dafür, dass die natürliche Selektion die menschliche Bevölkerung seit den Anfängen der Landwirtschaft beeinflusst. Die Beweise sind jedoch immer noch historisch und beruhen auf dem Nachweis von Markern für die jüngste Evolution in der gegenwärtigen genetischen Vielfalt. Man könnte daher argumentieren, dass zukünftige technologische Entwicklungen einen immer effizienteren Puffer bieten werden, um das menschliche Genom vor natürlicher Selektion zu schützen. Die jüngsten Studien zeigen jedoch, dass Krankheitsepidemien, die das Potenzial haben, unsere kulturellen und physiologischen Anpassungsmechanismen zu umgehen, auch in Zukunft selektiven Druck auf unsere Spezies ausüben werden. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn die Ressourcen nicht ausreichen, um die menschliche Bevölkerung mit den notwendigen Mitteln zur kulturellen oder physiologischen Anpassung zu versorgen.

Ein weiteres Argument gegen die Evolution innerhalb unserer Spezies ist derzeit, dass die Beweise innerhalb unserer Spezies die jüngere Geschichte repräsentieren und nicht die Gegenwart oder Zukunft. Dennoch gibt es mehrere gute Gründe zu der Annahme, dass unsere Spezies in der biologischen Entwicklung nicht aufgehört hat und in Zukunft einem natürlichen Selektionsdruck ausgesetzt sein wird. Erstens hängen unsere kulturellen und technologischen Fähigkeiten, auf Umweltbelastungen zu reagieren, von einem Wirtschaftssystem ab, das auf der effektiven Verteilung landwirtschaftlicher Ressourcen basiert. Die Landwirtschaft entstand und verbreitete sich in den letzten 12.000 Jahren, der klimatisch stabilsten Periode im Verlauf der menschlichen Evolution (Richerson et al., 2001). Unsere heutige technologische Gesellschaft basiert daher auf Klima- und Umweltstabilität, die sich in Zukunft ändern könnte. Eine weitere Lehre aus den archäologischen Aufzeichnungen ist, dass die Regionen unseres Planeten, die heute landwirtschaftlich am produktivsten sind, dies auch in Zukunft nicht unbedingt bleiben werden.

Ein Kritiker könnte auch argumentieren, dass die Beweise für die jüngste menschliche Evolution nichts anderes sind als Beispiele für Mikroevolution oder geringfügige Veränderungen der Genfrequenzen und keine großen adaptiven Veränderungen. Mikroevolution ist jedoch genau das, was wir unter den aktuellen Bedingungen erwarten würden. Da die letzten 12.000 Jahre der Menschheitsgeschichte von demografischem Wachstum, Genfluss und Umweltstabilität geprägt waren, würden wir ohne die Isolation einiger menschlicher Populationen, große Aussterbeereignisse oder dramatische Umweltinstabilität keine größeren Anpassungsänderungen erwarten.

Es ist klar, dass die zukünftige Stabilität der globalen Agrarproduktion angesichts des prognostizierten Klimawandels nicht garantiert ist (Schmidhuber & Tubiello, 2007) und dass einige Teile der Welt—und einige Bevölkerungen— die stärksten Auswirkungen spüren werden (Morton, 2007 ). Die produktivsten Agrarregionen der Welt haben heute das Potenzial, genügend Nahrung für die gesamte Bevölkerung unseres Planeten zu produzieren, aber globale Politik und wirtschaftliche Faktoren stehen einer effizienteren Verteilung der landwirtschaftlichen Ressourcen im Wege. Die wirtschaftlichen und technologischen Mechanismen zur Bewältigung von Umweltstress sind daher möglicherweise nicht allgemein verfügbar.

Beeinflussen also die Verteilung von Ressourcen und die Fähigkeit, unsere Umwelt kulturell zu vermitteln, die Evolution unserer Spezies? Jüngste Beweise zeigen, dass dies der Fall ist. Eine hohe Sterblichkeitsrate bei lebenden Pygmäen der Philippinen wurde mit der Entwicklung einer schnelleren Entwicklung, einer kleineren Körpergröße und einer früheren Reproduktion in Verbindung gebracht (Migliano et al., 2007). Dies impliziert, dass die menschliche Lebensgeschichte und Körpergröße unter Umständen hoher Sterblichkeit, die mit wirtschaftlicher und technologischer Marginalisierung zusammenhängt, immer noch unter Selektionsdruck stehen.

Es gibt jetzt genügend Beweise, um vorherzusagen, dass unsere Periode der klimatischen Stabilität zu Ende geht. Wird das Agrarsystem, das unsere technologische Entwicklung unterstützt, nachhaltig sein? Werden wir in der Lage sein, eine technologische Lösung für die Umweltprobleme der Menschheit zu finden? Die Antwort auf beide Fragen lautet derzeit möglicherweise ja. Unsere Fähigkeit, auf zukünftige Umweltbelastungen effektiv zu reagieren, hängt nicht nur von der Entwicklung der entsprechenden Technologie ab, sondern auch von wirtschaftlicher und technologischer Gleichberechtigung.

In den letzten Jahren haben Wissenschaftler faszinierende Beweise dafür gesammelt, dass sich Menschen trotz kultureller und verhaltensbezogener Puffer gegen Umweltstress weiterentwickeln. Es ist jedoch sinnlos, den zukünftigen Verlauf der menschlichen Evolution vorherzusagen, da wir die Umweltbelastungen, denen wir ausgesetzt sein werden, nicht genau vorhersagen können. Anhand des aktuellen Zustands unserer Spezies können wir zumindest einige Fragen beantworten. Wird sich der Mensch weiterentwickeln? Die Antwort hängt davon ab, ob die beiden eingangs skizzierten Mechanismen noch auf unsere Spezies zutreffen. Gibt es vererbbare Variation? Ja, Variationen zwischen Individuen werden genetisch vererbt, und Menschen und die Populationen, in denen sie leben, sind immer noch variabel. Gibt es Unterschiede in der Fortpflanzung oder Überlebensrate zwischen Individuen? Ja, und sie hängen vom Zugriff auf Ressourcen ab.

Tatsächlich sind Ressourcen sowohl für unsere Mittel zur Vermittlung der Umwelt als auch für unsere biologischen Mechanismen der Anpassung, Fortpflanzung und des Überlebens von entscheidender Bedeutung. Unsere zukünftige Entwicklung wird davon abhängen, ob wir uns mit technologischen und physiologischen Mitteln erfolgreich an zukünftige Umweltbelastungen anpassen können. Die natürliche Selektion erfolgt als Reaktion auf die Umgebungen—und unsere Umgebung verändert sich. Die relative Bedeutung der natürlichen Selektion für die Gestaltung unserer Spezies mag derzeit schwach sein, hat aber das Potenzial, in Zukunft wieder stärker zu werden.


GENETIC ENGINEERING

The rapid advances in technology seen in the last decades, have raised the possibility of ‘radical enhancement’, defined by Nicholas Agar, ‘as the improvement of human attributes and abilities to levels that greatly exceed what is currently possible for human beings’ [ 24]. Genetic engineering offers the possibility of such an enhancement by providing humans a profound control over their own biology. Among other technologies, genetic engineering comprises genome editing (also called gene editing), a group of technologies with the ability to directly modify an organism’s DNA through a targeted intervention in the genome (e.g. insertion, deletion or replacement of specific genetic material) [ 25]. Genome editing is considered to achieve much greater precision than pre-existing forms of genetic engineering. It has been argued to be a revolutionary tool due to its efficiency, reducing cost and time. This technology is considered to have many applications for human health, in both preventing and tackling disease. Much of the ethical debate associated with this technology concerns the possible application of genome editing in the human germline, i.e. the genome that can be transmitted to following generations, be it from gametes, a fertilized egg or from first embryo divisions [ 26–28]. There has been concern as well as enthusiasm on the potential of the technology to modify human germline genome to provide us with traits considered positive or useful (e.g. muscle strength, memory and intelligence) in the current and future environments.

Genetic engineering: therapy or enhancement and predictability of outcomes

To explore some of the possible implications of heritable interventions we will take as an example the editing (more specifically ‘deletion’ using CRISPR genome editing technology) of several base pairs of the CCR5 gene. Such intervention was practised in 2018 in two non-identical twin girls born in China. Loss of function mutations of the CCR5 had been previously shown to provide resistance to HIV. Therefore, the gene deletion would be expected to protect the twin baby girls from risk of transmission of HIV which could have occurred from their father (HIV-positive). However, the father had the infection kept under control and the titre of HIV virus was undetectable, which means that risk of transmission of HIV infection to the babies was negligible [ 29].

From an ethical ground, based on current acceptable practices, this case has been widely criticized by the scientific community beside being considered by many a case of human enhancement intervention rather than therapy [ 29, 30]. One of the questions this example helps illustrate is that the ethical boundary between a therapy that ‘corrects’ a disorder by restoring performance to a ‘normal’ scope, and an intervention that ‘enhances’ human ability outside the accepted ‘normal’ scope, is not always easy to draw. For the sake of argument, it could be assumed that therapy involves attempts to restore a certain condition of health, normality or sanity of the ‘natural’ condition of a specific individual. If we take this approach, the question is how health, normality and sanity, as well as natural per se, are defined, as the meaning of these concepts shift over time to accommodate social norms and cultural values of modern societies. It could be said that the difficulty of developing a conceptual distinction between therapy and enhancement has always been present. However, the potential significance of such distinction is only now, with the acceleration and impact of technological developments, becoming more evident.

Beyond ethical questions, a major problem of this intervention is that we do not (yet?) know exactly the totality of the effects that the artificial mutation of the CCR5 may have, at both the genetic and phenotypic levels. This is because we now know that, contrary to the idea of ‘one gene-one trait’ accepted some decades ago, a gene—or its absence—can affect numerous traits, many of them being apparently unrelated (a phenomenon also known as pleiotropy). That is, due to constrained developmental interactions, mechanisms and genetic networks, a change in a single gene can result in a cascade of multiple effects [ 31]. In the case of CCR5, we currently know that the mutation offers protection against HIV infection, and also seems to increase the risk of severe or fatal reactions to some infectious diseases, such as the influenza virus [ 32]. It has also been observed that among people with multiple sclerosis, the ones with CCR5 mutation are twice as likely to die early than are people without the mutation [ 33]. Some studies have also shown that defective CCR5 can have a positive effect in cognition to enhance learning and memory in mice [ 34]. However, it’s not clear if this effect would be translated into humans. The example serves to illustrate that, even if human enhancement with gene editing methods was considered ethically sound, assessing the totality of its implications on solid grounds may be difficult to achieve.

Genetic engineering and human evolution: large-scale impacts

Beyond providing the opportunity of enhancing human capabilities in specific individuals, intervening in the germline is likely to have an impact on the evolutionary processes of the human species raising questions on the scale and type of impacts. In fact, the use of large-scale genetic engineering might exponentially increase the force of ‘niche construction’ in human evolution, and therefore raise ethical and practical questions never faced by our species before. It has been argued that natural selection is a mechanism of lesser importance in the case of current human evolution, as compared to other organisms, because of advances in medicine and healthcare [ 35]. According to such a view, among many others advances, natural selection has been conditioned by our ‘niche-construction’ ability to improve healthcare and access to clean water and food, thus changing the landscape of pressures that humans have been facing for survival. An underlying assumption or position of the current debate is that, within our human species, the force of natural selection became minimized and that we are somehow at the ‘end-point’ of our evolution [ 36]. If this premise holds true, one could argue that evolution is no longer a force in human history and hence that any human enhancement would not be substituting itself to human evolution as a key driver for future changes.

However, it is useful to remember that, as defined by Darwin in his book ‘On the Origin of the Species’, natural selection is a process in which organisms that happen to be ‘better’ adapted to a certain environment tend to have higher survival and/or reproductive rates than other organisms [ 37]. When comparing human evolution to human genetic enhancement, an acceptable position could be to consider ethically sound those interventions that could be replicated naturally by evolution, as in the case of the CCR5 gene. Even if this approach was taken, however, it is important to bear in mind that human evolution acts on human traits sometimes increasing and sometimes decreasing our biological fitness, in a constant evolutionary trade-off and in a contingent and/or neutral—in the sense of not ‘progressive’—process. In other worlds, differently from genetic human enhancement, natural selection nichtZiel’ at improving human traits [ 38]. Human evolution and the so-called genetic human enhancement would seem therefore to involve different underlying processes, raising several questions regarding the implications and risks of the latter.

But using genetic engineering to treat humans has been proposed far beyond the therapeutic case or to introduce genetic modifications known to already occur in nature. In particular, when looking into the views expressed on the balance between human evolution and genetic engineering, some argue that it may be appropriate to use genetic interventions to go beyond what natural selection has contributed to our species when it comes to eradicate vulnerabilities [ 17]. Furthermore, when considering the environmental, ecological and social issues of contemporary times, some suggest that genetic technologies could be crucial tools to contribute to human survival and well-being [ 20–22]. The possible need to ‘engineer’ human traits to ensure our survival could include the ability to allow our species to adapt rapidly to the rate of environmental change caused by human activity, for which Darwinian evolution may be too slow [ 39]. Or, for instance, to support long-distance space travel by engineering resistance to radiation and osteoporosis, along with other conditions which would be highly advantageous in space [ 40].

When considering the ethical and societal merits of these propositions, it is useful to consider how proto-forms of enhancement has been approached by past human societies. In particular, it can be argued that humans have already employed—as part of our domestication/‘selective breeding’ of other animals—techniques of indirect manipulation of genomes on a relatively large scale over many millennia, albeit not on humans. The large-scale selective breeding of plants and animals over prehistoric and historic periods could be claimed to have already shaped some of our natural environment. Selective breeding has been used to obtain specific characteristics considered useful at a given time in plants and animals. Therefore, their evolutionary processes have been altered with the aim to produce lineages with advantageous traits, which contributed to the evolution of different domesticated species. However, differently from genetic engineering, domestication possesses inherent limitations in its ability to produce major transformations in the created lineages, in contrast with the many open possibilities provided by genetic engineering.

When considering the impact of genetic engineering on human evolution, one of questions to be considered concerns the effects, if any, that genetic technology could have on the genetic pool of the human population and any implication on its resilience to unforeseen circumstances. This underlines a relevant question associated with the difference between ‘health’ and biological fitness. For example, a certain group of animals can be more ‘healthy’—as domesticated dogs—but be less biologically ‘fit’ according to Darwin’s definition. Specifically, if such group of animals are less genetically diverse than their ancestors, they could be less ‘adaptable’ to environmental changes. Assuming that, the human germline modification is undertaken at a global scale, this could be expected to have an effect, on the distribution of genetically heritable traits on the human population over time. Considering that gene and trait distributions have been changing under the processes of evolution for billions of years, the impact on evolution will need to be assessed by analysing which genetic alterations have been eventually associated with specific changes within the recent evolutionary history of humans. On this front, a key study has analysed the implications of genetic engineering on the evolutionary biology of human populations, including the possibility of reducing human genetic diversity, for instance creating a ‘biological monoculture’ [ 41]. The study argued that genetic engineering will have an insignificant impact on human diversity, while it would likely safeguard the capacity of human populations to deal with disease and new environmental challenges and therefore, ensure the health and longevity of our species [ 41]. If the findings of this study were considered consistent with other knowledge and encompassing, the impact of human genetic enhancements on the human genetic pool and associated impacts could be considered secondary aspects. However, data available from studies on domestication strongly suggests that domestication of both animals and plans might lead to not only decreased genetic diversity per se, but even affect patterns of variation in gene expression throughout the genome and generally decreased gene expression diversity across species [ 42–44]. Given that, according to recent studies within the field of biological anthropology recent human evolution has been in fact a process of ‘self-domestication’ [ 45], one could argue that studies on domestication could contribute to understanding the impacts of genetic engineering.

Beyond such considerations, it is useful to reflect on the fact that human genetic enhancement could occur on different geographical scales, regardless of the specific environment and geological periods in which humans are living and much more rapidly than in the case of evolution, in which changes are very slow. If this was to occur routinely and on a large scale, the implications of the resulting radical and abrupt changes may be difficult to predict and its impacts difficult to manage. This is currently highlighted by results of epigenetics studies, and also of the microbiome and of the effects of pollutants in the environment and their cumulative effect on the development of human and non-human organisms alike. Increasingly new evidence indicates a greater interdependence between humans and their environments (including other microorganisms), indicating that modifying the environment can have direct and unpredictable consequences on humans as well. This highlight the need of a ‘systems level’ approach. An approach in which the ‘bounded body’ of the individual human as a basic unit of biological or social action would need to be questioned in favour of a more encompassing and holistic unit. In fact, within biology, there is a new field, Systems Biology, which stresses the need to understand the role that pleiotropy, and thus networks at multiple levels—e.g. genetic, cellular, among individuals and among different taxa—play within biological systems and their evolution [ 46]. Currently, much still needs to be understood about gene function, its role in human biological systems and the interaction between genes and external factors such as environment, diet and so on. In the future if we do choose to genetically enhance human traits to levels unlikely to be achieved by human evolution, it would be crucial to consider if and how our understanding of human evolution enable us to better understand the implications of genetic interventions.


Genetic diversity helps protect against disease

Credit: Forschungsverbund Berlin e.V. (FVB)

So much for survival of the fittest – diversity is the key: a team of researchers from the Leibniz-Institute of Freshwater Ecology and Inland Fisheries (IGB) has succeeded in demonstrating experimentally that genetic diversity makes populations more resistant to disease.

Why is it that animal and plant species throughout the world have different genetic variants within their particular species, even though it is supposed to be the "fittest" gene pool that survives? According to a common theory in evolutionary biology, it is to enable the species to respond more effectively to changes in the environment, such as the occurrence of disease. However, experimental evidence to support this theory is very difficult to obtain: After all, it is virtually impossible to observe how evolutionary trends develop in most animal and plant species – their generation times are simply too long.

Evolutionary change in real time

A team led by IGB researcher and evolutionary ecologist Dr. Ramsy Agha has now investigated the evolution of the fungal parasite Rhizophydium megarrhizum. This parasite infects the cyanobacterium species Planktothrix, which is prevalent in many freshwaters. The team exposed the parasite to host populations whose individuals were genetically identical to each other, and alternatively to populations comprised of different genetic variants. Since the fungus multiplies rapidly, roughly once a day, the scientists monitored its performance for a total period of 200 days. "We wanted to observe evolutionary change in real time and under controlled conditions, to find out if and how quickly parasites adapt to genetically homogenous and diverse hosts," explained Ramsy Agha.

The scientists permitted the adaptation of Rhizophydium megarrhizum, but kept the host populations in an evolutionary standstill. "We were able to show that the fungi adapt to genetically homogenous hosts very quickly, that is within just three months," reported Agha. This adaptation is reflected in the fact that the parasites managed to adhere to the hosts and overcome their defence mechanisms more quickly, and were therefore able to reproduce more rapidly.

Genetic diversity in the host population slows down adaptation of parasites

If, on the other hand, the cyanobacteria were genetically diverse, these effects did not occur. The parasite failed to adapt, and the state of the disease remained unchanged. Genetic diversity in cyanobacteria evidently slows down the adaptation of the parasite, increasing their resistance to disease.

"Our findings are also significant for ecosystem research in general, because they help us to explain why a high degree of diversity in populations may be valuable for their preservation," said Agha. He and his team want to investigate next what happens when not only the parasite, but also the host population is permitted to adapt to changed conditions. The researchers hope to gain further insights into how disease – generally perceived as a negative phenomenon – is a crucial natural process that promotes and preserves biological diversity.


Elephant genetics guide conservation

A team of researchers from Penn State explored the genetic relationships among elephant populations in Tanzania, highlighting priority areas for conservation. Credit: George Lohay, Penn State

A large-scale study of African elephant genetics in Tanzania reveals the history of elephant populations, how they interact, and what areas may be critical to conserve in order to preserve genetic diversity for species conservation. The study, by researchers at Penn State, appears online in the journal Ecology & Evolution and is the first to explore gene flow—a process vital to maintain necessary genetic diversity for species survival—between protected areas in Africa.

"Elephants are a hallmark of the savannah, but poaching and habitat loss and fragmentation have led to major population declines across Africa," said George Lohay, postdoctoral scholar in biology at Penn State and first author of the paper. "Human activities accelerate the loss of elephant habitat, as well as the land between protected areas. Maintaining connectivity between protected areas may be especially important for this far-ranging species, particularly with regard to gene flow, which can improve genetic diversity and help buffer small populations against disease and other threats."

The researchers compared both nuclear and mitochondrial DNA of 688 elephants across Tanzania from 4 major areas with large elephant populations. These include the Serengeti and Tarangire-Manyara in north-east Tanzania, Ruaha in south-central Tanzania, and Selous in southeast Tanzania. Each contains several areas with varying levels of protection, including national parks, game reserves, and private land conserved for livestock and wildlife tourism. Many of the wildlife corridors—the areas between these protected areas—have closed completely due to human activity.

The researchers suspected that the East African Rift Valley that runs between several protected areas would prevent gene flow between elephant populations. But, interestingly, they found that elephants from Lake Manyara National Park were in some ways more genetically similar to elephants across the rift in the Ngorongoro Conservation Area—in the Serengeti region—compared to elephants in the closer Tarangire National Park.

"Even though there are no physical barriers between elephants in Lake Manyara and Tarangire, there is very limited gene flow between the two populations," said Douglas Cavener, professor of biology at Penn State and an author of the paper. "It may be that cultural or behavioral barriers play a role instead. Other studies have tracked elephants moving between the two areas, but they don't appear to be mating with each other."

A team of researchers from Penn State explored the genetic relationships among elephant populations in Tanzania, highlighting priority areas for conservation. Credit: George Lohay, Penn State

The similarities among the two groups across the rift suggests that there was gene flow between Ngorongoro and Lake Manyara sometime in the past.

"There is anecdotal evidence from the 1970s of elephants actually climbing across the rift, but most of the corridors connecting Ngorongoro and Lake Manyara have since become occupied by humans," said Cavener. "The Lake Manyara population is now almost completely isolated and contains only about a hundred individuals. The loss of gene flow through these corridors may lead to negative consequences due to inbreeding over the next few generations."

The researchers also found that elephants in Tarangire were genetically similar to those more than 400 km to the south in Ruaha. This suggests extensive gene flow between the two populations before the corridors were closed between them.

"Because elephants are long-lived and because mutation is a slow process, it can take multiple generations to see genetic differences between populations," said Cavener.

"We know there was significant gene flow between elephants in Tarangire and Ruaha in the recent past, but the corridors between the areas are currently blocked. Opening up these corridors could encourage gene flow, which can help maintain more genetically robust populations," added Lohay

Researchers from Penn State studied the genetics of elephant populations in four regions in Tanzania, revealing how populations interact as well as priority areas for conservation in order to preserve exchange of genetic information among related populations. Credit: Dani Zemba, Penn State

The researchers also suspected that the Eastern Arc Mountains in southern Tanzania could prevent gene flow between populations on opposite sides of the mountains in Ruaha and Selous. But while the populations had somewhat similar nuclear DNA, their mitochondrial DNA, which is passed on primarily through the maternal line, was much more varied.

"While female elephants tend to remain in the groups where they were born, males are ejected from the herd when they reach sexual maturity, which can facilitate gene flow between groups," said Lohay. "When you see lots of differences in mitochondrial DNA markers but relatively few differences in nuclear markers, it can be a hint that males are migrating but females are not. It's a crude measurement, but that might be what are seeing here. In the future, we'd like ascertain the parentage and relationships between individuals so we can better understand the role of males in gene flow in these populations."

The study also sheds light onto the history of recolonization of the Serengeti, where elephant populations were almost completely wiped out due to poaching in the late 1800s and, after rebounding somewhat in the 1960s, drastically declined again in the 1980s. The researchers found that mitochondrial DNA of elephants in the northern Serengeti differed from those in the southern Serengeti, suggesting that two distinct groups of elephants arrived from outside the area in the early 1960s when recolonizing the area.

"Understanding these relationships and population histories can help inform future conservation efforts," said Lohay. "This study provides a baseline for future genetic studies on these remarkable animals. We also provide recommendations for wildlife corridors that should be prioritized for conservation in order to maintain potential gene flow between populations. Although we can't be certain elephants will use certain corridors, at the moment they have limited options and are facing serious habitat losses due to human encroachment."


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