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Alles andere als besonders: Die winzigen DNA-Unterschiede der Menschheit sind “Durchschnitt” im Tierreich

Forscher berichten über wichtige neue Einblicke in die Evolution nach einer Studie mit mitochondrialer DNA von etwa 5 Millionen Exemplaren, die etwa 100.000 Tierarten abdecken.

Das Sammeln von “Big Data” -Einblicken aus den schnell wachsenden genetischen Datenbanken der Welt und die Überprüfung einer großen Literatur in der Evolutionstheorie, Forscher der Rockefeller University in New York City und des Biozentrums an der Universität Basel in der Schweiz, veröffentlichte heute mehrere Schlussfolgerungen in der Zeitschrift Menschliche Evolution . Darunter:

In Bezug auf die genetische Vielfalt sind die 7,6 Milliarden Menschen der Erde im Tierreich alles andere als besonders. Der winzige durchschnittliche genetische Unterschied in den mitochondrialen Sequenzen zwischen zwei beliebigen Individuen auf dem Planeten ist ungefähr der gleiche wie der durchschnittliche genetische Unterschied zwischen einem Paar der Hausspatzen, Tauben oder Rotkehlchen. Der typische Unterschied innerhalb einer Spezies, einschließlich des Menschen, ist 0,1% oder 1 in 1.000 der “Buchstaben”, aus denen eine DNA-Sequenz besteht.

Die genetische Variation – der durchschnittliche Unterschied in der Mitochondrien-DNA zwischen zwei Individuen derselben Spezies – nimmt mit der Populationsgröße nicht zu. Da die Evolution jedoch unerbittlich ist, bietet das Fehlen genetischer Variation Einblicke in den Zeitpunkt des Auftretens und der Erhaltung einer Art.

Die Masse der Beweise unterstützt die Hypothese, dass die meisten Arten, ob Vogel oder Motte oder Fisch, wie der moderne Mensch, in letzter Zeit entstanden sind und keine Zeit hatten, viel genetische Vielfalt zu entwickeln. Die durchschnittliche genetische Diversität von 0,1% innerhalb der Menschheit entspricht heute der Divergenz des modernen Menschen als eigenständige Art vor etwa 100.000 – 200.000 Jahren – in evolutionärer Hinsicht nicht sehr lang. Das Gleiche gilt wahrscheinlich für mehr als 90% der Arten auf der Erde heute.

Genetisch ist die Welt “kein verschwommener Ort”. Jede Spezies hat ihre eigene spezifische mitochondriale Sequenz und andere Mitglieder der gleichen Spezies sind identisch oder sehr ähnlich. Die Forschung zeigt, dass Arten “Inseln im Sequenzraum” sind und nur wenige Zwischenstufen den Evolutionsvorgang überleben.

Unter den ersten “Big Data” Einsichten aus einer wachsenden Sammlung von mitochondrialer DNA

“DNA-Barcoding” ist eine schnelle, einfache Technik, um Spezies zuverlässig durch eine kurze DNA-Sequenz aus einer bestimmten Region eines Organismus zu identifizieren. Für Tiere sind die bevorzugten Barcode-Regionen in den Mitochondrien – zellulären Organellen, die das gesamte tierische Leben antreiben. (Siehe auch http://bit.ly/2HGduvD )

Die neue Studie, “Warum sollten Mitochondrien Arten definieren?” stützt sich weitgehend auf die Akkumulation von mehr als 5 Millionen mitochondrialen Barcodes von mehr als 100.000 Tierarten, die Wissenschaftler in den letzten 15 Jahren in der Open-Access-GenBank-Datenbank des US-amerikanischen National Center for Biotechnology Information zusammengestellt haben.

Die Forscher haben die Sammlung neu verwendet, um die Bandbreite der genetischen Unterschiede innerhalb der Tierarten von Hummeln bis zu Vögeln zu untersuchen und überraschend winzige genetische Unterschiede innerhalb der meisten Tierarten sowie eine sehr klare genetische Unterscheidung zwischen einer bestimmten Art und allen anderen aufzudecken.

“Wenn ein Mars auf der Erde landete und einem Schwarm Tauben und einer Menschenmenge begegnete, würde man nach dem grundlegenden Maß der mitochondrialen DNA nicht unterschiedlicher sein als die andere”, sagt Jesse Ausubel, Direktor des Programms für die menschliche Umwelt an der Rockefeller University, wo die Forschung von Senior Research Associate Mark Stoeckle und dem Research Associate David Thaler von der Universität Basel, Schweiz, geleitet wurde.

“In einer Zeit, in der Menschen so viel Wert auf individuelle und Gruppenunterschiede legen, sollten wir vielleicht mehr Zeit darauf verwenden, wie wir einander und dem Rest des Tierreichs ähneln.”

Dr. Stoeckle: “Kultur, Lebenserfahrung und andere Dinge können Menschen sehr unterschiedlich machen, aber in Bezug auf die Biologie sind wir wie die Vögel.”

“Durch die Bestimmung der genetischen Vielfalt innerhalb der Arten des Tierreichs, die erst kürzlich durch die wachsende Zahl von DNA-Sequenzen möglich wurde, haben wir die Abwesenheit menschlichen Ausnahmetypus dokumentiert.”

Sagt. Dr. Thaler: “Unser Ansatz kombiniert DNA-Barcodes, die breit, aber nicht tief sind, aus dem gesamten Tierreich mit detaillierteren Sequenzinformationen für das gesamte mitochondriale Genom moderner Menschen und einiger anderer Spezies. Wir analysierten DNA-Barcode-Sequenzen von Tausenden des modernen Menschen auf die gleiche Weise wie bei anderen Tierarten. ”

“Man könnte meinen, dass Menschen aufgrund ihrer hohen Populationszahlen und ihrer geografischen Verbreitung möglicherweise zu einer größeren genetischen Vielfalt als andere Tierarten geführt hätten”, fügt er hinzu. “Zumindest für die mitochondriale DNA erweisen sich Menschen in der genetischen Vielfalt als durchschnittlich niedrig.”

“Experten haben eine geringe genetische Variation unter lebenden Menschen als Ergebnis unserer jüngsten Expansion von einer kleinen Population interpretiert, in der eine Sequenz von einer Mutter zum Vorfahre für alle modernen humanen mitochondrialen Sequenzen wurde”, sagt Dr. Thaler.

“Unsere Studie bekräftigt das Argument, dass die geringe Variation in der mitochondrialen DNA des modernen Menschen auch die ähnlich geringe Variation erklärt, die in über 90% der lebenden Tierarten zu finden ist – wahrscheinlich stammen alle von ähnlichen Prozessen ab und die meisten Tierarten sind wahrscheinlich jung.”

Die genetische Variation nimmt mit der Population nicht zu

Die Studienergebnisse sind eine Überraschung angesichts der in Lehrbüchern gefundenen Vorhersagen und basierend auf mathematischen Evolutionsmodellen, dass je größer die Population einer Spezies ist, desto größer die genetische Variation ist, die man erwartet.

“Ist die genetische Vielfalt mit der Größe der Bevölkerung verbunden?” fragt Dr. Stöckle. “Die Antwort ist nein. Die mitochondriale Vielfalt innerhalb von 7,6 Milliarden Menschen oder 500 Millionen Haussperlingen oder 100.000 Strandläufern aus der ganzen Welt ist ungefähr gleich.”

Die Zeitung stellt jedoch fest, dass die Evolution unerbittlich ist, dass sich die Arten ständig verändern, und daher gibt der Grad der Variation innerhalb einer bestimmten Art einen Hinweis darauf, wie lange sie deutlich hervorgetreten ist – mit anderen Worten, je älter die Spezies ist größer die durchschnittliche genetische Variation zwischen seinen Mitgliedern.

Evolutionäre Engpässe: der frische Neuanfang einer Art

Während Asteroiden und Eiszeiten eine wichtige Rolle in der Evolutionsgeschichte gespielt haben, spekulieren Wissenschaftler, dass ein anderer großer Treiber die mikrobielle Welt gewesen sein könnte, insbesondere Viren, die periodisch Populationen aussortieren und nur diejenigen zurücklassen, die die tödliche Herausforderung überleben können.

“Das Leben ist anfällig für Bevölkerungsrückgänge durch Eiszeiten und andere Formen von Umweltveränderungen, Infektionen, Prädation, Konkurrenz von anderen Arten und für begrenzte Ressourcen und Interaktionen zwischen diesen Kräften”, sagt Dr. Thaler. Dr. Thaler fügt hinzu: “Die ähnliche Sequenzvariation bei vielen Arten deutet darauf hin, dass das gesamte Tierleben Impulse von Wachstum und Stasis oder fast Aussterben auf ähnlichen Zeitskalen erfährt.”

Wissenschaftler haben früher argumentiert, dass 99% aller Tierarten, die jemals gelebt haben, ausgestorben sind. Unsere Arbeit legt nahe, dass die meisten lebenden Tierarten wie Menschen sind, Nachkommen von Vorfahren, die aus kleinen Populationen hervorgegangen sind, möglicherweise mit kurz vor dem Aussterben stehenden Ereignissen einige hunderttausend Jahre. ”

‘Inseln im Sequenzraum’

Eine weitere interessante Erkenntnis aus der Studie, sagt Herr Ausubel, ist, dass “die Welt genetisch gesehen kein verschwommener Ort ist. Es ist schwer,” Zwischenprodukte “zu finden – die evolutionären Sprungbretter zwischen den Arten. Die Zwischenprodukte verschwinden.”

Dr. Thaler bemerkt: “Darwin kämpfte darum, die Abwesenheit von Zwischenprodukten zu verstehen und seine Fragen bleiben fruchtbar.”

“Die Forschung ist ein neuer Weg zu zeigen, dass Arten” Inseln im Sequenzraum “sind. Jede Spezies hat ihre eigene enge, sehr spezifische Konsensussequenz, genauso wie unser Telefonsystem kurze, eindeutige numerische Codes hat, um Städte und Länder voneinander zu unterscheiden. ”

Dr. Thaler ergänzt: “Wenn Individuen Sterne sind, dann sind Spezies Galaxien. Sie sind kompakte Cluster in der Weite des leeren Sequenzraums.”

Die Forscher sagen, dass Wissenschaftler mit den Knochen oder Zähnen eines alten Hominiden, wie sie in Südfrankreich oder Nordspanien gefunden wurden, weiteres Licht auf die Entwicklungsrate der menschlichen Spezies werfen könnten.

“Es wäre sehr aufregend, wenn in den nächsten Jahren Physiker und andere mitochondriale DNA aus Hominiden in den letzten 500.000 Jahren vergleichen könnten”, sagt Dr. Stoeckle.

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