معلومة

12.2: الضغوط الانتقائية والبيئية - علم الأحياء

12.2: الضغوط الانتقائية والبيئية - علم الأحياء


We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

أهداف التعلم

افهم كيف تؤثر التغيرات البيئية والضغوط الانتقائية على انتشار الطفرات ، مما يساهم في عملية التطور

يعمل الانتقاء الطبيعي فقط على الصفات الوراثية للمجموعة: الانتقاء للأليلات المفيدة وبالتالي زيادة تواترها في المجتمع ، مع الانتقاء ضد الأليلات الضارة وبالتالي تقليل تواترها - وهي عملية تُعرف باسم التطور التكيفي. ومع ذلك ، فإن الانتقاء الطبيعي لا يعمل على الأليلات الفردية ، ولكن على الكائنات الحية بأكملها. قد يحمل الفرد نمطًا وراثيًا مفيدًا جدًا مع النمط الظاهري الناتج ، على سبيل المثال ، يزيد من القدرة على التكاثر (الخصوبة) ، ولكن إذا كان هذا الفرد نفسه يحمل أيضًا أليلًا يؤدي إلى مرض طفولي قاتل ، فلن يتم تمرير هذا النمط الظاهري للخصوبة إلى الجيل القادم لأن الفرد لن يعيش حتى يبلغ سن الإنجاب. يعمل الانتقاء الطبيعي على مستوى الفرد ؛ إنه يختار للأفراد الذين لديهم مساهمات أكبر في مجموعة الجينات للجيل القادم ، والمعروفة باسم الكائن الحي اللياقة التطورية (الداروينية).

غالبًا ما تكون اللياقة قابلة للقياس الكمي ويتم قياسها من قبل العلماء في هذا المجال. ومع ذلك ، ليس الملاءمة المطلقة للفرد هو المهم ، بل كيفية مقارنته بالكائنات الحية الأخرى في السكان. هذا المفهوم يسمى اللياقة النسبية، يسمح للباحثين بتحديد الأفراد الذين يساهمون بنسل إضافي للجيل القادم ، وبالتالي ، كيف يمكن أن يتطور السكان.

هناك عدة طرق يمكن أن يؤثر بها الاختيار على تباين السكان: استقرار الاختيار ، والاختيار الاتجاهي ، وتنويع الاختيار ، والاختيار المعتمد على التردد ، والاختيار الجنسي. نظرًا لأن الانتقاء الطبيعي يؤثر على ترددات الأليل في مجتمع ما ، يمكن للأفراد إما أن يصبحوا متشابهين وراثيًا إلى حد ما ويمكن أن تصبح الأنماط الظاهرية المعروضة أكثر تشابهًا أو أكثر تباينًا.

استقرار الاختيار

إذا فضل الانتقاء الطبيعي نمطًا ظاهريًا متوسطًا ، بالاختيار مقابل التباين الشديد ، فسيخضع السكان استقرار الاختيار (الشكل 1 أ). في مجموعة الفئران التي تعيش في الغابة ، على سبيل المثال ، من المرجح أن يفضل الانتقاء الطبيعي الأفراد الذين ينسجمون بشكل أفضل مع أرضية الغابة ويقل احتمال رؤيتهم من قبل الحيوانات المفترسة. بافتراض أن الأرض عبارة عن ظل متناسق إلى حد ما من اللون البني ، فإن تلك الفئران التي يتطابق فرائها مع هذا اللون ستكون على الأرجح على قيد الحياة والتكاثر ، وتمرير جيناتها من أجل معطفها البني. الفئران التي تحمل الأليلات التي تجعلها أفتح قليلاً أو أغمق قليلاً ستبرز على الأرض وتكون أكثر عرضة للوقوع ضحية للافتراس. نتيجة لهذا الاختيار ، سينخفض ​​التباين الجيني للسكان.

تحديد الاتجاه

عندما تتغير البيئة ، غالبًا ما يخضع السكان اختيار الاتجاه (الشكل 1 ب) ، الذي يختار الأنماط الظاهرية في أحد طرفي طيف التباين الحالي. المثال الكلاسيكي لهذا النوع من الانتقاء هو تطور العثة المرقطة في إنجلترا في القرنين الثامن عشر والتاسع عشر. قبل الثورة الصناعية ، كانت الفراشات ذات لون فاتح في الغالب ، مما سمح لها بالاندماج مع الأشجار ذات الألوان الفاتحة والأشنات في بيئتها. ولكن عندما بدأ السخام ينبعث من المصانع ، أصبحت الأشجار مظلمة ، وأصبح من السهل على الطيور المفترسة اكتشاف العث ذي الألوان الفاتحة. بمرور الوقت ، زاد تواتر الشكل الميلاني للعثة لأن معدل البقاء على قيد الحياة لديهم أعلى في الموائل المتأثرة بتلوث الهواء لأن لونها الغامق ممزوج بالأشجار السخامية. وبالمثل ، قد تتطور مجموعة الفئران الافتراضية لتأخذ لونًا مختلفًا إذا تسبب شيء ما في تغيير لون أرضية الغابة التي يعيشون فيها. نتيجة هذا النوع من الاختيار هو تحول في التباين الجيني للسكان نحو النمط الظاهري الجديد المناسب.

في العلم ، يُعتقد أحيانًا أن الأشياء صحيحة ، ثم تظهر معلومات جديدة تغير فهمنا. قصة العثة المرقطة هي مثال على ذلك: لقد تم مؤخرًا التشكيك في الحقائق الكامنة وراء الاختيار تجاه العث الداكن. قراءة هذه المادة لمعرفة المزيد.

تنويع الاختيار

في بعض الأحيان ، يمكن أن يكون لكل صنفين مختلفين أو أكثر مزاياها ويتم اختيارهما عن طريق الانتقاء الطبيعي ، بينما تكون الصفات الوسيطة ، في المتوسط ​​، أقل ملاءمة. يُعرف هذا بالاختيار المتنوع (الشكل 1 ج) ، ويظهر هذا في العديد من مجموعات الحيوانات التي لها أشكال ذكور متعددة. تحصل ذكور ألفا الكبيرة المهيمنة على رفقاء بالقوة الغاشمة ، بينما يمكن للذكور الصغار التسلل للتزاوج الخفي مع الإناث في منطقة ذكر ألفا. في هذه الحالة ، سيتم اختيار كل من ذكور ألفا والذكور "المتسللين" ، ولكن يتم اختيار الذكور متوسطي الحجم ، الذين لا يستطيعون تجاوز ذكور ألفا ويكونون أكبر من أن يتسللوا إلى التزاوج. يمكن أن يحدث الانتقاء المتنوع أيضًا عندما تفضل التغيرات البيئية الأفراد على طرفي الطيف الظاهري. تخيل مجموعة من الفئران تعيش على الشاطئ حيث توجد رمال فاتحة اللون تتخللها بقع من العشب الطويل. في هذا السيناريو ، سيتم تفضيل الفئران ذات الألوان الفاتحة التي تمتزج مع الرمال ، وكذلك الفئران ذات الألوان الداكنة التي يمكنها الاختباء في العشب. من ناحية أخرى ، لن تمتزج الفئران متوسطة اللون مع العشب أو الرمل ، وبالتالي من المرجح أن تأكلها الحيوانات المفترسة. نتيجة هذا النوع من الاختيار هو زيادة التباين الجيني حيث يصبح السكان أكثر تنوعًا.

سؤال الممارسة

في السنوات الأخيرة ، أصبحت المصانع أكثر نظافة ، وانبثقت كميات أقل من السخام في البيئة. ما هو تأثير ذلك في اعتقادك على توزيع لون العثة بين السكان؟

[صفوف منطقة الممارسة = "2 ″] [/ منطقة الممارسة]
[كشف الإجابة q = ”173318 ″]اظهر الاجابة[/ تكشف الجواب]
[hidden-answer a = ”173318 ″] تحولت الفراشات إلى لون أفتح. [/ hidden-answer]

اختيار يعتمد على التردد

نوع آخر من التحديد يسمى اختيار يعتمد على التردد، تفضل الأنماط الظاهرية الشائعة (الاختيار المعتمد على التردد الإيجابي) أو النادرة (الاختيار المعتمد على التردد السلبي). يظهر مثال مثير للاهتمام لهذا النوع من الاختيار في مجموعة فريدة من السحالي في شمال غرب المحيط الهادئ. تأتي السحالي ذات البقعة الجانبية الشائعة لدى الذكور في ثلاثة أنماط بلون الحلق: البرتقالي والأزرق والأصفر. لكل من هذه الأشكال استراتيجية إنجابية مختلفة: الذكور البرتقالية هم الأقوى ويمكنهم محاربة الذكور الآخرين للوصول إلى إناثهم ؛ الذكور الزرقاء متوسطة الحجم وتشكل روابط زوجية قوية مع زملائهم ؛ والذكور الصفراء (الشكل 2) هي الأصغر ، وتشبه الإناث قليلاً ، مما يسمح لهم بالتسلل إلى الجماع. مثل لعبة مقص ورق الصخر ، يدق البرتقالي الأزرق والأزرق يدق الأصفر والأصفر يدق البرتقالي في المنافسة على الإناث. وهذا يعني أن الذكور البرتقالية الكبيرة والقوية يمكنهم محاربة الذكور الزرقاء للتزاوج مع الإناث المرتبطين بزوج من اللون الأزرق ، وينجح الذكور الأزرقون في حماية زملائهم من الذكور الحذاء الرياضي الأصفر ، ويمكن للذكور الأصفر أن يتسللوا من التزاوج من الزملاء المحتملين من الذكور البرتقالية الكبيرة متعددة الزوجات.

في هذا السيناريو ، سيتم تفضيل الذكور البرتقالية عن طريق الانتقاء الطبيعي عندما يهيمن الذكور الزرقاء على السكان ، وسوف تزدهر الذكور الزرقاء عندما يكون معظم السكان من الذكور الصفراء ، وسيتم اختيار الذكور الصفراء عندما يكون الذكور البرتقاليون هم الأكثر اكتظاظًا بالسكان. ونتيجة لذلك ، فإن مجموعات السحالي ذات البقعة الجانبية تدور في توزيع هذه الأنماط الظاهرية - في جيل واحد ، قد يكون اللون البرتقالي هو السائد ، ثم تبدأ الذكور الصفراء في الزيادة في التردد. بمجرد أن تشكل الذكور الصفراء غالبية السكان ، سيتم اختيار الذكور الزرقاء. أخيرًا ، عندما تصبح الذكور الزرقاء شائعة ، سيتم تفضيل الذكور البرتقالية مرة أخرى.

يعمل الاختيار السلبي المعتمد على التردد على زيادة التباين الجيني للسكان عن طريق اختيار أنماط ظاهرية نادرة ، في حين أن الاختيار المعتمد على التردد الإيجابي عادةً ما يقلل التباين الجيني عن طريق اختيار الأنماط الظاهرية الشائعة.

الاختيار الجنسي

غالبًا ما يختلف الذكور والإناث من بعض الأنواع تمامًا عن بعضهم البعض بطرق تتجاوز الأعضاء التناسلية. غالبًا ما يكون الذكور أكبر حجمًا ، على سبيل المثال ، ويعرضون العديد من الألوان والزخارف المتقنة ، مثل ذيل الطاووس ، بينما تميل الإناث إلى أن تكون أصغر حجمًا وأكثر بهتانًا في الزخرفة. تُعرف هذه الاختلافات باسم مثنوية الشكل الجنسية (الشكل 3) ، والذي ينشأ من حقيقة أنه في العديد من المجموعات السكانية ، ولا سيما الحيوانات ، هناك تباين أكبر في النجاح الإنجابي للذكور مقارنة بالإناث. أي أن بعض الذكور - غالبًا ما يكون الذكور الأكبر أو الأقوى أو الأكثر تزويجًا - يحصلون على الغالبية العظمى من إجمالي حالات التزاوج ، بينما لا يحصل الآخرون على أي حالات تزاوج. يمكن أن يحدث هذا لأن الذكور أفضل في محاربة الذكور الآخرين ، أو لأن الإناث ستختار التزاوج مع الذكور الأكبر أو الأكثر تزينًا. في كلتا الحالتين ، يولد هذا الاختلاف في النجاح الإنجابي ضغط اختيار قوي بين الذكور للحصول على تلك التزاوج ، مما يؤدي إلى تطور حجم أكبر للجسم وزخارف متقنة لجذب انتباه الإناث. من ناحية أخرى ، تميل الإناث إلى الحصول على عدد قليل من التزاوجات المختارة ؛ لذلك ، من المرجح أن يختاروا ذكورًا مرغوبًا أكثر.

تختلف إزدواج الشكل الجنسي بشكل كبير بين الأنواع ، بالطبع ، وبعض الأنواع ينعكس دور الجنس. في مثل هذه الحالات ، تميل الإناث إلى أن يكون لها تباين أكبر في نجاحهن الإنجابي من الذكور ويتم اختيارهن بالمقابل لحجم الجسم الأكبر والسمات التفصيلية التي عادة ما تكون مميزة للذكور.

تُعرف ضغوط الاختيار على الذكور والإناث للحصول على التزاوج بالاختيار الجنسي. يمكن أن يؤدي إلى تطوير الخصائص الجنسية الثانوية التي لا تفيد احتمالية بقاء الفرد على قيد الحياة ولكنها تساعد في تحقيق أقصى قدر من النجاح الإنجابي. يمكن أن يكون الاختيار الجنسي قويًا لدرجة أنه يختار السمات التي تضر في الواقع ببقاء الفرد. فكر مرة أخرى في ذيل الطاووس. في حين أنها جميلة والذكر صاحب الذيل الأكبر والأكثر غنى بالألوان من المرجح أن يفوز بالأنثى ، إلا أنه ليس الملحق الأكثر عملية. بالإضافة إلى كونه مرئيًا بشكل أكبر للحيوانات المفترسة ، فإنه يجعل الذكور أبطأ في محاولاتهم للهروب. هناك بعض الأدلة على أن هذا الخطر ، في الواقع ، هو سبب إعجاب الإناث بالذيول الكبيرة في المقام الأول. التخمين هو أن ذيول كبيرة تحمل مخاطر ، وأن أفضل الذكور فقط هم من ينجو من هذا الخطر: فكلما كان الذيل أكبر ، كان الذكر أكثر ملاءمة. تُعرف هذه الفكرة باسم مبدأ الإعاقة.

ال فرضية الجينات الجيدة تنص على أن الذكور يطورون هذه الزخارف الرائعة لإظهار كفاءة التمثيل الغذائي أو قدرتها على مكافحة الأمراض. ثم تختار الإناث الذكور ذوي الصفات الأكثر إثارة للإعجاب لأنها تشير إلى تفوقهم الجيني ، والذي سينقلونه بعد ذلك إلى ذريتهم. على الرغم من أنه قد يُقال إن الإناث لا ينبغي أن تكون انتقائيًا لأنه من المحتمل أن يقلل ذلك من عدد نسلها ، إذا كان الأب الأفضل للذكور أكثر ملاءمة لذرية ، فقد يكون ذلك مفيدًا. النسل الأقل والأكثر صحة قد يزيد من فرص البقاء على قيد الحياة أكثر من النسل الأضعف.

في كل من مبدأ الإعاقة وفرضية الجينات الجيدة ، يقال أن السمة هي إشارة صادقة من جودة الذكور ، مما يمنح الإناث طريقة للعثور على الرفقاء الأكثر لياقة - الذكور الذين سينقلون أفضل الجينات إلى ذريتهم.

لا يوجد كائن حي مثالي

يعد الانتقاء الطبيعي قوة دافعة في التطور ويمكن أن يولد مجموعات سكانية تتكيف بشكل أفضل للبقاء على قيد الحياة والتكاثر بنجاح في بيئاتها. لكن الانتقاء الطبيعي لا يمكن أن ينتج الكائن الحي المثالي. يمكن للاختيار الطبيعي فقط اختيار التباين الموجود في المجتمع ؛ لا تخلق أي شيء من الصفر. وبالتالي ، فهو مقيد بالتباين الجيني الحالي للسكان وأي أليلات جديدة تنشأ من خلال الطفرات وتدفق الجينات.

الانتقاء الطبيعي محدود أيضًا لأنه يعمل على مستوى الأفراد ، وليس الأليلات ، وترتبط بعض الأليلات بسبب قربها المادي في الجينوم ، مما يزيد من احتمالية انتقالها معًا (عدم توازن الارتباط). قد يحمل أي فرد بعض الأليلات المفيدة وبعض الأليلات غير المواتية. إنه التأثير الصافي لهذه الأليلات ، أو ملاءمة الكائن الحي ، الذي يمكن أن يعمل عليه الانتقاء الطبيعي. نتيجة لذلك ، يمكن أن تُفقد الأليلات الجيدة إذا حملها أفراد لديهم أيضًا العديد من الأليلات السيئة بشكل كبير ؛ وبالمثل ، يمكن الاحتفاظ بالأليلات السيئة إذا تم حملها بواسطة أفراد لديهم ما يكفي من الأليلات الجيدة لتحقيق فائدة عامة للياقة البدنية.

علاوة على ذلك ، يمكن تقييد الانتقاء الطبيعي بالعلاقات بين الأشكال المتعددة المختلفة. قد يمنح شكل واحد لياقة أعلى من الآخر ، ولكن قد لا يزيد التردد بسبب حقيقة أن الانتقال من سمة أقل فائدة إلى سمة أكثر فائدة يتطلب المرور بنمط ظاهري أقل فائدة. فكر في العودة إلى الفئران التي تعيش على الشاطئ. بعضها فاتح اللون ويمتزج بالرمل ، بينما البعض الآخر داكن ويمتزج مع بقع العشب. قد تكون الفئران ذات الألوان الداكنة ، بشكل عام ، أكثر ملاءمة من الفئران ذات الألوان الفاتحة ، وللوهلة الأولى ، قد يتوقع المرء أن يتم اختيار الفئران ذات الألوان الفاتحة لتلوين أغمق. لكن تذكر أن النمط الظاهري الوسيط ، وهو معطف متوسط ​​اللون ، سيء جدًا بالنسبة للفئران - فهي لا تستطيع الاندماج مع الرمل أو العشب ، ومن المرجح أن تأكلها الحيوانات المفترسة. نتيجة لذلك ، لن يتم اختيار الفئران ذات الألوان الفاتحة للتلوين الداكن لأن هؤلاء الأفراد الذين بدأوا في التحرك في هذا الاتجاه (بدأ اختيارهم لطبقة أغمق) سيكونون أقل لياقة من أولئك الذين ظلوا فاتحًا.

أخيرًا ، من المهم أن نفهم أنه ليس كل التطور قابل للتكيف. في حين أن الانتقاء الطبيعي يختار الأفراد الأكثر لياقة وغالبًا ما يؤدي إلى مجموعة سكانية أكثر ملاءمة بشكل عام ، فإن قوى التطور الأخرى ، بما في ذلك الانجراف الجيني وتدفق الجينات ، غالبًا ما تفعل العكس: إدخال الأليلات الضارة إلى مجموعة الجينات السكانية. ليس للتطور أي غرض - فهو لا يغير السكان إلى مثال مُسبق. إنه ببساطة مجموع القوى المختلفة الموصوفة في هذا الفصل وكيف تؤثر على التباين الوراثي والظاهري للسكان.

أهداف التعلم

لأن الانتقاء الطبيعي يعمل على زيادة تواتر الأليلات والصفات المفيدة مع تقليل تواتر الصفات الضارة ، فهو تطور تكيفي. يعمل الانتقاء الطبيعي على مستوى الفرد ، حيث يتم اختيار أولئك الذين يتمتعون بلياقة عامة أعلى مقارنة ببقية السكان. إذا كانت الأنماط الظاهرية الملائمة هي تلك المتشابهة ، فإن الانتقاء الطبيعي سيؤدي إلى استقرار الانتقاء ، وانخفاض عام في تباين المجتمع. يعمل التحديد الاتجاهي على تحويل تباين السكان نحو نمط ظاهري جديد ومناسب ، مع تغير الظروف البيئية. في المقابل ، يؤدي تنويع الانتقاء إلى زيادة التباين الجيني عن طريق اختيار صفتين مميزتين أو أكثر.

تشمل أنواع الاختيار الأخرى الاختيار المعتمد على التردد ، حيث يتم اختيار الأفراد ذوي الطرز الظاهرية المشتركة (الاختيار المعتمد على التردد الإيجابي) أو الطرز الظاهرية النادرة (الاختيار المعتمد على التردد السلبي). أخيرًا ، ينتج الانتقاء الجنسي من حقيقة أن أحد الجنسين لديه تباين في النجاح الإنجابي أكثر من الآخر. نتيجة لذلك ، يعاني الذكور والإناث من ضغوط انتقائية مختلفة ، والتي يمكن أن تؤدي غالبًا إلى تطور الاختلافات المظهرية ، أو ازدواج الشكل الجنسي ، بين الاثنين.


الضغط الانتقائي - مقال بحثي من عالم الأحياء

الضغط الانتقائي هو أي ظواهر تغير سلوك وملاءمة الكائنات الحية في بيئة معينة. إنها القوة الدافعة للتطور والانتقاء الطبيعي ، ويمكن تقسيمها إلى نوعين من الضغط: حيوي أو غير حيوي.

الضغط الحيوي الذي يؤثر على كائن حي هو كائنات حية داخل نفس النظام البيئي الذي يتفاعل مع الكائن الحي المصاب. ينتج الضغط اللاأحيائي عن عوامل غير حية داخل بيئة الكائن الحي ، مثل الضوء والرياح والتربة. تتفاعل كل هذه العوامل مع الكائن الحي لتوفر معارضة لاستمرار بقائه على قيد الحياة. بعض الخصائص هي الأنسب للبقاء على قيد الحياة مع مجموعة معينة من الظروف ، وهذه الشروط هي الضغوط الانتقائية التي تدفع مسار التطور للكائن الحي. بعض الضغط الانتقائي محايد ومثال على استقرار الاختيار. الضغوط الأخرى التي تؤثر على تطور الكائن الحي هي أمثلة على الاختيار الاتجاهي والاختيار المضطرب.


الملخص

نمت بيئة المجتمع والغزو بشكل مستقل في الغالب. هناك تداخل كبير في العمليات التي تم التقاطها بواسطة نماذج مختلفة في المجالين ، وقد تم تطوير أطر مختلفة لتقليل هذا التكرار وتجميع محتوى المعلومات. على الرغم من الاعتراف الواسع بأن المجتمع وبيئة الغزو مترابطتان ، إلا أنه لا يوجد إطار عمل قائم على توليف النماذج عبر هذين المجالين. هنا نراجع 65 نموذجًا تمثيليًا للمجتمع والغزو ونقترح إطارًا مشتركًا مفصلاً حول ست عمليات (التشتت ، والانجراف ، والتفاعلات اللاأحيائية ، والتفاعلات داخل الجماعة ، والتفاعلات بين النقابات ، والتغيرات الجينية). تم تصميم إطار العمل لتجميع محتوى الحقلين ، وتوفير منظور عام لتطورهما ، وتمكين المقارنة بينهما. يكشف تطبيق هذا الإطار وطريقة جديدة قائمة على نظرية الشبكة عن بعض الافتقار إلى الترابط بين المجالين ، على الرغم من بعض أوجه التشابه التاريخية. تتميز نماذج البيئة المجتمعية بمجموعات من العمليات المتعددة ، مما يعكس على الأرجح البحث عن نظرية شاملة لشرح تجميع المجتمع وهيكله ، بالاعتماد في الغالب على عمليات التفاعل ، ولكن أيضًا تمثل إلى حد كبير العمليات الأخرى. في المقابل ، تستدعي معظم النماذج في بيئة الغزو عمليات أقل وتركز أكثر على التفاعلات بين الأنواع التي تم إدخالها وبيئتها الحيوية وغير الحيوية الجديدة. تنعكس الهيمنة التاريخية لعمليات التفاعل وتطوراتها المستقلة في المجالين أيضًا في المستوى الأدنى من التماسك للنماذج التي تتضمن تفاعلات ، مقارنة بالنماذج التي تتضمن التشتت والانجراف والتغيرات الجينية. يبدو أن إيكولوجيا المجتمع ، التي لها تاريخ أطول من إيكولوجيا الغزو ، قد انتقلت من البحث عن تفسيرات فردية للأنماط التي لوحظت في الطبيعة للتحقيق في كيفية تفاعل العمليات ميكانيكيًا ، وبالتالي إنشاء واختبار الفرضيات. يمهد إطار عملنا الطريق لانتقال مماثل في بيئة الغزو ، لالتقاط ديناميكيات الأنواع الغريبة المتعددة التي تم إدخالها في المجتمعات المعقدة بشكل أفضل. وبالمقابل ، فإن تطبيق الأفكار من الغزو إلى البيئة المجتمعية سيساعدنا على فهم مستقبل المجتمعات البيئية في الأنثروبوسين والتنبؤ به ، حيث تضعف الأنشطة البشرية الحدود الطبيعية للأنواع. في نهاية المطاف ، يمكن أن يؤدي التكامل الناجح بين الحقلين إلى تطوير بيئة تنبؤية مطلوبة بشكل عاجل في عالم سريع التغير.


العمل العملي للتعلم

برهنة

حالة الحلزون المخطط - Cepaea nemoralis و Cepaea hortensis - هو مثال معروف على الانتقاء الطبيعي. يتم استخدام تكيف مجموعات أنواع هذا الحلزون في ظروف بيئية مختلفة كدراسة حالة للتطور في العمل. يمكن للمعلمين استخدامها سيبايا لتشجيع النقاش حول كيفية تغير الأنواع ، ولتوضيح سوء الفهم حول العمليات الطبيعية التي تؤدي إلى تغيير الأنواع.

تنظيم الدرس

وزع الأوراق وناقش البيانات المقدمة.

في حالة اتباع بروتوكول Evolution Megalab ، اجمع بعض القواقع للدراسة في درس واحد وتدرب على استخدام المفاتيح في المختبر (مع الفيديو للحصول على الدعم) ، ثم اجمع القواقع في الدرس التالي وأرسل البيانات إلى الموقع. اقض درسًا آخر ، أو خصص واجبًا منزليًا ، واطلع على البيانات الشاملة الموجودة على موقع Evolution Megalab.

الأجهزة والكيماويات

لكل مجموعة من الطلاب:

مفتاح الحلزونات النطاقات وصحيفة التسجيل (إذا كنت تتبع بروتوكول Evolution Megalab)

الصحة والسلامة والملاحظات الفنية

إذا كنت تقوم بمسح القواقع في البرية ، فقم بإجراء تقييم كامل للمخاطر للعمل في الهواء الطلق ، واتبع احتياطات النظافة المناسبة بعد التعامل مع القواقع.

قضايا أخلاقية

يجب أن يكون المعلمون حريصين على تقديم الحلزون بطريقة تعزز موقفًا أخلاقيًا جيدًا تجاههم وليس مجرد وسيلة. على الرغم من أنها كائنات حية بسيطة قد لا "تعاني" بنفس الطريقة التي تعاني بها الحيوانات العليا ، إلا أنها لا تزال تستحق الاحترام. يجب إعادة الحيوانات على الفور إلى بيئتها الطبيعية أو إلى خزان مناسب بعد التعرف عليها وإحصائها. يدعم هذا النهج الأخلاقية في العمل الميداني حيث يتم إعادة الحيوانات إلى بيئتها بعد إجراء الملاحظات.

إجراء

تحقيق

أ فكر في البيانات المتعلقة بلون القشرة التي تم جمعها في شهور مختلفة عند سندان طائر معين في خشب بالقرب من أكسفورد.

ب ادرس الرسم البياني للنسب المئوية للقواقع الصفراء والقواقع باستخدام شريط واحد أو أكثر ، بناءً على الملاحظات التي تم إجراؤها في الموائل المختلفة.

ج أجب عن الأسئلة وقيّم ما تقترحه هذه المعلومات حول الانتقاء الطبيعي.

ملاحظات التدريس

القواقع تحطم القواقع على حجارة معينة (تسمى السندان) لفتح القشرة وتحرير الجسم الناعم للحلزون ليأكله. يتيح جمع قذائف الحلزون من سندان القلاع معرفة نسبة القواقع ذات الألوان المختلفة والمزخرفة التي وجدها القلاع وأكلها في أوقات مختلفة من العام.

قذائف مجمعة كانت صفراء (٪)

تشير البيانات إلى أن 42٪ من الأصداف التي تم جمعها كانت صفراء في سنة معينة في أبريل ، في حين أن 22٪ من الأصداف التي تم جمعها كانت صفراء في يونيو. يبدو أن قذائف الحلزون الصفراء غير المربوطة بشكل أفضل تمويه ضد العشب الجديد والأوراق في الربيع (أبريل). تعتبر الأصداف التي لا تحتوي على عصابات أو فرقة واحدة أكثر شيوعًا في الأراضي الحرجية ، وتكون الأصداف ذات العصابات المتعددة أكثر شيوعًا في الأراضي العشبية والأسيجة. نسبة القواقع الصفراء أعلى في الشجيرات والأراضي العشبية. وهذا يعني أنه إذا تناقصت مساحة الغابات ، فإن أعداد القواقع الصفراء ستزداد.

تظهر الحلزونات ذات النطاقات اختلافات كبيرة. على اليمين توجد الحلزونات الأربعة الأولى التي ظهرت في حديقة في ويلز في أكتوبر 2009.

يمكن لثلاث ضغوط انتقائية على الأقل التأثير على هذه الفئة من السكان. يؤثر لون ودرجة النطاقات على التمويه في الموائل المختلفة. وهذا يعني أن خصائص السكان قد تتغير مع قيام البشر بإجراء تغييرات على البيئة ، مثل إزالة الغابات. يعد القلاع أحد الحيوانات المفترسة الرئيسية لهذه الأنواع ، والذي سيختار بشكل تفضيلي تلك التي يمكنه رؤيتها بسهولة. انخفض عدد سكان مرض القلاع بشكل كبير خلال السنوات الأخيرة ، مما يعني أنه قد يتم تقليل الآثار الإيجابية لبعض أنماط التمويه. كلما كانت القواقع أغمق ، زادت سرعة تسخين القواقع في وضح النهار. ستكون الحلزونات الأكثر دفئًا أكثر نشاطًا وقد يكون لها ميزة في العثور على الطعام. إذا أصبح المناخ البريطاني أكثر دفئًا بشكل عام ، فقد يكون هذا أقل فائدة الآن مما كان عليه قبل بضعة عقود.

فحص الصحة والسلامة ، أكتوبر 2009

التحميلات

قم بتنزيل ورقة الطالب التحديد أثناء العمل - القواقع ذات النطاقات (187 كيلوبايت) مع الأسئلة والأجوبة.

روابط انترنت

www.evolutionmegalab.org
يقوم هذا المشروع بتنسيق مسح للقواقع ذات النطاقات في المملكة المتحدة. يوفر معلومات أساسية حول القواقع ، فيديو لإظهار كيفية جمع وتحديد القواقع في منطقتك ، مفاتيح للسماح بالتعرف الدقيق على أنواع مختلفة من القواقع. سيبايا، وأوراق التسجيل التي تجمع عليها نتائجك. تحاول Evolution Megalab معرفة ما إذا كانت ألوان الصدفة والعصابات تتغير حيث يوجد عدد أقل من القلاع ، وما إذا كانت ألوان الصدفة تتغير مع ارتفاع درجة حرارة المناخ. إذا قمت بالتسجيل للمشاركة في المشروع ، فسيتم تجميع بياناتك مع بيانات من المشاركين الآخرين.

(تم الوصول إلى الموقع في أكتوبر 2011)

© 2019 ، الجمعية الملكية لعلم الأحياء ، 1 شارع ناوروجي ، لندن WC1X 0GB جمعية خيرية مسجلة رقم 277981 ، تأسست بموجب الميثاق الملكي


انسياب الجينات

الشكل 4. يمكن أن يحدث التدفق الجيني عندما ينتقل الفرد من موقع جغرافي إلى آخر.

قوة تطورية أخرى مهمة هي تدفق الجينات: تدفق الأليلات داخل وخارج السكان بسبب هجرة الأفراد أو الأمشاج (الشكل 4). في حين أن بعض المجموعات السكانية مستقرة إلى حد ما ، فإن البعض الآخر يعاني من مزيد من التدفق. العديد من النباتات ، على سبيل المثال ، ترسل حبوب اللقاح الخاصة بها على نطاق واسع ، عن طريق الرياح أو الطيور ، لتلقيح مجموعات أخرى من نفس النوع على بعد مسافة ما. حتى السكان الذين قد يبدو في البداية مستقرين ، مثل فخر الأسود ، يمكن أن يواجهوا نصيبه العادل من الهجرة والهجرة حيث يترك الذكور الناميون أمهاتهم للبحث عن فخر جديد مع الإناث غير المرتبطين وراثيا. لا يؤدي هذا التدفق المتغير للأفراد داخل وخارج المجموعة إلى تغيير البنية الجينية للسكان فحسب ، بل يمكنه أيضًا إدخال تنوع جيني جديد للمجموعات السكانية في المواقع والموائل الجيولوجية المختلفة.


12.2: الضغوط الانتقائية والبيئية - علم الأحياء

لقد شكلت النباتات شكل حياتنا البشرية منذ البداية. مع ظهور الاعتراف بتغذية سكان العالم ، وتغير المناخ العالمي وموارد الطاقة المحدودة بالوقود الأحفوري ، أصبحت أهمية بيولوجيا النبات والتكنولوجيا الحيوية مهمة بشكل كبير. تتمثل إحدى القضايا الرئيسية في تحسين إنتاجية النبات ومقاومة الإجهاد اللاأحيائي / الحيوي في الزراعة بسبب مساحة الأرض المحدودة وزيادة الضغوط البيئية. جانب آخر هو تطوير ثاني أكسيد الكربون2- موارد نباتية محايدة للألياف / الكتلة الحيوية والوقود الحيوي: الانتقال من نباتات الجيل الأول مثل قصب السكر والذرة والمحاصيل الغذائية المهمة الأخرى إلى محاصيل الطاقة من الجيل الثاني والثالث مثل ميسكانثوس وأشجار لجنوسليلوز وطحالب للكتلة الحيوية والأعلاف وإنتاج الهيدروجين والدهون. في الوقت نفسه علينا الحفاظ على التنوع الطبيعي وثراء الأنواع وحمايتها كأساس لحياتنا على الأرض. هنا ، تتم مناقشة بنوك التنوع البيولوجي كأساس لبحوث تربية النباتات الحالية والمستقبلية. وبالتالي ، يمكن توقع أن يكون لبيولوجيا النبات والبيئة أدوار مستقبلية لا غنى عنها في جميع الجوانب الاجتماعية والاقتصادية لحياتنا أكثر من أي وقت مضى. لذلك نحن بحاجة إلى فهم متعمق لفيزيولوجيا الأنواع النباتية الفردية للتطبيقات العملية وكذلك ترجمة هذه المعرفة إلى النظم البيئية المعقدة والطبيعية والبشرية المنشأ. ستؤدي أحدث التطورات في البحوث البيولوجية والتحليلية الحيوية إلى تحول نموذجي نحو محاولة فهم الكائنات الحية على مستوى الأنظمة وفي سياقها البيئي: (1) بندقية الصيد وتسلسل الجينوم من الجيل التالي ، وإعادة بناء الجينات والشرح ، (2) مقياس الجينوم التحليل الجزيئي باستخدام تقنيات OMICS و (3) التحليل بمساعدة الكمبيوتر ونمذجة وتفسير البيانات البيولوجية. تجمع بيولوجيا الأنظمة بين هذه البيانات الجزيئية والتطور الجيني والإشارات البيئية وتفاعل الأنواع مع الفهم والنمذجة والتنبؤ بالشبكات الكيميائية الحيوية النشطة حتى مجموعات الأنواع بأكملها. تعتمد هذه العملية على تطوير تقنيات جديدة لتحليل البيانات الجزيئية ، وخاصة علم الجينوم وبيانات التمثيل الغذائي والبروتيوميات. الهدف الطموح من هذه التقنيات "omic" غير المستهدفة هو توسيع فهمنا إلى ما بعد تحليل الأجزاء المنفصلة من النظام ، على عكس الأساليب التقليدية التي تعتمد على الفرضيات الاختزالية. سيكشف التكامل اللاحق للتنميط الجيني والتنميط الظاهري / التنميط وتحليل النمط الظاهري الجزيئي باستخدام الأيض والبروتينات والنسخ عن فهم جديد لعملية التمثيل الغذائي للنبات وتفاعله مع البيئة. سيظهر تحليل أنظمة النموذج الفردي - النباتات والفطريات والحيوانات والبكتيريا - أخيرًا في تحليل مجموعات النباتات والكائنات الحية الأخرى وتكيفها مع البيئة الملائمة. في موازاة ذلك ، سيُترجم هذا الفهم الجديد للفيزيولوجيا البيئية إلى مناهج قائمة على المعرفة في التكنولوجيا الحيوية لنبات المحاصيل ونهج الاستيلاد بمساعدة الجينوم أو الواسمات. في هذا الاستعراض ، تم وصف أسس بيولوجيا الأنظمة الخضراء وعرض التطبيقات في أبحاث النظم البيئية. من المتوقع تبادل المعرفة لبحوث النظم الإيكولوجية والتكنولوجيا الحيوية الخضراء المندمجة في بيولوجيا الأنظمة الخضراء على أساس مبادئ التباين الطبيعي والتنوع البيولوجي والعلاقة بين النمط الجيني والنمط الظاهري للبيئة باعتبارها الدوافع الأساسية للإيكولوجيا والتطور.


# 139 الانتقاء الطبيعي

سكان الكائنات الحية لديهم القدرة على إنتاج أعداد كبيرة من النسل ، ومع ذلك تظل أعدادهم ثابتة إلى حد ما عامًا بعد عام.


يحدث الانتقاء الطبيعي لأن السكان لديهم القدرة على إنتاج العديد من النسل - & GT تنافس للموارد - & GT للأفراد أفضل تكيفًا للبقاء على قيد الحياة تولد و مررها هم الأليلات .
تفاوت يعني أن بعض الأفراد في المجتمع سيكون لديهم ميزات تمنحهم مميزات في "النضال من أجل الوجود".

العوامل البيئية
- حيوي : تسببها كائنات أخرى
على سبيل المثال: الافتراس ، المنافسة الغذائية ، العدوى بمسببات الأمراض
- لا حيوي : ناتج عن مكونات غير حية للبيئة
على سبيل المثال: إمدادات المياه ومستوى مغذيات التربة

ضغوط الاختيار التحكم في فرص انتقال بعض الأليلات إلى الجيل التالي.
على سبيل المثال: الحيوانات المفترسة - الأفراد الذين يمكنهم تمويه أنفسهم بشكل أفضل يعيشون أكثر ، وينقلون الأليلات
يتم استدعاء تأثيرات ضغوط الاختيار على تواتر الأليلات في مجتمع ما الانتقاء الطبيعي . يزداد تواتر الأليلات المفيدة ، وينخفض ​​تواتر الأليلات غير المواتية.

أنواع الاختيار
استقرار الاختيار: يتم الحفاظ على الوضع الراهن لأن الكائنات الحية قد تكيفت جيدًا بالفعل مع بيئتها
- أفعال ضد التطرف
- تفضل البيئة
- على سبيل المثال: الوزن عند الولادة


اختيار الاتجاه: يتم اختيار الأنواع الأكثر شيوعًا للكائن الحي ضد - & gt التغيير في ميزات السكان
- يفضل المتغيرات 1 متطرف عند ظهور أليل جديد أو ظهور عامل بيئي جديد
- على سبيل المثال: العث المرقط

الاختيار التخريبي: يفضل بقاء الأفراد في نقطتين مختلفتين في نطاق التباين ، مما ينتج عنه نمطين مختلفين
- تفضيل الظروف كلا الطرفين - & gt تحافظ على أنماط ظاهرية مختلفة في السكان
- على سبيل المثال: عصافير غالاباغوس

الانحراف الجيني
- أ تغيير في تردد الأليل لعدد قليل من السكان
- يحدث بالصدفة ، لأن بعض الكائنات الحية فقط من كل جيل تتكاثر.
تأثير المؤسس يحدث في مجموعات صغيرة ومعزولة
- نتائج من الاستعمار موقع جديد من قبل عدد قليل من الأفراد
- يحدث مزيد من الانجراف الجيني في عدد قليل من السكان
- تطور هذه المجموعة قد يتخذ اتجاهًا مختلفًا عن السكان الأكبر


مبدأ هاردي واينبرغ
- عندما يتم التحكم في سمة نمطية معينة بواسطة أليلين من جين واحد A / a
- الطرز الجينية: AA، Aa، aa
- حساب نسبة هذه الطرز الوراثية في مجموعة كبيرة من التزاوج العشوائي


الانتقاء الطبيعي

داروين والنسب مع التعديل

الشكل 1. لاحظ داروين أن شكل المنقار يختلف باختلاف أنواع العصافير. افترض أن منقار الأجداد قد تكيف مع مرور الوقت لتجهيز العصافير للحصول على مصادر غذائية مختلفة.

اشتهر تشارلز داروين باكتشافه الانتقاء الطبيعي. في منتصف القرن التاسع عشر ، تم تصور الآلية الفعلية للتطور ووصفها بشكل مستقل من قبل اثنين من علماء الطبيعة: تشارلز داروين وألفريد راسل والاس. الأهم من ذلك ، قضى كل عالم طبيعة وقتًا في استكشاف العالم الطبيعي في رحلات استكشافية إلى المناطق الاستوائية. من 1831 إلى 1836 ، سافر داروين حول العالم هـ. بيجل، بما في ذلك المحطات في أمريكا الجنوبية وأستراليا والطرف الجنوبي من إفريقيا. سافر والاس إلى البرازيل لجمع الحشرات في غابات الأمازون المطيرة من 1848 إلى 1852 وإلى أرخبيل الملايو من 1854 إلى 1862. وشملت رحلة داروين و 8217 ، مثل والاس & # 8217s اللاحقة إلى أرخبيل الملايو ، محطات توقف في العديد من سلاسل الجزر ، وآخرها كونها جزر غالاباغوس غرب الإكوادور. في هذه الجزر ، لاحظ داروين أن أنواعًا من الكائنات الحية في جزر مختلفة كانت متشابهة بشكل واضح ، ومع ذلك كانت لها اختلافات واضحة. على سبيل المثال ، تتكون العصافير الأرضية التي تسكن جزر غالاباغوس من عدة أنواع ذات شكل منقار فريد (الشكل 1).

كان للأنواع الموجودة على الجزر سلسلة متدرجة من أحجام وأشكال المنقار مع اختلافات صغيرة جدًا بين الأنواع الأكثر تشابهًا. لاحظ أن هذه العصافير تشبه إلى حد بعيد نوعًا آخر من العصافير في البر الرئيسي لأمريكا الجنوبية. تخيل داروين أن الأنواع الجزرية قد تكون من الأنواع المعدلة من أحد الأنواع الأصلية في البر الرئيسي. بعد مزيد من الدراسة ، أدرك أن مناقير كل حسون تساعد الطيور في الحصول على نوع معين من الطعام. على سبيل المثال ، تحتوي العصافير التي تأكل البذور على مناقير أقوى وأكثر سمكًا لكسر البذور ، كما أن العصافير التي تأكل الحشرات لها مناقير تشبه الرمح لطعن فرائسها.

لاحظ كل من والاس وداروين أنماطًا متشابهة في الكائنات الحية الأخرى وطوروا بشكل مستقل نفس التفسير لكيفية ولماذا يمكن أن تحدث مثل هذه التغييرات. أطلق داروين على هذه الآلية الانتقاء الطبيعي. الانتقاء الطبيعي، المعروف أيضًا باسم & # 8220survival of the fittest ، & # 8221 هو التكاثر الأكثر إنتاجًا للأفراد ذوي السمات المفضلة التي تنجو من التغيير البيئي بسبب تلك السمات التي يؤدي ذلك إلى التغيير التطوري.

على سبيل المثال ، لاحظ داروين أن مجموعة من السلاحف العملاقة الموجودة في أرخبيل غالاباغوس لها أعناق أطول من تلك التي تعيش في الجزر الأخرى ذات الأراضي المنخفضة الجافة. تم اختيار هذه السلاحف & # 8220 & # 8221 لأنها يمكن أن تصل إلى المزيد من الأوراق والوصول إلى طعام أكثر من تلك ذات الأعناق القصيرة. في أوقات الجفاف التي يتوفر فيها عدد أقل من الأوراق ، فإن تلك التي يمكن أن تصل إلى عدد أكبر من الأوراق لديها فرصة أفضل لتناول الطعام والبقاء على قيد الحياة من تلك التي لم تتمكن من الوصول إلى مصدر الغذاء. وبالتالي ، من المرجح أن تكون السلاحف طويلة العنق أكثر نجاحًا في الإنجاب وتمرير سمة العنق الطويلة إلى نسلها. بمرور الوقت ، فقط السلاحف طويلة العنق ستكون موجودة في السكان.

جادل داروين بأن الانتقاء الطبيعي كان نتيجة حتمية لثلاثة مبادئ تعمل في الطبيعة. أولاً ، إن معظم خصائص الكائنات الحية موروثة ، أو تنتقل من الأب إلى الأبناء. على الرغم من عدم معرفة أحد ، بما في ذلك داروين ووالاس ، كيف حدث هذا في ذلك الوقت ، فقد كان فهمًا مشتركًا. ثانيًا ، يتم إنتاج نسل أكثر مما يستطيع البقاء على قيد الحياة ، لذا فإن موارد البقاء والتكاثر محدودة. القدرة على التكاثر في جميع الكائنات الحية تفوق توافر الموارد لدعم أعدادهم. وبالتالي ، هناك منافسة على هذه الموارد في كل جيل. جاء فهم كل من داروين والاس & # 8217 لهذا المبدأ من قراءة مقال بقلم الخبير الاقتصادي توماس مالتوس الذي ناقش هذا المبدأ فيما يتعلق بالسكان البشريين. ثالثًا ، يختلف النسل فيما بين بعضهم البعض فيما يتعلق بخصائصهم وتلك الاختلافات موروثة. استنتج داروين ووالاس أن النسل ذو الخصائص الموروثة التي تسمح لهم بالمنافسة بشكل أفضل على الموارد المحدودة سيبقون على قيد الحياة ويكون لديهم ذرية أكثر من أولئك الأفراد الذين لديهم اختلافات أقل قدرة على المنافسة. لأن الخصائص موروثة ، سيتم تمثيل هذه السمات بشكل أفضل في الجيل القادم. سيؤدي هذا إلى تغيير في السكان عبر الأجيال في عملية أطلق عليها داروين اسم النسب مع التعديل. في نهاية المطاف ، يؤدي الانتقاء الطبيعي إلى تكيف أكبر للسكان مع بيئتهم المحلية ، فهو الآلية الوحيدة المعروفة للتطور التكيفي.

أوراق داروين والاس (الشكل 2) التي تقدم فكرة الانتقاء الطبيعي تمت قراءتها معًا في عام 1858 قبل جمعية لينيان في لندن. في العام التالي ، كتاب داروين & # 8217s ، حول أصل الأنواع، تم نشره. أوجز كتابه بتفصيل كبير حججه من أجل التغييرات التدريجية والبقاء التكيفي عن طريق الانتقاء الطبيعي.

الشكل 2. كتب كل من (أ) تشارلز داروين و (ب) ألفريد والاس أوراق علمية عن الانتقاء الطبيعي تم تقديمها معًا أمام جمعية لينيان في عام 1858.

إن إثباتات التطور عن طريق الانتقاء الطبيعي تستغرق وقتًا طويلاً ويصعب الحصول عليها. تم عرض أحد أفضل الأمثلة في الطيور ذاتها التي ساعدت في إلهام نظرية داروين: عصافير غالاباغوس. درس بيتر وروزماري جرانت وزملاؤهما مجموعات عصفور غالاباغوس كل عام منذ عام 1976 وقدموا مظاهرات مهمة للانتقاء الطبيعي. وجدت المنح تغييرات من جيل إلى آخر في توزيع أشكال المنقار مع حسون الأرض المتوسطة في جزيرة دافني ميجور في غالاباغوس. لقد ورثت الطيور تباينًا في شكل المنقار حيث يكون لبعض الطيور منقار عميقة واسعة بينما يكون لدى البعض الآخر منقار أرق. خلال فترة كان هطول الأمطار فيها أعلى من المعتاد بسبب ظاهرة النينيو ، تم تقليل عدد البذور الصلبة الكبيرة التي أكلتها الطيور ذات المنقار الكبير ، ومع ذلك ، كانت هناك وفرة من البذور الرخوة الصغيرة التي أكلتها الطيور صغيرة المنقار. لذلك ، كان البقاء والتكاثر أفضل بكثير في السنوات التالية للطيور ذات المنقار الصغير. في السنوات التي أعقبت ظاهرة النينيو ، قاس برنامج المنح أحجام المنقار في السكان ووجدوا أن متوسط ​​حجم الفاتورة كان أصغر. نظرًا لأن حجم الفاتورة هو سمة موروثة ، فإن الآباء الذين لديهم فواتير أصغر كان لديهم نسل أكثر وتطور حجم الفواتير ليصبح أصغر. مع تحسن الظروف في عام 1987 وأصبحت البذور الأكبر متوفرة بشكل أكبر ، توقف الاتجاه نحو متوسط ​​حجم الفاتورة الأصغر.


المستشعرات الحيوية: الميزات والمبدأ والأنواع (مع رسم بياني)

جهاز الاستشعار البيولوجي هو جهاز تحليلي يحتوي على مادة بيولوجية ثابتة (إنزيم ، جسم مضاد ، حمض نووي ، هرمون ، عضية أو خلية كاملة) والتي يمكن أن تتفاعل على وجه التحديد مع مادة تحليلية وتنتج إشارات فيزيائية أو كيميائية أو كهربائية يمكن قياسها. التحليلي هو مركب (مثل الجلوكوز واليوريا والعقار والمبيدات الحشرية) يجب قياس تركيزه.

تتضمن المستشعرات الحيوية أساسًا التحليل الكمي للمواد المختلفة عن طريق تحويل إجراءاتها البيولوجية إلى إشارات قابلة للقياس. الغالبية العظمى من أجهزة الاستشعار الحيوية لديها إنزيمات ثابتة. يعتمد أداء المستشعرات الحيوية في الغالب على خصوصية وحساسية التفاعل البيولوجي ، إلى جانب ثبات الإنزيم.

الميزات العامة لأجهزة الاستشعار الحيوية:

يحتوي جهاز الاستشعار البيولوجي على مكونين متميزين (الشكل 21.13).

1. المكون البيولوجي - إنزيم ، خلية وما إلى ذلك.

2. المكون المادي - محول الطاقة ، مكبر للصوت وما إلى ذلك.

يتعرف المكون البيولوجي على المادة التحليلية ويتفاعل معها لإنتاج تغيير فيزيائي (إشارة) يمكن اكتشافه بواسطة محول الطاقة. في الممارسة العملية ، يتم تثبيت المادة البيولوجية بشكل مناسب على محول الطاقة ويمكن استخدام المستشعرات الحيوية المحضرة بشكل متكرر عدة مرات (قد تكون حوالي 10000 مرة) لفترة طويلة (عدة أشهر).

مبدأ جهاز الاستشعار البيولوجي:

يتم تجميد المادة البيولوجية المرغوبة (عادة إنزيم محدد) بالطرق التقليدية (الحصر الفيزيائي أو الغشائي ، الارتباط غير التساهمي أو التساهمي). هذه المادة البيولوجية المعطلة على اتصال وثيق مع محول الطاقة. يرتبط التحليل بالمادة البيولوجية لتشكيل مادة تحليلية ملزمة والتي بدورها تنتج الاستجابة الإلكترونية التي يمكن قياسها.

في بعض الحالات ، يتم تحويل المادة التحليلية إلى منتج قد يرتبط بإطلاق الحرارة أو الغاز (الأكسجين) أو الإلكترونات أو أيونات الهيدروجين. يمكن لمحول الطاقة تحويل التغييرات المرتبطة بالمنتج إلى إشارات كهربائية يمكن تضخيمها وقياسها.

أنواع المستشعرات الحيوية:

هناك عدة أنواع من المستشعرات الحيوية تعتمد على أجهزة الاستشعار ونوع المواد البيولوجية المستخدمة. تناقش قلة مختارة منهم أدناه.

أجهزة الاستشعار الحيوية الكهروكيميائية:

المستشعرات الحيوية الكهروكيميائية عبارة عن أجهزة بسيطة تعتمد على قياسات التيار الكهربائي أو التغيرات الأيونية أو تغيرات التوصيل التي يتم إجراؤها بواسطة الأقطاب الكهربائية الحيوية.

المستشعرات الحيوية الأمبيرومترية:

تعتمد هذه المستشعرات الحيوية على حركة الإلكترونات (أي تحديد التيار الكهربائي) نتيجة تفاعلات الأكسدة والاختزال المحفزة بالإنزيم. عادة ، يمر جهد ثابت بين الأقطاب الكهربائية التي يمكن تحديدها. في التفاعل الأنزيمي الذي يحدث ، يمكن للركيزة أو المنتج نقل إلكترون مع سطح القطب ليتأكسد أو يتم تقليله (الشكل 21.14).

ينتج عن هذا تدفق تيار متغير يمكن قياسه. يتناسب حجم التيار مع تركيز الركيزة. قطب الأكسجين كلارك الذي يحدد تقليل O2، هو أبسط شكل من أشكال جهاز الاستشعار البيولوجي amperometric. يعد تحديد الجلوكوز بواسطة الجلوكوز أوكسيديز مثالاً جيدًا.

في الجيل الأول من المستشعرات الحيوية الأمبيرومترية (الموصوفة أعلاه) ، هناك نقل مباشر للإلكترونات المنبعثة إلى القطب الذي قد يشكل بعض الصعوبات العملية. تم تطوير الجيل الثاني من المستشعرات الحيوية الأمبيرومترية حيث يأخذ الوسيط (مثل ferrocenes) الإلكترونات ثم ينقلها إلى القطب. ومع ذلك ، فإن هذه المستشعرات الحيوية لم تصبح شائعة بعد.

جهاز استشعار السكر في الدم:

إنه مثال جيد على أجهزة الاستشعار الحيوية الأمبيرومترية ، المستخدمة على نطاق واسع في جميع أنحاء العالم من قبل مرضى السكري. يبدو جهاز الاستشعار الحيوي للجلوكوز في الدم مثل قلم الساعة وله قطب كهربائي يستخدم مرة واحدة (يتكون من قطب مرجعي Ag / AgCI وقطب كربون عامل) مع أوكسيديز الجلوكوز ومشتق من فيروسين (كوسيط). الأقطاب الكهربائية مغطاة بشبكة محبة للماء حتى تنتشر قطرة دم. شرائط الاختبار التي يمكن التخلص منها ، والمختومة بورق الألمنيوم ، لها عمر افتراضي يصل إلى ستة أشهر.

تم تطوير جهاز استشعار حيوي لقياس مدى نضارة الأسماك. يشير تراكم الأيونوزين والهيبوكسانتين فيما يتعلق بالنيوكليوتيدات الأخرى إلى نضارة الأسماك - إلى متى ماتت وتخزينها. تم تطوير مستشعر حيوي يستخدم فسفوريلاز النوكليوزيد الثابت وأكسيداز الزانثين فوق قطب كهربائي لهذا الغرض.

مستشعرات بيولوجية قياس الجهد:

في هذه المستشعرات الحيوية ، يتم تحديد التغيرات في التركيزات الأيونية باستخدام أقطاب كهربائية انتقائية (الشكل 21.15). قطب الأس الهيدروجيني هو القطب الأكثر استخدامًا لانتقاء الأيونات ، نظرًا لأن العديد من التفاعلات الأنزيمية تتضمن إطلاق أو امتصاص أيونات الهيدروجين. الأقطاب الكهربائية المهمة الأخرى هي الأمونيا الانتقائية وثاني أكسيد الكربون2 أقطاب كهربائية انتقائية.

يمكن قياس فرق الجهد الناتج بين قطب الجهد الكهربائي والقطب المرجعي. يتناسب مع تركيز الركيزة. يتمثل القيد الرئيسي لأجهزة الاستشعار الحيوية في قياس الجهد في حساسية الإنزيمات للتركيزات الأيونية مثل H + و NH + 4.

ترانزستورات التأثير الميداني الانتقائي للأيونات (ISFET) هي الأجهزة منخفضة التكلفة التي يمكن استخدامها لتصغير المستشعرات الحيوية للجهد. وخير مثال على ذلك هو جهاز الاستشعار البيولوجي ISFET المستخدم لمراقبة درجة الحموضة داخل عضلة القلب أثناء جراحة القلب المفتوح.

إجراء أجهزة الاستشعار الحيوية المترية:

هناك العديد من التفاعلات في الأنظمة البيولوجية التي تحدث تغييرات في الأنواع الأيونية. هذه الأنواع الأيونية تغير الموصلية الكهربائية التي يمكن قياسها. من الأمثلة الجيدة على جهاز الاستشعار البيولوجي المتري هو جهاز الاستشعار البيولوجي لليوريا الذي يستخدم اليورياز المعطل. يحفز اليوريا التفاعل التالي.

يرتبط التفاعل أعلاه بتغيير جذري في التركيز الأيوني الذي يمكن استخدامه لمراقبة تركيز اليوريا. في الواقع ، يتم استخدام أجهزة الاستشعار الحيوية لليوريا بنجاح كبير أثناء جراحة غسيل الكلى وجراحة الكلى.

أجهزة الاستشعار الحيوية الحرارية:

ترتبط العديد من التفاعلات البيولوجية بإنتاج الحرارة وهذا يشكل أساس المستشعرات الحيوية الحرارية. يشار إليها بشكل أكثر شيوعًا بالمستشعرات الحيوية الحرارية أو أجهزة الاستشعار الحيوية المسعرية. يوضح الشكل 21.16 تمثيلًا تخطيطيًا لجهاز استشعار حيوي حراري. يتكون من صندوق عازل للحرارة مزود بمبادل حراري (أسطوانة ألمنيوم).

يحدث التفاعل في مفاعل بطبقة إنزيمية صغيرة. عندما تدخل الركيزة السرير ، يتم تحويلها إلى منتج ويتم توليد الحرارة. يتم قياس الفرق في درجة الحرارة بين الركيزة والمنتج بواسطة الثرمستورات. حتى التغيير الطفيف في درجة الحرارة يمكن اكتشافه بواسطة أجهزة الاستشعار الحيوية الحرارية.

تستخدم أجهزة الاستشعار البيولوجية الحرارية لتقدير الكوليسترول في الدم. عندما يتأكسد الكوليسترول بواسطة إنزيم أوكسيديز الكوليسترول ، يتم توليد الحرارة التي يمكن قياسها. وبالمثل ، يمكن إجراء تقديرات الجلوكوز (إنزيم الجلوكوز أوكسيديز) واليوريا (إنزيم اليورياز) وحمض البوليك (إنزيم يوريكاز) والبنسلين جي (إنزيم- P لاكتاماز) بواسطة هذه المستشعرات الحيوية. بشكل عام ، فإن فائدتها محدودة. يمكن استخدام المستشعرات الحيوية بالحرارة كجزء من المقايسة المناعية المرتبطة بالإنزيم (ELISA) ويشار إلى التقنية الجديدة باسم ELISA الحراري (TELISA).

المستشعرات الحيوية الضوئية:

المستشعرات الحيوية الضوئية هي الأجهزة التي تستخدم مبدأ القياسات البصرية (الامتصاصية ، التألق ، اللمعان الكيميائي ، إلخ). يستخدمون استخدام الألياف الضوئية ومحولات الطاقة الكهروضوئية. تستخدم كلمة optrode بشكل شائع ، والتي تمثل تكثيف الكلمات البصرية والقطب الكهربائي. تشتمل المستشعرات الحيوية الضوئية بشكل أساسي على الإنزيمات والأجسام المضادة كعناصر محولة.

تسمح أجهزة الاستشعار الحيوية الضوئية باستشعار آمن غير كهربائي عن بعد للمواد. ميزة أخرى هي أن هذه المستشعرات الحيوية عادة لا تتطلب أجهزة استشعار مرجعية ، حيث يمكن إنشاء إشارة المقارنة باستخدام نفس مصدر الضوء مثل مستشعر أخذ العينات. فيما يلي وصف موجز لبعض المستشعرات الحيوية الضوئية المهمة.

جهاز استشعار لاكتات الألياف الضوئية:

يمثل الشكل 21.17 جهاز استشعار الألياف الضوئية اللاكتاتي. يعتمد عملها على قياس التغيرات في الجزيئات O2 التركيز عن طريق تحديد تأثير التبريد لـ O2 على صبغة الفلورسنت. يتم تحفيز التفاعل التالي بواسطة إنزيم مونو أوكسيجيناز اللاكتات.

كمية الفلورة الناتجة عن الفيلم المصبوغ تعتمد على O2. هذا لأن O2 له تأثير تبريد (تقليل) على الأسفار. مع زيادة تركيز اللاكتات في خليط التفاعل ، O2 يتم استخدامه ، وبالتالي هناك انخفاض متناسب في تأثير التبريد. والنتيجة هي أن هناك زيادة في ناتج الفلورسنت الذي يمكن قياسه.

أجهزة الاستشعار الحيوية الضوئية لجلوكوز الدم:

يعتبر تقدير نسبة الجلوكوز في الدم مهمًا جدًا لمراقبة مرض السكري. يتم استخدام تقنية بسيطة تتضمن شرائط ورقية مشربة بالكواشف لهذا الغرض. تحتوي الشرائط على الجلوكوز أوكسيديز وبيروكسيداز فجل الحصان وكروموجين (مثل التولويدين). تحدث ردود الفعل التالية.

يمكن قياس شدة لون الصبغة باستخدام مقياس انعكاس محمول. يعد إنتاج شريط الجلوكوز صناعة كبيرة جدًا في جميع أنحاء العالم.

Colorimetric test strips of cellulose coated with appropriate enzymes and reagents are in use for the estimation of several blood and urine parameters.

Luminescent biosensors to detect urinary infections:

The microorganisms in the urine, causing urinary tract infections, can be detected by employing luminescent biosensors. For this purpose, the immobilized (or even free) enzyme namely luciferase is used. The microorganisms, on lysis release ATP which can be detected by the following reaction. The quantity of light output can be measured by electronic devices.

Other Optical Biosensors:

Optical fibre sensing devices are in use for measuring pH, pCO2 and pO2 in critical care, and surgical monitoring.

Piezoelectric Biosensors:

Piezoelectric biosensors are based on the principle of acoustics (sound vibrations), hence they are also called as acoustic biosensors. Piezoelectric crystals form the basis of these biosensors. The crystals with positive and negative charges vibrate with characteristic frequencies. Adsorption of certain molecules on the crystal surface alters the resonance frequencies which can be measured by electronic devices. Enzymes with gaseous substrates or inhibitors can also be attached to these crystals.

A piezoelectric biosensor for organophosphorus insecticide has been developed incorporating acetylcholine esterase. Likewise, a biosensor for formaldehyde has been developed by incorporating formaldehyde dehydrogenase. A biosensor for cocaine in gas phase has been created by attaching cocaine antibodies to the surface of piezoelectric crystal.

Limitations of Piezoelectric Biosensors:

It is very difficult to use these biosensors to determine substances in solution. This is because the crystals may cease to oscillate completely in viscous liquids.

Whole Cell Biosensors:

Whole cell biosensors are particularly useful for multi-step or cofactor requiring reactions. These biosensors may employ live or dead microbial cells. A selected list of some organisms along with the analytes and the types of biosensors used is given in Table 21.8

Advantages of microbial cell biosensors:

The microbial cells are cheaper with longer half-lives. Further, they are less sensitive to variations in pH and temperature compared to isolated enzymes.

Limitations of microbial cell biosensors:

The whole cells, in general, require longer periods for catalysis. In addition, the specificity and sensitivity of whole cell biosensors may be lower compared to that of enzymes.

Immuno-Biosensors:

Immuno-biosensors or immunochemical bio­sensors work on the principle of immunological specificity, coupled with measurement (mostly) based on amperometric or potentiometric bio­sensors. There are several possible configurations for immuno-biosensors and some of them are depicted in Fig. 21.18, and briefly described hereunder.

1. An immobilized antibody to which antigen can directly bind (Fig. 21.18A).

2. An immobilized antigen that binds to antibody which in turn can bind to a free second antigen (Fig. 21.18B).

3. An antibody bound to immobilized antigen which can be partially released by competing with free antigen (Fig. 21.18C).

4. An immobilized antibody binding free antigen and enzyme labeled antigen in competition (Fig. 21.18D).

For the biosensors 1-3, piezoelectric devices can be used. The immuno-biosensors using enzymes (4 above, Fig. 21.18D) are the most commonly used. These biosensors employ thermometric or amperometric devices. The activity of the enzymes bound to immuno-biosensors is dependent on the relative concentrations of the labeled and unlabeled antigens. The concentration of the unlabeled antigen can be determined by assaying the enzyme activity.


The Making of the Fittest: Natural Selection and Adaptation

1. Is the following statement true or false? Justify your answer in one or two sentences: “The appearance of dark-colored volcanic rock caused the mutation for black fur to appear in the rock pocket mouse population.” This is false because the pocket rock mice adapted to the black rock by breeding with the randomly mutated black genes.

2. Near the end of the video, Dr. Sean Carroll states that “While mutation is random, natural selection is not.” In your own words, explain how this is possible. This is accurate as widespread mutations can originate from singular gene mutations, however, if this mutation is beneficial to the environment and survival then the gene will spread to the population further and become a more prominent trait.

3. You are studying a recently discovered population of rock pocket mice with dark-colored fur that lives on a volcanic rock. You take a DNA sample from a member of this new population and determine the DNA sequence of a gene known to play a role in fur color. The sequence you get is identical to that of the same gene in another rock pocket mouse population with dark-colored fur that lives on a different patch of volcanic rock. Which of the following could explain this observation?

(a) The mice in the two populations evolved from the same ancestral population.

(b) The volcanic rock caused the same mutation in each rock pocket mouse population, resulting in dark coloration.

(c) The same mutation spontaneously arose in the two different populations.

(d) Both a) and c) are possible.

(e) All of the above are possible.

4. You are studying a new population of rock pocket mice in Arizona. These mice live on a recently discovered patch of dark-colored volcanic rock. This environment does not have nearly as many visual predators as in previously studied areas in New Mexico. You observed the following numbers of light- and dark-colored mice on this new patch of rock:

a) In one or two sentences, summarize the data presented in the graph.

The population of light mice has been inconsistently falling and rising while the population of dark mice has stayed consistent throughout the presented years. However, the population has remained approximatley the same.

b) Provide one possible hypothesis that would explain the observed data. Be sure to include the following keywords in your answer: selection (or selective), fitness (or fit), survival (or survive). The selective nature of the survival of the dark mice is constant as on the rock, the trait of dark fur is fit for the best survival over the light colored mice, however, when visual predators are decreased then the populations remain equallt fit.

5. You next decide to move 160 of these newly discovered light-colored rock pocket mice from Arizona to a colony in New Mexico (Graph A) that also lives on the dark-colored volcanic rock. You also move 160 dark-colored mice from the New Mexico colony to the Arizona colony (Graph B). You monitor the populations for five years and observe the following:

a) In one or two sentences, summarize the data presented in the graphs above.

In Graph A the data shows that dark mice have had a positive increase of population in New Mexico in comparison to the population of light colored mice. In Graph B the population of dark-colored mice has consistently stayed larger than the light colored population in Arizona.

b)Provide an explanation for these observations. Be sure to include the following keywords in your answer: selection (or selective), fitness (or fit), survival (or survive). تيhese observations of mice on dark, volcanic rock in separate environments are an example of how dark-colored mice have been bred selectively as the fittest example of survival when visual predators are present. In Graph A this is present as balck mice eventually overtake the light mice based on visual predators hunting patterns. However, in Graph B fur plays no dominance on mortality rates of mice populations.

6. Prior to your experiment above, you take a DNA sample from one dark-colored mouse in each population and sequence a gene known to play a role in making mice dark colored. You discover that the dark-colored mice from Arizona have a different allele of this gene than the dark-colored mice from New Mexico. كيف يكون هذا ممكنا؟ This difference in allele is a result of the fact that separate genes are able to modify the color of fur and that separate populations of mice have developed separate genes to modify. In short, there is more than one mutation that results in dark fur.

7. CONSIDER: How would you design an experiment to test which population of dark-colored mice is more evolutionarily fit in an environment of your choice? You may want to use the above experiments as a guide. Be sure to state your hypothesis, as well as what type of data you will record.

I would design an experiment that would test the mice’s ability to find safety based completely on their ability to use their given useful camouflage to hide from predators. I would do this by placing both populations in an environment which was separated into a third of dark, rocky and mountainous terrain, a third light and sandy strip, and a third sandy dark flat area. By dumping these two populations in the middle (the light sandy area) and introducing an airbron predator one can gather what population is more likely to survive based on survival skills and given camouflage. Since both groups are equally dark colored they have the same camouflage, however, one can infer that after a set time for the predator to hunt, the population of the more successful environment will be substantially greater. Therefore by creating a discerning “fittest” survival trait that is based on survival, the two groups can be surveyed. The data would then be collected following the number from each group to hide in each environment. The environment with the greatest survival rate would then be subdivided to discern which group of dark-colored mice was in fact fittest to survive in the dark colored environment.


شاهد الفيديو: الضغوط النفسية أسبابها وكيفية التخلص منها مع خالد المنيف (ديسمبر 2022).