שונות גנטית ומגוון
למה כל אחד מאיתנו ייחודי - ולמה זה מציל מינים שלמים?
8 מיליארד אנשים, אף אחד לא זהה
שלושת מקורות השונות הגנטית
רבייה זוויגית
שילוב DNA משני הורים שונים.
כל ילד מקבל שילוב ייחודי של אללים: חצי מאמא וחצי מאבא.
יוצרת שילובים חדשים של גנים שלא היו קיימים באף הורה.
בבני אדם: מתוך 23 זוגות כרומוזומים, האפשרויות כמעט אינסופיות.
מיוזה (ערבוב)
חלוקת תא שיוצרת תאי רבייה עם חצי מהכרומוזומים.
סידור עצמאי - כרומוזומים מתערבבים באופן אקראי.
חילוף (Crossing Over) - החלפת קטעים בין כרומוזומים הומולוגיים.
תוצאה: כל תא רבייה ייחודי.
מוטציות
שינויים אקראיים ברצף ה-DNA.
יוצרות גרסאות חדשות לגמרי של גנים (אללים חדשים).
מקור לחומר גלם חדש שלא היה קיים באוכלוסייה.
רוב המוטציות ניטרליות, חלק מזיקות, ולעיתים נדירות - מועילות.
מיוזה - מפעל השונות
איך מיוזה יוצרת מיליוני שילובים?
מיוזה היא חלוקת תא מיוחדת שיוצרת תאי רבייה (ביציות וזרע) עם חצי מהכרומוזומים - ובתהליך יוצרת מגוון עצום.
תא מקורי: 46 כרומוזומים (23 זוגות)
מנגנון 1 - סידור עצמאי (Independent Assortment):
במיוזה I, הזוגות ההומולוגיים נפרדים. אבל אילו כרומוזומים הולכים לאיזה צד? זה אקראי לחלוטין!
עם 23 זוגות, מספר השילובים האפשריים: 2^23 = 8,388,608 (יותר מ-8 מיליון!)
מנגנון 2 - חילוף (Crossing Over):
לפני ההפרדה, כרומוזומים הומולוגיים נצמדים זה לזה ומחליפים קטעים ביניהם. זה יוצר כרומוזומים 'חדשים' שלא היו קיימים - לא של אמא ולא של אבא, אלא שילוב של שניהם.
מיוזה II: כל תא מתחלק שוב (כמו מיטוזה).
תוצאה: 4 תאי רבייה, כל אחד עם 23 כרומוזומים, כל אחד שונה.
סידור עצמאי + חילוף + הפריה אקראית = מעל 70 טריליון שילובים אפשריים לכל זוג הורים!
מיטוזה מול מיוזה
שני סוגי חלוקת תא
מיטוזה
תא רגיל מתחלק לשניים
תאי הבת זהים לתא המקורי
46 כרומוזומים (דיפלואידי)
מטרה: גדילה ותיקון רקמות
אין ערבוב גנטי
חלוקה אחת
דוגמה: תאי עור, תאי שריר, תאי דם, תאי מעי
מיוזה
תא מתחלק לארבעה תאי רבייה
תאי הבת שונים זה מזה
23 כרומוזומים (הפלואידי)
מטרה: יצירת תאי רבייה
כולל ערבוב וחילוף
שתי חלוקות
דוגמה: ביציות בשחלות, זרע באשכים
מיטוזה = עותקים זהים (לגדילה). מיוזה = תאים ייחודיים (לרבייה ומגוון).
השוואה מפורטת: מיטוזה מול מיוזה
| מאפיין | מיטוזה | מיוזה |
|---|---|---|
| מספר חלוקות | 1 | 2 (מיוזה I + מיוזה II) |
| מספר תאי בת | 2 | 4 |
| כרומוזומים בתא בת | 46 (דיפלואידי, 2n) | 23 (הפלואידי, n) |
| דמיון לתא מקורי | זהים לחלוטין | שונים - כל תא ייחודי |
| חילוף (Crossing Over) | אין | יש - בשלב הפרופאזה I |
| סידור עצמאי | אין - כרומוזומים בודדים נפרדים | יש - זוגות הומולוגיים נפרדים באקראי |
| מטרה | גדילה, תיקון רקמות | יצירת תאי רבייה (גמטות) |
| מיקום בגוף | כל תאי הגוף | שחלות ואשכים בלבד |
רבייה זוויגית מול אל-זוויגית
שני סוגי רבייה - יתרונות וחסרונות
רבייה זוויגית
דורשת שני הורים
צאצאים שונים זה מזה ומההורים
מגוון גנטי גבוה
דורשת יותר אנרגיה ומשאבים
דורשת מציאת בן/בת זוג
דוגמה: רוב בעלי החיים, צמחים מזריעים, פטריות
רבייה אל-זוויגית
דורשת הורה אחד בלבד
צאצאים זהים להורה (שיבוטים)
אין מגוון גנטי
מהירה ויעילה מאוד
לא דורשת מציאת בן/בת זוג
דוגמה: חיידקים, שמרים, חלק מהצמחים (ייחורים), אמבות
רבייה זוויגית 'עולה יותר', אבל היא השקעה בביטוח חיים - המגוון מגן על המין.
מעבדת שונות באוכלוסייה
עכשיו בואו נראה את השונות ברמת האוכלוסייה. כל פרט מיוצג כפס עם 8 גנים, וכל גן מופיע כזוג אללים צבעוניים. בחרו סוג רבייה, הפעילו או כבו את מקורות השונות (מוטציות, חילוף, סידור עצמאי), הריצו דורות - וצפו איך המגוון הגנטי משתנה. לסיום, הפעילו אירוע מגפה שהורג את כל הפרטים ללא אלל עמידות, וגלו מדוע אוכלוסייה מגוונת שורדת ואוכלוסיית שיבוטים נכחדת.
שאלה לחשיבה
חיידקים מתרבים ברבייה אל-זוויגית (התחלקות). מדוע בכל זאת רואים שונות באוכלוסיות חיידקים?
למרות שרבייה אל-זוויגית יוצרת עותקים זהים, חיידקים מפתחים שונות בשתי דרכים: (1) מוטציות - בכל התחלקות יש סיכון לשגיאות שכפול שיוצרות מוטציות. כי חיידקים מתחלקים מהר מאוד (כל 20 דקות), מוטציות מצטברות מהר. (2) העברה אופקית - חיידקים יכולים להעביר DNA ביניהם (פלסמידים) - מעין 'שיתוף גנים' בלי רבייה זוויגית. לכן גם ללא רבייה זוויגית, יש שונות - אם כי פחות ממינים עם רבייה זוויגית.
למה שונות גנטית מצילה מינים?
שונות = ביטוח חיים למין
ככל שיש יותר שונות באוכלוסייה, כך הסיכוי שלה לשרוד בתנאים משתנים גבוה יותר. זהו העיקרון הבסיסי ביותר באקולוגיה ובאבולוציה.
דמיינו כיתה שבה כל התלמידים מצטיינים במתמטיקה, אבל אף אחד לא יודע אנגלית. אם המבחן במתמטיקה - כולם יצליחו. אם המבחן באנגלית - כולם ייכשלו.
עכשיו דמיינו כיתה מגוונת: חלק מצטיינים במתמטיקה, חלק באנגלית, חלק במדעים. לא משנה מה יהיה המבחן - תמיד יהיו תלמידים שיצליחו.
כך עובדת הטבע:
אם כל הפרטים באוכלוסייה זהים גנטית, מחלה מסוימת או שינוי סביבתי שמסוכן לאחד מהם - מסוכן לכולם. אם יש שונות, חלק מהפרטים יהיו עמידים וישרדו.
זו הסיבה שרבייה זוויגית (שיוצרת מגוון) התפתחה למרות ה'עלות' הגבוהה שלה.
שונות גנטית = ביטוח חיים. אוכלוסייה מגוונת יכולה להתמודד עם כמעט כל אתגר.
דוגמאות מהחיים - כשהמגוון (לא) הציל
רעב תפוחי האדמה באירלנד (1845)
כל תפוחי האדמה היו מזן אחד (מגוון נמוך). פטרייה אחת הרסה את כל היבול. מיליון אנשים מתו מרעב ומיליון נוסף היגר. המונוקולטורה היתה קטלנית.
עמידות לאנטיביוטיקה
באוכלוסיית חיידקים, מוטציות יוצרות פרטים עמידים. כשהאנטיביוטיקה הורגת את הרגישים, העמידים שורדים ומתרבים. השונות (ממוטציות) הצילה את המין - והפכה לבעיה רפואית.
בננות קאוונדיש - אזהרה עכשווית
כמעט כל הבננות בעולם הן שיבוט של אותו זן (קאוונדיש). מחלת פטרייה חדשה (Panama TR4) מאיימת על כולן - כי אין מגוון שיעניק עמידות. ההיסטוריה חוזרת?
צוואר הבקבוק של הצ'יטה
אוכלוסיית הצ'יטה עברה צמצום דרמטי לפני כ-12,000 שנה. המגוון הגנטי שלהם נמוך מאוד. התוצאה: רגישות גבוהה למחלות, בעיות פוריות, ועובר שתל עור בלי דחייה (כי כולם כמעט זהים).
שאלה לחשיבה
מדוע שיבוט (העתקה גנטית מדויקת) מסוכן מבחינת הישרדות המין?
שיבוט יוצר פרטים זהים גנטית - כמו צילום מסמך. ללא שונות גנטית, כל הפרטים רגישים לאותן מחלות ולאותם תנאים סביבתיים. מגיפה שמסוכנת לאחד - מסוכנת לכולם. זה בדיוק מה שקרה עם הבננות והתפוחי אדמה. רבייה זוויגית, לעומת זאת, מבטיחה שכל צאצא שונה - ותמיד יהיו פרטים שישרדו.
שאלה לחשיבה
הסבירו מדוע אחים (לא תאומים זהים) שונים זה מזה גנטית, למרות שיש להם אותם הורים.
שלוש סיבות: (1) סידור עצמאי - בכל מיוזה, הכרומוזומים מתערבבים באופן אקראי, וכל ביצית וכל תא זרע ייחודיים. (2) חילוף (Crossing Over) - קטעים מוחלפים בין כרומוזומים הומולוגיים, ויוצרים כרומוזומים 'חדשים'. (3) הפריה אקראית - איזה תא זרע (מתוך מיליונים) ייפגש עם איזו ביצית הוא אקראי לחלוטין. השילוב של כל אלה יוצר מגוון כל כך עצום שכמעט בלתי אפשרי ששני אחים יהיו זהים.
שאלה לחשיבה
חקלאי רוצה לגדל עגבניות גדולות. מה עדיף - רבייה זוויגית (זרעים) או אל-זוויגית (ייחורים)? ולמה יש חיסרון בבחירה שלו?
לטווח קצר, ייחורים (רבייה אל-זוויגית) עדיפים - כל הצמחים יהיו זהים לצמח המצוין שבחר. אבל החיסרון: אם מחלה תתקוף צמח אחד, כולם יהיו רגישים באותה מידה (כי כולם זהים גנטית). מזרעים (רבייה זוויגית) יתקבלו צמחים מגוונים - לא כולם יהיו מצוינים, אבל אם תבוא מחלה, חלק ישרדו. זו הדילמה: איכות אחידה מול ביטוח גנטי.
בואו נעשה חשבון מדהים:
חישוב השילובים
- סידור עצמאי בלבד: כל הורה יכול לייצר 2^23 = 8,388,608 סוגי תאי רבייה שונים
- שני הורים יחד: 8,388,608 x 8,388,608 = כ-70 טריליון שילובים אפשריים!
- עם חילוף (Crossing Over): המספר עולה לכמעט אינסוף - כי כל חילוף יוצר כרומוזום חדש
- זו הסיבה שלהורים אותם הורים לעולם (כמעט) לא יהיו שני ילדים זהים
ומה עם תאומים זהים? הם נוצרים כשביצית מופרית אחת מתפצלת לשניים. לכן יש להם DNA זהה - הם ה'יוצא מן הכלל' שמוכיח את הכלל. אבל גם תאומים זהים לא באמת זהים - הסביבה משפיעה, ומוטציות סומטיות מצטברות לאורך החיים.
צוואר בקבוק גנטי - כשמגוון נעלם
צוואר בקבוק - כשהאוכלוסייה מצטמצמת
כשאוכלוסייה עוברת צמצום דרמטי (מגיפה, אסון טבע, ציד), המגוון הגנטי יורד בחדות. זה נקרא 'צוואר בקבוק גנטי' - ולהשלכות יכולות להיות הרסניות.
דמיינו בקבוק מלא בכדורים צבעוניים (= אוכלוסייה מגוונת).
עכשיו הפכו את הבקבוק - רק כמה כדורים נופלים (= השורדים).
הכדורים שנפלו לא בהכרח מייצגים את כל המגוון המקורי.
דוגמאות:
צ'יטה: לפני כ-12,000 שנה, האוכלוסייה צומצמה דרמטית. כיום כל הצ'יטות כמעט זהים גנטית. ניתן להשתיל עור בין שני צ'יטות בלי דחייה (כי כמעט אין הבדלים גנטיים). הם גם רגישים מאוד למחלות ובעלי בעיות פוריות.
פיל הים הצפוני: צויד כמעט עד הכחדה (ירד ל-~20 פרטים). אחרי הגנה, האוכלוסייה חזרה לאלפים - אבל המגוון הגנטי נמוך מאוד.
בני אדם: ההשערה היא שלפני כ-70,000 שנה, אוכלוסיית האדם ירדה לכמה אלפים בלבד (אולי בגלל התפרצות הר געש טובה). לכן המגוון הגנטי שלנו נמוך יחסית ביחס למינים אחרים.
צוואר בקבוק מראה למה שימור מגוון גנטי חשוב - אוכלוסייה שמאבדת מגוון נמצאת בסיכון.
מגוון גנטי ושימור טבע
שמירה על מגוון גנטי היא סיבה מרכזית לשימור מינים ובתי גידול. כשמין נמצא בסכנת הכחדה, לא מספיק להציל כמה פרטים - צריך לשמור על מגוון גנטי.
- בנקי זרעים (כמו כספת הזרעים בסבאלברד, נורווגיה) שומרים על מגוון זני צמחים
- תוכניות רבייה בשבי מנסות לשמור על מגוון גנטי מקסימלי
- שמירה על מסדרונות אקולוגיים מאפשרת תנועה (וערבוב גנים) בין אוכלוסיות
- בישראל: שמורות טבע מגנות על מגוון ביולוגי ייחודי (כמו הצבי הישראלי ואיל הכרמל)
מושגי מפתח בשונות גנטית
שונות גנטית
הבדלים ב-DNA בין פרטים באותו מין
מיוזה
חלוקת תא ← 4 תאי רבייה שונים (23 כרומוזומים)
מיטוזה
חלוקת תא ← 2 תאים זהים (46 כרומוזומים)
חילוף
Crossing Over - החלפת קטעים בין כרומוזומים הומולוגיים
סידור עצמאי
כרומוזומים מתערבבים באקראי במיוזה I
צוואר בקבוק
צמצום אוכלוסייה ← ירידה במגוון גנטי
לסיכום - שלוש שכבות של שונות:
1. מוטציות - יוצרות אללים חדשים (חומר גלם)
2. מיוזה - מערבבת את האללים הקיימים (סידור עצמאי + חילוף)
3. רבייה זוויגית - משלבת DNA משני הורים
שלוש השכבות יחד יוצרות את המגוון העצום שרואים בטבע.
שאלה לחשיבה
נמר הפסים הטסמני (Thylacine) נכחד ב-1936. מדענים מנסים כיום לשחזר אותו מ-DNA משומר. אם יצליחו ליצור כמה פרטים - האם אוכלוסייה כזו תהיה בריאה?
כנראה שלא. גם אם יצליחו ליצור כמה פרטים, המגוון הגנטי שלהם יהיה נמוך מאוד (כולם מאותם דגימות DNA). האוכלוסייה תסבול מ'צוואר בקבוק גנטי' חמור - רגישות למחלות, בעיות פוריות, ומוטציות מזיקות שיצטברו. זו הסיבה שמניעת הכחדה עדיפה על שחזור - קל יותר לשמור על מגוון שקיים מאשר ליצור אותו מחדש.