black checkmark

Genetisk diversitet

FAGTEKST

Fag
Biologi og bioteknologi

Antal normalsider
6,5

Skrevet af
Center for Makroøkologi, Evolution og Klima

download figures

Vandreduen (Ectopistes migratorius) var i 1800-tallet den mest talrige fugl i verden, før den i 1914 uddøde pga. menneskers jagt. Venstre: Vandreduer skydes i Iowa, USA, 1867. Midten: Vandreduen tegnet af John James Audubon, fra bogen "Birds of America" (1827-1838). Højre: Vandreduer skydes i Louisiana, USA, 1875.
2

Hvad er genetisk diversitet?

Alle levende organismer har DNA i alle deres celler. DNA’et består af lange sekvenser af fire nukleotiderNukleotider er de basale enheder i et DNA-molekyle (og i RNA). DNukleotider er de basale enheder i et DNA-molekyle (og i RNA). Der findes fire nukleotider i DNA: Adenin (A), cytosin (C), guanin (G) og thymin (T).Læs mere – A, G, T og C – i en bestemt rækkefølge. Den genetiske information i levende organismer findes i deres DNA, og hver enkelt organismes DNA er helt unikt.

Genetisk diversitet er forskellighed i DNA mellem forskellige individer, fx mellem én vandredue og en anden vandredue. Eller mellem en vandredue og dig.

Genetisk diversitet er en del af biodiversiteten, ligesom artsdiversitet og økosystemdiversitet (figur 1).

De tre niveauer af biodiversitet hænger sammen. Fx vil et naturområde med en lav økosystemdiversitet normalt også have en lav artsdiversitet med få individer. Hvis antallet af individer er meget lavt, så vil der typisk også være en lav genetisk diversitet.

figure icon

Figur 1 Biodiversitetens tre niveauer: Artsdiversitet, økosystemdiversitet og genetisk diversitet. Biodiversitet handler altså om alle arterne af fx planter, dyr og svampe, og om de økosystemer, som arterne er en del af, fx en sø eller en regnskov. Men biodiversitet handler i lige så høj grad om diversiteten i det genetiske materiale, som arterne i økosystemerne bærer rundt på.
2.1

To slags genetisk diversitet

Der findes overordnet to typer genetisk diversitet:

  • Interspecifik genetisk diversitet: Genetisk diversitet mellem individer, som ikke er samme art.
  • Intraspecifik genetisk diversitet: Genetisk diversitet mellem individer af den samme art.

Interspecifik genetisk diversitet bruges typisk til at forstå, hvordan forskellige arter er beslægtede med hinanden. Intraspecifik genetisk diversitet bruges derimod af forskere, når de vurderer en populations eller en arts modstandsdygtighed.

På den afrikanske savanne lever giraffer tæt sammen med rødnæbbede oksehakkere. Den genetiske diversitet mellem to rødnæbbede oksehakkere er intraspecifik, fordi de er samme art. Den genetiske diversitet mellem en rødnæbbet oksehakker og en giraf er interspecifik, fordi de er to forskellige arter. Foto: Birger Strahl.
2.2

Hvorfor er genetisk diversitet vigtigt?

Genetisk diversitet er ikke noget, som man kan se, optælle eller vurdere med det blotte øje. Men den genetiske diversitet kan være afgørende for arternes modstandsdygtighed og evne til at tilpasse sig.

Det skyldes blandt andet, at der i en population med høj intraspecifik genetisk diversitetGenetisk diversitet mellem individer, som er samme art.Genetisk diversitet mellem individer, som er samme art.Læs mere er større sandsynlighed for, at der findes gavnlige gener,Et gen er et stykke af en organismes DNA, der fungerer som ”opEt gen er et stykke af en organismes DNA, der fungerer som ”opskrift” for noget i organismen – fx har vi mennesker gener, som definerer vores øjenfarve. Gener er arvelige fra forældre til afkom.Et gen er et stykke af en organismes DNA, der fungerer som ”opskrift” for noget i organismen – fx har vi mennesker gener, som definerer vores øjenfarve. Gener er arvelige fra forældre til afkom.Læs mere som kan vise sig at være en fordel, fx når miljøet forandrer sig.

Omvendt kan en population med lav intraspecifik genetisk diversitetGenetisk diversitet mellem individer, som er samme art.Genetisk diversitet mellem individer, som er samme art.Læs mere være mere sårbar over for den slags pres. Det skyldes, at sandsynligheden for tilstedeværelsen af gener,Et gen er et stykke af en organismes DNA, der fungerer som ”opEt gen er et stykke af en organismes DNA, der fungerer som ”opskrift” for noget i organismen – fx har vi mennesker gener, som definerer vores øjenfarve. Gener er arvelige fra forældre til afkom.Et gen er et stykke af en organismes DNA, der fungerer som ”opskrift” for noget i organismen – fx har vi mennesker gener, som definerer vores øjenfarve. Gener er arvelige fra forældre til afkom.Læs mere som kan hjælpe populationen med at modstå presset, mindskes ved lavere genetisk diversitet.

3.1

Indsamling af data

Når forskerne indsamler data om genetisk diversitet, gør de typisk brug af en eller flere af følgende fremgangsmåder:

  • Databaser: Der eksisterer et hav af enorme online genetiske databaser med DNA-sekvenser fra millioner af forskellige arterEn art kan defineres på flere måder. I biologien defineres en En art kan defineres på flere måder. I biologien defineres en art ofte som individer, der sammen kan reproducere og få frugtbart afkom. Alle hunde er samme art, fordi blandingsracer godt kan få hvalpe – men heste og æsler er to forskellige arter, fordi deres afkom (muldyret) ikke selv kan reproducere. Andre definitioner på begrebet ’art’ er fx baseret på evolutionære processer.Læs mere og gener.Et gen er et stykke af en organismes DNA, der fungerer som ”opEt gen er et stykke af en organismes DNA, der fungerer som ”opskrift” for noget i organismen – fx har vi mennesker gener, som definerer vores øjenfarve. Gener er arvelige fra forældre til afkom.Et gen er et stykke af en organismes DNA, der fungerer som ”opskrift” for noget i organismen – fx har vi mennesker gener, som definerer vores øjenfarve. Gener er arvelige fra forældre til afkom.Læs mere Data stammer fra andre forskeres tidligere arbejde med at sekventere DNA i laboratorier og derefter digitalisere det, så det kan tilgås fra hele verden.
  • Feltarbejde: Hvis data ikke allerede findes i databaser, så kan forskerne indhente nye data ved at tage prøver i felten fra jord, vand, planter, dyr eller svampe. Prøverne fragtes til et laboratorie, hvor DNA’et i dem bliver sekventeret.
  • Videnskabelige samlinger: Naturhistoriske museer verden over rummer store, videnskabelige samlinger med millioner af organismer, som gennem tiden – og fra forskellige steder på Jorden – er blevet indsamlet og konserveret. Prøver fra organismerne, det kan fx være fugle, planter eller svampe, kan DNA-sekventeres i laboratoriet.

Forskellige fremgangsmåder i arbejdet med genetisk diversitet. Venstre: En søgning i en genetisk database. Midten: Foto fra det sydlige Ecuador i 2017, hvor forskere fra Center for Makroøkologi, Evolution og Klima på Københavns Universitet var på feltarbejde for at samle prøver. Foto: Jesper Sonne. Højre: Fugle fra den videnskabelige samling på Statens Naturhistoriske Museum i København. Forskere kan tage prøver fra fuglenes fjer eller væv til fx DNA-analyser. Foto: Birgitte Rubæk.
3.2

Beregning af genetisk diversitet

Første skridt, når forskerne skal analysere deres datasæt af DNA-sekvenser,En DNA-sekvens er et stykke af en organismes samlede DNA. DNA erEn DNA-sekvens er et stykke af en organismes samlede DNA. DNA er et molekyle, som er sammensat som en kæde af nukleotider (A, T, C og G). DNA udgør den genetiske information – arvematerialet – i alle levende organismer.Læs mere er at beregne den genetiske diversitet.

Genetisk diversitet beregnes typisk som gennemsnitlig genetisk diversitet.Se figur 2 til højre.Se figur 2 til højre.Læs mere Her divideres det gennemsnitlige antal af nukleotidforskelle mellem DNA-sekvenserne med DNA-sekvensernes individuelle længde (figur 2 viser et eksempel på sådan en beregning). Det endelige tal for den gennemsnitlige genetiske diversitet har altså enheden antal DNA-forskelle pr. nukleotid, men normalt skriver man kun tallet uden denne lange enhed.

Når forskere arbejder med genetisk diversitet, så er datasættene ofte så store – og DNA-sekvenserne så lange – at de må bruge enorm computerkraft for at udføre beregningerne. Men uanset hvor stort et datasæt, og hvor stor computerkraft, forskerne arbejder med, så bruger de den samme formel til at beregne genetisk diversitet.

Efter beregningen, så analyserer forskerne deres resultater. Analyserne kan benyttes til at lave modeller, simuleringer, udgive videnskabelige artikler eller til at stille nye spørgsmål og opstille nye hypoteser. På hjemmesiden www.globalgenetik.dk kan du se et eksempel på en interaktiv model, som biodiversitetsforskere har udviklet på baggrund af beregninger af genetisk diversitet.

figure icon

Figur 2 Sådan beregnes genetisk diversitet. I dette eksempel er der DNA-sekvenser fra tre individer. Alle sekvenserne har en længde på 9 nukleotider. Der er 3 nukleotidforskelle mellem individ A og B, 7 mellem individ B og C og 7 mellem individ A og C. Gennemsnittet af nukleotidforskelle mellem de tre individers DNA-sekvenser er altså (3+7+7) / 3 = 5,66 nukleotider. Den gennemsnitlige genetiske diversitet for de tre individer findes ved at dividere gennemsnittet af nukleotidforskelle med DNA-sekvensernes individuelle længde, altså 5,66/9 = 0,629.
3.3

Hvornår er den genetiske diversitet “høj nok”?

Hvis du har prøvet at beregne genetisk diversitet, så står du tilbage med en talværdi, fx 0,0013. Er det så et højt eller et lavt tal? Hvornår er den genetiske diversitet høj nok, og hvornår er den for lav? Det er relevante spørgsmål, som dog er svære at svare entydigt på.

Hvis en populationEn population er en gruppe af individer af samme art, som får aEn population er en gruppe af individer af samme art, som får afkom med hinanden og som derfor udveksler genetisk materiale med hinanden.Læs mere af pattedyr har en genetisk diversitet på 0,05, så vil man typisk betegne den som ret høj. Omvendt vil en genetisk diversitet på 0,001 – altså 50 gange lavere – betegnes som ret lav. Men for andre organismegrupper end pattedyr kan det se helt anderledes ud. Fx har de fleste arter af svampe meget højere genetisk diversitet end pattedyr.

Men blot fordi, at en populationEn population er en gruppe af individer af samme art, som får aEn population er en gruppe af individer af samme art, som får afkom med hinanden og som derfor udveksler genetisk materiale med hinanden.Læs mere har en lav genetisk diversitet, betyder det ikke, at populationEn population er en gruppe af individer af samme art, som får aEn population er en gruppe af individer af samme art, som får afkom med hinanden og som derfor udveksler genetisk materiale med hinanden.Læs mereen er dømt til at klare sig dårligt eller sågar uddø. Det afhænger også af de omstændigheder, som populationEn population er en gruppe af individer af samme art, som får aEn population er en gruppe af individer af samme art, som får afkom med hinanden og som derfor udveksler genetisk materiale med hinanden.Læs mereen lever under, fx sygdomme, menneskelig aktivitet eller klimaforandringer. På samme måde er en høj genetisk diversitet ikke en garanti for, at en populationEn population er en gruppe af individer af samme art, som får aEn population er en gruppe af individer af samme art, som får afkom med hinanden og som derfor udveksler genetisk materiale med hinanden.Læs mere klarer sig godt.

Som tommelfingerregel kan man sige, at hvis du sammenligner populationEn population er en gruppe af individer af samme art, som får aEn population er en gruppe af individer af samme art, som får afkom med hinanden og som derfor udveksler genetisk materiale med hinanden.Læs mereer med forskellig genetisk diversitet, så er det som udgangspunkt bedst at have en højere genetisk diversitet. Men der findes ikke en specifik grænse for, hvornår du kan sige, at den genetiske diversitet er ”høj nok”.

Den afrikanske gepard (Acinonyx jubatus), landjordens hurtigste dyr, har i tusinder af år levet med små populationsstørrelser, indavl og lav genetisk diversitet. Men alligevel har arten klaret sig. Det viser os, at det er forskelligt fra art til art, hvornår den genetiske diversitet er ”høj nok”. Foto: Paul Mckenzie.

Figur 3 Genetisk diversitet er typisk højest omkring Ækvator og aftager mod polerne. På søjlediagrammet til højre ses den intraspecifikke genetiske diversitet for pattedyr for genet, der koder for cytokrom b, der findes i mitokondrier. Data fra artiklen ”An Anthropocene map of genetic diversity” af Miraldo m.fl. (Science, 2016).

Figur 3 Genetisk diversitet er typisk højest omkring Ækvator og aftager mod polerne. På søjlediagrammet til højre ses den intraspecifikke genetiske diversitet for pattedyr for genet, der koder for cytokrom b, der findes i mitokondrier. Data fra artiklen ”An Anthropocene map of genetic diversity” af Miraldo m.fl. (Science, 2016).

5.1

Naturlig selektion

Naturlig selektion er betegnelsen for, at individer med forskellige varianter af generEt gen er et stykke af en organismes DNA, der fungerer som ”opEt gen er et stykke af en organismes DNA, der fungerer som ”opskrift” for noget i organismen – fx har vi mennesker gener, som definerer vores øjenfarve. Gener er arvelige fra forældre til afkom. Et gen er et stykke af en organismes DNA, der fungerer som ”opskrift” for noget i organismen – fx har vi mennesker gener, som definerer vores øjenfarve. Gener er arvelige fra forældre til afkom.Læs mere har forskellige evner til at reproducere og overleve, fordi de genvarianter,En genvariant er en særlig udgave af et bestemt gen. Flere indiEn genvariant er en særlig udgave af et bestemt gen. Flere individer af samme art, fx mennesket, bærer på de samme gener, fx genet for øjenfarve, men individernes varianter af dette gen kan være forskellige, fx forskellige øjenfarver.Læs mere som er mest gavnlige, hjælper individerne med at overleve. Det betyder, at de gavnlige genvarianter har større sandsynlighed for at blive overført til kommende generEt gen er et stykke af en organismes DNA, der fungerer som ”opEt gen er et stykke af en organismes DNA, der fungerer som ”opskrift” for noget i organismen – fx har vi mennesker gener, som definerer vores øjenfarve. Gener er arvelige fra forældre til afkom. Et gen er et stykke af en organismes DNA, der fungerer som ”opskrift” for noget i organismen – fx har vi mennesker gener, som definerer vores øjenfarve. Gener er arvelige fra forældre til afkom.Læs mereationer, end de ikke-gavnlige varianter af generEt gen er et stykke af en organismes DNA, der fungerer som ”opEt gen er et stykke af en organismes DNA, der fungerer som ”opskrift” for noget i organismen – fx har vi mennesker gener, som definerer vores øjenfarve. Gener er arvelige fra forældre til afkom. Et gen er et stykke af en organismes DNA, der fungerer som ”opskrift” for noget i organismen – fx har vi mennesker gener, som definerer vores øjenfarve. Gener er arvelige fra forældre til afkom.Læs mere.

Over tid fører naturlig selektion altså til, at de gavnlige varianter af generEt gen er et stykke af en organismes DNA, der fungerer som ”opEt gen er et stykke af en organismes DNA, der fungerer som ”opskrift” for noget i organismen – fx har vi mennesker gener, som definerer vores øjenfarve. Gener er arvelige fra forældre til afkom. Et gen er et stykke af en organismes DNA, der fungerer som ”opskrift” for noget i organismen – fx har vi mennesker gener, som definerer vores øjenfarve. Gener er arvelige fra forældre til afkom.Læs mere bliver mere og mere almindelige i en population. Derfor er naturlig selektion nøgleprocessen bag tilpasning, som betyder, at populationer over tid bliver bedre egnet til at klare sig i deres miljø.

Det er vigtigt at understrege, at gavnligheden af genvarianter skal forstås som et samspil med det miljø, som populationen befinder sig i. En bestemt variant af et gen kan altså være gavnlig i ét miljø, men neutral eller ligefrem skadelig i et andet. Dette er et eksempel på samspillet mellem genetisk variation og økosystemet.

Orkidéen hvidgul skovlilje (Cephalanthera damasonium), som i Danmark vokser i kalkrig jord i løvskov og krat, ofte tæt ved kysten. Foto: Jesper Sonne.
5.2

Mutationer

MutationerMutationer i DNA er tilfældige ændringer i en organismes genetMutationer i DNA er tilfældige ændringer i en organismes genetiske materiale. Mutationerne opstår under DNA-replikation, som foregår i cellekernen, før en celle deler sig.Læs mere er de tilfældige ændringer i DNA-sekvenser, som opstår, når et individs genomEt genom er al den genetiske information, som et individ bærer Et genom er al den genetiske information, som et individ bærer på – altså hele organismens arvemateriale. Vores genom som mennesker består af DNA’et i alle vores 23 kromosompar.Læs mere replikeres.Replikation er processen, hvor en celle kopierer hele sit DNA inReplikation er processen, hvor en celle kopierer hele sit DNA inden celledeling. Dette sikrer, at hver dattercelle modtager en komplet og nøjagtig kopi af det genetiske materiale.Læs mere Nye genetiske varianter kan på den måde opstå via mutationer i DNA. Men mutationsraten hos langt de fleste arter er dog så lav, at mutationerne har en næsten ubetydelig effekt på populationers genetiske diversitet på kortere sigt. Det kan tage hundreder, tusinder eller hundredetusinder af generationer før mutationer kan genopbygge genetisk diversitet, som er tabt fx ved en genetisk flaskehals.En genetisk flaskehals finder sted, når en population mister maEn genetisk flaskehals finder sted, når en population mister mange genetiske varianter i løbet af kort tid, fordi den pludselig falder drastisk i populationsstørrelse. Se også afsnit 5.3.Læs mere

Nogle mutationer er neutrale, hvilket betyder, at de ikke er påvirket af selektion. Andre mutationer er funktionelle, fordi de netop er påvirket af selektionen. Man kan derfor tale om hhv. neutral genetisk diversitetNeutral genetisk diversitet er den del af den genetiske diversitNeutral genetisk diversitet er den del af den genetiske diversitet, som ikke påvirker selektion.Læs mere (”baggrundsdiversitet”) eller funktionel genetisk diversitet.Funktionel genetisk diversitet er den del af den genetiske diverFunktionel genetisk diversitet er den del af den genetiske diversitet, som påvirker selektion.Læs mere Det er altså ikke al genetisk diversitet, som spiller en rolle; kun den funktionelle genetiske diversitet er afgørende for en arts eller en populations modstandsdygtighed.

Selektion kan dog ændre sig over tid, fx hvis en ny sygdom opstår. Det kan medføre, at mutationer, som førhen var neutrale, pludselig bliver udsat for selektion og dermed bliver funktionelle. Eksempelvis kan de medføre resistens overfor sygdommen, og dermed føre til øget overlevelse.

 

5.3

Genetisk drift

Genetisk drift (figur 4) er en proces, hvor helt tilfældige hændelser påvirker hvilke gener,Et gen er et stykke af en organismes DNA, der fungerer som ”opEt gen er et stykke af en organismes DNA, der fungerer som ”opskrift” for noget i organismen – fx har vi mennesker gener, som definerer vores øjenfarve. Gener er arvelige fra forældre til afkom.Et gen er et stykke af en organismes DNA, der fungerer som ”opskrift” for noget i organismen – fx har vi mennesker gener, som definerer vores øjenfarve. Gener er arvelige fra forældre til afkom.Læs mere der bliver mere eller mindre almindelige i en populationEn population er en gruppe af individer af samme art, som får aEn population er en gruppe af individer af samme art, som får afkom med hinanden og som derfor udveksler genetisk materiale med hinanden.Læs mere over tid. Da det er helt tilfældigt, hvilke individer der lykkes med at videregive deres gener,Et gen er et stykke af en organismes DNA, der fungerer som ”opEt gen er et stykke af en organismes DNA, der fungerer som ”opskrift” for noget i organismen – fx har vi mennesker gener, som definerer vores øjenfarve. Gener er arvelige fra forældre til afkom.Et gen er et stykke af en organismes DNA, der fungerer som ”opskrift” for noget i organismen – fx har vi mennesker gener, som definerer vores øjenfarve. Gener er arvelige fra forældre til afkom.Læs mere og hvilke individer der ikke gør, kan selv gavnlige gener og genvarianterEn genvariant er en særlig udgave af et bestemt gen. Flere indiEn genvariant er en særlig udgave af et bestemt gen. Flere individer af samme art, fx mennesket, bærer på de samme gener, fx genet for øjenfarve, men individernes varianter af dette gen kan være forskellige, fx forskellige øjenfarver.Læs mere – af tilfældige årsager – forsvinde helt ud af en populationEn population er en gruppe af individer af samme art, som får aEn population er en gruppe af individer af samme art, som får afkom med hinanden og som derfor udveksler genetisk materiale med hinanden.Læs mere.

Genetisk drift fører altid til et tab af genetisk diversitet over tid, og tabet vil være større, jo mindre populationEn population er en gruppe af individer af samme art, som får aEn population er en gruppe af individer af samme art, som får afkom med hinanden og som derfor udveksler genetisk materiale med hinanden.Læs mereen er (som vist i figur 4).

En populationEn population er en gruppe af individer af samme art, som får aEn population er en gruppe af individer af samme art, som får afkom med hinanden og som derfor udveksler genetisk materiale med hinanden.Læs mere kan derfor risikere at miste mange genetiske varianter i løbet af kort tid, hvis den pludselig falder drastisk i populationEn population er en gruppe af individer af samme art, som får aEn population er en gruppe af individer af samme art, som får afkom med hinanden og som derfor udveksler genetisk materiale med hinanden.Læs meresstørrelse. Dette kaldes en genetisk flaskehals.

figure icon

Figur 4 Genetisk drift kan forklares som et eksempel med perler i forskellige farver, hvor hver farve repræsenterer gener. Øverst ses det, at når man tilfældigt fjerner fem perler fra en bunke med 100 perler i fire forskellige farver, så har det ikke en særligt stor konsekvens – efterfølgende er alle fire farver nemlig stadig tilbage i bunken af 95 perler. Nederst ses det derimod, at når man tilfældigt fjerner fem perler fra en bunke med kun ti perler, så kan det have meget større konsekvenser – der er nu kun to farver tilbage i bunken (rød og grøn). Altså: Hvis du helt tilfældigt fjerner nogle perler fra hver bunke, så vil den lille bunke miste flere farver meget hurtigere, end den store. Det vil altså sige, at genetisk drift har større negative konsekvenser i en lille population end i en stor.
5.4

Genflow

Genflow er en proces, som finder sted, når genetisk materiale flytter sig mellem to eller flere populationer.En population er en gruppe af individer af samme art, som får aEn population er en gruppe af individer af samme art, som får afkom med hinanden og som derfor udveksler genetisk materiale med hinanden.Læs mere Genflow kan foregå, når to populationer er adskilte af en geografisk barriere, fx en bjergkæde, men stadigvæk har mulighed for at bevæge sig mellem hinanden, fx gennem et bjergpas. Dermed kan de to populationer nemlig reproducere med hinanden, og deres genetiske materiale kan blandes mere eller mindre sammen.

Fordi genflow bringer nye genetiske varianter ind i modtagerpopulationen, så øger genflow altså den intraspecifikke genetiske diversitetIntraspecifik genetisk diversitet er den genetiske diversitet, sIntraspecifik genetisk diversitet er den genetiske diversitet, som man kan måle mellem individer, som hører til den samme art.Læs mere i modtagerpopulationen – særligt hvis de to populationer genetisk er meget forskellige fra hinanden.

Kongepingviner (Aptenodytes patagonicus) ved Det Sydlige Georgia og De Sydlige Sandwichøer øst for Sydamerikas sydspids og Den Antarktiske Halvø. Foto: Rod Long.

Figur 5 På billedet kan du se et meget klassisk dansk landskab, som er domineret af dyrkede marker. Skoven er brudt op i små bevoksninger, som ligger tilbage som små ”øer” af træer midt på marken. Det kan føre til geografisk isolation af de populationer, som lever i de små bevoksninger, hvilket kan påvirke den genetiske diversitet. Boserup Skov ved Roskilde. Foto: Andreas Rasmussen.