Natürliche Selektion und Fitness

Natürliche Selektion ist die systematische Änderung der Allelfrequenzen, die entsteht, wenn Genotypen sich in ihrer Fitness unterscheiden – ihrem relativen Beitrag von Nachkommen zur nächsten Generation. Im Gegensatz zur Drift wirkt die Selektion in eine konsistente Richtung, indem sie die Frequenz von Allelen erhöht, die mit höherem Fortpflanzungserfolg verbunden sind, und diejenigen verringert, die diesen mindern.

Definition

Natürliche Selektion ist die generationsübergreifende Änderung der Allel- oder Genotypfrequenzen, verursacht durch konsistente Fitnessunterschiede zwischen Genotypen, wobei Fitness der relative Beitrag der Träger eines Genotyps zum Genpool der nächsten Generation ist.

Scope

Der Eintrag definiert Fitness und den Selektionskoeffizienten, unterscheidet die Hauptmodi der Selektion (gerichtete, stabilisierende, balancierende) und skizziert, wie Selektionssignaturen in Genomen nachgewiesen werden. Es handelt sich um ein konzeptionelles und methodisches Thema innerhalb der Populationsgenetik, das als Referenzmaterial und nicht als klinische Leitlinie präsentiert wird.

Core questions

• Wie verändern Fitnessunterschiede die Allelfrequenzen über Generationen hinweg?
• Was sind die Hauptmodi der Selektion und wie unterscheiden sie sich in ihrer Wirkung?
• Wie können die genomischen Signaturen vergangener und andauernder Selektion nachgewiesen werden?

Key concepts

• Fitness
• Selektionskoeffizient
• Gerichtete Selektion
• Stabilisierende Selektion
• Balancierende Selektion (einschließlich Heterozygotenvorteil)
• Selektiver Sweep
• Genomische Signaturen der Selektion

Key theories

Selektion als evolutionäre Kraft

Genotypen, die überproportional zu zukünftigen Generationen beitragen, erhöhen die Frequenz ihrer Allele; die Stärke dieser gerichteten Änderung wird durch den Selektionskoeffizienten erfasst und in den populationsgenetischen Modellen der modernen Synthese formalisiert.

Mechanisms

Wenn Genotypen sich in Überleben oder Reproduktion unterscheiden, werden die von ihnen getragenen Allele in ungleichen Proportionen an die nächste Generation weitergegeben, sodass sich ihre Frequenzen systematisch ändern; die Stärke dieser Änderung pro Generation wird durch den Selektionskoeffizienten zusammengefasst. Gerichtete Selektion treibt ein bevorzugtes Allel zur Fixierung, stabilisierende Selektion erhält ein intermediäres Optimum, und balancierende Selektion – zum Beispiel der Heterozygotenvorteil – hält mehrere Allele in der Population. Ein starker, kürzlicher Sweep eines bevorzugten Allels hinterlässt nachweisbare Spuren in der umgebenden Variation, wie z. B. eine ausgedehnte Haplotyp-Homozygotie, die Genom-Scans zur Identifizierung von Loci unter Selektion nutzen.

Clinical relevance

Mehrere medizinisch relevante Allele werden durch Selektion erhalten oder haben sich durch diese verbreitet – das klassische Beispiel ist der Heterozygotenvorteil für einige Hämoglobin- und andere Varianten in Regionen mit endemischer Malaria – und Genom-Scans nach Selektion helfen zu erklären, warum bestimmte Allele in bestimmten Populationen häufig sind. Es beschreibt evolutionäre Prozesse, die die Variation prägen, und ist keine Grundlage für individuelle diagnostische oder Behandlungsentscheidungen.

Epidemiology

Die durch Infektionskrankheitsdruck bedingte balancierende Selektion ist eine Erklärung für die erhöhte Frequenz bestimmter krankheitsassoziierter Allele in spezifischen Regionen, und genomweite Scans haben viele Loci identifiziert, die Signaturen einer kürzlichen positiven Selektion in menschlichen Populationen aufweisen.

History

Darwins Idee des differentiellen Fortpflanzungserfolgs wurde von Fisher, Haldane und Wright während der modernen Synthese der 1920er und 1930er Jahre in eine quantitative, gen-basierte Form gebracht, die modellierte, wie Selektionskoeffizienten Allelfrequenzen ändern. Mit genomweiten Daten verlagerte sich die Aufmerksamkeit auf den Nachweis molekularer Selektionsspuren, und Studien wie die Karte der kürzlichen positiven Selektion von Voight und Kollegen veranschaulichen, wie diese Signaturen heute empirisch identifiziert werden.

Debates

Wie weit verbreitet ist positive Selektion im menschlichen Genom?

Genom-Scans unterscheiden sich darin, wie viele Loci sie als kürzlich selektiert kennzeichnen und wie sicher Sweeps von demografischen Effekten wie Flaschenhälsen unterschieden werden können, sodass das Gesamtausmaß der kürzlichen positiven Selektion weiterhin umstritten ist.

Key figures

• Charles Darwin
• Ronald A. Fisher
• J. B. S. Haldane
• Sewall Wright
• Jonathan Pritchard

Seminal works

• wright-1931
• voight-2006

Frequently asked questions

Was bedeutet Fitness in der Populationsgenetik?

Fitness ist der relative Beitrag, den ein Genotyp zum Genpool der nächsten Generation leistet, was Unterschiede im Überleben und in der Reproduktion widerspiegelt; Genotypen mit höherer Fitness geben ihre Allele häufiger weiter.

Wie unterscheidet sich natürliche Selektion von genetischer Drift?

Selektion verändert Allelfrequenzen systematisch und gerichtet entsprechend den Fitnessunterschieden, während Drift sie zufällig verändert, weil Populationen endlich sind. Beide wirken auf Allelfrequenzen, aber nur Selektion ist konsistent gerichtet.