home *** CD-ROM | disk | FTP | other *** search
/ NetNews Usenet Archive 1993 #3 / NN_1993_3.iso / spool / talk / origins / 16623 < prev    next >
Encoding:
Text File  |  1993-01-24  |  12.4 KB  |  220 lines

  1. Newsgroups: talk.origins
  2. Path: sparky!uunet!cs.utexas.edu!torn!utgpu!lamoran
  3. From: lamoran@gpu.utcs.utoronto.ca (L.A. Moran)
  4. Subject: GENETIC DRIFT
  5. Message-ID: <C1BvMD.9zJ@gpu.utcs.utoronto.ca>
  6. Organization: UTCS Public Access
  7. Date: Sat, 23 Jan 1993 22:25:24 GMT
  8. Lines: 210
  9.  
  10.  
  11.                          RANDOM GENETIC DRIFT                      
  12.                       version 1, January 22, 1993
  13.  
  14. The two most important mechanisms of evolution are natural selection and
  15. genetic drift. Most people have a reasonable understanding of natural
  16. selection but they don't realize that drift is also important. The anti-
  17. evolutionists, in particular, concentrate their attack on natural selection
  18. not realizing that there is much more to evolution. Darwin didn't know about
  19. genetic drift, this is one of the reasons why modern evolutionary biologists
  20. are no longer "Darwinists". (When anti-evolutionists equate evolution with 
  21. Darwinism you know that they have not done their homework!)
  22.  
  23. Random genetic drift is a stochastic process (by definition). One aspect of
  24. genetic drift is the random nature of transmitting alleles from one generation
  25. to the next given that only a fraction of all possible zygotes become mature
  26. adults. The easiest case to visualize is the one which involves binomial 
  27. sampling error. If a pair of diploid sexually reproducing parents (such as 
  28. humans) have only a small number of offspring then not all of the parent's 
  29. alleles will be passed on to their progeny due to chance assortment of 
  30. chromosomes at meiosis. In a large population this will not have much effect 
  31. in each generation because the random nature of the process will tend to
  32. average out. But in a small population the effect could be rapid and
  33. significant.
  34.  
  35. Suzuki et al. explain it as well as anyone I've seen;
  36.  
  37.      "If a population is finite in size (as all populations are) and if
  38.       a given pair of parents have only a small number of offspring,
  39.       then even in the absence of all selective forces, the frequency
  40.       of a gene will not be exactly reproduced in the next generation
  41.       because of sampling error. If in a population of 1000 individuals
  42.       the frequency of "a" is 0.5 in one generation, then it may by chance
  43.       be 0.493 or 0.0505 in the next generation because of the chance
  44.       production of a few more or less progeny of each genotype. In the
  45.       second generation, there is another sampling error based on the new 
  46.       gene frequency, so the frequency of "a" may go from 0.0505 to 0.501
  47.       or back to 0.498. This process of random fluctuation continues 
  48.       generation after generation, with no force pushing the frequency
  49.       back to its initial state because the population has no "genetic
  50.       memory" of its state many generations ago. Each generation is an
  51.       independent event. The final result of this random change in allele
  52.       frequency is that the population eventually drifts to p=1 or p=0.
  53.       After this point, no further change is possible; the population has
  54.       become homozygous. A different population, isolated from the first,
  55.       also undergoes this random genetic drift, but it may become homozygous
  56.       for allele "A", whereas the first population has become homozygous for
  57.       allele "a". As time goes on, isolated populations diverge from each 
  58.       other, each losing heterozygosity. The variation originally present
  59.       within populations now appears as variation between populations."
  60.  
  61.       Suzuki, D.T., Griffiths, A.J.F., Miller, J.H. and Lewontin, R.C. in
  62.       An Introduction to Genetic Analysis 4th ed. W.H. Freeman 1989 p.704
  63.  
  64. Of course random genetic drift is not limited to species that have few 
  65. offspring, such as humans. In the case of flowering plants, for example,
  66. the stochastic element is the probabilty of a given seed falling on fertile
  67. ground while in the case of some fish and frogs it is the result of chance
  68. events which determine whether a newly hatched individual will survive.
  69. Drift is also not confined to diploid genetics; it can explain why we all 
  70. have mitochondria that are descended from those of a single women who lived 
  71. hundreds of thousands of years ago.
  72.  
  73.      "This does not mean that there was a single female from whom we
  74.       are all descended, but rather that out of a population numbering
  75.       perhaps several thousand, by chance, only one set of mitochondrial
  76.       genes was passed on. (This finding, perhaps the most surprising
  77.       to us, is the least disputed by population geneticists and others
  78.       familiar with genetic drift and other manifestations of the laws
  79.       of probability.)"
  80.  
  81.       Curtis, H. and Barnes, N.S. in Biology 5th ed. Worth Publishers 1989
  82.       p. 1050.
  83.  
  84. But random genetic drift is even more that this. It also refers to accidental
  85. random events that influence allele frequency. For example,
  86.  
  87.       "Chance events can cause the frequencies of alleles in a small 
  88.        population to drift randomly from generation to generation. For
  89.        example, consider what would happen if [a]... wildflower population
  90.        ... consisted of only 25 plants. Assume that 16 of the plants have
  91.        the genotype AA for flower color, 8 are Aa, and only 1 is aa. Now
  92.        imagine that three of the plants are accidently destroyed by a rock
  93.        slide before they have a chance to reproduce. By chance, all three
  94.        plants lost from the population could be AA individuals. The event
  95.        would alter the relative frequency of the two alleles for flower
  96.        color in subsequent generations. This is a case of microevolution
  97.        caused by genetic drift...
  98.  
  99.        Disasters such as earthquakes, floods, or fires may reduce the
  100.        size of a population drastically, killing victims unselectively.
  101.        The result is that the small surviving population is unlikely
  102.        to be representative of the original population in its genetic
  103.        makeup - a situation known as the bottleneck effect.... Genetic
  104.        drift caused by bottlenecking may have been important in the
  105.        early evolution of human populations when calamities decimated
  106.        tribes. The gene pool of each surviving population may have been,
  107.        just by chance, quite different from that of the larger population
  108.        that predated the catastrophe."
  109.  
  110.        Campbell, N.A. in Biology 2nd ed. Benjamin/Cummings 1990 p.443
  111.  
  112. Several examples of bottlenecks have been inferred from genetic data. For 
  113. example, there is very little genetic variation in the cheetah population.
  114. This is consistant with a reduction in the size of the population to only
  115. a few individuals - an event that probably occurred several thousand years
  116. ago. An observed example is the northern elephant seal which was hunted almost
  117. to extinction. By 1890 there were fewer than 20 animals but the population 
  118. now numbers more than 30,000. As predicted there is very little genetic
  119. variation in the elephant seal population and it is likely that the twenty
  120. animals that survived the slaughter were more "lucky" than "fit".
  121.  
  122. Another example of genetic drift is known as the founder effect. In this case
  123. a small group breaks off from a larger population and forms a new population.
  124. This effect is well known in human populations;
  125.  
  126.        "The founder effect is probably responsible for the virtually
  127.         complete lact of blood group B in American Indians, whose
  128.         ancestors arrived in very small numbers across the Bering Strait
  129.         during the end of the last Ice Age, about 10,000 years ago. More
  130.         recent examples are seen in religious isolates like the Dunkers
  131.         and Old Order Amish of North America. These sects were founded
  132.         by small numbers of migrants from their much larger congregations
  133.         in central Europe. They have since remained nearly completely 
  134.         closed to immigration from the surrounding American population.
  135.         As a result, their blood group gene frequencies are quite different
  136.         from those in the surrounding populations, both in Europe and
  137.         in North America.
  138.   
  139.         The process of genetic drift should sound familiar. It is, in 
  140.         fact, another way of looking at the inbreeding effect in small 
  141.         populations ... Whether regarded as inbreeding or as random
  142.         sampling of genes, the effect is the same. Populations do not
  143.         exactly reproduce their genetic constitutions; there is a random
  144.         component of gene-frequency change."
  145.  
  146.         Suzuki et al. op. cit.
  147.  
  148. There are many well studied examples of the founder effect. All of the cattle
  149. on iceland, for example, are descended from a small group that were brought to
  150. the island more than one thousand years ago. The genetic make-up of the
  151. icelandic cattle is now different from that of their cousins in Norway but the
  152. differences agree well with those predicted by genetic drift. Similarly,
  153. there are many pacific islands that have been colonized by small numbers
  154. of fruit flies (perhaps one female) and the genetics of these populations
  155. is consistant with drift models.
  156.  
  157. Thus, it is wrong to consider natural selection as the ONLY mechanism of 
  158. evolution and it is also wrong to claim that natural selection is the 
  159. predominant mechanism. This point is made in many genetics and evolution 
  160. textbooks, for example;
  161.  
  162.      "In any population, some proportion of loci are fixed at a 
  163.       selectively unfavorable allele because the intensity of 
  164.       selection is insufficient to overcome the random drift to 
  165.       fixation. Very great skepticism should be maintained toward 
  166.       naive theories about evolution that assume that populations
  167.       always or nearly always reach an optimal constitution under
  168.       selection. The existence of multiple adaptive peaks and the
  169.       random fixation of less fit alleles are integral features
  170.       of the evolutionary process. Natural selection cannot be
  171.       relied on to produce the best of all possible worlds."
  172.  
  173.       Suzuki, D.T., Griffiths, A.J.F., Miller, J.H. and Lewontin, R.C. in
  174.       An Introduction to Genetic Analysis 4th ed., W.H. Freeman, New York 1989
  175.  
  176.      "One of the most important and controversial issues in population
  177.       genetics is concerned with the relative importance of genetic drift
  178.       and natural selection in determining evolutionary change. The key
  179.       question at stake is whether the immense genetic variety which is 
  180.       observable in populations of all species is inconsequential to survival
  181.       and reproduction (ie. is neutral), in which case drift will be the
  182.       main determinant, or whether most gene substitutions do affect 
  183.       fitness, in which case natural selection is the main driving force.
  184.       The arguments over this issue have been intense during the past half-
  185.       century and are little nearer resolution though some would say that
  186.       the drift case has become progressively stronger. Drift by its very
  187.       nature cannot be positively demonstrated. To do this it would be
  188.       necessary to show that selection has definitely NOT operated, which
  189.       is impossible. Much indirect evidence has been obtained, however, 
  190.       which purports to favour the drift position. Firstly, and in many
  191.       ways most persuasively is the molecular and biochemical evidence..."
  192.  
  193.       Harrison, G.A., Tanner, J.M., Pilbeam, D.R. and Baker, P.T. in
  194.       Human Biology 3rd ed. Oxford University Press 1988 pp 214-215
  195.  
  196. The book by Harrison et al. is quite interesting because it goes on for 
  197. several pages discussing the controversy. The authors point out that it is
  198. very difficult to find clear evidence of selection in humans (the sickle
  199. cell allele is a notable exception). In fact, it is difficult to find good
  200. evidence for selection in most organisms - most of the arguments are after
  201. the fact (but probably correct)!
  202.  
  203. The relative importance of drift and selection depends, in part, on estimated
  204. population sizes. Drift is much more important in small populations. It is
  205. important to remember that most species consist of numerous smaller inbreeding
  206. populations called "demes". It is these demes that evolve.
  207.  
  208. Studies of evolution at the molecular level have provided strong support for
  209. drift as a major mechanism of evolution. Observed mutations at the level of 
  210. gene are mostly neutral and not subject to selection. One of the major
  211. controversies in evolutionary biology is the neutralist-selectionist debate
  212. over the importance of neutral mutations. Since the only way for neutral
  213. mutations to become fixed in a population is through genetic drift this
  214. controversy is actually over the relative importance of drift and natural
  215. selection.
  216.  
  217.  
  218. Laurence A. Moran (Larry)
  219.  
  220.