Gen akışı

Popülasyon içine veya dışına olan göçler, belirli bir gen varyantını taşıyan üyelerin oranı olan alel frekanslarında, belirli bir değişikliğin ortaya çıkmasından sorumlu olabilirler. Bu göçler, aynı zamanda belli bir tür veya popülasyonun mevcut olan gen havuzuna ek olarak, yeni genetik varyantlar getirebilirler.

Farklı popülasyonlar arasındaki gen akışı oranını etkileyen bir dizi faktörler vardır. En önemli faktörlerden biri, bireyin daha fazla hareket etme imkanının, göç etme potansiyeli ile göç eğilimini artırdığı hareket edebilme yeteneğidir. Polen ve tohumlar, rüzgâr veya diğer hayvanlar tarafından uzak mesafelere taşınsalar da, hayvanlar, bitkilerden daha çok göç etme ve hareketli olma eğilimi gösterirler.

İki popülasyon arasında sürdürülen gen akışı, iki grup arasındaki genetik varyasyonları azaltarak, iki farklı gen havuzunun kombinasyonuna neden olabilir. Grupların gen havuzlarının kombinasyonu ve de genetik varyasyonlardaki gelişim farklılıkların onarımları, büyük bir türleşme]]ye ve oğul türlerin oluşmasına yol açacağından gen akışının, türleşmeye karşı güçlü bir şekilde etki etmesinin nedeni de bu yüzdendir.

Örneğin, bir bitki türü, karayolun her iki tarafında da yetişiyorsa, bu bitkinin polenleri, muhtemelen bir taraftan öbür tarafa doğru karşılıklı olarak taşınacaktır. Eğer bu polen, bitkiyi dölleyebiliyor ve dölleme sonucu verimli yeni yavrular üretebiliyorsa, bu durumda polenin sahip olduğu aleller, karayolun bir kenarındaki popülasyondan diğer tarafındaki popülasyona doğru başarılı ve etkili bir şekilde göç edebiliyor demektir.

Gen akışı önündeki engeller, genellikle doğal nedenlerden oluşmasına rağmen bu engeller, her zaman doğal olmayabilir. Doğal engeller olarak, aşılmaz sıra dağlar, okyanuslar ve geniş çöller örnek gösterilebilir. Bazı durumlarda, yerel bitki popülasyonları arasındaki gen akışını engelleyen Çin Seddi gibi, bu engeller insan yapımı engeller de olabilir. Bu yerel bitkilerden birisi olan Ulmus pumila, Çin Seddi'nin karşı tarafında yetişen diğer yerel bitkiler Vitex negundo, Ziziphus jujuba, Heteropappus hispidus ve Prunus armeniaca'ya kıyasla daha düşük genetik farklılaşma yaygınlığı gösterir. Bunun nedeni, Ulmus pumile bitkisinin, döllenme için daha ziyade rüzgâr yoluyla tozlaşma yöntemini benimsemesi ama daha az oranda böcekle tozlaşma metodunu kullanmasıdır. Gen havuzlarının rekombinasyonunu sağlamada çok az ya da hiçbir gen akışına sahip olmamaları nedeniyle, her iki tarafta yetişen aynı türün örneklerinin, genetik farklılıklar gelişimi gösterdiği saptanmıştır.

Gen akışının önündeki engeller, her zaman fiziksel olmayabilir. Aynı ortamlarda yaşayan türler, sınırlı hibritleşme yüzünden veya hibritleşme uygun olmayan melezler oluşturduğu için sınırlı gen akışına sahip olabilirler.

Gen akışı, insanlarda da gözlemlenmiştir. Örneğin, ABD'de gen akışı, yakın geçmişte bir araya getirilen beyaz Avrupa popülasyonu ile siyah Batı Afrika popülasyonu arasında gözlemlenmiştir. Sıtmanın yaygın olduğu Batı Afrika'da, Duffy antijeni (İng: duffy antigen) hastalığa karşı direnç sağlar ve bu alel, bu nedenle tüm Batı Afrika nüfusunda mevcut bulunur. Bunun aksine Avrupalılar, sıtma buralarda hemen hemen görülmediği için, Fya ya da Fyb''' alellerinden birine sahiptirler. Batı Afrikalı ve Avrupalı grupların frekanslarını ölçen bilim insanları, her gruptaki alel frekansların, bireylerin göç etmesi nedeniyle birbirleriyle karıştığını tespit etmişlerdir. Aynı zamanda, bilim insanları, Avrupalı ve Batı Afrikalı gruplar arasındaki gen akışının, güneye göre kuzey ABD'de daha fazla olduğunu da keşfettiler.

Türler arasında genetik malzemenin devinimi olarak da tanımlanan gen transferi (İng: gene transfer), yatay gen transferi, antijen kayması (İng: antigenic shift) ve tekrar sıralamayı (İng: reassortment) içerdiği gibi bazen önemli bir genetik varyasyon kaynağıdır. Virüsler, diğer türlere gen aktarabilirler. Bakteriler, diğer ölü bakterilerin genlerini bünyelerinde barındırabilirler, yaşayan bakterilerle gen alışverişinde bulunabilirler ve çeşitli türler arasında plazmid alışverişi de yapabilirler. "DNA dizilerinin analizi ve birbirleriyle karşılaştırılmaları, yakın bir geçmişte, filogenetik 'üst âlem' sınırlarının ötesinde de dahil olmak üzere, türler arasında birçok genin yatay gen transferi ile aktarıldığını göstermiştir. Bu anlamda, bir türün filogenetik tarihi, sadece tek bir genin evrimsel ağacının belirlenmesiyle oluşturulamaz".

Biyolog Johann Peter Gogarten bu konuda, "filogenetik bir ağacın özgün örneğinin, son genom araştırmaların ortaya çıkardığı verilere uymadığını" öne sürer. Gogarten'e göre, biyologlar bunun yerine, her bir genomun farklı tarihsel gelişimlerinin kombine edilerek dikkate alındığı bir mozaik örneği ile yoğun bir alışverişin ve yatay gen transferinin ortak etkilerini göz önüne getiren sarmaşık bir ağ modelini kullanmalıdır.

Yatay gen transferi olunca genleri tekil filogenetik belirteç (İng: phylogenetic marker) olarak kullanarak organizmaların filogenisini belirlemek zordur. Ortak bir atadan yeni kladların oluşması modeli ile ender yatay gen transferi olayları birleşince, günümüzde mevcut 3 üst alem arasında paylaşılan genlerin hepsine sahip olan tek bir son ortak ata (İng: last common ancestor] olamayacağı sonucu çıkmaktadır. Çağdaş moleküllerin her birinin kendine ait bir geçmişi vardır ve her bir molekül atasal bir molekülden kaynaklanmaktadır. Ancak bu moleküler atalar muhtemelen farklı zamanlarda farklı organizmlarda bulunmaktaydılar.

Ana madde: Genetik kirlenme (İng: Genetic pollution)Safkan, doğal olarak gelişmiş, bölgeye özgü yabani türler, genellikle kontrolsüz melezleme, geri melezleme olarak da bilinen introgresyon (İng: introgression) ve genetik uzaklaştırma (İng: genetic swamping) gibi süreçler sonucu oluşan genetik kirlenmeler (İng: genetic pollution) nedeniyle, soy tükenmesi tehlikesi yaşayabilirler. Bu süreçler, bu bitki ve hayvanların sayıca üstünlüğü ve/veya seçilim değeri (İng: fitness) avantajlarının bir sonucu olarak, homojenleşmeye (İng: homogenization) veya yerel genotiplerin yer değişmesine yol açabilirler. Bunun yanında, yerli olmayan türler, melezleşme ve introgresyon (geri melezleme) yoluyla, bunun yanında hem insanlar tarafından maksatlı olarak yapılan girişimler, hem de yaşam alanlarının değiştirilmesi yoluyla, daha önce izole olan türlerin birbirleriyle temas etmelerine yol açarak, yerli olan bitki ve hayvanların bir şekilde soylarının tükenmesine neden olabilirler. Bu fenomen, daha bol olarak görülen türlerle temasa giren nadir türler için özellikle zararlı olabilir. Türler arasında melezleşme, yerli safkan soyun tamamen tükenmesine neden olan melezler oluşturarak nadir türün gen havuzunun silinmesine yol açabilir. Gen akışının bu yönü, her zaman morfolojik (dış görünümsel) olarak belirgin ve açık bir şekilde gözlemlenmez. Bazı gen akışı aşamaları, normal ve evrimsel yapıcı süreçlere bağlı olabileceği gibi tüm gen ve genotiplerin küme konstelasyonları bu durumda da korunamaz. İntrogresyonlu veya introgresyonsuz melezleşmenin, nadir görülen bir türün varlığı tehlike altına soktuğu söylenebilir.

Gen akışına dair modeller, popülasyon genetiğinden elde edilebilir. Örneğin, Sewall Wright'ın komşuluk modeli (İng: neighborhood model), ada modeli (İng: island model) ve atlama taşı modeli (İng: stepping stone model).

Genetiği değiştirilen bitkilerin yetiştirilmesinde ve hayvancılıkta, genellikle kasıtlı olmayan çapraz tozlaşma ve melezleme yöntemleriyle gen akışı azaltımı sağlayıp genetik kirliliği önlemek, yani onların genetik modifikasyonlarının, diğer geleneksel yollarla elde edilen melez popülasyonu veya yabani yerli bitkisi ile hayvan popülasyonlarını kirletmesini önlemek zorunlu hale gelmektedir. Gen akışını sınırlamadaki nedenler, biyogüvenliği ve genetiği değiştirilmiş ekin sistemleri ile genetiği değiştirilmemiş ekin sistemlerinin yan yana işleyebileceği tarımsal bir birlikte var olmayı da kapsayabilir.

Birkaç büyük araştırma projesi yürüten bilim insanları, bu projelerde gen akışını sınırlayan yöntemleri araştırmaktadırlar. Bu projelerden bazılar, biyolojik önleme (İng: biological containment) metodlarını inceleyen TransContainer, genetiği değiştirilmiş bitkilerin biyogüvenliğine odaklanan SIGMEA ile genetiği değiştirilmiş ve genetiği değiştirilmemiş olan ürün zincirlerinin birlikte yaşamaları üzerinde araştırma yapan Co-Extra'dır.

Genel olarak, gen akışının azaltılmasına dair üç yaklaşım şekli vardır: genetik modifikasyonları polenlerin dışında tutmak, polen oluşumlarını engellemek ve polenleri çiçeklerin içinde tutmak.

İlk yaklaşım transplastomik bitkiler (İng: transplastomic plant) gerektirir. Transplastomik bitkilerde, modifiye edilmiş DNA, hücre çekirdeğinde yer almaz, ancak çekirdek dışındaki hücre bölmeleri olan plastitlerde yer alır. Plastitler için bir örnek, içlerinde fotosentezin oluştuğu kloroplastlardır. Bazı bitkilerde, polenler plastit içermezler, dolayısıyla plastitlerdeki herhangi bir değişiklik polenlere iletilerek aktarılmaz.

İkinci yaklaşım, erkek steril (kısır) bitkiler üzerine dayanır. Erkek steril bitkiler, işleve sahip çiçekler üretemezler ve dolayısıyla yaşayabilir polenler bırakamazlar. Sitoplazmik erkek steril (İng: cytoplasmic male sterility) bitkiler, yüksek verim üretmeleriyle bilinirler. Bu nedenle, araştırmacılar, bu özelliği genetiği değiştirilmiş ürünlere de uygulamaya çalışmaktalar.

Üçüncü bir yaklaşım, çiçeklerin açmasını engellemeye yöneliktir. Bazı bitkilerde doğal olarak gerçekleşen bu özelliğe kleistogami (İng: cleistogamy) denir ve bu terim, açılmamış bir çiçeğin kendi kendine döllemesi olayını tanımlar. Kleistogamik bitkiler, sadece kısmen açık veya hiç açık olmayan çiçekler üretirler. Ancak, gen akışının azalmasında kleistogaminin ne kadar güvenilir olduğu belirsizliğini korumaktadır. Kolza tohumları üzerinden veriler elde etmeye çalışan bir CO-Ekstra araştırma projesi, bu konuda yüksek güvenirlik derecesine ulaşılabileceğine şüpheyle bakan bir ön sonuç yayınlamıştır.