סחף גנטי

סחף גנטי (באנגלית: Genetic drift) שנקרא גם "האפקט על שם סיואל רייט", בדומה לברירה הטבעית, הוא תהליך המשנה את המטען התורשתי של האוכלוסייה וגורם לאבולוציה. ואולם, בניגוד לברירה הטבעית, הסחף הגנטי הוא תהליך אקראי שאינו קשור לכשירות, כלומר להתאמת המטען הגנטי של הפרט אל הסביבה. סחף גנטי פועל משום שבתהליך התורשה, שיעורם של אללים באוכלוסייה עשוי להשתנות במקרה מדור לדור, ובסופו של דבר עשוי אלל להשתלט על האוכלוסייה כולה, או לחלופין להיכחד לחלוטין. בשל החוק החלש של המספרים הגדולים שבתורת ההסתברות, באוכלוסיות קטנות הסיכוי של מוטציה חדשה להשתלט על האוכלוסייה בסחף גנטי טוב בהרבה מאשר באוכלוסיות גדולות, והזמן הממוצע להשתלטות קצר בהרבה. סחף גנטי הוא שוני אקראי ומשמעותי בשכיחות האללים בין דור לדור. באוכלוסיות קטנות סחף גנטי מהיר בהרבה, והסיכוי של אלל מסוים לשנות את שכיחותו בדור הבא גדול בהרבה, עקב החוק החלש של המספרים הגדולים (ראו למטה בסעיף גודל האוכלוסייה). אך בניגוד לתפיסה שגויה נפוצה, סחף גנטי פועל גם באוכלוסיות גדולות, שבהן מספר האללים הכללי גדול יותר. סחף גנטי עשוי לגרום לאללים להיכחד מן האוכלוסייה, או לחלופין להשתלט על רובה או כולה, אפילו ללא פעולת ברירה טבעית. דוגמאות טיפוסיות הן אללים "שקטים" שאינם משפיעים כלל על הפנוטיפ, אללים נייטרלים הגורמים לשינוי בפנוטיפ שאיננו כרוך בעלייה או בירידה בכשירות, ואללים נסגנים (רצסיביים) שאינם משפיעים על הפנוטיפ כל עוד הם מורשים מאחד ההורים בלבד. הדוגמה האחרונה היא האופן שבו האללים של מחלות תורשתיות נסגניות נדירות כמו סיסטיק פיברוזיס וטאי זקס עלולים להתרבות באוכלוסייה. יש שני מקרים שבהם הסחף הגנטי חזק במיוחד: אפקט המייסדים וצוואר בקבוק. ערך מורחב – אפקט המייסד אפקט המייסדים או אפקט המייסד או תוצא המייסדים, הוא מקרה של סחף גנטי שנגרם בהגירה וייסוד אוכלוסייה חדשה. במצב זה אללים מסוימים משנים את תפוצתם ביחס לזו שהייתה להם באוכלוסיית האם משום שבקבוצת המהגרים הקטנה שייסדה את אוכלוסיית הבת הם היו במקרה בעלי תפוצה לא שגרתית. לדוגמה, לפני גילוי אמריקה על ידי קולומבוס, היו כל תושבי אמריקה בעלי סוג דם O, בניגוד לשאר אוכלוסיות העולם שהיו להם סוגי דם נוספים. ייתכן שהדבר נבע מכך שלמהגרים הראשונים לאמריקה היה במקרה סוג דם O. מקרה המתרחש כאשר רוב אוכלוסיית המין נכחדת במאורע הכחדה פתאומי שאחריו הסביבה והברירה הטבעית חוזרות להיות דומות לאלה שלפני מאורע ההכחדה. באוכלוסייה הקטנה ששורדת את אותו מאורע יכולות להיות שכיחויות אללים שונות לחלוטין מאלה שבאוכלוסייה המקורית, והאוכלוסייה השורדת נתונה כעת להשפעתם של תהליכים אקראיים. תהליכים אלה זהים באופן עקרוני לאלה המתוארים באפקט המייסדים. ערך מורחב – צוואר בקבוק גנטי צוואר בקבוק הוא מקרה קיצוני של סחף גנטי שמופיע באוכלוסייה שהולכת ומתמעטת מדור לדור ועומדת להיכחד. (במצב קיצוני יותר עשויות אוכלוסיות שונות של מין שהולך ונכחד לעבור תהליכים כאלה במקביל). מקרה זה הוא קיצוני כי הוא משלב מצד אחד תהליכי סחף גנטי באוכלוסייה קטנה ומצד שני ברירה טבעית חריפה. בתהליך כזה מואצים שינויים אבולוציוניים נרחבים ויש סיכוי גבוה מהרגיל להיווצרות מין טקסונומי חדש. שתי התוצאות של תהליכי הסחף הגנטי הן: קיבוע אקראי של אללים – כאשר נוצרת אוכלוסייה קטנה מכל סיבה שהיא, שכיחויות האללים השונים בה עבור כל גן, יכולות להיות שונות לגמרי מזו שבאוכלוסייה המקורית. יתרה מכך, כל עוד האוכלוסייה קטנה מתקבעים בה אללים באופן אקראי ללא קשר למידת התועלת או הנזק שהם מביאים (למעט מקרים של אללים קטלניים). איבוד הטרוזיגוטיות – ככל שאללים מסוימים נוטים להתקבע או להיכחד באוכלוסייה, מספר הפרטים ההטרוזיגוטיים קטן. תוצאה זאת עלולה לחשוף מוטציות רצסיביות מזיקות שלפני כן לא התבטאו בפרטים שהיו הטרוזיגוטיים עבור אותה תכונה – מצב שעלול לגרום לנזקים כבדים באוכלוסיית המין. קביעה נפוצה, שמופיעה אפילו בכמה ספרי לימוד בסיסיים לביולוגיה, היא שסחף גנטי אופייני לאוכלוסיות קטנות, ואיננו מתרחש (או שהוא חלש מאוד) באוכלוסיות גדולות. זוהי קביעה פשטנית שעלולה להטעות, שכן לסחף הגנטי יש השלכות בעלות חשיבות רבה גם באוכלוסיות גדולות. על פי המודל הבסיסי בגנטיקה של אוכלוסיות לתורשה נייטרלית, ההסתברות של מוטציה נייטרלית שהתרחשה בפרט בודד להשתלט על האוכלוסייה כולה היא ביחס הפוך לגודל האוכלוסייה. מכאן נובע שסיכויי המוטציה פוחתים מהר מאוד עם העלייה בגודל האוכלוסייה, אך אינם יורדים לאפס כל עוד המוטציה לא נכחדה לחלוטין. אולם, באוכלוסייה גדולה יותר יש יותר פרטים שתורמים מוטציות חדשות, ולכן המספר הכולל של מוטציות נייטרליות שמופיעות באוכלוסייה בכל דור גדל ביחס ישר לגודל האוכלוסייה. מכאן נובע ששתי מגמות אלו מבטלות בדיוק זו את זו, כך שהמספר הכולל של מוטציות נייטרליות שמתקבעות באוכלוסייה בסחף גנטי בכל דור נשאר קבוע, ואינו תלוי כלל בגודל האוכלוסייה. על אי-תלות זו מבוססים חישובי שעון מולקולרי, המתארכים את זמן האב הקדמון המשותף המאוחר ביותר של שתי אוכלוסיות לפי מידת ההבדל הגנטי ביניהן. חישובי שעון מולקולרי מניחים שמספר המוטציות המתקבעות באוכלוסייה בסחף גנטי בכל דור נשאר דומה, גם אם האוכלוסייה גדלה או קטנה. מסקנה חשובה נוספת של המודל לתורשה נייטרלית היא שהזמן הממוצע לקיבוע של מוטציה נייטרלית באוכלוסייה באמצעות סחף גנטי גדל ביחס ישר לגודל האוכלוסייה. היינו, ההתפשטות של מוטציה נייטרלית טיפוסית באמצעות סחף גנטי היא מהירה מאוד באוכלוסייה קטנה מאוד, בעוד שבאוכלוסייה גדולה מאוד היא עשויה להימשך מיליוני דורות. אך גם מכך אין להסיק שסחף גנטי אינו מתרחש באוכלוסיות גדולות. באוכלוסייה גדולה מתקיימות בכל דור מספר עצום של וריאציות גנטיות נייטרליות. אופיו האקראי של הסחף הגנטי גורם לכמחציתן להגדיל את שיעורן באוכלוסייה בדור הבא, ולמחצית השנייה להקטין אותו. לכן רק אחוז זעיר מתוך הווריאציות הנייטרליות יהיו "בנות מזל" מספיק ויזכו להתקבע באוכלוסייה לבסוף, ועבור כל אחת מהן ייארך התהליך דורות רבים מאוד, אך תהליך זה מתרחש בכולן במקביל ובאופן בלתי תלוי. כפי שעולה מן הפסקה הקודמת, בכל דור מספר מוחלט דומה של וריאציות נייטרליות כאלו יסיים את תהליך הקיבוע, בלי תלות בגודלה של האוכלוסייה. באוכלוסיות טבעיות, סחף גנטי וברירה טבעית אינם פועלים במנותק זה מזה; מדובר בשתי תופעות שקיימות ופועלות תמיד, יחד עם היווצרות מוטציות והגירה. אבולוציה נייטרלית היא תוצר של מוטציות ושל סחף גנטי, לא של סחף גנטי בלבד. באופן דומה, גם כאשר הברירה הטבעית חזקה יותר מהסחף הגנטי וגוברת עליו, היא יכולה לפעול רק על מגוון גנטי שנוצר כתוצאה ממוטציות. בניגוד לברירה הטבעית, שפועלת בכיוון מסוים ומנחה את האבולוציה לעבר תכונות שמתאימות יותר לסביבה הנוכחית, לסחף הגנטי אין כיוון והוא מונחה אך ורק על ידי סיכויים אקראיים. כתוצאה מכך, סחף גנטי פועל על השכיחות של גנוטיפים שונים באוכלוסייה מבלי להתחשב בהשפעותיהם הפנוטיפיות. לעומת זאת, הברירה הטבעית דוחפת להתפשטותם של אללים שהשפעותיהם הפנוטיפיות מגבירות את ההישרדות ו/או ההתרבות של הנושאים אותם, מפחיתה את שכיחותם של אללים שיוצרים תכונות שמזיקות להישרדות ו/או להתרבות, ומתעלמת מאללים שהם נייטרליים. חוק המספרים הגדולים מנבא שכאשר מספר העותקים המוחלט של אלל הוא קטן (למשל, באוכלוסיות קטנות), הסחף הגנטי הפועל בכל דור על שכיחות האלל הוא בעוצמה גבוהה יותר. עוצמת הסחף הגנטי הופכת גדולה מספיק כדי לגבור על הברירה הטבעית בכל שכיחות אללים שהיא, רק כאשר מקדם הברירה (Selection coefficient) קטן יותר מאחד חלקי גודל האוכלוסייה האפקטיבי (אנ'). לפיכך, אבולוציה בלתי אדפטיבית שנגרמת ממוטציות ומסחף גנטי נחשבת למנגנון שינוי אבולוציוני משמעותי ובעל השלכות בעיקר באוכלוסיות קטנות ומבודדות. חישובי הסחף הגנטי תלויים בגודל האוכלוסייה האפקטיבי, אבל לא לגמרי ברור מה היחס בין גודל זה ובין מספר הפרטים הממשי באוכלוסייה. גודל האוכלוסייה האפקטיבי הרלוונטי לחישוב הסחף הגנטי הפועל על אלל נייטרלי מסוים, יכול להפוך קטן יותר כתוצאה מברירה טבעית הפועלת על גנים אחרים הממוקמים בסמוך לו – בשל תאחיזה גנטית. ככל ששיעור השחלוף גבוה יותר, התאחיזה פוחתת ולכן משפיעה פחות על גודל האוכלוסייה האפקטיבי הרלוונטי לגן ספציפי. ניתן לראות את ההשפעות האלה בסטטיסטיקה המולקולרית של הגנום, בתור מִתאם בין שיעור השחלוף המקומי ובין המגוון הגנטי, ובתור מִתאם שלילי בין צפיפות הגנים ובין המגוון הגנטי ברצפים לא-מקודדים. הסטוכסטיות שנובעת מתאחיזה בין גן מסוים ובין גנים אחרים שפועלת עליהם ברירה טבעית אינה זהה לטעות דגימה, ומכונה לעיתים genetic draft כדי להבדיל בינה ובין סחף גנטי (genetic drift). אללים ששכיחותם נמוכה פגיעים יותר ועלולים להיכחד כתוצאה ממקריות עיוורת, אפילו אם הברירה הטבעית פועלת לטובתם. מוטציות מזיקות לרוב מסולקות במהירות רבה באוכלוסיות גדולות, אבל גם למוטציות מועילות חדשות יש סיכוי גבוה להיכחד כתוצאה מסחף גנטי, כמעט כמו למוטציות נייטרליות, בגלל מספר העותקים הקטן שלהן. רק לאחר שהשכיחות של מוטציה מועילה עוברת סף מסוים, לסחף הגנטי כבר אין השפעה עליה. סחיפה אנטיגנית מאגר גנים דחף מיוטי מדיה וקבצים בנושא סחף גנטי בוויקישיתוף סחף גנטי, באתר אנציקלופדיה בריטניקה (באנגלית) מוטציה נייטרלית היא שינוי גנטי שאינו משפיע על מידת התאמתו של הפרט לסביבה, ועל סיכוייו לשרוד ולהתרבות. במילים אחרות: מוטציה נייטרלית אינה משפיעה על הכשירות של הפרט הנושא אותה. במילים אחרות: סחף גנטי פועל לשינוי שכיחותם של וריאנטים גנטיים מבלי להתחשב בהשפעתם על תכונות הפרטים באוכלוסייה. כלומר, אבולוציה שאינה תורמת להסתגלות לסביבה הנוכחית. היחס בין מספר הגנים ובין מספר זוגות הבסיסים, ברצף DNA מסוים או בגנום כולו. Charlesworth B, Morgan MT, Charlesworth D (1993). "The effect of deleterious mutations on neutral molecular variation" (PDF). Genetics. Genetics Society of America. 134 (4): 1289–303. doi:10.1093/genetics/134.4.1289. PMC 1205596. PMID 8375663. Presgraves DC (2005). "Recombination enhances protein adaptation in Drosophila melanogaster". Current Biology. Cell Press. 15 (18): 1651–6. doi:10.1016/j.cub.2005.07.065. PMID 16169487. S2CID 15120927. Nordborg M, Hu TT, Ishino Y, Jhaveri J, Toomajian C, Zheng H, Bakker E, Calabrese P, Gladstone J, Goyal R, Jakobsson M, Kim S, Morozov Y, Padhukasahasram B, Plagnol V, Rosenberg NA, Shah C, Wall JD, Wang J, Zhao K, Kalbfleisch T, Schulz V, Kreitman M, Bergelson J (2005). "The pattern of polymorphism in Arabidopsis thaliana". PLOS Biology. Public Library of Science. 3 (7): e196. doi:10.1371/journal.pbio.0030196. PMC 1135296. PMID 15907155.