ספט 13 2016

מה חוקרת הביולוגיה האבולוציונית? מבוא למגוון ביולוגי

מאת בשעה 18:02 נושאים ביולוגיה אבולוציונית

[1,040 מילים]

רשומה זאת היא חלק מסדרת המבוא לביולוגיה אבולוציונית. לחצו כאן לתוכן העניינים של הסדרה.

בהכללה, הציבור חושב שביולוגים אבולוציוניים מנסים להסביר איך נוצרו החיים, מה מקורה של ה"מורכבות של התא", איך נוצרה התודעה, איך אנחנו בני האדם נוצרנו וכדומה. דרך הפילטר הסנסציוני של העיתונות, התחום מרודד לשאלות כאלו, שאלות בעלות "עניין לציבור". כן, כמובן, הביולוגיה האבולוציונית עוסקת בשאלות האלו. עם זאת, כולן מקרה פרטי של השאלה הרחבה שבה מתמקד התחום: איך נוצר המגוון הביולוגי?

אם תפתחו מחקר בביולוגיה אבולוציונית, כמעט בטוח שתמצאו איפשהו התייחסות למגוון ביולוגי. או שהמחקר מנסה להתחקות אחר מוצאו, או שהוא מודד אותו, או שהוא מנתח אותו, או שהוא משלב בין כל אלו. לכן, כדי להבין את הביולוגיה האבולוציונית חובה להבין מהו מגוון ביולוגי.

איך מודדים מגוון?

יש כמה דברים שצריך לדעת לגבי מגוון. חלקם אולי ברורים לכם מאליהם, אבל לדעתי שווה להזכיר אותם. חשוב להבחין שמודדים מגוון בקרב קבוצה נתונה של דברים. מגוון היא תכונה השוואתית – על מנת לאמוד עד כמה פרטים בקבוצה שונים או דומים אחד לשני עלינו להשוות אחד לשני את הפרטים השייכים לקבוצה. פרט בודד הוא לא "מגוּון", כי אין שום דבר להשוות אותו אליו. זה לא שיש לו מגוון במידה אפס. לא שייך לדבר עליו כעל דבר "מגוּון". זה כמו לומר שהחלומות שלנו ירוקים. מגוון הוא תכונה של קבוצה.

שנית, בדרך כלל, מגוון מודדים עבור תכונה מסוימת. נניח שהקבוצה שאנחנו בוחנים היא נשים אמריקאיות מגיל 20 ומעלה. אנחנו לא יכולים פשוט למדוד את המגוון בקרב הקבוצה, בה"א הידיעה. לא ברור בכלל איך למדוד כזה דבר. אנחנו כן יכולים למדוד את המגוון בתכונה מסוימת בקרב הקבוצה הזאת. תרשים 1 (כחול) מציג כזאת מדידה – המגוון בגובה (בסנטימטרים) בקרב הקבוצה הזאת, בהתבסס על נתונים אמתיים. השורה התחתונה היא שלפני שמודדים מגוון, צריך להגדיר במפורש בקרב איזו קבוצה ועבור איזו תכונה מודדים אותו.

height_hist

תרשים 1 – מגוון בגובה בקרב גברים ונשים אמריקאיים מגיל 20 ומעלה. בציר האופקי נמצאות עמודות הגובה. כל עמודה מייצגת טווח של 3 ס"מ, והטווחים לא חופפים. בציר האנכי נמצאת כמות האנשים בדגימה שגובהם נופל על העמודה הזאת.
ירוק – המגוון בקרב גברים. מבוסס על נתונים מ-2,642 גברים. גובהם הממוצע הוא כ-174 ס"מ.
כחול – המגוון בקרב נשים. מבוסס על נתונים מ-2,888 נשים. גובהן הממוצע הוא כ-160 ס"מ.
הנתונים מתוך סקר NHANES האמריקאי של שנת 2013-2014.

מדידות של מגוון באות בשני "טעמים" עיקריים. מגוון יכול להיות רציף. כלומר, התכונה בה אנחנו מודדים את המגוון מקבלת טווח רחב של מספרים בקרב קבוצת המדידה. תרשים 1 מכיל דוגמא כזאת. גובה בקרב נשים אמריקאיות נמדד בסנטימטרים, ויכול ליפול על כמעט כל ערך שלם בין 130 סנטימטרים ל-200. לחילופין, מגוון יכול להיות בדיד. כלומר, התכונה בה אנחנו מודדים את המגוון יכולה להיות באחד ממספר מצבים מובחנים. הדוגמא הכי קלאסית לזה בביולוגיה היא קבוצות דם אנושיות. כל אדם שייך לקבוצה אחת מתוך ארבע. תרשים 2 מציג את אחוז בני האדם השייכים לכל קבוצת דם, על פי נתוני מגן דוד אדום.

blood_group_abundance

תרשים 2 – התפלגות קבוצות הדם באוכלוסיה. ארבע קבוצות דם, A, B, AB ו-O, ואחוז בני האדם באוכלוסיה השייכים להם.
הנתונים מתוך אתר מגן דוד אדום.

מגוון נמדד בבת אחת בקרב קבוצות רבות ובתכונות רבות. המדידות האלו יחדיו יוצרות דפוסים. תרשים 1 נותן דוגמא ויזואלית של כזה דפוס. הוא מכיל נתונים משתי קבוצות – גברים (ירוק) ונשים (כחול) אמריקאים מגיל 20 ומעלה. הגרף מציג דפוס ברור. אם נתרגם את המספרים למילים, אפשר לסכם את הדפוס כך: הגברים נוטים להיות גבוהים יותר מהנשים, אך זה לא הבדל מוחלט, כי קל לזהות חפיפה מסוימת בין הגובה הגברי והגובה הנשי.

מגוון ביולוגי, בקטנה

בביולוגיה אבולוציונית, מגוון הוא שם המשחק. מגוון נמדד בקרב קבוצה של יצורים חיים, בקרב קבוצה של חלבונים, בקרב קבוצה של גנים וכדומה. הדפוסים שהמדידות האלו יוצרות הם חומר העבודה של הביולוגיה האבולוציונית. הם הדבר שהתחום חוקר.

בעולם החי יש דפוסים מסוימים שברורים לכל מי שאי פעם למד ביולוגיה. לדוגמא, החיים על פני כדור הארץ בנויים מאותם סוגים של דברים – חומצות גרעין, חומצות אמינו וחומצות שומן (יותר על אבני הבניין האלו בחלקים הבאים). עם זאת, המגוון המועט הזה יוצר אוקיינוס של מגוון בתכונות אחרות. יש הרבה דרכים "להרכיב" את אבני הבניין האלו, כך שייווצר משהו חי.

רק היום, ראיתי בקרבת קילומטר אחד מהבית שלי מגוון די גדול של צורות חיים – עקרב, נמלים, עצי חרוב, עצי דקל ולא מעט סוגי עצים אחרים, לפחות שלושה סוגים של דשאים, כמה סוגים של כלבים, תנים, צב, כמה תרנגולים ולא מעט בני אדם. שוב, יש דפוסים של מגוון מועט ומגוון רב בקרב כל אחת מצורות החיים האלו. הם קיימים בכל התכונות הביולוגיות המרכזיות שלהן – בגנטיקה שלהן, במורפולוגיה (מבנה וצורה) שלהן, באנטומיה שלהן, בהתאמות שלהן לסביבה בה הן חיות ובמה שהן עושות, בתפקוד שלהן. בבירור, מה שראיתי הוא לא יותר מאנקדוטה מחיי, אבל היא לא בלי יסוד במדע. בחלקים הבאים בפרק הזה אתן לכם טעימה מהאופן בו דברים כאלו נמדדים.

למגוון של עולם החי יש גם מרכיב גאוגרפי. לדוגמא, אוסטרלי שיסתובב במרחב קילומטר מהבית שלו יראה שפע צורות חיים שונות מאד ממה שאני ראיתי בתכונות רבות ודומות בתכונות אחרות. הוא עלול לראות את אחת מחיות הכיס הרבות שייחודיות לאוסטרליה, חיות שפשוט לא חיה בסביבתי. שוב, זאת תהיה אנקדוטה נחמדה מהאוסטרלי הזה ולא מדידה מדעית מבוקרת, אך נראה בחלקים הבאים בסדרה איך דברים כאלו נמדדים על ידי מדענים. למגוון ביולוגי יש גם מרכיב זמן. אפשר לקבל הצצה אל המגוון של עולם החי העתיק דרך השרידים שלו שהשתמרו באדמה. גם אותו אזכיר.

מגוון ביולוגי הוא השם של כל דפוסי המגוון שקיימים בעולם החי. המגוון הביולוגי הוא חומר הגלם של הביולוגיה האבולוציונית. זה מה החוקרים בתחום חוקרים, בעזרתו הם מגבשים השערות ובעזרתו הם בודקים אותן. זאת הסיבה שביולוגים אבולוציוניים חוקרים בדרך כלל אוכלוסיות של פרטים, ולא פרטים בפני עצמם. כל התחום חוקר תכונה של קבוצות – מגוון. לכן, חובה עליהם לחקור קבוצות.

בחלקים הבאים

כאמור, מגוון ביולוגי הוא תופעה קריטית בביולוגיה אבולוציונית. הוא התופעה שנחקרת בתחום, הדבר שלשמו העוסקים בתחום קמים בבוקר והולכים למעבדה. לכן, לפני שאסביר את העקרונות היסודיים של הביולוגיה האבולוציונית, לפני שאפילו אסביר מה זה אבולוציה, חובה עלי לערוך לכם היכרות בסיסית עם האופן בו מגוון ביולוגי נמדד. זאת המשימה של הפרק הזה.

בחלקים הבאים בסדרה, אתן מספר דוגמאות של מגוון ביולוגי. אסקור את האופן בו הוא נמדד ואנסה לתת לכם תחושה של "כמה" מגוונים החיים, מתי ואיפה. אדגיש מדידות אמפיריות רחבות היקף שבוצעו בתחום, כאלו שהסתכלו על נתחים נרחבים מעולם החי. זאת גם תהיה הזדמנות נפלאה לערוך היכרות בסיסית עם מושגים חשובים מגנטיקה, מביולוגיה מולקולרית, מביוכימיה, מזואולוגיה ומבוטניקה. המושגים האלו יהיו קריטיים להמשך הסדרה, אז בבקשה, אל תדלגו על החלקים הבאים.

מקורות וקריאה להרחבה

מיטיבי לכת יזהו שכשאני אומר "מגוון" אני מתכוון, בדרך כלל, לשונות כפי שהיא מוגדרת בתורת ההסתברות ובסטטיסטיקה. המעוניינים במבוא תאורטי מעולה לנושא מוזמנים לקרוא את המבוא הנפלא של שלדון רוס לתורת ההסתברות, A First Course in Probability. אחת המהדורות שלו תורגמה לעברית בהוצאת האוניברסיטה הפתוחה. ממש מיטיבי לכת ישימו לב שנתתי כמה רמיזות דקות לניתוח שונות (ANOVA). המעוניינים בקריאה מרחיבה על הנושא מוזמנים לעיין בפרקים על ANOVA בספר (המדהים!) Biometry של רוברט סוקל וג'יימס רולף (המהדורה השלישית גם טובה).

הנתונים בתרשים 1 נלקחו מ-National Health and Nutrition Examination Survey. זה סקר שנתי שנערך על ידי רשויות הבריאות האמריקאיות על אלפי אמריקאים. השתמשתי בנתונים משנת 2013-2014. הפרטים הטכניים למי שמעוניין בהם: הנתונים הגולמיים הומרו מ-XPT ל-CSV בעזרת ספריית Hmisc ב-R. ההיסטוגרמה הוכנה בעזרת matplotlib בפייתון, כי ggplot ב-R מרנדר PNG בצורה שלא ראויה לצריכת אדם, לדעתי.

הנתונים מתרשים 2 נלקחו מאתר מגן דוד אדום בישראל. הנתונים בטבלה פושטו ואוחדו, ולאחר מכן הוצגו על גרף עוגה בעזרת matplotlib בפייתון.

במצבים מעשיים מסוימים, ההבדל בין מגוון רציף ומגוון בדיד הוא פילוסופי בלבד. גם במקרים האלו, עוד לא גיליתי מצב בו זה משנה משהו במסקנות. לכן, לא אכנס לנושא. מי שמעוניין להיכנס אליו בהקשר ביולוגי, יכול להתחיל בקריאת כל מה שהוא יכול למצוא על המחלוקת בין האסכולה הביומטרית לאסכולה המנדלית בגנטיקה של ראשית המאה הקודמת (גגלו mendelian biometrician controversy). סמכו עלי. גוגל ימצא לכם יותר מידע בנושא משתרצו לעכל. אני חנון של ביולוגיה אבולוציונית ומתמטיקה ואפילו לי אין כוח לזה.

2 תגובות

2 תגובות לפוסט “מה חוקרת הביולוגיה האבולוציונית? מבוא למגוון ביולוגי”

  1. חאלדבתאריך 01 אוק 2016 בשעה 13:44

    קצת התבלבלתי לגבי ההגדרה של ביולוגיה אבולוציונית:
    האם זה רק חקר הגוון בעולם החי ?
    או גם כוללת על מקור החיים?
    מה ההגדרה המדויקת.

    תודה

  2. אתולוגיקהבתאריך 01 אוק 2016 בשעה 15:34

    בדרך כלל, אני לא עורך הפרדה בין ביולוגיה אבולוציונית לחקר מוצא החיים. במובן מסוים, חוקרי מוצא החיים גם חוקרים מגוון ביולוגי. גם המנגנונים האבולוציוניים הקלאסיים (היווצרות מוטציות, סחף גנטי וברירה טבעית) ככל הנראה שיחקו תפקיד משמעותי במוצא החיים. עוד על המנגנונים האלו אם אי פעם אכתוב את הפרקים שלהם.

    בכל מקרה, בסדרה הזאת אתמקד באבולוציה של החיים אחרי שהם כבר נוצרו. אם אי פעם אכתוב את פרק 6, שם כנראה אעסוק מעט בחקר מוצא החיים.

כתובת טרקבק | RSS תגובות

כתיבת תגובה

נא לקרוא את מדיניות התגובות לפני כתיבת תגובה.