Naturligt urval Selektionstryck på Björkmätare 1 Laborationen bygger på den evolution som skett på nattfjärilen björkmätare (Biston betularia) i England. Fjärilen sitter på trädstammar och finns i två varianter: En fläckig (homozygot recessiv, mm) och en mörk variant (Med antingen genotypen MM eller Mm). De träd de lever på är naturligt mörka men deras stammar är täckta av lavar vilket ger stammarna ett ljust fläckigt utseende. Lavar är mycket känsliga för luftföroreningar eftersom de tar all näring från luften (de har inga rötter och tar således ingenting från trädens stammar). Detta innebär att man hittar vanligtvis väldigt få lavar på träd som växer i förorenade områden. I mitten av 1800- talet uppmärksammade man att de ljusfläckiga fjärilarna var mycket mer vanliga än de mörka. Detta beror på att de ljusa har ett mycket bättre kamouflage mot de fläckiga trädstammarna, fåglar som äter fjärilar ser oftast de mörka och äter dem. Således kommer de ljusa att vara vanligare i populationen. Vid 1890 hade den industriella revolutionen pågått under ett bra tag vilket inneburit att luften försämrats avsevärt. Detta fick till följd att lavarna på trädstammarna dog och sot och andra föroreningar gjorde trädens bark mörkare. Man noterade att de mörka formerna av fjärilar ökade i antal och kom att utgöra majoriteten av populationerna. Detta beror på deras mörka färg innebar ökad fitness då de hade ett bättre kamouflage jämfört med de ljusa. De överlevde i större utsträckning fåglarnas predation. När man studerade, vid samma tidpunkt, träd långt ifrån fabriker och städer såg man att den ljusfläckiga var vanligast i populationerna. Man studerade överlevnadsfrekvensen i de olika områdena och såg att fåglar med lätthet upptäcker mörka former som sitter på lavtäckt bark och lusfläckiga varianter som sitter på mörka, sotiga trädstammar. Utsläppskontroller har i dagens England inneburit att luftkvaliteten har förbättrats vilket i sin tur inneburit att den ljusa formen återigen är vanligast. I denna uppgift ska du använda dina kunskaper om evolutionära processer för att köra och tolka en simulering som speglar ovanstående scenario. Till uppgiften hör ett antal frågor som du ska besvara. Ladda ned Excelfilen 1. Tryck på hyperlänken björkmätare. 2. Välj spara och spara filen på skrivbordet. 3. Öppna filen med programmet Excel. Inmatningsfönster I den första kolumnen (B2-B4) anger man hur många fjärilar av de tre olika genotyperna som ska släppas ut i miljön. I den andra kolumnen (G2-G4) anger man halten föroreningar i procent, fåglarnas skicklighet att fånga fjärilar i procent samt miljöns bärkraft (avgör hur många fjärilar som maximalt kan finnas i populationen). Under dessa finns två grafer, den första visar frekvensen av allelerna M och m i populationen över tiden (antal generationer). Den andra grafen visar frekvensen av de tre genotyperna (MM, Mm, mm) i populationen över tiden (antal generationer). 1 Laborationen kommer ursprungligen från Ross Konings sida http://plantphys.info/principles/schedule.html (2005-10-18) 1
Under graferna finns en stor tabell som måste fyllas i av dig (trycker du på hyperlänken björkmätare_sim, kan du ladda ned en version där jag redan fyllt i tabellen. Dock tycker jag att du ska göra det själv, och använda första filen, då du kommer lära dig en hel del om excel och evolution). Analys av initialpopulationen innan selektion 1. Klicka på ruta B26. Denna cell ger populationens storlek före selektion. Skriv in följande formel: =SUMMA(B2:B4) och tryck på enter. Den här formeln adderar startvärdena från sidans topp och lägger det i ruta B26 2. Klicka på ruta C26. Den här rutan ger antalet MM individer före selektion. Skriv in formeln: =B2 och tryck på enter. Den här formeln för över startvärdena för den mörka fjärilsformeln till C26. 3. Klicka på ruta D26. Den här rutan ger antalet Mm individer före selektion. Skriv in formeln: =B3 och tryck på enter. Den här formeln för över startvärdena för den mörka fjärilsformeln till D26. 4. Klicka på ruta E26. Den här rutan ger antalet mm individer före selektion. Skriv in formeln: =B4 och tryck på enter. Den här formeln för över startvärdena för den ljusfläckiga fjärilsformeln till E26. 5. Klicka på ruta F26. Den här rutan beräknar frekvensen av M alleler (p) före selektion. Skriv in formeln: =(2*C26+D26)/(B26*2) och tryck på enter. Det är två M alleler i MM genotypen och en M allel i Mm genotypen. Du dividerar med två gånger populationsstorleken på grund av att varje individ har två alleler (den är diploid). 6. Klicka på ruta G26. Den här rutan beräknar frekvensen av m alleler (q) före selektion. Skriv in formeln: =(D26+2*E26)/(B26*2) och tryck på enter. Det är två m alleler i mm genotypen och en m allel i Mm genotypen. Du dividerar med två gånger populationsstorleken på grund av att varje individ har två alleler (den är diploid). 7. Titta på dina resultat för att se till att de stämmer med värdena på sidans topp. Notera att summan av p och q skall bli 1.00. Om det inte är så, kontrollera dina formler. Selektionstryck på initialpopulationen 1. Klicka på ruta H26. Den här rutan ger antalet MM individer efter selektion. Skriv in formeln: =AVKORTA(C26-C26*((100-$G$2)/100)*$G$3/100) och tyck på enter. Den här formeln tar initialantalet av MM individer och subtraherar dessa med dom som blir dödade av fåglar. Detta bestäms av procenten lavtäckt bark ((100-$G$2)/100) och fåglarnas procentuella skicklighet ($G$3/100) att upptäcka dom som sitter på barken. 2. Klicka på ruta I26. Den här rutan ger antalet Mm individer efter selektion. Skriv in formeln: =AVKORTA(D26-D26*((100-$G$2)/100)*$G$3/100) och tyck på enter. Den här formeln gör samma sak som den ovan men utövar selektion på D26, Mm individerna. 3. Klicka på ruta J26. Den här rutan ger antalet mm individer efter selektion. Skriv in formeln: =AVKORTA(E26-E26*($G$2)/100*($G$3)/100) och tyck på enter. Den här formeln tar initialantalet av mm individer och subtraherar dessa med dom som blir dödade av fåglar. Detta bestäms av procenten mörkfärgad bark (($G$2)/100) och fåglarnas procentuella skicklighet ($G$3/100) att upptäcka dom som sitter på barken. 2
4. Klicka på ruta K26. Denna ruta ger populationsstorleken efter selektion. Skriv in formeln: =SUMMA(H26:J26) och tryck på enter. Denna formel adderar de fjärilar som finns kvar efter selektionen. 5. Klicka på ruta L26. Denna ruta beräknar frekvensen av M allelen (p) efter selektion. Skriv in formeln: =(2*H26+I26)/(2*K26) och tryck enter. Det är två M alleler i MM genotypen och en M allel i Mm genotypen. Du dividerar med två gånger populationsstorleken på grund av att varje individ har två alleler (den är diploid). 6. Klicka på ruta M26. Denna ruta beräknar frekvensen av m allelen (q) efter selektion. Skriv in formeln: =(I26+2*J26)/(2*K26) och tryck enter. Det är två m alleler i mm genotypen och en m allel i Mm genotypen. Du dividerar med två gånger populationsstorleken på grund av att varje individ har två alleler (den är diploid). 7. Jämför dina siffror efter selektion med siffrorna före selektion för att se om beräkningarna verkar rimliga. Selektionen skall inte öka antalet av någon fjärils genotyp. Notera att summan av p och q skall bli 1.00. Om det inte är så, kontrollera dina formler. Beräkning av genotypfrekvens efter selektion 1. Klicka på ruta N26. Denna ruta ger frekvensen av MM individer efter selektion. Skriv in formeln: =H26/K26 och tryck enter. Denna formel dividerar antalet MM fjärilar som är kvar efter selektion med det totala antalet överlevande fjärilar. 2. Klicka på ruta O26. Denna ruta ger frekvensen av Mm individer efter selektion. Skriv in formeln: =I26/K26 och tryck enter. Formeln fungerar som ovan fast med Mm individer. 3. Klicka på ruta P26. Denna ruta ger frekvensen av mm individer efter selektion. Skriv in formeln: =I26/K26 och tryck enter. Formeln fungerar som ovan fast med mm individer. Nästa generationen 1. Klicka på ruta B27. Den här rutan bestämmer storleken på nästa generation fjärilar. Skriv in formeln: =$G$4 och tryck enter. Denna sätter populationsstorleken till initialstorleken. 2. Klicka på ruta C27. Den här rutan använder Hardy -Weinbergs lag (1=p 2 +2pq+q 2 ) för att beräkna antalet MM individer i nästa generation.skriv in formeln: =AVRUNDA(L26*L26*B27;0) och tryck enter. 3. Klicka på ruta E27 (Japp, E27). Den här rutan använder Hardy -Weinbergs lag (1=p 2 +2pq+q 2 ) för att beräkna antalet mm individer i nästa generation.skriv in formeln: =AVRUNDA(M26*M26*B27;0) och tryck enter. 4. Klicka på ruta D27. Denna ruta beräknar antalet Mm individer i nästa generation. Skriv in formeln: =B27-C27-E27 och tryck enter. Denna formel subtraherar MM och mm individer från den totala populationen. 5. Markera från ruta F26 till P26. Tryck ctrl c för att kopiera rutorna. Klicka på ruta F27 och tryck ctrl v för att klistra in. Detta borde färdigställa resultatet för generation nummer 2. Utöka beräkningarna till 40 generationer 1. Markera från ruta B27 till ruta P27. Tryck ctrl c för att kopiera innehållet. 2. Markera från ruta B28 till ruta B65. Tryck ctrl v för att klistra in. 3. Spara filen! 3
Simulering 1, Miljö med hög grad av förorening Innan du startar simuleringen bör du fundera lite kring en av teorierna som simuleringen baseras på. Hardy Weinbergs ekvation, p² + 2pq + q² = 1 som alltså används för att förutsäga fördelning av genotyper i en population gäller endast om populationen och den allel man studerar är i sk Hardy-Weinbergjämvikt. Jämvikten uppstår ej då populationen: 1. 2. 3. 4. 5. Starta med 25 heterozygota fjärilar, föroreningsnivån till 100 (mycket förorenad miljö) och fåglarnas skicklighet till 100 samt populationsstorleken till 100. Studera graferna och besvara sedan frågorna. 1. I vilken frekvens fanns M allelerna (p) i början av simuleringen? 2. I vilken frekvens fanns m allelerna (q) i början av simuleringen? 3. Vilken allel ökar i frekvens i den starkt förorenade miljön? 4. Vilken allel utrotas? 5. Vilken fenotyp har alla björkmätare initialt? 6. Dyker det upp några andra fenotyper? Om ja, i vilken generation fann du dem? 7. Hur kan man förklara att den recessiva allelen inte utrotas under 40 generationer? 4
Simulering 2, Miljö med något lägre grad av förorening Sätt föroreningsnivån till 60, starta med 25 heterozygoter och sätt fåglarnas skicklighet till 100. Populationsstorleken skall vara 100. 8. Hur har en mindre förorenad miljö påverkat resultatet (jämfört med simulering 1) 5
Simulering 3, Miljö med ännu lägre grad av förorening Sätt föroreningsnivån till 50 och som i tidigare simuleringar, starta med 25 heterozygoter och sätt fågelskickligheten till 100, populationsstorleken skall vara 100. Studera graferna och besvara frågorna 9. Vad händer med frekvensen av M allelen (p)? 10. Vad händer med frekvensen av m allelen (q)? 11.Vilken effekt har föroreningsgraden som naturlig selektion på fjärilarna? 12. Om du fångade 100 fjärilar i slutet av detta experiment, hur många skulle vara mörka? 13. Är någon av de mörka fjärilarna homozygoter? Om ja, hur stor procent av de mörka fjärilarna är homozygoter? 6
Simulering 4, Miljö med liten grad av förorening Sätt föroreningsnivån till 45 och som i tidigare simuleringar, starta med 25 heterozygoter och sätt fågelskickligheten till 100, populationsstorleken skall vara 100. Studera graferna och besvara frågorna. 14. Under de 10 första generationerna, vad händer med frekvensen av M allelen (p)? 15. Under de 10 första generationerna, vad händer med frekvensen av m allelen (q)? 16. Vad händer med M allelen vid ungefär 21 generationer? 17. Fundera över dina svar på frågorna 16 och 4, varför får man olika resultat på dessa simuleringar? 18. Initialt är alla fjärilar, (kryssa för rätt alternativ) a) Mörka, eller b) Ljusfläckiga i slutet av simuleringen är alla (kryssa för rätt alternativ) a) Mörka b) Ljusfläckiga 19. Den genotypen försvinner i generation: 20. I generation dör den sista mörka fjärilen och dess genotyp är 21. Om du skulle fånga 100 fjärilar i generation 15, hur många skulle vara homozygoter? Skulle någon av dessa homozygoter vara mörka? 22. Om du skulle fånga 100 fjärilar i slutet av experimentet, hur många skulle vara mörkar? 23. Om det producerades fyra generationer fjärilar varje år, hur många år skulle det ta innan populationen var genetiskt uniform ( d v s inga förändringar av genotypen sker längre)? 7
Simulering 5, En förvirrad fågel! I denna simulering skall du sätta fåglarnas skicklighet till 65. Detta innebär att fåglarna misslyckas med att se 35% av de fjärilar som inte är kamouflerade! Starta med 25 heterozygoter, föroreningsnivån till 45 och populationsstorleken till 100. Studera graferna och besvara frågorna. 24. Förändrar denna faktor (fåglarna missar 35%) vilken allel som gynnas respektive utrotas? Ja Nej (kryssa för rätt alternativ) 25. Vad förändrar denna faktor? 26. Förklara vad som kan påverka fåglarna i deras jakt efter fjärilar. 8
Simulering 6, Genotypens fitness Utgå från 100% fågelskicklighet, studera sedan resultatet vid generation fem med föroreningsnivåer enligt tabellen nedan. Starta med 25 heterozygoter. Öppna Excel och skapa en tabell som ser ut som den nedan. I raderna A, B, D, E, G, H kommer att innehålla data från dina simuleringar, de andra kommer du att fylla med formler. I rad J skall du använda formeln =MAX() med en rad av rutor separerade av kommatecken. A B Antal MM före selektion Antal MM efter selektion 90% 50% 30% förorenat förorenat förorenat C D E F G H I J K L M Överlevnadsgrad MM = B/A Antal Mm före selektion Antal Mm efter selektion Överlevnadsgrad Mm = E/D Antal mm före selektion Antal mm efter selektion Överlevnadsgrad mm = H/G Störst av C, F och I MM:s fitness = C/J Mm:s fitness = F/J mm:s fitness = I/J N Genotypen med störst fitness MM..Mm..mm MM..Mm..mm MM..Mm..mm 9