การถ่ายเทยีน

ขนาดประชากรที่เล็กลงจะเพิ่มการเบนออกทางพันธุกรรมเนื่องจากการเปลี่ยนความถี่ยีนอย่างไม่เจาะจง ในขณะที่การอพยพจะลดการเบนออกและการผสมพันธุ์ในสายพันธุ์การโอนยีนสามารถวัดได้โดยใช้ ขนาดกลุ่มประชากรประสิทธิผล (effective population size, ตัวย่อ N_e)^[A] และอัตราการอพยพต่อชั่วยุค (m)ถ้าประมาณตามรูปแบบประชากรของเกาะ ผลของการอพยพสามารถคำนวณสำหรับกลุ่มประชากรเป็นระดับความแตกต่างทางพันธุกรรม (${\displaystyle Fst}$ )^[6]สูตรนี้ได้เผื่อสัดส่วนความแตกต่างของ ตัวบ่งชี้ทางพันธุกรรม (genetic marker)^[B]ในกลุ่มประชากรต่าง ๆ ทั้งหมดโดยหารด้วยจำนวนโลคัส^[7]เมื่อมีการอพยพหนึ่งหน่วยต่อรุ่น ${\displaystyle Fst}$ ก็จะเท่ากับ 0.2แต่ถ้ามีน้อยกว่า 1 (คือไม่มีการอพยพเลย) สัมประสิทธิ์การผสมพันธุ์ในสายพันธุ์ก็จะเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วจนเกิดการคงสภาพ (fixation) และการเบนออกทางพันธุกรรมอย่างสิ้นเชิง ซึ่งก็คือคือ ${\displaystyle Fst}$ = 1ค่า ${\displaystyle Fst}$ ที่สามัญที่สุด < 0.25ซึ่งแสดงว่ามีการอพยพบ้างค่าจะอยู่ในระหว่าง 0-1ผลอันตรายที่เกิดจากการผสมพันธุ์ในสายพันธุ์จะสามารถลดลงเนื่องจากการโอนยีนผ่านการอพยพ^[1]

${\displaystyle Fst=1/(4N_{e}m+1)}$

สูตรนี้สามารถเปลี่ยนเพื่อหาอัตราการอพยพถ้ารู้ค่า ${\displaystyle Fst}$ คือ

${\displaystyle Nm=1(1/Fst-1)/4}$ โดย Nm = จำนวนหน่วยที่อพยพ^[1]

เมื่อการโอนยีนมีอุปสรรคทางกายภาพ ก็จะมีผลเป็นการแยกออกจากกันทางภูมิภาคที่ไม่ให้กลุ่มประชากรต่าง ๆ แลกเปลี่ยนยีนกันหรือ การเกิดสปีชีส์ต่างบริเวณ (allopatric speciation) อุปสรรคปกติจะเป็นเรื่องทางธรรมชาติ แต่ก็ไม่เสมอไปอุปสรรคอาจรวมเทือกเขา ทะเล หรือทะเลทรายใหญ่ที่ผ่านไม่ได้บางครั้งอาจเป็นสิ่งที่มนุษย์ทำขึ้น เช่น กำแพงเมืองจีน ซึ่งสามารถขวางการโอนยีนของพืช^[8]

งานศึกษาพบว่าพืช 5 สปีชีส์ที่มีอยู่ทั้งสองด้านของกำแพงเมืองจีน มีความแตกต่างทางพันธุกรรมสูงกว่าพืชกลุ่มควบคุมที่แยกจากกันเพียงด้วยทางบนยอดเขาโดยพืช Ulmus pumila มีความแตกต่างของยีนน้อยกว่าพืช Vitex negundo, Ziziphus jujuba, Heteropappus hispidus, และ Prunus armeniaca เพราะว่า Ulmus pumila ถ่ายละอองเรณูผ่านลมเป็นหลัก และพืชอื่น ๆ ทั้งหมดถ่ายผ่านแมลง^[8] อย่างไรก็ดี พืชที่อยู่ทั้งสองด้านของกำแพงก็ปรากฏว่ามีความแตกต่างทางพันธุกรรม เพราะมีการโอนยีนระหว่างสองด้านน้อยมากหรือไม่มีเลย

แต่อุปสรรคการโอนยีนไม่จำเป็นต้องเป็นเรื่องทางกายภาพการเกิดสปีชีส์ร่วมบริเวณ (sympatric speciation) เป็นการเกิดสปีชีส์ใหม่ ๆ จากบรรพบุรุษเดียวกันโดยอยู่ร่วมบริเวณกันซึ่งบ่อยครั้งเป็นผลของอุปสรรคการสืบพันธุ์ยกตัวอย่างเช่น ต้นหมากสองชนิดในสกุล Howea ในเกาะ Lord Howe Island ของออสเตรเลีย ได้ออกดอกในช่วงระยะเวลาที่ต่างกันโดยสัมพันธ์กับความชอบใจดินที่ต่างกัน ซึ่งเป็นอุปสรรคการสืบพันธุ์ไม่ให้โอนยีน^[9]

อนึ่ง สปีชีส์เดียวกันอาจอยู่ในสิ่งแวดล้อมเดียวกัน แต่ปรากฏว่ามีการโอนยีนที่จำกัดเพราะอุปสรรคการสืบพันธุ์ เพราะการถ่ายละอองเรณูแบบเฉพาะ เพราะการผสมพันธุ์ที่จำกัด หรือเพราะการได้ลูกพันธุ์ผสมที่ไม่เหมาะสมนอกจากนั้น ยังมีสปีชีส์ซ่อนตัว ซึ่งเป็นสปีชีส์ต่าง ๆ ที่อยู่ในบริเวณเดียวกันแต่เหมือนกันจนมนุษย์ไม่สามารถแยกแยะนอกจากใช้การวิเคราะห์ทางพันธุกรรม

การถ่ายทอดยีนในแนวราบ (Horizontal gene transfer, HGT) หมายถึงการโอนยีนระหว่างสิ่งมีชีวิตโดยวิธีนอกเหนือไปจากการสืบพันธุ์ธรรมดาผ่านกระบวนการต่าง ๆ รวมทั้ง^[10][11]

• การแปลงพันธุ์ (transformation) ที่เซลล์จะดูดจีโนม/สารพันธุกรรมได้โดยตรงจากสิ่งแวดล้อม
• การผสมพันธุ์แบบแลกเปลี่ยน (conjugation) ที่แบคทีเรียสองเซลล์ที่อยู่ติดกันสามารถแลกเปลี่ยนพลาสมิด^[C] อันเป็นสารพันธุกรรมที่ไม่ใช่ดีเอ็นเออันเป็นส่วนของโครโมโซม
• การถ่ายโอนยีน (transduction) ที่ไวรัสทำลายแบคทีเรีย (bacteriophage virus) ฉีดดีเอ็นเอเข้าไปในแบคทีเรีย
• GTA-mediated transduction ที่แบคทีเรียโอนยีนผ่านสิ่งที่คล้าย bacteriophage virus อันแบคทีเรียผลิตเอง

อนึ่ง ไวรัสก็สามารถโอนยีนระหว่างสปีชีส์^[12]และแบคทีเรียก็สามารถเอายีนมาจากแบคทีเรียที่ตายแล้ว แลกเปลี่ยนยีนกับแบคทีเรียที่ยังเป็น และแลกเปลี่ยนพลาสมิด^[C] ข้ามสปีชีส^[13]

การเปรียบเทียบลำดับ (ดีเอ็นเอ) แสดงว่า มีการโอนยีนแนวนอนเป็นจำนวนมากระหว่างนานาสปีชีส์เมื่อเร็ว ๆ นี้รวมทั้งแบบข้าม "เขต" วิวัฒนาการชาติพันธุ์ดังนั้น การกำหนดประวัติวิวัฒนาการชาติพันธุ์ของสปีชีส์หนึ่ง ไม่สามารถทำอย่างมั่นใจได้โดยกำหนดต้นไม้วิวัฒนาการของยีน ๆ เดียว^[14]

ดังนั้น จึงมีนักชีววิทยาที่เสนอว่า "การใช้อุปมาเหมือนต้นไม้ ไม่เข้ากับข้อมูลที่ได้จากงานวิจัยจีโนมล่าสุด"จึงควรใช้อุปมาของกระเบื้องโมเสค เพื่อกล่าวถึงประวัติสายพันธุ์ต่าง ๆ อันรวมอยู่ในจีโนมของสิ่งมีชีวิต และใช้อุปมาของตาข่ายที่เกี่ยวพันกัน เพื่อให้เห็นภาพการแลกเปลี่ยนอันอุดมและผลที่ทำงานร่วมกันของการโอนยีนในแนวนอน^[15]

ถ้าใช้ยีน ๆ เดียวเป็นตัวบ่งชี้ทางวิวัฒนาการชาติพันธุ์ มันยากที่จะสาวรอยวิวัฒนาการชาติพันธุ์ของสิ่งมีชีวิตเมื่อมี HGT(คือ) การรวมแบบจำลองวิวัฒนาการแบบแยกสายโดย coalescence กับเหตุการณ์ HGT ที่เกิดนาน ๆ ครั้งแสดงว่าไม่มีบรรพบุรุษร่วมกันสุดท้ายที่มียีนทั้งหมดอันเป็นบรรพบุรุษของยีนที่สิ่งมีชีวิตทั้งสามเขตมีร่วมกัน(เพราะ) โมเลกุลที่พบในปัจจุบันแต่ละโมเลกุลมีประวัติของมันเอง และสาวรอยกลับไปยังโมเลกุลหนึ่งที่เป็นบรรพบุรุษร่วมที่ใกล้กันที่สุดของสิ่งมีชีวิตบนโลกถึงกระนั้น โมเลกุลบรรพบุรุษเหล่านี้ก็น่าจะปรากฏในสิ่งมีชีวิตต่าง ๆ ในเวลาที่ต่าง ๆ กัน^[16]

สปีชีส์ที่วิวัฒนาการจากธรรมชาติ ที่มีอยู่เฉพาะถิ่น อาจเสี่ยงต่อการสูญพันธุ์^[17]ผ่านการปนเปื้อนยีนจากสิ่งมีชีวิตที่มนุษย์ได้เปลี่ยน/สร้างขึ้น ซึ่งอาจเป็นเหตุให้เกิดกระบวนการที่ควบคุมไม่ได้รวมทั้งการสร้างลูกผสม (hybridization), introgression^[D], และ genetic swamping กระบวนการเหล่านี้อาจลดความหลากหลายทางพันธุกรรมหรือทดแทนลักษณะทางพันธุกรรมที่มีอยู่ในพื้นที่ตามธรรมชาติ เนื่องจากพืชหรือสัตว์ที่เปลี่ยน/สร้างขึ้น ได้เปรียบโดยจำนวนหรือโดยความเหมาะสม^[18]

สปีชีส์นอกพื้นที่อาจทำให้พืชและสัตว์ในพื้นที่เสี่ยงต่อการสูญพันธุ์โดยการผสมพันธุ์และ introgression^[D] ไม่ว่ามนุษย์จะนำสิ่งมีชีวิตเข้ามาอย่างตั้งใจหรือทำการซึ่งเปลี่ยนแปลงถิ่นที่อยู่ของสิ่งมีชีวิต แล้วทำให้สปีชีส์ที่ก่อนนี้อยู่แยกจากกันมาอยู่รวมกันปรากฏการณ์นี้จะมีผลร้ายต่อสปีชีส์ที่มีจำนวนน้อยซึ่งเผชิญกับสปีชีส์ที่มีจำนวนมากกว่า และมักจะเกิดในระหว่างประชากรเกาะและประชากรแผ่นดินใหญ่การผสมพันธุ์ระหว่างสปีชีส์จะเป็นเหตุให้เกิดภาวะพันธุ์ท่วม (swamping) ของยีนในสปีชีส์ที่มีน้อย โดยสร้างลูกผสมที่ทดแทนสปีชีส์/ยีนเดิมที่มีและขอบเขตของปรากฏการณ์นี้ไม่ได้จำกัดอยู่ที่รูปร่างสัณฐานที่ปรากฏภายนอกเท่านั้นแม้การโอนยีนจะเกิดขึ้นในระดับหนึ่งตามธรรมชาติ แต่การผสมพันธุ์โดยมีหรือไม่มี introgression ก็อาจคุกคามการอยู่รอดของสปีชีส์ที่มีน้อย^[19][20]ยกตัวอย่างเช่น เป็ดแมลลาร์ดชุกชุมมากและสามารถผสมพันธุ์กับเป็ดอื่น ๆ ได้อย่างหลากหลาย จึงเป็นตัวคุกคามการอยู่รอดของเป็ดบางชนิด^[21][22]

• กลุ่มประชากรที่แบ่งซอย - ภูมิภาพที่แบ่งซอยเช่น หมู่เกาะกาลาปาโกส เป็นสถานที่ชั้นยอดเพื่อให้เกิดการแผ่ขยายของการปรับตัว (adaptive radiation) ของกลุ่มประชากร ซึ่งเกิดเพราะอยู่ในภูมิภาคที่ต่าง ๆ กัน นกจาบปีกอ่อนของดาร์วินน่าจะเป็นสปีชีส์ที่เกิดต่างบริเวณโดยบางส่วน แต่นี่ก็ยังไม่สามารถอธิบายว่าทำไมจึงมีนกหลายชนิดมากในเกาะเดียวกัน เพราะเหตุอีกอย่างก็คือการแผ่ขยายของการปรับตัว หรือวิวัฒนาการเกิดลักษณะสืบสายพันธุ์ที่ต่าง ๆ กันเพราะการแข่งขันเพื่อทรัพยากร คือการโอนยีนจะเป็นไปในทิศทางเดียวกันกับทรัพยากรที่มีมากในช่วงนั้น ๆ^[23]
• กลุ่มประชากรบนเกาะ - อิกัวนาทะเลเป็นสัตว์เฉพาะพื้นที่ของหมู่เกาะกาลาปาโกส แต่ก็วิวัฒนาการมาจากบรรพบุรุษบนแผ่นดินใหญ่ซึ่งเป็นอิกัวนาบก เพราะเหตุภูมิภาคที่แยกต่างหาก การโอนยีนระหว่างกลุ่มทั้งสองจึงจำกัด และสิ่งแวดล้อมที่ต่างกันจึงเป็นเหตุให้อิกัวนาทะเลวิวัฒนาการขึ้น เพื่อปรับตัวให้เข้ากับสิ่งแวดล้อมบนเกาะ ยกตัวอย่างการปรับตัวเช่น เป็นอิกัวนาชนิดเดียวที่ว่ายน้ำได้

• กลุ่มต่าง ๆ ของมนุษย์ - มีทฤษฎีสองอย่างสำหรับการวิวัฒนาการเกิดขึ้นของมนุษย์ทั่วโลก ทฤษฎีแรกเรียกว่าแบบจำลองหลายเขต (multiregional model) ที่ความต่าง ๆ ของมนุษย์ปัจจุบันเป็นผลของการแผ่ขยายของการปรับตัวของมนุษย์พันธ์ Homo erectus ที่อพยพออกจากแอฟริกา แล้วหลังจากนั้นมนุษย์จึงเกิดความต่างในพื้นที่ต่าง ๆ ดังที่เห็นในปัจจุบัน^[24][25] การโอนยีนมีบทบาทสำคัญเพราะรักษาความคล้ายคลึงกันของมนุษย์ในระดับที่พอไม่ให้เกิดสปีชีส์ใหม่ เทียบกับทฤษฎีกำเนิดมนุษย์เดียว (single origin) ที่อ้างว่า มีกลุ่มประชากรมนุษย์ในแอฟริกาผู้มีลักษณะทางกายที่เราเห็นในมนุษย์ปัจจุบันอยู่แล้ว ที่เป็นบรรพบุรุษของ Homo sapiens ซึ่งเป็นทฤษฎีที่ไม่ต้องอิงกระบวนการวิวัฒนาการที่เป็นไปอย่างขนานของมนุษย์ในที่ต่าง ๆ^[25]
• ผีเสื้อ - การเปรียบเทียบกลุ่มประชากรที่อยู่บริเวณเดียวกันและต่างกันของผีเสื้อ Heliconius melpomene, H. cydno, และ H. timareta แสดงความคล้ายคลึงกันทางพันธุกรรมทั่วจีโนมของผีเสื้อที่อยู่บริเวณเดียวกัน ซึ่งแสดงการโอนยีนภายในกลุ่มอย่างแพร่หลาย^[26]
• พืช - ต้น Mimulus lewisii (Lewis' monkeyflower) และ Mimulus cardinalis (scarlet monkeyflower) มีพาหะถ่ายเรณูพิเศษจนกระทั่งมีผลต่อยีนหลัก ๆ ทำให้ต้นไม้เกิดวิวัฒนาการมีดอกไม้ที่ต่างกัน และสืบพันธุ์แยกจากกัน^[27] คือพาหะถ่ายเรณูที่เฉพาะเจาะจงได้จำกัดการโอนยีนระหว่างประชากรสองกลุ่มนี้ จึงเกิดเป็นสปีชีส์ใหม่
• การโอนยีนที่มนุษย์อำนวย - การบริหารจัดการสปีชีส์ที่ใกล้สูญพันธุ์ เป็นวิธีหนึ่งที่มนุษย์พยายามทำให้เกิดการโอนยีนนอกเหนือธรรมชาติ ตัวอย่างหนึ่งก็คือหมีแพนด้ายักษ์ ซึ่งเป็นส่วนของโปรแกรมผสมพันธุ์นานาชาติ ที่มีการถ่ายโอนยีนของแพนด้าระหว่างองค์กรสัตว์นานาชาติ เพื่อเพิ่มความหลายหลายทางพันธุกรรมของแพนด้าที่มีจำนวนน้อย เนื่องจากแพนด้ามีความสำเร็จในการสืบพันธุ์ต่ำ^[E] จึงมีการพัฒนาการผสมเทียมด้วยตัวอสุจิสด ๆ หรือที่แช่แข็งแล้วละลาย ซึ่งได้เพิ่มอัตราการรอดชีวิตของลูกแพนด้า อนึ่ง งานศึกษาปี 2014 ได้พบความหลากหลายทางพันธุกรรมระดับสูง และการผสมพันธุ์ในสายพันธุ์ระดับต่ำในศูนย์เพาะพันธุ์ต่าง ๆ^[29]

วิกิมีเดียคอมมอนส์มีสื่อที่เกี่ยวข้องกับ การถ่ายเทยีน

• Co-Extra research on gene flow mitigation
• Transcontainer research on biocontainment เก็บถาวร 2011-09-26 ที่ เวย์แบ็กแมชชีน
• SIGMEA research on the biosafety of GMOs เก็บถาวร 2011-10-07 ที่ เวย์แบ็กแมชชีน