O katastrofach ekologicznych, genotypach i partenogenezie czyli Seksmisja w komputerze

1. O katastrofach ekologicznych, genotypach i partenogenezieczyliSeksmisja w komputerze

2. Ale o co chodzi? Chciałbym opowiedzieć o komputerowym modelowaniu dynamiki populacji niejednorodnej genetycznie i wnioskach jakie z tego płyną

3. Plan wystąpienia • Model Penny • Konstrukcja • Parametry • Algorytm • Statystyki populacji • Przykłady zastosowania

4. Model Penny Teoria akumulacji Starzenie jest wynikiem nagromadzenia szkodliwych mutacji zachodzących w trakcie życia. Mutacje są dziedziczne, ale proces reprodukcji nie jest doskonały. Dzieci różnią się trochę od rodziców.

5. Model Penny • Informacja genetyczna jest pełną charakterystyką osobnika • Genotyp jest zapisywany w chwili urodzenia i nie zmienia się w trakcie życia osobnika • Osobnik w wieku x zna tylko pierwsze x pozycji genotypu • Długość genotypu jest górnym limitem długości życia

6. Model Penny Przykładowy genotyp 01 02 03 04 05 06 07 08 09 10 11 12 13 14 15 16 0 1 0 0 0 1 0 0 0 0 1 0 1 0 0 0

7. Nbit – długość genomu N0 – początkowa liczebność populacji Nmax – maksymalna liczebność populacji m – prawdopodobieństwo wystąpienia dodatkowych mutacji podczas narodzin M – ilość mutacji podczas narodzin T – odporność na choroby Rmin – wiek dojrzałości Rmax – wiek, w którym osobnik traci zdolność prokreacji b – prawdopodobieństwo reprodukcji B – liczba potomstwa wydawanego w okresie rozrodczym Tmax – czas symulacji Model Penny Parametry modelu

8. Model Penny • Zaczynamy symulację z N0 osobnikami o określonym genomie • W każdym kroku czasowym dla każdego osobnika • Inkrementujemy wiek osobnika x = x+1 • Jeśli x>Nbit usuwamy osobnika z populacji • Sprawdzamy liczbę odsłoniętych genów szkodliwych jeśli bad = T usuwamy osobnika z populacji • Bez względu na stan zdrowia usuwamy osobnika z prawdopodobieństwem 1-V(n,t) = n(t)/Nmax

9. Model Penny • Jeśli wiek osobnika na to pozwala (Rmin < x < Rmax) wydaje on z prawdopodobieństwem b, B potomków dziedziczących po nim „garnitur” genów z wyjątkiem M mutacji dodawanych z prawdopodobieństwem m w losowych miejscach genotypu

10. Model Penny • Liczebność populacji • Prawdopodobieństwo przeżycia • Struktura wiekowa • Śmiertelność

11. Ciśnienie ewolucyjne Ciśnienie ewolucyjne wypycha szkodliwe mutacje genów powyżej wieku dojrzałości płciowej Rmin. Zasada Czerwonej Królowej Do każdego następnego wyścigu stają tylko zwycięzcy.

12. Katastrofa dojrzałości Łososie z basenu Pacyfiku rozmnażają się tylko raz w życiu po czym szybko giną. Zachodzi pytanie o związek przyczynowo – skutkowy. Ustawmy Rmin=Rmax. Ciśnienie ewolucyjne wypycha wszystkie szkodliwe mutacje powyżej okresu rozrodczego.

13. Prawo Gompertza Starzenie to wzrost umieralności z wiekiem. Odstępstwa od prawa Gompertza: • Większa śmiertelność noworodków • Pik w okolicy wieku wydawania dokumentów uprawniających do prowadzenia pojazdów mechanicznych • Śmiertelność 90-latków jest nie większa niż 80-latków

16. Wiek ochronny Wprowadzamy dodatkowe (poza czynnikiem Verhulsta) odławianie osobników z populacji bez względu na wiek i zdrowie. • Jeśli populacja ma odpowiednio dużo czasu i możliwość dopasowania dokona przesunięcia wieku reprodukcji. • Jeśli odławianie nastąpi zbyt szybko populacja wyginie. • Populacja może się ustabilizować jeśli wprowadzić wiek lub rozmiar ochronny.

17. A może by tak płeć? • Dwa ciągi genów na osobnika. • Jeśli w obu ciągach 1 na pewno choroba. • Jeśli 1 tylko w jednym ciągu – choroba jeśli jest to pozycja dominująca. • Wybór pozycji dominujących odbywa się na początku symulacji i jest taki sam dla wszystkich osobników.

18. A może by tak płeć? • Crossing • Mixing • Mutacje • Płeć jest losowana Hipoteza Haldane Większość mutacji pojawia się w linii męskiej (1:10 u ludzi, 1:6 u naczelnych, 1:2 u gryzoni).

19. Dlaczego kobiety żyją dłużej? Z wyjątkiem chromosomów płciowych X i Y wszystkie chromosomy występują podwójnie. W modelu tylko część pozycji jest dominująca i u kobiet 1 w genomie mogą być maskowane ich brakiem w drugim chromosomie X. U mężczyzn wszystkie 1 są dominujące!

20. Trzecia droga… Partenogeneza mejotyczna Osobniki posiadają dwie pary genów w każdej komórce, co daje możliwość podziału i mieszania materiału genetycznego w chwili poczęcia potomstwa. Brak samców jest, które zabierają miejsce, wyjadają pokarm i na dodatek nie rodzą dzieci!

21. …jednak nie najlepsza Obecność samców pozwala uzyskać większą różnorodność genetyczną populacji. Zapobiega to wyginięciu populacji w obliczu katastrof ekologicznych. Materiał genetyczny samców jest kopią zapasową na wypadek zbyt nagłych zmian środowiska.

23. Wiek ochronny

24. Wierność czy rozwiązłość? W pewnych sytuacjach Natura może poświęcić większą rozrodczość na rzecz ochrony potomstwa już narodzonego. Może to wymagać od samców wierności podczas wychowywania dzieci.

25. Samoorganizacja menopauzy • Niemowlę do A-tego roku życia ginie, jeśli odejdzie jego matka • Ryzyko reprodukcji: a*bad/T • Samice dziedziczą po matce Rmax lub Rmax+/- 1 Długość menopauzy się samoorganizuje co gwarantuje lepszą przeżycie potomstwa i zapewnia mniejszą śmiertelność

27. Literatura • K. Malarz, Automaty komórkowe, wykład WFiTJ AGH • J.S. Sa Martins, S. Moss de Oliveira, Why Sex? – Monte Carlo Simulations of Survival after Catastrophes, Int. J. Mod. Phys.C9 • A.O. Sousa, S. Moss de Oliveira, High Reproduction Rate versus Sexual Fidelity, Eur. Phys. J.B10 • A.O. Sousa, S. Moss de Oliveira, The Penna Model for Biological Ageing on a Lattice: Spatial Consequences of Child-Care, Eur. Phys. J.B9 • S. Moss de Oliveira et al.. Evolution and Ageing, Physica A285 • D. Stauffer, Wozu sind Manner gut? Computersimulationen sexueller Reproduktion in Alterungsmodellen, Blickpunkt DER MANN • T.J.P. Penna, D. Stauffer, Bit-string Model and German Population, Z. Phys. B101