Biodiversität wird durch Genomkombinatorik eingeschränkt?

Ja, wir können sagen, dass die Anzahl der Arten begrenzt ist, wie Sie vermuten. Eine schnelle Einschätzung zeigt jedoch, dass die Einschränkung keinen offensichtlichen Nutzen hat:

Eine vernünftige Schätzung des größten bekannten Genoms beträgt 150 GB (150.000.000.000 oder 1,5e11 Nukleobasen). Die Grenze wäre 4 potenziert. Diese Grenze ist so hoch, dass sie für die meisten Taschenrechner zu groß ist, um sie zu berechnen. Zum Beispiel. Wolframalpha.com kann 4 auf 1e11 erhöht nicht berechnen, sein Maximum liegt bei etwa 4 auf 1e9 erhöht. Das Ergebnis von 4 hoch 1,0e9 ist etwa 1,0e602059991 oder 10 hoch 602059991.

Dieses grobe Ergebnis, 1,0e602059991, ist so enorm, dass es exponentiell größer ist als die Anzahl der Atome im Universum (die weniger als 1,0e100 beträgt) . Unter der Annahme, dass die Definition von Arten erfordert, dass ein Organismus mindestens ein Atom für seinen Körper verwendet, hat es daher keine Konsequenz zu sagen, dass die Anzahl der Arten kleiner als diese Zahl sein muss.

Die Anzahl möglicher Kombinationen von Nukleotiden ist so unverschämt groß, dass sie die Anzahl einzigartiger individueller Organismen oder Arten nicht einschränkt.

Das ist eine interessante Vermutung über die Gesamtmenge an genetischer Variation, die möglich ist. Ich würde ein paar Sachen modifizieren. Erstens, da die Größe der Genome zwischen den Organismen stark variiert (von 0,5 Mb bis 15 Mb nur für Prokaryoten), sollte es ein fünftes Zeichen in Ihrem Satz geben, das das Fehlen eines Nukleotids darstellt.

Es stellt sich auch die Frage, ob verschiedene Kombinationen gleichwertig sind. Beispielsweise sind Bakteriengenome oft kreisförmig, wenn wir also ein Genom in ein anderes umwandeln könnten, indem wir es einfach rotieren, würden wir diese Genome als identisch betrachten. Wenn zum Beispiel die Genome jeweils 99 As und 1 T hätten, wäre es nicht sinnvoll zu sagen, dass sie sich nur aufgrund der Position des T unterscheiden. Ich denke, dies würde die Verwendung des Multinomialkoeffizienten erfordern, um die Anzahl der identischen zu zählen Varianten.

In Bezug auf Ihre Hauptthese hat Ihre Verwendung des Begriffs "Art" keinen Bezug zu dem, wie dieser Begriff unter Biologen verwendet wird. Biologische Arten beinhalten genetische Variationen, also würde jede von ihnen viele Ihrer Arten beinhalten. Ein Kriterium zur Identifizierung von Arten ist auch die Häufung dieser Sequenzen (und das Fehlen anderer Zwischensequenzen). Dies impliziert sowohl, dass viele mögliche DNA-Sequenzen einfach keinen lebensfähigen Organismus hervorbringen können, als auch die Konkurrenz zwischen ähnlichen Genotypen ein wichtiger Aspekt der Artenidentität ist.

Ich werde eine Art nach dem biologischen Artenkonzept definieren, dem wahrscheinlich am weitesten verbreiteten Artenkonzept, bei dem eine Art eine Gruppe von Individuen ist, die sich fortpflanzen oder das Potenzial dazu haben. Anhand eines vereinfachten Beispiels werde ich Ihnen zeigen, dass Gen-Umwelt-Interaktionen, die den Phänotyp beeinflussen, dazu führen können, dass getrennte Arten auftreten, obwohl sie genetisch identisch sind.

Stellen Sie sich einen sehr kurzen DNA-Abschnitt vor, der Samenflüssigkeitsproteine ​​​​in einer Fruchtfliege beeinflusst. Es ist nur 10 Basen lang. Die ersten drei Basentripletts kodieren für ein aus drei Aminosäuren aufgebautes Protein, das das Verhalten der Frau beim Empfang des männlichen Ejakulats beeinflusst. Die letzte Base reguliert die Expression des ersten Codons und ist empfindlich gegenüber Entwicklungsumgebungsfaktoren (sagen wir Nährstoffreichtum). Wenn die Entwicklung der männlichen Fliege in einem nährstoffreichen Hintergrund stattfindet, produziert der DNA-Abschnitt alle drei Codons in gleicher Menge, um ein Protein zu konstruieren, und dieses Protein stimuliert das Weibchen, Eier zur Befruchtung freizusetzen. Wenn wir ein genetisch identisches Männchen nehmen, das in einer nährstoffarmen Umgebung aufgezogen wird, erhöht die regulatorische Base die Produktion der Aminosäure des ersten Codons.

Daher würde ich sagen, nein, die theoretische maximale Artenzahl ist nicht durch die Länge der DNA begrenzt. Angesichts der Tatsache, dass allein die potenzielle Anzahl von Basen (aktuell höchste aufgezeichnete Schätzungen sind 150.000.000.000) die Anzahl der Arten auf der Welt bei weitem übersteigt, können wir sagen, dass die Anzahl der Basenkombinationen nicht der begrenzende Faktor für die Biodiversität ist, die wir sehen. Das liegt an der Evolution (selektive und neutrale Prozesse). Phänotypen bestimmen die Fortpflanzungsfähigkeit zweier Individuen, Phänotypen sind das Ergebnis von mehr als nur der Genetik:

$phenotype = genotype + environment + genotype*environment$

Darüber hinaus ist, wie @mgkrebbs bereits festgestellt hat , die Anzahl der möglichen Arten (gegeben durch$4^x$Wenn$x$beträgt 150.000.000.000) ist nicht nur weit mehr als die Anzahl der existierenden Arten, sondern auch weit mehr als die Anzahl der Atome im Universum. Unter der Annahme, dass jede Art mindestens ein Atom benötigt, wird die Anzahl der verfügbaren Atome eine zunehmende Anzahl von Arten stoppen, bevor die Anzahl möglicher Basenkombinationen dies tut.

Nun... das ist genauso wahr, wie Bücher durch Buchstaben eingeengt werden. Wir könnten mehr Buchstaben haben und mehr Kombinationen mit der gleichen DNA-Länge erstellen. Aber wie bei Büchern gibt es einfach so viele Kombinationen.