L'evoluzione è il processo che catalizza i cambiamenti genetici all'interno di una popolazione di organismi. Ad esempio, una specie di alghe potrebbe modificare le proprie proteine che assorbono la luce dal verde al rosso per consentire loro di prosperare con maggiore successo in acque più profonde. Ma il cambiamento visibile nelle caratteristiche delle alghe è un riflesso di un cambiamento nella frequenza complessiva di geni specifici nella popolazione. In termini tecnici, questa è nota come frequenza allelica. Quindi il cambiamento evolutivo non può avvenire senza cambiamenti nella frequenza allelica mentre un cambiamento nella frequenza allelica è un'indicazione che l'evoluzione sta avvenendo.
Fenotipo e genotipo
Il fenotipo si riferisce all'insieme dei tratti fisici e comportamentali osservabili di un organismo. Molti di questi tratti sono espressioni dirette del DNA di un organismo, chiamato genotipo. Sebbene alcuni elementi del fenotipo siano guidati dall'interazione dei genotipi di un organismo con l'ambiente, in un modo o nell'altro il fenotipo è legato al genotipo.
Il genotipo di un organismo specifico consiste in un insieme di istruzioni genetiche per la costruzione delle proteine. Queste istruzioni sono di solito una sorta di miscuglio. Ad esempio, un'alga verde può avere del DNA che dirige anche la sintesi delle proteine rosse. Ma altri geni potrebbero spegnere il gene della proteina rossa, o forse c'è solo molta più proteina verde che viene prodotta rispetto alla proteina rossa. Quindi un particolare organismo potrebbe avere un genotipo verde forte e un genotipo rosso debole.
Genetica di popolazione
Sebbene l'evoluzione sia guidata dall'interazione dell'ambiente con un singolo organismo, un singolo organismo non può evolversi. Sono solo le specie che possono evolversi. Quindi i genetisti guardano alla distribuzione complessiva del fenotipo e del genotipo all'interno di una popolazione. Sono possibili molti mix diversi.
Ad esempio, una popolazione di alghe verdi potrebbe essere verde perché ha solo i geni per produrre proteine verdi. Ma potrebbero anche essere verdi perché hanno i geni per le proteine verdi e le proteine rosse, ma hanno un altro gene che indica che le proteine rosse dovrebbero essere scomposte subito dopo essere state prodotte. Quindi il gene che produce la proteina del colore può essere "verde" o "rosso". Le due scelte sono chiamate alleli e a la misura del corredo genetico della specie è data dalla frequenza allelica tra tutti gli organismi della specie.
Equilibrio
Immagina uno stagno profondo un paio di piedi con alghe che crescono dappertutto. Le alghe vicino alla superficie hanno molta luce gialla che la loro proteina verde assorbe bene. Ma le alghe che si spostano più in basso non hanno molta luce gialla: l'acqua assorbe il giallo e lascia passare più luce bluastra, quindi le alghe più profonde hanno bisogno di proteine rosse per funzionare bene a profondità maggiori. Se dovessi campionare le alghe in superficie, quelle più sane sarebbero verdi, mentre le alghe più sane sotto la superficie sarebbero rosse. Ma le alghe si riproducono tutte tra loro, quindi la percentuale di geni della proteina verde e della proteina rossa sarebbe abbastanza stabile di generazione in generazione. La stabilità della frequenza allelica è descritta dal principio di Hardy-Weinberg.
Modificare
Ora immagina che ci sia un anno di forti tempeste. Le alghe nello stagno traboccano dagli argini e si diffondono negli stagni vicini. Uno degli stagni vicini è molto poco profondo e l'altro è molto più profondo. Nello stagno poco profondo, il gene della proteina rossa non è utile, quindi le alghe verdi più pure hanno successo. Ciò tenderà a far uscire il gene della proteina rossa dal pool genico, cioè ridurrà la frequenza allelica del gene della proteina rossa. L'opposto può accadere nello stagno profondo. In acque profonde, la proteina verde non è di alcun aiuto. La differenza di profondità delle alghe verdi e rosse può portare alla diminuzione dei geni delle proteine verdi nella popolazione di alghe che non si avvicinano mai alla superficie per riprodursi. La frequenza dell'allele cambia in risposta alla pressione ambientale: l'evoluzione è all'opera.