Ukuran Populasi Efektif
Parameter dasar dari populasi biologis adalah jumlah populasi sensus, N, diartikan sebagai jumlah keseluruhan individu dari sebuah populasi. Namun jika dilihat dari perspektif populasi genetis dan evolusi, jumlah tersebut hanya meliputi individu-individu yang berperan aktif dalam reproduksi. Dikarenakan tidak semua individu berperan dalam reproduksi, maka jumlah populasi dalam proses evolusi berbeda dibandingkan jumlah sensus. Bagian ini disebut dengan ukuran populasi efektif, ditandai dengan Ne. Wright (1931) mengenalkan konsep ukuran populasi efektif yang kemudian dengan kukuh menyatakan bahwa ukuran tersebut adalah ukuran ideal dari populasi yang memiliki dampak pada populasi nyata persis dengan teknik random sampling dalam frekuensi allele.
Coba pertimbangkan, misalnya sebuah populasi dengan jumlah sensus N, dan anggap saja frekuensi allele A1 pada generasi t adalah p. Jika jumlah individu yang berperan dalam reproduksi adalah N, maka selisih frekuensi allele A1 pada generasi yang akan datang, pt+1, dapat diperoleh dari rumus 2.13 dengan cara mengatur t = 1.
Rumus 2.14
Singkatnya, dikarenakan tidak semua individu berperan dalam proses reproduksi, maka selisih yang didapatkan lebih besar dari yang didapatkan dari rumus 2.14. Ukuran populasi efektif adalah nilai yang digantikan untuk N dengan tujuan memenuhi rumus 2.14, antara lain,
Rumus 2.15
Secara umum, nilai Ne lebih kecil, terkadang jauh lebih kecil bila dibandingkan nilai N. Sebagai contoh, ukuran populasi efektif dari nyamuk Anopheles gambiae diperkirakan kurang lebih 2.000 –sekitar enam kali lipat lebih kecil dibandingkan jumlah populasi sensus.(Lehmann et al. 1998)
Perbedaan ini dapat disebabkan oleh beberapa faktor. Sebagai contoh, sebuah populasi dengan keturunan yang tumpang tindih (khususnya bila selisih dari jumlah keturunan antar individu dalam angka besar), pada waktu tertentu sebagian dari populasi akan diisi oleh individu-individu baik yang berada di masa pre-reproduksi ataupun pasca-reproduksi. Karena stratifikasi usia inilah, ukuran
▸ Baca selengkapnya: dalam sebuah kota terdapat populasi 100 orang 64
(2)populasi efektif jauh lebih kecil dari ukuran sensus. Seperti menurut Nei dan Imaizumi (1966), dalam manusia, Nehanya sedikit lebih besar dari N/3.
Penurunan dalam perbandingan ukuran populasi efektif terhadap sensus dapat juga terjadi pada fenomena perbedaan jumlah pria dan wanita yang terlibat dalam reproduksi. Hal ini khususnya terjadi dalam spesies poligami seperti mamalia sosial, burung territorial, atau dalam spesies yang memiliki kasta non-reproduktif (seperti lebah sosial, semut, rayap dan tikus mol telanjang). Jika dalam populasi terdiri dari Nm pria dan Nf wanita (N=Nm + Nf) Ne disepakati sebagai berikut:
(Rumus 2.16)
Perhatikan bahwa Ne akan selalu lebih kecil dari N, kecuali apabila wanita yang terlibat dalam reproduksi mempunyai jumlah yang sama dengan pria. Semisal dalam contoh yang ekstrem, anggap saja terdapat sebuah populasi N yang mana jumlah dari wanita dan pria nya adalah sama, semua wanita dan hanya satu pria yang terlibat dalam proses reproduksi. Dari rumus 2.16 kita mendapatkan Ne = 2N / (1 + N/2). Jika N jauh lebih besar dari 1, seperti N/2 + 1 = N/2, maka Ne menjadi 4, tanpa menghiraukan ukuran sensus populasi.
Ukuran populasi efektif juga dapat disederhanakan lagi karena variasi jangka panjang dalam ukuran populasi, yang bergiliran disebabkan oleh faktor-faktor alami seperti bencana, siklus reproduksi, kepunahan lokal dan rekolonisasi. Ukuran populasi efektif jangka panjang dalam suatu spesies untuk sebuah periode dari generasi n dapat dirumuskan sebagai:
(Rumus 2.17)
Dimana Ni adalah jumlah populasi dari populasi ke-i. Dengan kata lain, Ne equivalen dengan nilai dari Ni, sebagai akibatnya, nilai tersebut lebih mendekati nilai terkecil dari Ni dibandingkan dengan nilai terbesar. Sama halnya jika sebuah populasi mengalami penyempitan atau kemacetan, ukuran populais efektif jangka panjangnya akan sangat berkurang walaupun setelah populasi tersebut berhasil melalui penyempitan. Banyak yang mengira ukuran populasi efektif jangka panjang (yaitu 2 juta tahun) dari manusia sudah diumumkan. Sebagian besar dari mereka berfokus pada nilai Ne yaitu sekitar 10.000 (Li dan Saddler 1991; Takahata
1993; Hammer 1995; Takahata et al. 1995; Harding et al. 1997; Sherry et al. 1997; Clark et al. 1998).
Substitusi Gen
Substitusi gen diartikan sebagai proses dimana mutan allele secara total menggantikan allele utama atau allele tipe liar dalam sebuah populasi. Dalam proses ini, sebuah mutan allele muncul dalam populasi sebagai tiruan tunggal dan menjadi satu-satunya setelah melawati beberapa generasi. Bagaimanapun juga, tidak semua mutan mencapai tahap fiksasi. Bahkan mayoritas dari mereka menghilang setelah beberapa generasi. Maka dari itu kita perlu mengangkat isu probabilitas fiksasi dan membahas faktor-faktor yang mempengaruhi kemungkinan dari mutan baru allele untuk mencapai fiksasi dalam sebuah populasi.
Waktu untuk sebuah mutan baru allele mencapai fiksasi disebut dengan waktu fiksasi. Berikutnya kita akan mengidentifikasi faktor-faktor yang mempengaruhi waktu dari sebuah mutan baru allele menggantikan allele yang lama dalam sebuah populasi.
Mutan baru terus menerus muncul dalam populasi. Oleh karena itu, substitusi gen berhasil terjadi, dengan sebuah allele menggantikan yang lain dan membiarkan dirinya seiring waktu digantikan oleh allele yang baru. Demikian kita dapat membahas laju subtitusi gen, yaitu jumlah fiksasi allele baru per unit waktu.
Probabilitas Fiksasi
Kemungkinan atau probabilitas dari sebuah allele tertentu untuk menjadi satu-satunya dalam sebuah populasi tergantung pada (1) frekuensi, (2) keuntungan dan kerugian selektif, s, dan (3) ukuran populasi efektif, Ne. Selanjutnya kita harus mempertimbangkan kasus pemilihan gen dan menganggap jika kecocokan relatif dari tiga genotipe A1A1, A1A2, A2A2 adalah berturut-turut 1,1 + s, dan 1 + 2s.
Kimura (1962) menunjukkan bahwa probabilitas fiksasi dari A2 adalah (Rumus 2.18)
dimana q adalah frekuensi awal dari allele A2. Karena e-r ≈1 – x untuk nilai kecil dari x, Rumus 2.18 berubah menjadi sederhana; P ≈ q seiring dengan s mencapai 0. Maka dari itu, untuk allele netral, memiliki probabilitas fiksasi yang dengan frekuensinya dalam populasi. Sebagai contoh, sebuah allele netral dengan frekuensi 40 % akan menjadi satu-satunya (fixed) di 40% dari kasus, dan akan hilang dalam 60% dari kasus. Secara tidak sengaja, hal ini sangat dapat dimengerti karena dalam kasus allele netral, fiksasi terjadi karena dorongan genetis acak, yang tidak menyerupai allele manapun.
Kita ingat bahwa sebuah mutan baru yang muncul sebagai satu buah (tunggal) dalam populasi diploid dengan ukuran N, memiliki frekuensi awal 1 / (2N). Maka probabilitas fiksasi dari allele mutan individual, P, dapat diperoleh dengan cara mengganti q dengan 1 / (2N) dalam Rumus 2.18. Ketika s ≠ 0,
Rumus 2.19
Untuk mutasi netral, yaitu s = 0, rumus 2.19 menjadi Rumus 2.20
Jika ukuran populasi bernilai sama dengan ukuran populasi efektif, rumus 2.20 berkurang menjadi
Rumus 2.21
Jika nilai absolute s normal, kita peroleh Rumus 2.22
Untuk nilai positif dari s dan nilai besar dari N, rumus 2.22 berkurang menjadi Rumus 2.23
Maka dari itu, jika sebuah mutasi yang bermanfaat muncul dalam sebuah populasi besar dan manfaat selektif yang kecil terhadap semua allele lain, misalnya mencapai 5%, probabilitas fiksasinya kurang lebih mencapai dua kali lipat dari manfaat selektifnya sendiri. Sebagai contoh, jika sebuah mutasi kodominan dengan s = 0.01 muncul dalam populasi, probabilitas dari fiksasinya adalah 2%.
Sekarang, mari kita bahas contoh angka. Sebuah mutan bar muncul dalam populasi dengan 1000 individu. Berapakah probabilitasnya jika allele tersebut menjadi tunggal (fixed) jika (1) allele tersebut netral, (2) allele tersebut memberi manfaat selektif 0.01, atau (3) allele tersebut memiliki manfaat selektif 0.001?
Untuk lebih mudah, anggap saja bahwa N = Ne. Untuk kasus netral, probabilitas fiksasi yang dihitung dengan menggunakan rumus 2.20 adalah 0,05%. Dari rumus 2.23 dan 2.21, kita peroleh probabilitas masing-masing 2% untuk manfaat selektif dan 0.004% untuk mutasi yang rusak. Hasil-hasil ini layak diperhatikan, karena mereka pada dasarnya berarti bahwa sebuah mutasi yang bermanfaat belum tentu selalu menjadi tunggal dalam sebuah populasi. Sebaliknya, 98% dari seluruh mutasi dengan manfaat selektif 0.01 akan hilang. Penemuan teoritis ini sangat penting, karena menunjukkan bahwa persepsi terhadap evolusi adaptif sebagai proses dimana mutasi bermanfaat muncul dalam populasi dan selalu mengambil alih populasi dalam generasi-generasi berikutnya hanyalah konsep naif belaka. Terlebih lagi, bahkan mutasi yang merusakkan memiliki kemungkinan yang terbatas untuk menjadi tunggal dalam populasi, sekalipun yang terkecil. Bagaimanapun juga, fakta belaka tentang allele perusak yang bisa menjadi tunggal dalam populasi dengan mengorbankan allele yang “lebih baik” mengilustrasikan dengan kuat pentingnya kesempatan dalam menentukan takdir mutasi selama evolusi.
Waktu Fiksasi
Waktu yang diperlukan untuk fiksasi atau kehilangan dari allele tergantung pada (1) frekuensi dari allele, (2) manfaat dan kerugian selektif, dan (3) ukuran dari populasi. Sementara fiksasi atau kehilangan menjadi lebih pendek seiring dengan frekuensi allele mencapai 1 atau 0.
Jika berurusan dengan mutasi baru, lebih nyaman untuk memperlakukan fiksasi dan kehilangan secara terpisah. Untuk selanjutnya, kita berurusan dengan rata-rata waktu fiksasi dari mutan-mutan tersebut yang nantinya akan menjadi tunggal (fixed) dalam populasi. Variabel ini disebut sebagai waktu fiksasi kondisional. Dalam kasus mutan baru yang memiliki frekuensi awal dalam populasi diploid adlah dengan pengertian q = 1/(2N), rata-rata waktu fiksasi kondisional, t, dihitung oleh Kimura dan Ohta (1969). Untuk mutasi netral, diperkirakan dengan:
Rumus 2.24
Rumus 2.25
Untuk mengilustrasikan perbedaan dari mutasi-mutasi dengan tipe berbeda, anggap saja bahwa spesies mamalia memiliki ukuran populasi efektif sekitar 106 dan rata-rata waktu generasi 2 tahun. Dengan kondisi-kondisi tersebut,
akan diperlukan mutasi netral, rata-rata, 8 juta tahun untuk menjadi tunggal (fixed) dalam populasi. Sedangkan mutasi dengan manfaat selektif 1% akan menjadi tunggal hanya dalam 5800 juta tahun saja. Yang menarik adalah; waktu fiksasi kondisional untuk allele perusak dengan kerugian selektif –s sama dengan allele yang memiliki manfaat selektif s (Maruyama dan Kimura 1974). Hal ini secara tidak sengaja diamklumi karena tingginya probabilitas dari kehilangan allele perusak. Oleh karena itu, agar allele perusak bisa menjadi tunggal dalam populasi, fiksasi harus terjadi dengan sangat cepat.
Dalam gambar 2.7, kami sajikan dinamika substitusi gen dalam bentuk skema untuk mutasi bermanfaat dan netral. Kami faham bahwa mutasi bermanfaat cepat hilang / musnah dan juga cepat menjadi tunggal dalam populasi. Sebaliknya, perubahan frekuensi mutasi netral lambat, dan waktu fiksasinya jauh lebih lama dibandingkan mutan bermanfaat.
Figure2.7
Gambar skema tentang dinamika substitusi gen (a) mutasi bermanfaat dan (b) mutasi netral. Mutasi bermanfaat sangat cepat musnah dan juga cepat menjadi tunggal, sehingga peran mereka dalam polimorfisme sangatlah kecil. Sebaliknya, frekuensi dari allele netral berubah dengan sangat lambat, sehingga jumlah polimorfisme sementara yang besar dapat dihasilkan. Waktu fiksasi kondisional adalah t¯, dan 1/K adalah rata-rata waktu antar dua fiksasi berurutan. Dimodifikasi dari Nei (1987)
Laju Subtitusi Gen
Saat ini mari kita membahas tentang laju subtitusi gen, diartikan sebagai jumlah mutan yang mencapai fiksasi per unit waktu. Pertama-tama, kita harus memikirkan mutasi netral lebih dahulu. Jika mutasi netral terjadi pada laju u per gen per generasi, maka jumlah mutan yang muncul pada lokus dalam populasi
diploid dengan ukuran N adalah 2Nu per generasi. Karena probabilitas fiksasi dari masing-masing mutan tersebut adalah 1 / (2N), kita peroleh laju substitusi gen dari allele netral dengan mengkalikan jumlah mutasi dengan probabilitas fiksasi mereka:
Rumus 2.26
Maka dari itu, untuk mutasi netral laju substitusi gen sama dengan laju mutasi – sebuah hasil yang sederhana dan penting (Kimura 1968b). Hasil ini dapat dimengerti secara mudah dengan mencamkan bahwa dalam populasi yang besar, jumlah mutasi yang muncul tiap generasi tinggi, namun probabilitas fiksasi tiap mutasi sangat rendah. Sebagai perbandingan, dalam populasi kecil, jumlah mutasi yang muncul tiap generasi sangat rendah, namun probabilitas fiksasi tiap mutasi tinggi. Sebagai akibatnya laju substitusi gen dari mutasi netral independen terhadap ukuran populasi.
Untuk mutasi bermanfaat, laju substitusi gen juga dapat diperoleh dengan mengkalikan laju mutasi dengan probabilitas fiksasi untuk allele bermanfaat seperti pada rumus 2.23. untuk seleksi gen dengan s ˃ 0, kita peroleh
Rumus 2.27
Dengan kata lain, laju substitusi dari seleksi gen tergantung pada ukuran populasi (N), seleksi bermanfaat (s) dan juga laju mutasi (u).
Kebalikan dari K (yaitu 1/K) adalah rata-rata waktu dari dua fiksasi. Gambar 2.7.
Polimorfisme Genetik
Sebuah populasi disebut monomofis pada lokus apabila hanya terdapat satu allele dalam lokus. Sebuah lokus dikatakan polimorfis apabila terdapat dua allele atau lebih dalam populasi. Bagaimanpun juga, jika satu allele memiliki frekuensi tinggi, misalnya 99% atau lebih, maka allele lainnya kemungkinan tidak terobservasi dalam sampel, kecuali sampel tersebut sangat besar. Maka, agar praktis, sebuah lokus umumnya dikatakan polimorfis hanya apabila frekuensi dari allele yang paling umum adalah kurang dari 99%. Definisi ini jelas-jelas muncul begitu saja, dan di dalam buku, siapapun mungkin menemukan level yang berbeda dari 99%.
Perbedaan Gen
Salah satu cara yang paling sederhana dalam menghitung tingkat polimorfisme dalam populasi adalah dengan menghitung proporsi rata-rata dari loki polimorfis (P) dengan membagi jumlah lokus polimorfis dengan jumlah lokus yang diambil sebagai sampel. Sebagai contoh, jika 4 dari 20 lokus adalah polimorfis, maka P = 4/20 = 0.20. Bagaimanapun juga, penghitungan ini tergantung pada jumlah individu yang dipelajari, karena semakin kecil ukuran sample, semakin sulit untuk mengidentifikasi lokus polimorfis begitu saja.
Metode yang lebih tepat dari variabilitas gen adalah rata-rata perkiraan heterozigositas, atau diversitas gen. Metode ini (1) tidak bergantung pada penggambaran polimorfisme tidak tentu, (2) dapat dihitung secara langsung dari frekuensi allele yang diketahui, dan (3) hanya sedikit terpengaruh oleh efek dari penarikan sampel. Diversitas gen atau expected heterozygosity lokus tunggal, seperti dibawah ini:
Rumus 2.28
Dimana xi adalah frekuensi dari allele i dan m adalah jumlah allele pada lokus. Untuk lokus tertentu, h adalah kemungkinan bahwa dua allele yang dipilih secara acak dari populasi berbeda satu sama lain. Rata-rata nilai h dari seluruh lokus yang diteliti, H, dapat digunakan sebagai perkiraan tingkat dari perubahan gen (genetic variability) dalam populasi. Yaitu,
Rumus 2.29
Dimana h, adalah diversitas gen pada lokus i, dan n adalah jumlah lokus.
Seperti yang sudah kita lihat sebelumnya, aliran gen random adalah tenaga anti-polimorfis dalam evolusi. Maka dari itu, diversitas gen diharapkan dapat berkurang dengan adanya aliran gen random. Wright (1942) dan Kimura (1955) menunjukkan bahwa dengan tidak-adanya input mutasi, diversitas gen akan berkurang dengan fraksi 1/2Ne tiap generasi, dimana Ne adalah ukuran populasi efektif.
Keanekaragaman gen menghitung h dan H digunakan secara ekstensif dalam elektroforesis dan pembatasan data enzim. Bagaimanapun juga, sebagian besar dari mereka tidak cocok untuk rangkaian data DNA, karena tingkat dari diversitas gen pada tingkat DNA di alam sangat luas. Secara khusus, bila mempertimbangkan rangkaian panjang, setiap rangkaian dalam sampel cenderung berbeda satu nukleotida atau lebih dari rangkaian lainnya, dan hampir pada semua kasus, h dan H keduanya akan mendekati 1. Maka,
Figure2.8
Dua grup dari empat rangkaian DNA. Pada (a) tiap rangkaian berbeda dengan rangkaian manapun pada satu situs nukelotida (yang berwarna abu-abu). Pada (b) tiap rangkaian berbeda dengan rangkaian manapun pada dua situs nukleotida atau lebih. Meskipun demikian, karena pada kedua kasus tiap rangkaian yang ditunjukkan dalam kelompoknya hanya sekali, nilai dari diversitas / keanekaragaman lokus-tunggal dari keduanya akan sama.
Ukuran keragaman gen tersebut tidak akan membedakan di antara lokus berbeda atau dalam populasi dan tidak lagi menjadi ukuran informatif dari polimorfisme. Perhatikan, misalnya, kedua grup dari rangkaian pada gambar 2.8. Secara intuitif kita mungkin berpikir bahwa rangkaian gambar 2.8b lebih polimorfis dibandingkan dengan rangakaian pada gambar 2.8a. Bagaimanapun juga, nilai h dan H dari kedua rangkaian tersebut sama.
Untuk rangkaian data DNA, metode yang lebih tepat dari polimorfis dalam sebuah populasi adalah rata-rata dari jumlah perbedaan nukleotida per site pada kedua rangkaian yang dipilih secara acak. Metode penghitungan ini disebut sebagai keanekaragaman (diversity) nukleotida dan ditandai dengan Π:
Rumus 2.30
Dimana xi dan xj adalah frekuensi dari rangkaian data DNA ke-i dan ke-j, dan πij adalah proporsi nukleotida yang berbeda antara tipe ke-i dan ke-j. Nilai Π dari rangakaian pada gambar 2.8 adalah 0,031 dan 0,094, yang berarti bahwa ukuran keanekaragaman nukleotida sesuai dengan persepsi intuitif kita jika grup (a) lebih cenderung berubah-ubah dibandingkan grup (b). (Perhatikan bahwa untuk kasus dengan πij = 1, nilai dari Π akan sama dengan nilai h pada rumus 2.28)
Salah satu penelitian keanekaragaman nukleotida pertama adalah pada tingkat rangakaian DNA yang mengandung lokus alkohol dehydrogenase (Adh) pada Drosophila melanogaster. Sebelas rangkaian yang mencakup (Adh) dirangkai oleh Kreitman (1983). Rangkaian yang disusun tersebut panjangnya mencapai 2.379 nukleotida. Terlepas dari pengurangan dan penambahan, terdapat Sembilan allele berbeda, satu diantaranya terwakili dalam sampel dengan tiga rangkaian (8-F, 9-F, 10-F), sedangkan sisanya hanya terwakili masing-masing satu rangkaian, gambar 2.9. Oleh karena itu, frekuensi dari x1-x8 = 1/11, sedangkan frekuensi dari x9 = 3/11.
Empat puluh tiga dari situs nukleotida tersebut adalah polimorfis. Pertama-tama, kami menghitung proporsi nukleotida berbeda dari masing-masing pasang allele. Misalnya, allele 1-S dan 2-S berbeda satu sama lain sebanyak tiga nukleotida dari keseluruhan 2.379, atau π12 = 0,13%. Nilai πij dari semua pasang sampel terdaftar dalam tabel 2.1. Dengan menggunakan rumus 2.30, diversitas nukleotida diperkirakan sebagai Π = 0.007. Enam dari allele yang diuji adalah varian elektroforesis yang bermigrasi lambat (S), dan lima sisanya cepat (F). Hasil dari S dan F dibedakan satu sama lain dengan mengganti satu asam amino yang memberi mobilitas elektroforetis yang berbeda pada protein. Diversitas nukleotida dari masing-masing kelas elektroforesis tersebut dihitung secara terpisah. Kami memperoleh Π = 0.006 untuk kelas S, dan Π = 0.003 untuk kelas F, yang berarti bahwa kelas S dua kali lebih cenderung berubah-ubah dibandingkan dengan kelas F.
Kekuatan Pendorong Evolusi
Penjelasan tentang evolusi dapat secara luas diklasifikasikan menjadi tiga macam berdasarkan kepentingan relatif yang diberikan kepada aliran genetis acak versus bermacam-macam bentuk seleksi dalam menentukan hasil evolusi tertentu. Hipotesis mutationist adalah teori-teori dimana fenomena evolusi…
Figure2.9
Situs nukleotida polimorfis di antara 11 rangkaian dari gen alcohol dehydrogenase dalam Drosophila melanogaster. Ekson ditunjukkan dalam bentuk kotak; bagian yang berubah diberi warna hitam. Hanya perbedaan antara rangkaian yang
consensus saja yang ditunjukkan. Titik-titik diatas menandakan identitas dengan rangkaian konsensus. Tanda bintang pada ekson 4 menandakan situs penggantian lysine-for-threonine yang bertanggung jawab atas perbedaan mobilitas antara allele elektroforesis cepat (F) dan lambat (S). Dimodifikasi dari Hartl dan Clark (1997).
Tabel 2.1
Dari Nei (1987); data dari Kreitman (1983)
Jumlah situs yang dibandingkan adalah 2.379. S dan F mengindikasikan migrasi allele elektroforesis yang lambat dan cepat.
sebagian besar dijelaskan dengan efek dari pemasukan mutasi dan aliran genetic acak. Hipotesis neutralist menjelaskan fenomena evolusi dengan menekankan pada efek mutasi, aliran genetis acak, dan seleksi pemurnian. Penjelasan selectionist menekankan pada efek dari mode seleksi yang bermanfaat dan penyeimbang sebagai kekuatan pendorong utama dalam proses evolusi. Perbedaan diatas memberikan kerangka pemikiran dalam memahami beberapa kontroversi paling penting dalam sejarah evolusi molekul.
Teori Neo-Darwin dan Hipotesis Mutasi Netral
Darwin mengajukan teorinya tentang evolusi oleh seleksi alam tanpa pengetahuan tentang sumber-sumber dari keanekaragaman populasi. Setelah hukum Mendel ditemukan kembali dan variasi genetis terbukti disebabkan oleh mutasi, Darwinisme dan Mendelisme digunakan sebagai kerangka pemikiran dari apa yang kemudian disebut sebagai teori evolusi sintetis, atau neo-darwinisme. Menurut teori ini, walaupun mutasi dikenali sebagai sumber paling canggih dari variasi genetis, seleksi alam (positif) tetap satu-satunya memiliki peran dalam membentuk susunan genetis populasi dan dalam proses substitusi gen.
Seiring berjalannya waktu, neo-Darwinisme menjadi dogma dalam biologi evolusi, dan seleksi dianggap menjadi satu-satunya kekuatan yang mampu mendorong proses evolusi. Faktor-faktor seperti mutasi dan aliran genetis acak dianggap hanya sebagai penyumbang peranan yang paling sedikit. Paham neo-Darwinisme tersebut dikenal sebagai pan-selectionism.
Menurut sudut pandang selectionist terhadap proses evolusi, substitusi gen terjadi sebagai akibat dari seleksi untuk mutasi bermanfaat.
Di sisi lain, polimorfisme dipertahankan oleh seleksi penyeimbang. Oleh karena itu, selectionist menganggap substitusi dan polimorfisme sebagai dua fenomena terpisah yang didorong oleh proses evolusi yang berbeda. Substitusi gen adalh hasil akhir dari proses adaptasi positif dimana sebuah allele baru mengambil alih generasi yang akan datang dari sebuah populasi jika dan hanya fenomena tersebut meningkatkan kelangsungan hidup dari organisme, sedangkan polimorfisme terpelihara saat keberadaan dari dua allele atau lebih pada sebuah lokus bermanfaat bagi organisme atau populasi. Teori neo-Darwin mengatakan bahwa sebagian besar polimorfisme genetis di alam stabil, yang berarti allele yang sama bertahan pada frekuensi tetap untuk jangka waktu yang lama pada proses evolusi.
Pada akhir masa 1960-an, terjadi sebuah revolusi genetika populasi. Ketersediaan dari rangkaian data protein menghapuskan batasan-batasan spesies dalam penelitian genetika populasi dan untuk pertama kali memberikan data empiris yang cukup untuk meneliti teori tentang proses substitusi gen. Pada tahun 1968, Kimura meyakini bahwa sebagian besar dari perubahan molekul dalam evolusi disebabkan oleh fiksasi acak dari mutasi netral dan mutasi hampir netral (Kimura 1968a; lihat juga King dan Jukes 1969). Hipotesis ini kini dikenal sebagai teori netral evolusi molekul, berpendapat bahwa pada tingkat molekul, sebagian besar perubahan evolusi dan banyak variabilitas dalam spesies bukanlah disebabkan oleh seleksi positif dari allele bermanfaat ataupun seleksi penyeimbang, namun disebaban oleh aliran genetis acak dari allele mutan yang netral secara selektif (atau hampir). Netralitas, dalam arti teori, tidak menunjukkan kesetaraan yang tepat pada kelangsungan hidup dari semua allele. Hal ini hanya berarti bahwa takdir dari allele sangat ditentukan oleh aliran genetis acak. Dengan kata lain, seleksi mungkin saja terjadi, namun intensitasnya sangat lemah untuk mengimbangi pengaruh dari efek resiko. Untuk mewujudkan ini, nilai absolut dari manfaat dan kerugian selektif dari sebuah allele |s|, harus lebih kecil dari 1/(2Ne), dimana Ne adlah ukuran populasi efektif.
Menurut teori netral, frekuensi allele sangat ditentukan oleh peraturan stokastik, dan gambaran yang kita peroleh sewaktu-waktu hanyalah keadaan
sementara yang menggambarkan kerangka sementara dari proses dinamis yang sedang berlangsung. Sebagai akibatnya, polimorfis lokus terdiri dari allele yang dalam perjalanan menuju fiksasi dan juga akan punah. Dilihat dari perspektif ini, semua perwujudan molekul yang relevan terhadap proses evolusi harus dianggap sebagai hasil dari proses input mutasi yang berkesinambungan dan kepunahan acak yang terjadi bersamaan atau fiksasi allele. Maka dari itu, teori netral menganggap substitusi dan polimorfis sebagai dua aspek dari fenomena yang sama. Substitusi adalah sebuah proses yang lama dan bertahap dimana frekuensi allele mutan meningkat atau menurun secara acak, hingga allele benar-benar tunggal atau musnah. Pada waktu tertentu, lokus yang sama akan memiliki allele tidak pada frekuensi 0% ataupun 100%. Mereka adalah lokus polimorfis. Menurut teori netral, polimorfis paling genetis dalam populasi (a) tidak stabil dan (b) sementara, berarti bahwa frekuensi allele naik turun seiring waktu dan allele tersebut tergantikan terus-menerus.
Hal yang menarik dari teori netral adalah meskipun dalam bentuk yang paling ketat, ia tidak membutuhkan adaptasi terlebih dahulu. Menurut Kimura (1983), sebuah populasi yang bebas dari seleksi mampu mengakumulasi banyak allele netral polimorfis. Kemudian jika suatu perubahan pada keadaan ekologi terjadi, beberapa allele netral tidak lagi menjadi netral namun merusak, melawan apapun yang mungkin dijalankan seleksi pemurnian. Setelah allele-allele tersebut dihapus, populasi akan lebih beradaptasi dengan keadaan sekitarnya daripada sebelumnya. Oleh karena itu, setidaknya secara teoritis, evolusi adaptif mungkin saja terjadi tanpa adanya seleksi positif.
Inti dari perselisihan antara neutralist dan selectionist berfokus pada distribusi nilai kelangsungan hidup dari allele mutan. Kedua teori tersebut setuju bahwa sebagian besar mutasi baru bersifat perusak, dan juga bahwa mutasi-mutasi ini cepat terhapus dari populasi sehingga mereka sama sekali tidak berkontribusi pada laju substitusi maupun jumlah polimorfisme dalam populasi. Perbedaan tersebut berfokus pada proporsi relative dari mutasi netral di antara mutasi non-perusak. Saat selectionist mengatakan bahwa sangat sedikit mutasi yang secara selektif netral, neutralist berpendapat bahwa mayoritas dari mutasi non-perusak bersifat netral secara efektif.
Kontroversi yang memanas tentang hipotesis mutasi netral selama 1970-an dan 1980-an memiliki imbas yang signifikan pada evolusi molekul. Pertama-tama, kontrofersi tersebut menuntun kepada pengakuan umum bahwa efek aliran genetis acak tidak dapat diabaikan jika mempertimbangkan dinamika evolusi dari perubahan molekul. Kedua, perpaduan antara biologi molekul dan genetika populasi telah sangat diperkuat oleh pengenalan konsep bahwa evolusi molekul dan polimorfisme genetic merupakan dua aspek dari satu fenomena yang sama (Kimura dan Ohta 1971). Walaupun kontrofersi tetap berlanjut, kini telah diakui bahwa teori evolusi yang memadai seharusnya konsisten terhadap kedua aspek proses evolusi pada tingkat molekul tersebut. Nyatanya, tanpa teori netral sebagai hipotesis null, paradigma selectionist muncul nyaris menjadi “sebuah teori yang tidak menjelaskan apapun karna telah menjelaskan semua.” (Lewontin 1974). Menguji hipotesis mutasi netral
Menurut hipotesis mutasi netral, variasi dalam populasi dan perbedaan antara populasi adalah disebabkan oleh mutasi netral atau hampir netral. Dengan kata lain, polimorfisme adalah fase sementara dari evolusi molekul, dan laju evolusi secara positif berhubungan dengan tingkat variasi dalam populasi (Kimura dan Ohta 1971). Sehingga siapapun mungkin menguji hipotesis mutasi netral dengan cara membandingkan tingkat variasi rangkaian DNA dalam populasi dengan variasi antar populasi. Pengujian ini sudah banyak dikembangkan (contohnya, Kreitman dan Aguade 1986; Hudson et al. 1987, Sawyer dan Hartl 1992). Selanjutnya, kami berikan metode sederhana yang dikemukakan oleh McDonald dan Kreitman (1991).
Perhatikan dua sampel dari rangkaian coding protein dari spesies 1 dan 2. Situs nukleotida pada rangkaian tersebut dikatakan sebagai polimorfis jika rangkaian tersebut menunjukkan variasi pada salah satu atau kedua spesies. Sebuah situs dianggap mewakili perbedaan pasti antara dua spesies apabila situs tersebut menunjukkan tidak adanya variasi intraspesifik dalam kedua spesies namun berbeda antar spesies. Semua situs lainnya dalah monomorfis dan tidak digunakan dalam analisis.
Data dari Eanes at al. (1993).
Perbandingan diatas berdasarkan pada 32 rangkaian dari D. melanogaster dan 12 rangkaian dari D. simulans, dengan panjang keseluruhan 1.705 bp.
Perbedaan antara polimorfis dan situs fixed selanjutnya dibagi menjadi dua kategori, sinonim dan non-sinonim. Metode McDonald-Kreitman menggunakan 2x2 tabel kemungkinan untuk menguji independensi dari satu klasifikasi (polimorfis versus fixed) dengan yang lain (sinonim versus non-sinonim). Tes diadakan berdasarkan asumsi berikut: (1) hanya mutasi sinonim yang mungkin adaptif, (2) mutasi sinonimus selalu netral, dan (3) mutasi yang secara selektif bermanfaat akan menjadi tunggal lebih cepat dalam populasi dibandingkan mutasi netral, dan sebab itu jarang ditemukan dalam suatu keadaan polimorfis. Dibawah hipotesis mutasi netral, yang diharapkan adalah rasio dari perbedaan nonsinonimus tetap menjadi perbedaan sinonimus tetap akan sama dengan rasio polimorfisme nonsinonimus menjadi polimorfisme sinonimus. Perbedaan signifikan antara dua rasio akan dapat digunakan untuk menolak hipotesis mutasi netral.
Tabel 2.2 menunjukkan jumlah dari perubahan sinonimus dan nonsinonimus tetap pada gen glukosa-6-fosfat deydrogenase (G6PD) antara Drosophila melanogaster dan D. simulans sebagai contoh penggunaan metode McDonald dan Kreitman untuk mendeteksi selisih dari evolusi netral (Eanes et al. 1993). Rasio dari perbedaan nonsinonimus tetap menjadi sinonimus tetap adalah 21/26 = 0.81, sebaliknya, rasio dari polimorfisme nonsinonimus menjadi polimorfisme sinonimus hanya 2/36 = 0.06. Perbedaan yang sangat signifikan ini menunjukkan kelebihan sepuluh kali lipat dari perubahan sinonimus terhadap yang diharapkan jika gen G6PD sudah berkembang dalam cara netral yang ketat.
Penggunaan metode McDonald-Kreitman dan tes-tes lainnya telah mengungkapkan pola penting dalam evolusi molekul, termasuk (1) seleksi positif langsung pada beberapa lokus nuklir di Drosophila (sebagai contoh, Tsaur et al. 1998) dan ketiadaan pada linnya (contoh, King 1998), (2) seleksi penyeimbang pada beberapa lokus di manusia (contoh, Hughes dan Nei 1989), (3) sedikitnya allele perusak pada DNA mitokondrial hewan (contoh, Nachman 1998), dan (4)
sebuah penggabungan positif antara tingkat diversitas nukleotida dan laju penggabungan ulang (contoh, Begun dan Aquadro 1992).
