पारिस्थितिक आनुवंशिकी

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पारिस्थितिक आनुवंशिकी (Ecological genetics) प्राकृतिक समष्टियों (populations) में आनुवंशिकी का अध्ययन है। यह अनुकूलन के पीछे की प्रक्रियाओं को समझने के लिए पारिस्थितिकी, विकास और आनुवंशिकी को जोड़ती है।[1] यह लगभग आणविक पारिस्थितिकी (molecular ecology) के क्षेत्र के समानार्थी है।

यह शास्त्रीय आनुवंशिकी (classical genetics) के विपरीत है, जो मुख्य रूप से प्रयोगशाला के उपभेदों (strains) के बीच क्रॉस पर काम करती है, और डीएनए अनुक्रम विश्लेषण (sequence analysis) के विपरीत है, जो आणविक स्तर पर जीनों का अध्ययन करती है।

इस क्षेत्र में अनुसंधान पारिस्थितिक महत्व के लक्षणों (traits) पर होता है—वे लक्षण जो किसी जीव की युक्तियों (fitness), या उसके जीवित रहने और प्रजनन करने की क्षमता को प्रभावित करते हैं।[1] ऐसे लक्षणों के उदाहरणों में फूल आने का समय, सूखा सहन करने की क्षमता, बहुरूपता (polymorphism), छद्मावरण (mimicry), और शिकारियों के हमलों से बचाव शामिल हैं।[2]

अनुसंधान में आमतौर पर क्षेत्र (field) और प्रयोगशाला के अध्ययनों का मिश्रण शामिल होता है।[3] प्राकृतिक समष्टियों के नमूनों को उनकी आनुवंशिक भिन्नता का विश्लेषण करने के लिए प्रयोगशाला में वापस लाया जा सकता है। विभिन्न समय और स्थानों पर समष्टियों में होने वाले परिवर्तनों को नोट किया जाएगा, और इन समष्टियों में मृत्यु (mortality) के पैटर्न का अध्ययन किया जाएगा। अनुसंधान अक्सर ऐसे जीवों पर किया जाता है जिनकी पीढ़ी का समय कम होता है, जैसे कि कीट और सूक्ष्मजीवीय समुदाय।[4][5]

इतिहास

यद्यपि प्राकृतिक समष्टियों पर पहले भी काम किया गया था, यह स्वीकार किया जाता है कि इस क्षेत्र की स्थापना 20वीं शताब्दी की शुरुआत में अंग्रेजी जीवविज्ञानी ई. बी. फोर्ड (1901–1988) द्वारा की गई थी।[6] फोर्ड ने 1924 में प्राकृतिक समष्टियों की आनुवंशिकी पर शोध शुरू किया और आनुवंशिक बहुरूपता (genetic polymorphism) की अपनी औपचारिक परिभाषा विकसित करने के लिए व्यापक रूप से काम किया।[7][8] फोर्ड की उत्कृष्ट कृति Ecological Genetics थी, जिसके चार संस्करण आए और जो अत्यधिक प्रभावशाली रही।[6]

अन्य उल्लेखनीय पारिस्थितिक आनुवंशिकविदों में आर. ए. फिशर और थियोडोसियस डोब्झांस्की शामिल हैं। फिशर ने डार्विन और मेंडेल के विचारों को गणितीय रूप से मिलाकर पारिस्थितिकी के जिसे आधुनिक संश्लेषण (modern synthesis) के रूप में जाना जाता है, उसे बनाने में मदद की।[9] डोब्झांस्की ने फल मक्खियों में गुणसूत्र (chromosome) बहुरूपता पर काम किया। उन्होंने और उनके सहयोगियों ने कई वर्षों तक पश्चिमी यूएसए और मैक्सिको में ड्रोसोफिला प्रजातियों की प्राकृतिक समष्टियों पर अध्ययन किया।[10][11][12]

फिलिप शेफर्ड, सिरिल क्लार्क, बर्नार्ड केटलवेल और ए. जे. केन सभी फोर्ड से बहुत अधिक प्रभावित थे; उनके करियर द्वितीय विश्व युद्ध के बाद के युग के हैं। सामूहिक रूप से, लेपिडोप्टेरा (lepidoptera) पर और मानव रक्त समूह (blood groups) पर उनके काम ने इस क्षेत्र को स्थापित किया और प्राकृतिक समष्टियों में चयन पर प्रकाश डाला, जहाँ एक समय इसकी भूमिका पर संदेह किया गया था।[13]

अनुसंधान

वंशागति और प्राकृतिक चयन

पारिस्थितिक आनुवंशिकी प्राकृतिक चयन की अवधारणा से निकटता से जुड़ी हुई है।[14] कई शास्त्रीय पारिस्थितिकी कार्यों ने इस बात की जाँच करते हुए कि वंशागति और पर्यावरण व्यक्तियों को कैसे प्रभावित करते हैं, पारिस्थितिक आनुवंशिकी के पहलुओं को नियोजित किया है।

पारिस्थितिक आनुवंशिकी आगे यह पता लगाती है कि कैसे वंशागत आनुवंशिक भिन्नता विशिष्ट वातावरण में जीवित रहने और प्रजनन करने की जीव की क्षमता को प्रभावित करती है। प्राकृतिक चयन उन लक्षणों का पक्ष लेता है जो युक्तियुक्तता (fitness) को बढ़ाते हैं, जबकि अन्य विकासवादी बल, जिनमें उत्परिवर्तन, जीन प्रवाह और आनुवंशिक बहाव (genetic drift) शामिल हैं, समष्टियों की आनुवंशिक संरचना को आकार देने में महत्वपूर्ण भूमिका निभा सकते हैं। ये अंतःक्रियाएं स्थानीय अनुकूलन और विकासवादी परिवर्तन को चला सकती हैं। पहले की चर्चाओं में यह सवाल उठाया गया था कि क्या केवल यादृच्छिक उत्परिवर्तन (random mutation) आनुवंशिक अनुक्रमों में देखी गई जटिलता के लिए जिम्मेदार हो सकता है।[15] हालांकि यह सैद्धांतिक रुचि का बिंदु बना हुआ है, आधुनिक पारिस्थितिक आनुवंशिकी में आणविक उपकरणों ने शोधकर्ताओं को प्राकृतिक समष्टियों में चयन के तहत आनुवंशिक वेरिएंट की पहचान करने में सक्षम बनाया है।[15]

पेपरयुक्त शलभों में औद्योगिक मेलानिज़्म (Industrial Melanism in Peppered Moths)

[16][17] पेपरयुक्त शलभ (peppered moth) बिस्टन बेटुलारिया (Biston betularia) में औद्योगिक मेलानिज़्म (industrial melanism) प्राकृतिक चयन की प्रक्रिया का एक जाना-माना उदाहरण है।[18][19] बि. बेटुलारिया (B. betularia) का विशिष्ट पंख रंग फेनोटाइप काले और सफेद धब्बे होता है, लेकिन काले रंग की बढ़ी हुई मात्रा वाले वेरिएंट 'मेलानिक' फेनोटाइप भी होते हैं।[18] उन्नीसवीं शताब्दी में, इन मेलानिक वेरिएंट की आवृत्ति तेजी से बढ़ी। कई जीव वैज्ञानिकों ने इस घटना के लिए स्पष्टीकरण प्रस्तावित किए। यह 1910 के दशक की शुरुआत में, और बाद में कई अध्ययनों में फिर से प्रदर्शित किया गया था, कि मेलानिक वेरिएंट बि. बेटुलारिया (B. betularia) जीनोम में एक ही लोकस (locus) पर प्रभावी एलील (alleles) का परिणाम थे।[18] तब प्रस्तावित स्पष्टीकरण, विभिन्न पर्यावरणीय कारकों के इर्द-गिर्द केंद्रित थे जो प्राकृतिक चयन में योगदान कर सकते थे। विशेष रूप से, यह प्रस्ताव किया गया था कि पक्षियों द्वारा शिकार किया जाना मेलानिक शलभ रूपों का चयन कर रहा था, जो औद्योगिकीकृत क्षेत्रों में अधिक छद्मवेशी (cryptic) थे। एच. बी. डी. केटलवेल ने 1950 के दशक की शुरुआत में इस परिकल्पना की व्यापक रूप से जाँच की।

यह अनिश्चितता कि क्या पक्षी वास्तव में शलभों का शिकार करते थे, ने एक प्रारंभिक चुनौती खड़ी कर दी, जिसके कारण केटलवेल को कैदी पक्षियों के साथ प्रयोगों की एक श्रृंखला करने के लिए प्रेरित होना पड़ा।[18][19] इन प्रयोगों ने, हालांकि शुरू में असफल रहे, यह पाया कि जब विभिन्न प्रकार के कीट प्रदान किए जाते हैं, तो पक्षी वास्तव में सबसे अधिक दिखने वाले शलभों का प्राथमिकता से शिकार करते थे: वे शलभ जिनका रंग उनके परिवेश से मेल नहीं खाता था। इसके बाद केटलवेल ने अपने प्राकृतिक आवास में शलभों के चयनात्मक शिकार की जाँच करने के लिए मार्क-रीकैप्चर तकनीकों का उपयोग करके क्षेत्र प्रयोग किए। इन प्रयोगों से पता चला कि औद्योगिकीकृत क्षेत्रों के पास के जंगलों में, पारंपरिक हल्के रंग के रूपों की तुलना में मेलानिक शलभ रूपों को बहुत अधिक दरों पर पुनः प्राप्त (recaptured) किया गया था, जबकि गैर-औद्योगिकीकृत जंगलों में, इसके विपरीत स्थिति थी।[19]

हाल के शोध ने बि. बेटुलारिया (B. betularia) में औद्योगिक मेलानिज़्म के मामले में आनुवंशिकी की भूमिका पर और अधिक जोर दिया है। हालांकि अनुसंधान पहले ही पंख-रंग फेनोटाइप निर्धारित करने में एलील की भूमिका पर जोर दे चुका था, फिर भी यह अज्ञात था कि क्या मेलानिक एलील की एकल उत्पत्ति थी या वे स्वतंत्र रूप से कई बार उत्पन्न हुए थे। समता सर्वेक्षणों के साथ आणविक अंकन और गुणसूत्र मानचित्रण के उपयोग ने 2010 के दशक की शुरुआत में यह प्रदर्शित किया कि मेलानिक बि. बेटुलारिया (B. betularia) वेरिएंट की एक ही पूर्वज उत्पत्ति (ancestral origin) है।[20] इसके अतिरिक्त, मेलानिक वेरिएंट विशिष्ट पंख-रंग फेनोटाइप से उत्परिवर्तन द्वारा उत्पन्न हुए प्रतीत होते हैं। [21] एक अन्य क्लासिक उदाहरण तितलियों में चेतावनी रंग और छद्मवेश (mimicry) है, जिसका अध्ययन फोर्ड और सहयोगियों ने शिकार द्वारा बनाए रखी गई बहुरूपता को समझने के लिए किया था। जीनस ''हेलिकोनियस'' (''Heliconius'') की उष्णकटिबंधीय अमेरिकी तितलियों में, कई प्रजातियां मुएलरियन मिमिक्री रिंग (Müllerian mimicry rings) (जहां जहरीली प्रजातियां आपसी लाभ के लिए एक-दूसरे की नकल करती हैं) के हिस्से के रूप में उज्ज्वल पंख रंग पैटर्न साझा करती हैं। एक ही ''हेलिकोनियस'' प्रजाति के भीतर, समष्टियां स्पष्ट रूप से अलग-अलग रंग के रूप प्रदर्शित कर सकती हैं, प्रत्येक रूप स्थानीय सह-नकल समुदाय से मेल खाता है।[22] उदाहरण के लिए, ''हेलिकोनियस एराटो'' (''Heliconius erato'') और ''हेलिकोनियस मेलपोमेन'' (''Heliconius melpomene'') कई स्थानों पर एक साथ पाए जाते हैं, और प्रत्येक स्थान पर उन्होंने लगभग समान पंख पैटर्न विकसित किए हैं - एक क्षेत्र में लाल बैंड और पीले धब्बे, दूसरे में नारंगी और काला, और इसी तरह - अलग-अलग प्रजातियां होने के बावजूद।[23][24] प्रजातियों के भीतर कई रंग रूपों का रखरखाव (maintenance of multiple color morphs), जिनमें से प्रत्येक अपने विशिष्ट भौगोलिक क्षेत्र में पसंदीदा है, एक पारिस्थितिक आनुवंशिकी घटना है: अलग-अलग रूप जीवित रहने से जुड़े हैं, क्योंकि स्थानीय शिकारी चेतावनी पैटर्न सीख जाते हैं। एक गैर-मिलान पैटर्न वाली तितली को खाने योग्य कीट समझकर हमला किए जाने की अधिक संभावना होती है।[25] पारिस्थितिक आनुवंशिकविदों के शोध से पता चला है कि ये रंग पैटर्न अंतर सरल आनुवंशिक नियंत्रण के अंतर्गत हैं (अक्सर कुछ प्रमुख लोकस, जिन्हें कभी-कभी "सुपरजीन" के रूप में वर्णित किया जाता है), और समष्टियों के बीच जीन प्रवाह (gene flow) क्षेत्रीय पैटर्न का पक्ष लेने वाले मजबूत स्थानीय चयन द्वारा मुकाबला किया जाता है।[26][27] ''हेलिकोनियस'' (<nowiki>''Heliconius'')</nowiki> के मामले में, आधुनिक जीनोमिक अध्ययनों ने विशिष्ट जीनों (जैसे जीन ''ऑप्टिक्स'' (<nowiki>''optix'') के वेरिएंट</nowiki>) की पहचान की है जो कई प्रजातियों में लाल पंख बैंड बनाते हैं - आनुवंशिक स्तर पर अभिसारी विकास (convergent evolution) का एक उदाहरण। फोर्ड के protégé फिलिप शेफर्ड और आनुवंशिकविद् सर सिरिल क्लार्क ने भी 1950-60 के दशक के दौरान अफ्रीकी स्वॉलोटेल तितलियों (''पापिलियो'' (<nowiki>''Papilio'')</nowiki>) में बेट्सियन मिमिक्री (Batesian mimicry) का प्रसिद्ध अध्ययन किया, जिसमें बहुरूपीय मादा रूपों का पता चला: कुछ मादाएं जहरीली तितलियों की नकल करती हैं (शिकार से बचने के लिए), जबकि अन्य नहीं करती हैं। उन्होंने पाया कि कई एलील वाला एक एकल आनुवंशिक लोकस ''पापिलियो पॉलाइट्स'' (<nowiki>''Papilio polytes'')</nowiki> में अलग-अलग मादा रूपों का उत्पादन करता है, और आवृत्ति-निर्भर चयन (frequency-dependent selection) (शिकारियों द्वारा दुर्लभ दिखने वाले रूपों पर हमला करने की अधिक संभावना होना) ने बहुरूपता को बनाए रखने में मदद की।[28] इन तितली अध्ययनों ने प्रदर्शित किया कि कैसे शिकारियों, शिकार और पर्यावरण के बीच जटिल अंतःक्रियाएं प्रकृति में संतुलित बहुरूपता (balanced polymorphisms) को बनाए रख सकती हैं। मिमिक्री पर काम, एक शताब्दी से अधिक समय तक फैला हुआ है और आज भी जारी है, जो पारिस्थितिक आनुवंशिकी के एक मुख्य विषय को रेखांकित करता है: प्राकृतिक चयन आनुवंशिक विविधता को संरक्षित कर सकता है जब विभिन्न वातावरण या पारिस्थितिक अंतःक्रियाएं विभिन्न जीनोटाइप का पक्ष लेती हैं, जिससे पूरे परिदृश्य में अनुकूलन का एक पैचवर्क बनता है।[29]

बहुजीनी चयन (Polygenic Selection)

पारिस्थितिक रूप से महत्वपूर्ण लक्षणों पर अनुसंधान पारंपरिक रूप से एकल एलील पर केंद्रित रहा है।[30] हालांकि, कई मामलों में, फेनोटाइप कई एलील द्वारा नियंत्रित होते हैं। जटिल लक्षण, जैसे कि आकारिकी, व्यवहार, जीवन इतिहास या बीमारी से जुड़े लक्षण अक्सर कई एलील द्वारा नियंत्रित होते हैं और इसलिए बहुजीनी लक्षण (polygenic traits) होते हैं। जीनोम-व्यापी साहचर्य अध्ययन (genome-wide association studies - GWAS) के उपयोग के माध्यम से, शोधकर्ता जीनोम को स्कैन करने और जटिल लक्षणों से जुड़े लोकस की पहचान करने में सक्षम हैं। एक समष्टित में एलील आवृत्ति में परिवर्तन का अवलोकन करने से बहुजीनी अनुकूलन (polygenic adaptation) में अंतर्दृष्टि मिल सकती है।[31]

बहुजीनी लक्षणों के लिए साक्ष्य की एक प्रमुख पंक्ति कृत्रिम चयन से खींची जा सकती है। कृत्रिम चयन से जुड़े कई प्रयोगों से पता चला है कि लक्षण अक्सर तेजी से और लगातार प्रतिक्रिया करते हैं, जो यह सुझाव देता है कि वे छोटे प्रभावों वाले कई जीनों से प्रभावित होते हैं। उदाहरण के लिए, 1957 और 2001 के बीच, आठ सप्ताह के मुर्गियों का वजन 4 गुना बढ़ गया। समय के साथ यह निरंतर सुधार समझ में नहीं आता यदि इस फेनोटाइप के लिए बड़े प्रभाव वाले केवल कुछ एलील जिम्मेदार होते, क्योंकि एलील तेजी से स्थिरीकरण तक पहुंच जाते, जिससे फेनोटाइपिक परिवर्तन पठार (plateau) पर पहुंच जाता।[31]

प्राकृतिक समष्टियों में लक्षणों और अनुकूलन पर शोध करते समय बहुजीनी आधार वाले लक्षणों की व्यापकता कुछ समस्याएं पैदा करती है। जटिल लक्षणों के साथ, जीनों, पर्यावरणीय कारकों और यादृच्छिक आनुवंशिक बहाव (genetic drift) के प्रभावों को अलग करना कठिन हो सकता है।[14]

प्रौद्योगिकी

पारिस्थितिक आनुवंशिकी समष्टियों में अनुकूली व्यवहार के अंतर्निहित आनुवंशिकी का अध्ययन करने के लिए विभिन्न तकनीकों को जोड़ती है।[32]

पशु ट्रैकिंग प्रौद्योगिकियां

पशु उपकरण विभिन्न प्रकार की जैविक जानकारी प्रदान करते हैं, जिसमें प्रवासन पैटर्न, आवास चयन, खर्च की गई ऊर्जा और लौकिक पैटर्न शामिल हैं, जिनका उपयोग समष्टि गतिशीलता (population dynamics) का अध्ययन करने के लिए किया जाता है।[32] इन उपकरणों में शामिल हैं:

  • हृदय-गति मॉनिटर (Heart-rate monitors): तनाव के स्तर का आकलन करता है।
  • एक्सीलरोमीटर (Accelerometers): डाइविंग या चराई जैसी गतिविधियों के लिए किसी वस्तु के त्वरण को मापता है।
  • ध्वनिक रिकॉर्डर (Acoustic recorders): जीवों के बीच संचार को कैप्चर करता है।
  • वीडियो रिकॉर्डर (Video recorders): चराई के व्यवहार, आवास इंटरफेस और सामाजिक अंतःक्रिया का निरीक्षण करता है।
  • तापमान लॉगर (Temperature loggers): ऐसे उपकरण जो शरीर के तापमान के पैटर्न को मापते हैं।
  • स्वचालित छवि-आधारित ट्रैकिंग (Automated image-based tracking): व्यवहार के पैटर्न, सामाजिक अंतःक्रियाओं और शिकारी-शिकार अंतःक्रियाओं को ट्रैक करता है।[32]

डीएनए अनुक्रमण (DNA Sequencing)

एक बार पशु ट्रैकिंग तकनीकों का उपयोग करके डेटा एकत्र हो जाने के बाद, अध्ययन की गई समष्टियों की आनुवंशिक संरचना का विश्लेषण करने के लिए डीएनए अनुक्रमण तकनीकों का उपयोग किया जाता है।[32] डीएनए अनुक्रमण व्यवहार, प्रवासन पैटर्न और जीन प्रवाह के बीच के संबंध में अंतर्दृष्टि प्रदान करता है। जीन प्रवाह (Gene flow) विकासवादी प्रक्रियाओं में भूमिका निभाता है।[33] डीएनए अनुक्रमण होने के लिए, जानवरों से रक्त, ऊतक या लार सहित डीएनए नमूने एकत्र किए जाते हैं।[32] इसके बाद नेक्स्ट-जेनरेशन सीक्वेंसिंग (NGS) तकनीकों का उपयोग करके इस डीएनए का अनुक्रमण किया जाता है, जो समानांतर में डीएनए अंशों की उच्च मात्रा के एक साथ अनुक्रमण की अनुमति देता है।[34]

  • RNA अनुक्रमण (RNA sequencing): यह पारिस्थितिक आनुवंशिकी में आमतौर पर इस्तेमाल की जाने वाली एक NGS तकनीक है। इसका उपयोग किसी दी गई कोशिका या ऊतक में व्यक्त सभी जीनों की पहचान करने के लिए किया जाता है। RNA को पहले रिवर्स ट्रांसक्रिप्टेड करके cDNA में बदला जाता है और एडाप्टर जोड़े जाते हैं। इसके बाद इन खंडों को अगली पीढ़ी की अनुक्रमण तकनीक (next-generation sequencing technology) से गुजारा जाता है। अगली पीढ़ी के अनुक्रमण के दौरान, हजारों DNA खंडों को एक साथ अनुक्रमित किया जाता है, जिससे एक ही बार में हजारों रीड्स उत्पन्न होते हैं। इन रीड्स को या तो एक संदर्भ जीनोम (reference genome) के साथ संरेखित किया जाता है या डी नोवो (de novo) संयोजित किया जाता है। इस जानकारी का उपयोग ऊतकों, जातियों और आबादी के बीच जीन अभिव्यक्ति में अंतर की पहचान करने के लिए किया जाता है।[34]
  • क्रोमैटिन-इम्यूनो-प्रिसिपिटेशन अनुक्रमण (ChIP-seq): पारिस्थितिक आनुवंशिकी में प्रयुक्त एक अन्य NGS तकनीक। ChIP-seq ट्रांसक्रिप्शन फैक्टर बाइंडिंग में अंतर की पहचान करता है। इसका उपयोग यह जांचने के लिए किया जाता है कि ट्रांसक्रिप्शन फैक्टर विभिन्न वातावरणों में और विभिन्न आबादी में जीन अभिव्यक्ति को कैसे प्रभावित करते हैं। ChIP-seq की प्रक्रिया में DNA को ट्रांसक्रिप्शन फैक्टर प्रोटीन के साथ क्रॉसलिंक करना शामिल है, और फिर छोटे DNA टुकड़े उत्पन्न करने के लिए DNA के टुकड़े करना शामिल है। इसके बाद DNA-ट्रांसक्रिप्शन फैक्टर कॉम्प्लेक्स को इम्यूनोप्रिसिपिटेशन के माध्यम से अलग किया जाता है, जिसमें प्रोटीन से एंटीबॉडी का जुड़ना शामिल है। इसके बाद अलग किए गए DNA को अनुक्रमित किया जा सकता है।[34]

SNP जीनोटाइपिंग

सिंगल न्यूक्लियोटाइड पॉलिमॉर्फिज्म (SNP) जीनोटाइपिंग एक ऐसी तकनीक है जिसका उपयोग विशिष्ट लोकी (loci) पर न्यूक्लियोटाइड को देखने के लिए किया जाता है, जिसका उपयोग आबादी में आनुवंशिक भिन्नता के लिए एक मार्कर के रूप में किया जाता है।[35] SNP जीनोटाइपिंग शोधकर्ताओं को विभिन्न आवासों में जीनोटाइप आवृत्तियों में परिवर्तन का निरीक्षण करने की अनुमति देती है।[36]

SNP जीनोटाइपिंग के अनुप्रयोग का एक उदाहरण रॉकी माउंटेन अपोलो तितली (Parnassius smintheus) पर पार्क और अन्य (Park et al.) का पारिस्थितिक आनुवंशिक अध्ययन है। शोधकर्ताओं ने पड़ोसी पैच पर आबादी में कमी के प्रभाव को देखने के लिए कुछ निश्चित पैच पर एक निष्कासन प्रयोग किया। आठ वर्षों के दौरान दो विशिष्ट पैच, P और Q से 4,830 तितलियों को हटाया गया। उन्होंने आनुवंशिक संरचना पर आबादी में कमी के प्रभाव का आकलन करने के लिए वर्षों से पैच P और Q से आबादी के एक नमूने के साथ-साथ पड़ोसी पैच के नमूनों का भी जीनोटाइप तैयार किया। उन्होंने आबादी में आनुवंशिक भिन्नता का अध्ययन करने के लिए 152 SNP लोकी का उपयोग किया। SNP का विश्लेषण करते समय, शोधकर्ताओं ने देखा कि लगातार हटाने के बावजूद आबादी के बीच औसत एलील प्रचुरता (mean allelic richness) या अपेक्षित हेटेरोज़ायगोसिटी (expected heterozygosity) में कोई महत्वपूर्ण बदलाव नहीं आया था। हार्डी-वेनबर्ग संतुलन (Hardy-Weinberg equilibrium) से बाहर के लोकी का प्रतिशत और लिंकेज डिसइक्विब्रियम (linkage disequilibrium) में SNP जोड़ों का प्रतिशत हर साल बढ़ गया, जो यह दर्शाता है कि जनसांख्यिकीय परिवर्तनों ने आबादी को प्रभावित किया होगा।[36]

अन्य पारिस्थितिक आनुवंशिकी अध्ययनों ने आबादी में आनुवंशिक विविधता और पर्यावरणीय दबावों के बीच के संबंध को समझने के लिए SNP जीनोटाइपिंग का उपयोग किया है।[37]

पर्यावरणीय DNA (Environmental DNA)

पर्यावरणीय DNA (eDNA) आनुवंशिक सामग्री है जिसे सीधे किसी जीव से लेने के बजाय पर्यावरण से एकत्र किया जाता है।[38]

पारिस्थितिक आनुवंशिकी में, eDNA आबादी की संरचनाओं में भिन्नता का आकलन करने, प्रजातियों की उपस्थिति का पता लगाने, और प्राकृतिक आवासों में जीन प्रवाह या विविधता की निगरानी करने का एक गैर-आक्रामक तरीका प्रदान करता है।[38] यह eDNA को आधुनिक पारिस्थितिक आनुवंशिकी में एक मूल्यवान उपकरण बनाता है, जो तब विशेष रूप से उपयोगी हो जाता है जब प्रत्यक्ष नमूना लेना अव्यावहारिक या आक्रामक होता है।

ऊतक-आधारित विश्लेषण और eDNA विधियाँ दोनों ही लगातार आबादी के भीतर और उनके बीच समान एलील आवृत्तियों और आनुवंशिक भिन्नता पैटर्न उत्पन्न करती हैं।[38] यह पारंपरिक नमूना लेने की तकनीकों के विकल्प के रूप में eDNA की विश्वसनीयता को पुष्ट करता है।

जैविक संगठन के कई स्तरों पर पारिस्थितिक और विकासात्मक प्रक्रियाओं का आकलन करने की क्षमता, जहाँ व्यक्तियों से लेकर पूरे पारिस्थितिक तंत्र का अध्ययन किया जा सकता है, जैव विविधता और आनुवंशिक गतिशीलता को समझने के लिए एक शक्तिशाली दृष्टिकोण प्रदान करती है।[39] परिणामस्वरूप, eDNA प्रजातियों का पता लगाने में उपयोगी है, लेकिन इसका उपयोग आगे यह पता लगाने के लिए भी किया जा सकता है कि विकासात्मक प्रक्रियाएं प्राकृतिक प्रणालियों को आकार देने में आनुवंशिक पैटर्न को कैसे सक्षम करती हैं।

जनरेटिव AI और पारिस्थितिक आनुवंशिकी

जनरेटिव कृत्रिम बुद्धिमत्ता (AI) उन मॉडलों को संदर्भित करती है जो मौजूदा जानकारी से सीखे गए पैटर्न के आधार पर नई सामग्री, जैसे पाठ, छवियां, डेटा, उत्पन्न करने में सक्षम हैं।[40] इन मॉडलों को पारिस्थितिक आनुवंशिकी में संभावित पूरक उपकरणों के रूप में जांचा जा रहा है, जहाँ वे विकासात्मक प्रक्रियाओं और पर्यावरणीय अंतःक्रियाओं से संबंधित शोध का समर्थन कर सकते हैं।[41] बड़े डेटा सेट से सीखकर, जनरेटिव AI को परिणामों की भविष्यवाणी करने या वर्गीकृत करने के लिए लागू किया जा सकता है, जिसमें विभिन्न पारिस्थितिक स्थितियों के तहत आनुवंशिक विचलन (genetic divergence), प्रजाति उद्भवन (speciation), या आनुवंशिक प्रवाह (genetic flow) जैसे मॉडलिंग परिदृश्य शामिल हो सकते हैं। कुछ संदर्भों में, एजेंट-आधारित और जनरेटिव मॉडलों का उपयोग अनुकूली विकिरण (adaptive radiation) जैसे पैटर्न का अनुकरण (simulate) करने के लिए किया गया है, जो काल्पनिक पारिस्थितिक आबादी में योगदान करते हैं।[41] जनरेटिव मॉडल का उपयोग जटिल लक्षणों और पर्यावरणीय कारकों के बीच संबंधों का पता लगाने के लिए भी किया गया है, जो संभावित रूप से फेनोटाइपिक लक्षणों को पारिस्थितिक कार्य और विकासात्मक पैटर्न से जोड़ते हैं।[42] इसके अतिरिक्त, वे सीमित नमूना लेने, प्रजातियों, दुर्लभता, या डेटा संग्रह विधियों में बाधाओं के कारण होने वाली गुम डेटा समस्याओं को हल करने में सहायता कर सकते हैं।[41]

अनुप्रयोग और संबंधित क्षेत्र

पारिस्थितिक आनुवंशिकी के कई क्षेत्रों में महत्वपूर्ण अनुप्रयोग हैं और यह व्यावहारिक समस्याओं को हल करने में मदद करता है। एक प्रमुख अनुप्रयुक्त क्षेत्र संरक्षण जीव विज्ञान (conservation biology) है, जहाँ पारिस्थितिक आनुवंशिकी के सिद्धांत लुप्तप्राय प्रजातियों और जैव विविधता के प्रबंधन को सूचित करते हैं। संरक्षण आनुवंशिकी (Conservation genetics) - 1980 के दशक में उभरी एक उप-शाखा - छोटी आबादी की आनुवंशिक विविधता को बनाए रखने या बढ़ाने के लिए पारिस्थितिक आनुवंशिक अध्ययनों पर आधारित है, जिससे बदलते वातावरण के अनुकूल होने की उनकी क्षमता बढ़ती है।[43][44] उदाहरण के लिए, किसी प्रजाति की विभिन्न आबादी में स्थानीय अनुकूलन की सीमा को जानने से स्थानांतरण (translocations) या कैप्टिव ब्रीडिंग (captive breeding) का मार्गदर्शन मिल सकता है, जिससे यह सुनिश्चित होता है कि छोड़े गए व्यक्तियों की आनुवंशिक संरचना उनके आवास के अनुकूल हो। संरक्षण जीवविज्ञानी कमजोर वन्यजीव आबादी में इनब्रीडिंग के स्तर, आवास के टुकड़ों के बीच जीन प्रवाह, और अनुकूली भिन्नता (जैसे रोग प्रतिरोधक जीन) की निगरानी के लिए आणविक मार्करों (पारिस्थितिक आनुवंशिकी अनुसंधान में उपयोग किए जाने वाले मार्करों की तरह) का भी उपयोग करते हैं।[45][46] जलवायु परिवर्तन के तहत प्रजातियों के संवेदनशीलता आकलन (vulnerability assessments) में आनुवंशिक डेटा को एकीकृत करके, शोधकर्ता बेहतर अनुमान लगा सकते हैं कि नई स्थितियों से निपटने के लिए किन आबादी में विकासात्मक क्षमता (अनुकूली आनुवंशिक रूप) है।[46] उदाहरण के लिए, Razgour और अन्य (2019) ने दिखाया कि जलवायु मॉडल में अनुकूली आनुवंशिक भिन्नता को ध्यान में रखने से चमगादड़ प्रजातियों के लिए सीमा हानि (range loss) के अनुमान बदल गए, जो जलवायु परिवर्तन के तहत "विकासात्मक बचाव" (evolutionary rescue) की सुविधा के लिए स्थानीय रूप से अनुकूलित जीन परिसरों को संरक्षित करने की आवश्यकता पर जोर देता है।[46]

एक अन्य अनुप्रयोग कृषि और चिकित्सा में है, विशेष रूप से कीटनाशक (pesticide) और एंटीबायोटिक प्रतिरोध (antibiotic resistance) के विकास को समझने और धीमा करने में। कीट और रोगजनक अनिवार्य रूप से प्राकृतिक आबादी हैं जो मानव-प्रयुक्त रसायनों से मजबूत चयन से गुजर रहे हैं, जिससे यह कार्य में पारिस्थितिक आनुवंशिकी का एक प्रत्यक्ष मामला बन जाता है। कीट कीट आबादी के अध्ययनों ने यह प्रलेखित किया है कि कीटनाशक प्रतिरोध प्रदान करने वाले आनुवंशिक रूप कीटनाशक अनुप्रयोग की सिर्फ कुछ पीढ़ियों के भीतर आवृत्ति में कैसे बढ़ सकते हैं।[47][48] इसी तरह, एंटीबायोटिक दवाओं के संपर्क में आने वाले बैक्टीरिया प्रतिरोधी म्यूटेंट के चयन या प्रतिरोध तत्वों के जीन हस्तांतरण के माध्यम से प्रतिरोध विकसित करते हैं। पारिस्थितिक आनुवंशिक सिद्धांतों को लागू करके, वैज्ञानिक और नीति निर्माता प्रतिरोध विकास के प्रबंधन के लिए रणनीतियाँ तैयार करते हैं - उदाहरण के लिए, कीट आबादी में संवेदनशील एलील बनाए रखने के लिए गैर-उपचारित फसलों के शरणस्थलों का उपयोग करना (प्रतिरोध जीनों को कम करना), या किसी भी एक प्रतिरोध जीनोटाइप को निश्चित होने से रोकने के लिए दवाओं को चक्रित करना। ये रणनीतियाँ आबादी में जीन आवृत्ति गतिशीलता (gene frequency dynamics) के मॉडल से उपजी हैं, जो पारिस्थितिक आनुवंशिकी का एक मुख्य विषय है।[49][50] प्रतिरोध का उद्भव इस बात की भी एक स्पष्ट याद दिलाता है कि जब चयन दबाव तीव्र होते हैं तो विकासात्मक परिवर्तन बहुत तेजी से हो सकता है, जो जंगल में आनुवंशिकी को समझने के व्यावहारिक महत्व को रेखांकित करता है।

पारिस्थितिक आनुवंशिकी का कई संबंधित विषयों के साथ महत्वपूर्ण अतिव्यापन (overlap) है और इसने कई संबंधित विषयों को जन्म दिया है। आणविक पारिस्थितिकी (Molecular ecology) ऐसा ही एक क्षेत्र है - यह पारिस्थितिक प्रश्नों को हल करने के लिए आणविक आनुवंशिक उपकरणों (DNA अनुक्रम, आणविक मार्कर) का उपयोग करता है, अक्सर प्राकृतिक आबादी में। कई मायनों में, आणविक पारिस्थितिकी को पारिस्थितिक आनुवंशिकी के आधुनिक विस्तार के रूप में देखा जा सकता है, जो क्षेत्र के मौजूदा टूलकिट में सीधे DNA का विश्लेषण करने की क्षमता जोड़ता है।[51][52] दोनों के बीच की सीमाएँ धुंधली हैं; उदाहरण के लिए, जीनोम अनुक्रमण का उपयोग करके मछली प्रजाति की आबादी की संरचना और स्थानीय अनुकूलन पर एक अध्ययन को आणविक पारिस्थितिकी, पारिस्थितिक आनुवंशिकी, या दोनों कहा जा सकता है। एक अन्य संबंधित क्षेत्र विकासात्मक पारिस्थितिकी (evolutionary ecology) है, जो आम तौर पर इस बात पर ध्यान केंद्रित करता है कि विकासात्मक प्रक्रियाएं (जैसे अनुकूलन, प्रतिस्पर्धा, सह-विकास) पारिस्थितिक पैटर्न को कैसे आकार देती हैं। पारिस्थितिक आनुवंशिकी को विकासात्मक पारिस्थितिकी का एक उपसमुच्चय माना जा सकता है जो आनुवंशिक तंत्र पर ध्यान केंद्रित करता है।[52] वास्तव में, कुछ लेखक इन शब्दों को लगभग समानार्थी मानते हैं।[52]

हाल के वर्षों में, प्राकृतिक आबादी के कई व्यक्तियों के लिए संपूर्ण-जीनोम दृष्टिकोण का उपयोग करने वाले अध्ययनों के लिए पारिस्थितिक जीनोमिक्स (ecological genomics) या पर्यावरणीय जीनोमिक्स (environmental genomics) शब्द का उपयोग बढ़ा है, जो जीन फ़ंक्शन को पारिस्थितिक संदर्भ से जोड़ता है।[53][54] उदाहरण के लिए, शोधकर्ता जलवायु अनुकूलन से जुड़े जीन वेरिएंट का पता लगाने के लिए एक पर्यावरणीय ढाल पर पौधे की प्रजाति के कई व्यक्तियों के जीनोम को अनुक्रमित कर सकते हैं (चयन के लिए एक जीनोमिक स्कैन)। यह दृष्टिकोण पारिस्थितिक आनुवंशिक सिद्धांतों पर बनता है और उच्च-थ्रूपुट अनुक्रमण तकनीक (high-throughput sequencing technology) का लाभ उठाता है। लैंडस्केप आनुवंशिकी (जो अध्ययन करती है कि भौगोलिक विशेषताएँ जीन प्रवाह और आनुवंशिक संरचना को कैसे प्रभावित करती हैं) और आनुवंशिक निगरानी (समय के साथ आबादी के आनुवंशिक मीट्रिक को ट्रैक करना) जैसे क्षेत्रों का भी पारिस्थितिक आनुवंशिकी द्वारा अग्रणी पारिस्थितिकी और आनुवंशिकी के एकीकरण के प्रति बहुत आभार है।

इन संबंधित क्षेत्रों के माध्यम से, पारिस्थितिक आनुवंशिकी व्यापक मुद्दों की हमारी समझ में योगदान करती है जैसे कि प्रजातियां वैश्विक परिवर्तन के अनुकूल कैसे ढलेंगी (या ढलने में विफल रहेंगी), नई प्रजातियां कैसे उत्पन्न होती हैं (प्रजाति उद्भवन में विभिन्न वातावरणों में भिन्न अनुकूलन शामिल हो सकते हैं), और मनुष्य पृथ्वी के जीवमंडल को बेहतर ढंग से कैसे संरक्षित और प्रबंधित कर सकते हैं। यह प्रयोगशाला और क्षेत्र के बीच एक महत्वपूर्ण कड़ी बनी हुई है, जो प्राकृतिक आबादी के अध्ययन में कठोर आनुवंशिक विश्लेषण लाती है और इस तरह विकासात्मक सिद्धांत और पारिस्थितिक प्रबंधन दोनों को समृद्ध करती है।

चुनौतियाँ और सीमाएँ

पारिस्थितिक आनुवंशिक अनुसंधान को कई चुनौतियों और सीमाओं का सामना करना पड़ता है, जिनमें से कई प्रकृति में विकास के अध्ययन की जटिलता से उत्पन्न होती हैं। एक व्यावहारिक चुनौती यह है कि ऐसे काम के लिए अक्सर दीर्घकालिक अध्ययन और व्यापक डेटा संग्रह की आवश्यकता होती है। जंगली आबादी में विकासात्मक परिवर्तनों या आनुवंशिक बदलावों का पता लगाने के लिए कई पीढ़ियों - कभी-कभी दशकों - में निगरानी की मांग हो सकती है, जो अनुसंधान फंडिंग या करियर की विशिष्ट अवधि से अधिक हो सकती है। कुछ प्रसिद्ध अध्ययन प्रणालियों (उदाहरण के लिए, तितली मिमिक्री) का एक शताब्दी से अधिक समय से अवलोकन किया गया है, फिर भी नए अंतर्दृष्टि प्राप्त होते हैं। जंगल में फील्ड बाड़े, वंसवली ट्रैकिंग, या बहु-वर्षीय जीनोम अनुक्रमण प्रयासों जैसे प्रयोगों को बनाए रखने के लिए निरंतर सहायता (वित्तीय और रसद) की आवश्यकता होती है। ऐतिहासिक रूप से, फोर्ड और सहयोगियों ने उल्लेख किया कि इस तरह के "आउटडोर जेनेटिक्स" के लिए निरंतर वित्त पोषण प्राप्त करना मुश्किल था, हालांकि आज दीर्घकालिक पारिस्थितिक अनुसंधान के मूल्य को अधिक व्यापक रूप से मान्यता प्राप्त है।

एक अन्य चुनौती विषयों में विशेषज्ञता की आवश्यकता है। पारिस्थितिक आनुवंशिकविदों को पारिस्थितिकी (जीव के पर्यावरण और प्राकृतिक इतिहास को समझने के लिए) और आनुवंशिकी (क्रॉस या आणविक परख डिजाइन करने के लिए) के साथ-साथ सांख्यिकी और जैव सूचना विज्ञान (जटिल डेटा का विश्लेषण करने के लिए) में अच्छी तरह से पारंगत होना चाहिए। यह अंतःविषय प्रकृति मांग कर रही हो सकती है - पर्यावरणीय विविधताओं के बीच आनुवंशिक प्रभावों को अलग करने के लिए प्रयोगों को सावधानीपूर्वक डिजाइन किया जाना चाहिए, और विश्लेषणों को यादृच्छिक जनसांख्यिकीय उतार-चढ़ाव से आनुवंशिक परिवर्तनों को अलग करना चाहिए। उदाहरण के लिए, जंगली आबादी के डेटा में प्राकृतिक चयन के संकेत को आनुवंशिक बहाव या जीन प्रवाह से अलग करना सांख्यिकीय रूप से पेचीदा हो सकता है, विशेष रूप से पॉलीजेनिक लक्षणों के लिए जहाँ परिवर्तन सूक्ष्म होते हैं। जीनोमिक डेटा के उदय ने, कुछ मायनों में, इस मुद्दे को बढ़ा दिया है: आनुवंशिक मार्करों की विशाल संख्या चयन का पता लगाने की शक्ति प्रदान करती है, लेकिन ठीक से नियंत्रित न किए जाने पर झूठे संकेतों का जोखिम भी बढ़ाती है। पारिस्थितिक संदर्भ महत्वपूर्ण है; आबादी की संरचना या मौसमी पर्यावरणीय परिवर्तनों जैसे कारकों को ध्यान में रखने में विफलता से देखे गए आनुवंशिक पैटर्न के कारणों को गलत तरीके से जिम्मेदार ठहराया जा सकता है।

एक सीमा जो 20वीं सदी के मध्य में स्पष्ट हो गई, वह संतुलित बहुरूपता (balanced polymorphisms) और उन्हें बनाए रखने वाली ताकतों का पता लगाने की कठिनाई थी। परिभाषा के अनुसार, यदि चयन द्वारा कई एलील बनाए रखे जाते हैं (उदा. हेटेरोज़ायगोट लाभ या आवृत्ति-निर्भर चयन), तो समय के साथ उनकी आवृत्ति स्थिर रह सकती है, जिससे अशांति प्रयोगों के बिना चयन का पता लगाना मुश्किल हो जाता है। पारिस्थितिक आनुवंशिकी अक्सर परिवर्तनों (उदा. पर्यावरणीय परिवर्तन के बाद एलील आवृत्ति बदलाव) या आबादी के बीच अंतर का निरीक्षण करने पर निर्भर करती है। जब चयन यथास्थिति (status quo) को बनाए रखता है, तो यह अल्पकालिक पर्यवेक्षक के लिए अदृश्य हो सकता है। इन गुप्त चयनात्मक ताकतों को प्रकट करने के लिए कभी-कभार प्रायोगिक जोड़तोड़ - जैसे कि शिकारी दबाव को बदलना या नए वातावरण में व्यक्तियों को प्रत्यारोपित करना - की आवश्यकता होती है।

चुनौतियों के बावजूद, आधुनिक तकनीकों ने उपलब्ध टूलकिट का काफी विस्तार किया है, जिससे कुछ सीमाएँ कम हुई हैं। उच्च-थ्रूपुट DNA अनुक्रमण और उन्नत सांख्यिकीय मॉडल शोधकर्ताओं को चयन हस्ताक्षरों के लिए पूरे जीनोम को स्कैन करने की अनुमति देते हैं जिन्हें पहले के तरीकों से पहचानना असंभव होता।[51][55] सामान्य उद्यान और पारस्परिक प्रत्यारोपण प्रयोग आनुवंशिक अंतरों को बाहर निकालने के लिए पर्यावरणीय भिन्नता को नियंत्रित कर सकते हैं। इसके अलावा, सहयोगात्मक परियोजनाओं और डेटा-साझाकरण का मतलब है कि भले ही व्यक्तिगत अध्ययन अल्पकालिक हों, लेकिन डेटा को दूसरों द्वारा संयोजित या जारी रखा जा सकता है (उदाहरण के लिए, LTEE - दीर्घकालिक विकास प्रयोग - E. coli बैक्टीरिया के साथ 30 साल से अधिक और कई प्रमुख जांचकर्ताओं तक चला है)।

फंडिंग चक्र एक चिंता का विषय बने हुए हैं, लेकिन संस्थानों और एजेंसियों ने दीर्घकालिक पारिस्थितिक अनुसंधान (LTER) के लिए पहल शुरू की है जिसमें अक्सर आनुवंशिक निगरानी घटक शामिल होते हैं। इसके अलावा, संरक्षण और सार्वजनिक स्वास्थ्य जैसे क्षेत्रों में विकासात्मक गतिशीलता की बढ़ती सराहना पारिस्थितिक आनुवंशिक दृष्टिकोणों के लिए अधिक समर्थन पैदा कर रही है। उदाहरण के लिए, मत्स्य पालन और वन्यजीवों के प्रबंधन में अब नियमित रूप से आबादी का आनुवंशिक मूल्यांकन शामिल होता है, जिससे यह सुनिश्चित होता है कि अनुकूली क्षमता संरक्षित है - जो सीधे पारिस्थितिक आनुवंशिकी से बाहर की एक अवधारणा है।

संक्षेप में, हालाँकि पारिस्थितिकी आनुवंशिकी (ecological genetics) को जटिल प्रणालियों और कभी-कभी धीमी प्रक्रियाओं से निपटना पड़ता है, लेकिन इसे विधियों की एक समृद्ध श्रृंखला और एक मजबूत सैद्धांतिक आधार से लाभ मिलता है। प्राकृतिक वातावरण की अंतर्निहित अप्रत्याशितता (जलवायु संबंधी घटनाएँ, आबादी में उतार-चढ़ाव) प्रयोगों को जटिल बना सकती है, लेकिन यह वास्तविक दुनिया की उन स्थितियों में विकास (evolution) को देखने के अवसर भी प्रदान करती है जिनकी कोई भी प्रयोगशाला नकल नहीं कर सकती है। चूँकि प्रकृति में आनुवंशिक डेटा एकत्र करने और उसका विश्लेषण करने की हमारी क्षमता लगातार बढ़ रही है, इसलिए अतीत की सीमाएँ (कम नमूना आकार, कुछ आनुवंशिक मार्कर, कम अवलोकन समय) दूर हो रही हैं। यह क्षेत्र चुनौतीपूर्ण लेकिन फलादायी बना हुआ है, जो "क्रियाशील विकास" ("evolution in action") और जैव विविधता के आनुवंशिक आधार के बारे में शायद सबसे प्रत्यक्ष अंतर्दृष्टि प्रदान करता है। जैसा कि फोर्ड (Ford) ने 1964 में उचित ही उल्लेख किया था कि पारिस्थितिकी आनुवंशिकी "वर्तमान समय में हो रही विकास की वास्तविक प्रक्रिया की जाँच करने का एकमात्र प्रत्यक्ष साधन" प्रदान करती है[56] — यह कथन आज भी उतना ही सत्य है जब नए उपकरण उन प्रक्रियाओं के हमारे दृष्टिकोण को बढ़ाते हैं।[57][58]

इन्हें भी देखें

संदर्भ

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आगे की पठन सामग्री

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स्रोत: अंग्रेज़ी विकिपीडिया के “Ecological genetics” लेख का अनुवाद। मूल लेख: https://en.wikipedia.org/wiki/Ecological_genetics यह अनुवाद स्वचालित रूप से तैयार किया गया है।

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