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Trovare l'evoluzione, confrontare i numeri dei fiori passati con quelli presenti

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In un'ipotetica specie di farfalla, le macchie alari sono controllate da un singolo locus in cui gli individui BB hanno macchie blu, gli individui YY hanno macchie gialle e gli individui BY hanno macchie verdi. Dieci anni fa, un precedente collezionista ha raccolto a caso 1000 farfalle e ha riferito di aver trovato 90 blu, 420 verdi e 490 gialli. Raccogli 40 blu, 320 verdi e 640 gialli. C'è stata evoluzione in questa popolazione? Se sì, è coinvolta la selezione naturale?

Ho avuto molti tentativi a questa domanda, ho calcolato la frequenza p e q per ciascuno utilizzando il modello HW.

Per 10 anni fa: 90+90+420/2000=0.3 BB 490+490+420/2000=0.7 YY

Per ora: 40+40+320/2000=0.2 BB 640+640+320/2000= 0.8YY

Ma non credo di poter sapere se l'evoluzione è avvenuta e la selezione naturale da questo (perché l'allele Y in giallo, ad esempio, include anche gli eterozigoti).

Cosa devo fare? Calcolo il numero atteso di ciascuno e lo metto nel test del Chi quadrato, ma come potrei ottenere la selezione naturale da questo? Per favore aiuto


C'è stata evoluzione in questa popolazione?

Se $p$ differisce nella popolazione, allora sì. Se $p_1$ e $p_{10}$ (le due diverse stime alla generazione 1 e alla generazione 10) sono uguali, allora qualsiasi deviazione è causata da un errore di campionamento. Quindi imposta $P_1 = P_{10}$ come ipotesi nulla ed esegue un test chi-quadrato.

È coinvolta la selezione naturale?

Per questo dobbiamo conoscere il tempo di generazione e la dimensione della popolazione. Possiamo assumere che la generazione sia di un anno (10 generazioni). La dimensione della popolazione $N$ potrebbe essere stimata dai dati genetici delle farfalle campionate. La perdita prevista di diversità genetica per generazione è $frac{1}{2N}$ ma dovrai considerare ogni possibile percorso attraverso il quale si può andare da $p_1$ a $P_{10}$ usando una serie di distribuzioni binomiali e sommare le loro probabilità. Detto questo, è un po' costoso dal punto di vista computazionale se $N$ è grande, ma qualche teoria del modello di Markov potrebbe darti alcune semplificazioni.


Se vedi una domanda come questa, dovresti semplicemente andare avanti e calcolare se la popolazione è in equilibrio Hardy-Weinberg, perché è quasi certamente ciò che verrà chiesto.

Per 10 anni fa: 90+90+420/2000=0.3 BB 490+490+420/2000=0.7 YY

Questa notazione non aiuta. B = 0,3, Y = 0,7

BB = 90/1000 = 0,09 BY = 420/1000 = 0,42 YY = 490/1000 = 0,49

Per ora: 40+40+320/2000=0.2 B 640+640+320/2000= 0.8 Y

BB=0.04 BY=0.32 YY=0.64

Le frequenze alleliche sono cambiate, che per definizione è evoluzione. Ma le popolazioni erano e rimangono in HWE, il che suggerisce che tutti i requisiti per quella condizione, che includono l'assenza di selezione al momento, si stanno verificando.


Idee in evoluzione sull'origine e l'evoluzione dei fiori: nuove prospettive nell'era genomica

L'origine del fiore è stata un'innovazione chiave nella storia di organismi complessi, che ha alterato drasticamente il biota della Terra. I progressi nella filogenetica, nella genetica dello sviluppo e nella genomica negli ultimi 25 anni hanno sostanzialmente avanzato la nostra comprensione dell'evoluzione dei fiori, tuttavia rimangono aspetti cruciali dell'evoluzione floreale, come la serie di cambiamenti genetici e morfologici che hanno dato origine ai primi fiori fattori che consentono l'origine del fiore eudicot pentamero, che caratterizza circa il 70% di tutte le specie di angiosperme esistenti e il ruolo delle duplicazioni geniche e genomiche nel facilitare le innovazioni floreali. Uno dei primi concetti chiave era il modello ABC della specificazione dell'organo floreale, sviluppato da Elliott Meyerowitz ed Enrico Coen e basato su due sistemi modello, Arabidopsis thaliana e Antirrhinum maggiore. Eppure è ormai chiaro che questi sistemi modello sono specie altamente derivate, la cui organizzazione molecolare dello sviluppo genetico deve essere molto diversa da quella delle angiosperme ancestrali e precoci. In questo articolo, discuteremo di come i nuovi approcci di ricerca stanno illuminando i primi eventi nell'evoluzione floreale e le prospettive di ulteriori progressi. In particolare, l'avanzamento della prossima generazione di ricerca nell'evoluzione floreale richiederà lo sviluppo di uno o più sistemi modello funzionali tra le angiosperme basali e le eudicots basali. Più in generale, sollecitiamo lo sviluppo di "cladi modello" per le analisi genomiche ed evolutive dello sviluppo, invece dell'uso primario di singoli "organismi modello". Prevediamo che nuovi modelli evolutivi emergeranno presto come modelli genetici/genomici, fornendo nuove intuizioni senza precedenti sull'evoluzione floreale.

L'origine del fiore durante il tardo Giurassico fino all'inizio del Cretaceo (le stime più recenti sono comprese tra 150 e 190 MYA Magallón et al. 2015) è stata un'innovazione evolutiva chiave che ha profondamente alterato il biota della Terra. Le piante da fiore (angiosperme), con sicurezza riproduttiva e velocità conferite dal fiore, hanno sostituito altre piante da seme nella maggior parte degli ecosistemi. La diversificazione dei fiori e del frutto risultante ha stimolato il cambiamento coevolutivo negli impollinatori e nei dispersori, con successivi effetti ad ampio raggio su erbivori, micorrize e altri organismi interagenti. Anche lo sviluppo della civiltà umana negli ultimi 10 millenni è stato strettamente legato al fiore, poiché i semi e i frutti, in particolare i cereali, sono la base dell'agricoltura sia nella società agraria che in quella moderna. Pertanto, la delucidazione delle basi genetiche dell'origine e dell'evoluzione del fiore ha implicazioni fondamentali sia per la nostra comprensione dell'evoluzione dell'organismo sia per la nostra capacità di aumentare la produzione di cibo attraverso la bioingegneria delle colture chiave di angiosperme.

Un ampio spettro di ricerche multidisciplinari che coinvolgono la filogenetica, la genetica dello sviluppo e la genomica stimola questo lavoro e facilita le visioni riviste dell'evoluzione floreale. Un elemento chiave è stato lo sviluppo di un robusto quadro filogenetico per il ramo angiosperme dell'Albero della Vita (per esempio., Soltis et al. 2011) per collocare la genetica evolutiva del fiore nel contesto evolutivo appropriato (biologia evolutiva-evolutiva, evo-devo). Di conseguenza, i modelli genetici originali utilizzati per svelare la genetica dello sviluppo dei fiori, Arabidopsis thaliana e Antirrhinum maggiore (Coen e Meyerowitz 1991), sono specie rosidi e asteridi altamente derivate, rispettivamente, incorporate all'interno del nucleo eudicot clade delle angiosperme (Figura 1). Aspetti chiave della genetica di Arabidopsis e antirrino lo sviluppo dei fiori operano anche nei modelli genetici della famiglia delle graminacee altamente derivate (Poaceae), tra cui Oryza e Zea (Mena et al. 1996 Ambrogio et al. 2000), che sono nidificati all'interno del clade monocot. Nonostante questa apparente conservazione in gran parte della diversità delle angiosperme, una sintesi di studi molecolari comparativi suggerisce che i programmi genetici floreali di Arabidopsis e antirrino sono derivati ​​evolutivamente, ed è necessario un nuovo paradigma (descritto di seguito) per descrivere la prima evoluzione dei fiori (Soltis et al. 2002, 2006a,b, 2007, 2009a Kanno et al. 2003 Alberto et al. 2005 Kim et al. 2005 Chanderbali et al. 2006, 2009, 2010 Shan et al. 2006 Kramer et al. 2007 Theissen e Melzer 2007 Broholm et al. 2008 Specht e Bartlett 2009 Rasmussen et al. 2009 Yoo et al. 2010a,b Brockington et al. 2013 Ronse de Craene e Brockington 2013 Hileman 2014a,b Specht e Howarth 2015 Glover et al. 2015 Galimba e Di Stilio 2015).

Albero riassuntivo della filogenesi delle piante da seme che mostra i principali lignaggi delle piante da fiore e il gruppo gemello, le gimnosperme esistenti. Le specie con risorse stabilite per la genetica dello sviluppo dei fiori, indicate in rosso, sono distribuite prevalentemente tra i cladi asteridi e rosid del pentapetali. Sono necessari ulteriori "modelli evolutivi", mostrati in blu, per affrontare le questioni riguardanti le basi genetiche delle principali transizioni nell'evoluzione floreale.

In questo articolo, esamineremo i principi centrali dell'evoluzione dello sviluppo floreale, collegando specifiche innovazioni floreali a programmi genetici noti e proporremo nuove direzioni per comprendere le basi genetiche per la diversificazione evolutiva dei fiori. Ci concentriamo su tre scale di innovazione evolutiva: l'origine dei primi fiori l'origine dei fiori di pentapetali, un importante subclade che rappresenta ∼70% delle specie viventi di angiosperme e l'origine di specifiche innovazioni floreali. Vedere la tabella 1 per un glossario dei termini relativi a questo articolo.


Astratto

Comprendere come e perché i tassi di diversificazione evolutiva variano è una questione chiave nella biologia evolutiva, nell'ecologia e nella biogeografia. I tassi evolutivi sono il risultato netto di processi interagenti riassunti sotto concetti come radiazione adattativa e stasi evolutiva. Qui, esaminiamo i concetti centrali nella letteratura sulla diversificazione evolutiva e li sintetizziamo in un quadro generale semplice per studiare i tassi di diversificazione e quantificare le loro dinamiche sottostanti, che possono essere applicate su cladi e regioni e su scale spaziali e temporali. Il nostro framework descrive il tasso di diversificazione (D) in funzione dell'ambiente abiotico (un), l'ambiente biotico (B), e fenotipi o tratti specifici del clade (C) così, D

a,b,c. Ci riferiamo alle quattro componenti (unD) e le loro interazioni collettivamente come "Arena Evolutiva". Descriviamo approcci analitici a questo quadro e presentiamo un caso di studio sulle conifere, per il quale parametrizziamo il modello generale. Discutiamo anche tre esempi concettuali: il Lupinus radiazioni nelle Ande nel contesto di opportunità ecologiche emergenti e connettività fluttuante dovuta alle oscillazioni climatiche radiazioni oceaniche insulari nel contesto della formazione di isole ed erosione e radiazioni guidate biologicamente dal genere delle orchidee mediterranee Ophrys. I risultati del caso di studio delle conifere sono coerenti con lo scenario di lunga data secondo cui la bassa concorrenza e gli alti tassi di evoluzione della nicchia promuovono la diversificazione. Gli esempi concettuali illustrano come l'utilizzo del quadro sintetico Evolutionary Arena aiuta a identificare e strutturare le direzioni future per la ricerca sulle radiazioni evolutive. In questo modo, il framework Evolutionary Arena promuove una comprensione più generale della variazione dei tassi evolutivi rendendo i risultati quantitativi comparabili tra i casi di studio, consentendo così l'emergere di nuove sintesi di processi evolutivi ed ecologici.


Alla ricerca dell'evoluzione, confrontando i numeri dei fiori passati con quelli presenti - Biologia

​​​ Argomento 5.4 – Cladistica

Idea essenziale: l'ascendenza di gruppi di specie può essere dedotta confrontando le loro sequenze di basi o amminoacidi.

Falsificazione delle teorie con una teoria sostituita da un'altra: le famiglie di piante sono state riclassificate come risultato delle prove della cladistica. (1.9)

Comprensioni:

- Un clade è un gruppo di organismi che si sono evoluti da un antenato comune.

  • Nel tempo le specie si evolvono e si dividono per formare nuove specie
  • Questo processo può verificarsi ripetutamente con alcune specie di grande successo che portano a un ampio gruppo di organismi che condividono un antenato comune
  • Questi gruppi di specie si sono evoluti da un antenato comune, che hanno caratteristiche condivise è chiamato clade
  • I punti di diramazione nell'albero rappresentano il momento in cui i due taxa si sono riversati l'uno dall'altro
  • Il grado di divergenza tra rami rappresenta le differenze che si sono sviluppate tra i due taxa da quando si sono divergenti

∑ - L'evidenza per cui le specie fanno parte di un clade può essere ottenuta dalle sequenze di basi di un gene o dalla corrispondente sequenza di amminoacidi di una proteina.

  • A volte è difficile determinare quali specie fanno parte di un certo clade
  • L'evidenza più accurata deriva dalle sequenze di aminoacidi di alcune proteine, come l'emoglobina e il citocromo C e dalle sequenze di basi di geni

Sequenze di basi del DNA

  • L'ibridazione del DNA viene eseguita con il DNA di altre specie animali per scoprire quanto siano strettamente imparentati con l'uomo
  • Diagramma a destra

Sequenza aminoacidica di alcune proteine

  • Le sequenze dell'emoglobina alfa e beta sono note per esseri umani, scimpanzé e gorilla. Gli esseri umani e gli scimpanzé hanno sequenze alfa e beta identiche da cui i gorilla differiscono per un solo residuo in ciascuna catena.
  • In posizione 23 sull'emoglobina alfa, per esempio, i gorilla hanno l'aminoacido acido aspartico invece dell'acido glutammico e in posizione 104 sull'emoglobina beta i gorilla hanno la lisina invece dell'arginina.

Collegamento sulle somiglianze tra umano e scimpanzé DNA http://bit.ly/1DXeU0N

  • Gli amminoacidi hanno anche un orientamento destrorso o sinistrorso
  • La maggior parte degli organismi sulla terra usa amminoacidi levogiri per costruire le proprie proteine ​​e solo un piccolo numero usa amminoacidi levogiri (soprattutto alcuni batteri). Ciò implica un'ascendenza comune per queste forme di vita con lo stesso orientamento degli amminoacidi

Un altro esempio viene dagli studi immunologici, che è un modo per rilevare le differenze nelle proteine ​​specifiche delle specie, mostrando indirettamente quanto siano strettamente correlate due specie

  • Il siero del sangue umano (cellule del sangue meno e fibrinogeni) viene ottenuto e iniettato in un coniglio
  • Successivamente viene prelevato un campione di sangue di coniglio che contiene anticorpi anti-umani alle proteine ​​umane
  • Il siero di altri mammiferi viene miscelato con gli anticorpi anti-umani
  • Maggiore è la precipitazione, più l'animale è legato all'uomo

Specie
% Precipitazioni con siero umano
% Differenza da umano
Umano
100
-
Scimpanzé
95
5
Gorilla
95 5
Orangutan
85
15
Gibbone
82 18
Babbuino
73
27
Ragno scimmia
60
40

∑ - Le differenze di sequenza si accumulano gradualmente, quindi c'è una correlazione positiva tra il numero di differenze tra due specie e il tempo in cui si sono allontanate da un antenato comune.

  • Le differenze nella sequenza di basi del DNA sono causate da mutazioni. Questi si accumulano gradualmente nel tempo.
  • Sequenziando il DNA nucleare e il DNA mitocondriale, possiamo stabilire una filogenesi biochimica tra le specie per mostrare antenati comuni
  • La differenza nelle sequenze può essere utilizzata per dedurre quando una certa specie si è separata da un antenato comune

∑ - I tratti possono essere analoghi o omologhi.

Strutture analoghe

  • Alcuni animali appartenenti a gruppi diversi vivono nello stesso habitat o in habitat simili
  • Ciò può portare allo sviluppo di strutture superficiali simili per organismi che vivono in modo simile
  • Le strutture sembrano anatomicamente comparabili dall'esterno, tuttavia non sono uguali all'interno (non condividono un antenato comune)

Esempio diversi tipi di ali o pinne tra squali e delfini

Strutture Omologhe

  • Strutture interne comuni che sono simili in animali apparentemente dissimili che si sono evoluti da un antenato comune.
  • L'esempio standard di strutture omologhe è "l'arto pentadattilo" che è l'arto a cinque cifre che si trova in animali come umani, delfini, pipistrelli e cani.
  • Anche se la forma, le dimensioni e la funzione di questa struttura variano tra le specie, la struttura generale e la posizione delle ossa in questi arti sono le stesse.

∑ - I cladogrammi sono diagrammi ad albero che mostrano la sequenza più probabile di divergenza nei cladi.

β - Applicazione: Cladogrammi inclusi umani e altri primati.

Disegna un cladogramma contenente umani e altri primati in base all'ordine elencato nella tabella dello studio immunologico sopra nella comprensione precedente

∑ - L'evidenza della cladistica ha mostrato che le classificazioni di alcuni gruppi basate sulla struttura non corrispondevano alle origini evolutive di un gruppo o di una specie.

  • Poiché l'evidenza delle sequenze di basi e amminoacidi è diventata possibile solo tra la metà e la fine del 1900, si sono verificati alcuni cambiamenti nelle classificazioni tradizionali di alcune piante e animali basate esclusivamente sulla morfologia
  • La cladistica ha fornito prove che mostrano che alcune morfologie non corrispondono alle origini evolutive dei gruppi di organismi in cui sono state inserite.
  • Di conseguenza alcuni gruppi sono stati riclassificati, alcuni gruppi si sono fusi o divisi e, in alcuni casi, alcune specie sono state spostate in un altro gruppo
  • Questo processo richiede tempo, tuttavia, le nuove classificazioni basate sulla cladistica forniscono una visione chiara e più concisa della vera classificazione naturale di un organismo

β - Applicazione: riclassificazione della famiglia della scrofa utilizzando prove della cladistica.

  • Un esempio di riclassificazione di un organismo è la Famiglia Scrophlahulariaceae
  • A un certo punto questa famiglia era composta da oltre 275 generi e 5000 specie
  • Gli scienziati hanno recentemente utilizzato la cladistica per riclassificare la famiglia Figworts
  • Si sono concentrati sulle sequenze di base di tre geni dei cloroplasti e hanno scoperto che le specie della famiglia Figwort non erano un clade ma cinque cladi ed erano state erroneamente raggruppate in un'unica famiglia

Di seguito è riportata una foto di alcuni dei raggruppamenti ora

​​ β - Abilità: Analisi di cladogrammi per dedurre relazioni evolutive.

Queste sono alcune immagini che delineano quale parte di un cladogramma è un clade e un'altra immagine che ho creato su antenati usando un cladogramma. I punti rossi sono chiamati nodi e rappresentano il momento in cui si stima che due specie si siano separate.

Una cosa da notare, solo perché una specie come C si è divisa prima di B, non significa che B si sia evoluta di più. Tutte le specie in alto sono presenti specie D. Quelli che si sono estinti o sono cambiati sarebbero ai nodi.

[MedSocNet Illinois]

****Crea il tuo cladogramma che contenga almeno 8 organismi utilizzando prove biochimiche come DNA, somiglianze proteiche o studi immunologici. ****

5.2 Selezione naturale

Idea essenziale: la diversità della vita si è evoluta e continua a evolversi per selezione naturale.

Natura della scienza:

Usa le teorie per spiegare i fenomeni naturali: la teoria dell'evoluzione per selezione naturale può spiegare lo sviluppo della resistenza agli antibiotici nei batteri. (2.1)

Comprensioni:

∑ - La selezione naturale può avvenire solo se c'è variazione tra i membri della stessa specie.

  • Gli individui più adatti al loro ambiente sopravviveranno e si riprodurranno.
  • Se non ci fosse variazione all'interno di una specie, allora tutti gli individui sarebbero gli stessi e nessun individuo sarebbe favorito rispetto all'altro e la selezione naturale non avrebbe luogo

∑ - La mutazione, la meiosi e la riproduzione sessuale causano variazioni tra gli individui di una specie.

  • La riproduzione sessuale può produrre variazioni in una specie attraverso la fecondazione e la meiosi.
  • La riproduzione sessuale si verifica quando due diversi membri di una specie creano una prole che ha una combinazione di materiale genetico fornito da entrambi i genitori.
  • Durante la meiosi, il 50% dei cromosomi della femmina finirà nell'uovo (gamete aploide) e il 50% dei cromosomi del maschio finirà nello sperma (gamete aploide).
  • Durante la meiosi i cromosomi si allineeranno o si assesteranno indipendentemente l'uno dall'altro creando (2n) possibili variazioni dei cromosomi nelle cellule sessuali.
  • Durante la meiosi, in particolare, la profase 1, l'incrocio potrebbe verificarsi nei cromosomi omologhi in cui vengono scambiate parti di ciascun cromosoma.
  • La fecondazione casuale attraverso la riproduzione sessuale offre a milioni di spermatozoi la possibilità di fecondare l'uovo. Ciò consente alle mutazioni che si sono verificate in individui diversi di unirsi nella loro prole.
  • Infine, potrebbero verificarsi mutazioni genetiche dove vengono prodotti nuovi alleli. Le mutazioni genetiche sono la fonte originale di variazione all'interno di una specie.

∑ - Gli adattamenti sono caratteristiche che rendono un individuo adatto al suo ambiente e stile di vita.

  • Dove e come vive un organismo è in gran parte dovuto agli adattamenti specifici che gli consentono di sopravvivere e riprodursi in una particolare area o habitat
  • In altre parole, la loro struttura permette loro di funzionare in quell'ambiente
  • Gli orsi polari sono ben adattati alla vita nell'Artico. Hanno un grande strato di grasso per tenerli al caldo. Sono forti nuotatori, aiutati dai loro forti avambracci e dallo strato di grasso per il galleggiamento. Hanno anche una pelliccia cava per favorire l'isolamento. Per le piante, i cactus hanno tessuto e spine di accumulo d'acqua (prevengono la perdita d'acqua) a causa delle rare piogge nel deserto.

Gli adattamenti si sviluppano nel tempo attraverso la selezione naturale

Animali in condizioni estreme - Mimic Octopus

∑ - Le specie tendono a produrre più prole di quanto l'ambiente possa sostenere.

  • Le popolazioni tendono a produrre più figli di quanti l'ambiente possa sostenere che potrebbero sopravvivere in una particolare comunità o ecosistema.
  • Ad esempio, i pesci producono migliaia di uova, ma solo poche arrivano all'età adulta.
  • Le piante possono anche produrre centinaia o migliaia di semi da rilasciare nell'ambiente.
  • Quando i genitori non trascorrono molto o anche poco tempo a prendersi cura dei loro piccoli, producono molti figli. Questo è un metodo riproduttivo utilizzato per assicurarsi che alcuni figli arrivino alla generazione successiva.
  • I genitori che impiegano molto tempo ed energie per proteggere e allevare i loro piccoli tendono ad avere cucciolate molto più piccole, ad esempio la maggior parte dei mammiferi.
  • La densità di popolazione che l'ambiente può sostenere è chiamata capacità di carico.
  • Se ci sono troppi organismi, la domanda di risorse aumenta.
  • Tuttavia, c'è una disponibilità limitata di risorse in un ecosistema.
  • La sovrappopolazione e una quantità limitata di risorse creano concorrenza all'interno di una popolazione.

∑ - Gli individui che sono meglio adattati tendono a sopravvivere e producono più prole mentre i meno adattati tendono a morire o a produrre meno prole.

  • Gli organismi con caratteristiche benefiche saranno in grado di competere con altri individui con tratti genetici meno benefici o dannosi per risorse e compagni limitati.
  • Pertanto, questi individui sopravviveranno e si riprodurranno e trasmetteranno questi tratti genetici alla prossima generazione di prole.
  • Gli organismi con tratti meno desiderabili moriranno o produrranno meno prole

∑ - Gli individui che si riproducono trasmettono caratteristiche alla prole.

  • Questi organismi che sopravvivono e si riproducono, trasmettono questi tratti benefici alla loro prole
  • Nel corso di molte generazioni, l'accumulo di questi tratti genetici benefici può comportare un cambiamento nella popolazione noto come evoluzione.
  • Affinché un'altra specie si sviluppi, questi individui geneticamente diversi alla fine devono diventare isolati dal punto di vista riproduttivo (separati dalla popolazione generale) dove si riprodurranno solo con individui con tratti genetici simili.
  • Le caratteristiche acquisite di un individuo come i grandi muscoli non vengono trasmesse alla prole di un organismo

∑ - La selezione naturale aumenta la frequenza delle caratteristiche che rendono gli individui meglio adattati e diminuisce la frequenza di altre caratteristiche che portano a cambiamenti all'interno della specie.

  • Poiché gli individui più adattati di una specie sono quelli che sopravvivono, si riproducono e trasmettono i loro geni alla generazione successiva, questi alleli diventeranno più frequenti all'interno della popolazione
  • Lo stesso varrebbe per gli individui meno adatti a un ambiente. Questi individui si riprodurranno meno frequentemente e moriranno più spesso, diminuendo così la frequenza dei loro alleli all'interno di una popolazione
  • Questi cambiamenti avvengono nel corso di molte generazioni

Guarda l'episodio 2 di The Cosmos on Natural Selection (Evolution of Dogs)

***Fai le domande basate sui dati a pagina 253***

Applicazioni e competenze:

β - Applicazione: cambiamenti nei becchi dei fringuelli su Daphne Major.

Guarda il cortometraggio sui cambiamenti nella dimensione del becco dei fringuelli delle Galapagos

Fai l'evoluzione nell'analisi e nella creazione di grafici dei dati d'azione

La dispensa per l'analisi dei dati verrà distribuita a lezione. (Gestisci bac)

β - Applicazione: Evoluzione della resistenza agli antibiotici nei batteri.

Resistenza agli antibiotici nei batteri

  • Gli antibiotici uccidono i batteri direttamente o indeboliscono i batteri in modo che il sistema immunitario possa combattere e distruggere l'agente patogeno invasore.
  • Se un paziente ha un'infezione batterica quando vengono somministrati antibiotici per combattere l'infezione, la maggior parte della popolazione batterica originale verrà distrutta.
  • Tuttavia, alcuni di questi batteri potrebbero non morire a causa di cambiamenti nel loro DNA. Questi cambiamenti potrebbero essere causati da mutazioni all'interno del loro genoma o dal trasferimento di un gene resistente agli antibiotici da un altro batterio.
  • È più probabile che si verifichi resistenza se non vengono assunte le quantità adeguate di antibiotici o se un paziente non termina la prescrizione.
  • Questi batteri resistenti sopravviveranno e si riprodurranno, creando batteri resistenti più identici.
  • Questi batteri resistenti faranno ammalare di nuovo la persona in futuro.
  • Tuttavia, se viene somministrato lo stesso antibiotico, questi batteri non verranno più distrutti.
  • Un altro antibiotico può essere prescritto per uccidere questi nuovi batteri resistenti.
  • La resistenza può essere trasmessa ad altri batteri patogeni, creando più specie di batteri resistenti.
  • Alcuni esempi di batteri noti per sviluppare resistenza sono Treponema pallidum che causa la sifilide e i batteri che causano la tubercolosi (Mycobacterium tuberculosis)

***Fai anche la domanda basata sui dati a pagina 255***

• Gli studenti dovrebbero essere chiari sul fatto che le caratteristiche acquisite durante la vita di un individuo non sono ereditabili. Il termine lamarckismo non è richiesto.

• La selezione naturale è una teoria. Quanta prova è necessaria per sostenere una teoria e che tipo di controprova è necessaria per confutarla?

5.1 Prove per l'evoluzione

Idea essenziale: ci sono prove schiaccianti per l'evoluzione della vita sulla Terra.

Alla ricerca di modelli, tendenze e discrepanze: ci sono caratteristiche comuni nella struttura ossea degli arti dei vertebrati nonostante il loro uso vario. (3.1)

Comprensioni:

∑ - L'evoluzione si verifica quando le caratteristiche ereditarie di una specie cambiano.

  • Quando le caratteristiche ereditarie di una specie o di una popolazione biologica cambiano nel corso delle generazioni successive
  • Questi tratti non possono essere acquisiti nel corso della vita, sono tratti ereditari o alleli nel DNA di un organismo

∑ - La documentazione fossile fornisce prove dell'evoluzione.

  • I fossili sono i resti conservati di animali, piante e altri organismi del passato.
  • La documentazione fossile mostra il graduale cambiamento delle specie nel tempo.
  • La linea temporale in cui compaiono i fossili è quella che gli scienziati si aspetterebbero, con batteri e alghe che sono i più antichi nella documentazione fossile. Seguiti in seguito da animali sgusciati e trilobiti, poi dinosauri e primi rettili, uccelli e mammiferi ancora più tardi.
  • Molte sequenze fossili collegano gli organismi attuali con i loro probabili antenati. Ad esempio, i cavalli e le zebre attuali sono strettamente imparentati con tapiri e rinoceronti, che sono tutti legati all'Hyracotherium, un animale simile al rinoceronte

*** Fare domande basate sui dati a pagina 243***

∑ - L'allevamento selettivo di animali domestici mostra che la selezione artificiale può causare l'evoluzione.

Allevamento selettivo

  • Allevamento di piante e animali per tratti genetici specifici.
  • Mostra un buon record di recenti cambiamenti nelle caratteristiche genetiche nel corso di poche decine di generazioni che l'uomo ha selezionato per allevare.
  • Ad esempio, i polli che producono più uova o le mucche che producono più latte vengono selezionati per l'allevamento, sperando di trasmettere questi tratti alle generazioni successive.
  • Le piante possono essere allevate in modo simile sulla base di caratteristiche utili o benefiche che gli allevatori vorrebbero vedere nella prossima generazione di piante.
  • L'evoluzione dei cani addomesticati ha prodotto molte razze diverse attraverso la selezione artificiale

Alcuni buoni video sulla selezione artificiale

∑ - L'evoluzione di strutture omologhe per radiazione adattativa spiega le somiglianze nella struttura quando ci sono differenze di funzione.

  • Strutture interne comuni che sono simili in animali apparentemente dissimili che si sono evoluti da un antenato comune.
  • L'esempio standard di strutture omologhe è "l'arto pentadattilo" che è l'arto a cinque cifre che si trova in animali come umani, delfini, pipistrelli e cani.
  • Anche se la forma, le dimensioni e la funzione di questa struttura variano tra le specie, la struttura generale e la posizione delle ossa in questi arti sono le stesse.

*** Fare domande basate sui dati a pagina 244***

β - Applicazione: confronto dell'arto pentadattilo di mammiferi, uccelli, anfibi e rettili con diversi metodi di locomozione.

Disegna e confronta l'arto pentadattilo per un mammifero, un uccello, un anfibio e un rettile.

∑ - Le popolazioni di una specie possono gradualmente divergere in specie separate per evoluzione.

  • All'interno di una popolazione, c'è una variazione genetica
  • Se due popolazioni della stessa specie si separano in modo tale da non riprodursi o incrociarsi perché sono separate da confini geografici, ad esempio un gruppo migra su un'isola o sono state separate da una catena montuosa, allora la selezione naturale agirà in modo diverso su quelle due popolazioni separate
  • Nel tempo, queste popolazioni cambiano in modo da essere riconoscibilmente diverse e possono o non possono incrociarsi se dovessero fondersi di nuovo insieme
  • Questo processo è chiamato speciazione

∑ - La variazione continua nell'intervallo geografico delle popolazioni imparentate corrisponde al concetto di divergenza graduale.

  • Quando le popolazioni divergono nel tempo e sono separate, ci si aspetterebbe che queste popolazioni si trovino in diversi stadi di variazione o divergenza e non tutti gli organismi distinti separati immediatamente o tutte le stesse specie immutate
  • Darwin ha fornito molti di questi esempi che hanno mostrato popolazioni leggermente diverse ma non sono specie chiaramente separate
  • Esempi di questo sono le lucertole laviche e i fringuelli delle Galapagos e gli spinarelli spinosi di BC

β - Applicazione: Sviluppo di insetti melanici in aree inquinate.

Fai la simulazione della falena pepata

***Fai domande basate sui dati a pagina 248-249***

• La storia dell'evoluzione è un'area della scienza particolarmente impegnativa perché non è possibile eseguire esperimenti per stabilire eventi passati o le loro cause.

Esistono tuttavia metodi scientifici per stabilire al di là di ogni ragionevole dubbio ciò che è accaduto in alcuni casi. Come si confrontano questi metodi con quelli usati dagli storici per ricostruire il passato?

5.3 Classificazione della biodiversità

Cooperazione e collaborazione tra gruppi di scienziati: gli scienziati usano il sistema binomiale per identificare una specie piuttosto che i molti nomi locali diversi. (4.3)

Comprensioni:

∑ - Il sistema binomiale dei nomi delle specie è universale tra i biologi ed è stato concordato e sviluppato in una serie di congressi

  • Sistema formale di due nomi per classificare le specie.
  • Originariamente sviluppato dal naturalista svedese Carolus Linnaeus.
  • Attualmente, molti scienziati e specialisti si incontrano in una serie di Congressi Internazionali di Zoologia che si incontrano in diverse città ogni 4 anni
  • Si incontrano per discutere le loro scoperte riguardanti la genetica, il comportamento animale e la classificazione
  • Un argomento principale è il sistema di nomenclatura binomiale e le decisioni riguardanti la classificazione di nuovi organismi o la riclassificazione di quelli vecchi a causa di nuove prove riguardanti l'ascendenza.

Gli obiettivi principali per quanto riguarda l'utilizzo del sistema di nomenclatura binomiale sviluppato sono::

  1. Assicurati che ogni organismo abbia un nome univoco che non possa essere confuso con un altro organismo
  2. Il nome può essere universalmente compreso indipendentemente dalla nazionalità o cultura che utilizza il nome
  3. La stabilità esiste all'interno del sistema non permettendo alle persone di cambiare il nome senza validi motivi scientifici

∑ - Quando le specie vengono scoperte vengono dati nomi scientifici usando il sistema binomiale.

  • Sistema formale di due nomi per classificare le specie.
  • Originariamente sviluppato dal naturalista svedese Carolus Linnaeus.
  • Il primo nome nel sistema di denominazione binomiale è chiamato genere ed è sempre in maiuscolo.
  • Il secondo nome inizia con una lettera minuscola ed è chiamato la specie.
  • The binomial system allows for scientists across cultures, regions and languages to communicate effectively with regards to specific organisms.

∑ - Taxonomists classify species using a hierarchy of taxa.

  • A taxon means a group of something
  • Scientists arrange or organize species into a hierarchical set of groups in order to organize organisms into specific similar groups based on similar characteristics
  • As one goes higher up on a classification chart, the greater the number of species are included in the group


∑ - All organisms are classified into three domains.

  • The Archaea and Bacteria domains are prokaryotes. These are organisms that do not have a membrane-bound nucleus and their DNA is not associated with proteins.
  • The Bacteria domain consists of Eubacteria and archaebacteria are classified as Archaeans.
  • The Eukarya domain includes eukaryotes, or organisms that have a membrane-bound nucleus. This domain is further subdivided into the kingdoms Protista, Fungi, Plantae, and Animalia
  • Groups organisms primarily based on differences in ribosomal RNA structure. L'RNA ribosomiale è un elemento costitutivo molecolare per i ribosomi.

∑ - The principal taxa for classifying eukaryotes are kingdom, phylum, class, order, family, genus and species.

Taxa
Umano
Gray Wolf
Regno
Animalia
Animalia
Phylum
Accordi
Accordi
Classe
Mammalia
Mammalia
Ordine
Primate
carnivora
Famiglia
ominidi
Canidi
Genere
Homo
Canus
Specie
sapiens
lupus

∑ - In a natural classification, the genus and accompanying higher taxa consist of all the species that have evolved from one common ancestral species.

  • For natural classification, it is assumed that all members of that group shared a common ancestor at some point in their history. This can be seen in their structure. Unnatural or artificial classification, for example, would be birds and flies. They both can fly however flight evolved separately, and they are classified separately

β - Application: Classification of one plant and one animal species from domain to species level.

Research one plant and one animal example and fill out the table below.

Taxa Plant example (__________________)
Animal example (___________________)
Dominio


Regno


Phylum


Classe


Ordine


Famiglia


Genere


Specie


∑ - Taxonomists sometimes reclassify groups of species when new evidence shows that a previous taxon contains species that have evolved from different ancestral species.


Finding for evolution, comparing past flower numbers with present - Biology

Fossils and the Birth of Paleontology: Nicholas Steno

If one day in history had to be picked as the birth of paleontology, it might be the day in 1666 when two fishermen caught a giant shark off the coast of Livorno in Italy. The local duke ordered that this curiosity be sent to Niels Stensen (better known as Steno), a Danish anatomist working at the time in Florence. As Steno dissected the shark, he was struck by how much the shark teeth resembled “tongue stones,” triangular pieces of rock that had been known since ancient times.

Today, most people would instantly wonder whether the tongue stones were giant petrified shark teeth, but in 1666 such a presumption was a tremendous leap. Few could imagine how living matter could be turned to stone, and beyond that, encased in solid rock—especially if the rock were well above sea level and contained remnants of a marine organism. Fossils were instead thought to have fallen from the sky, or to be “sports of nature”—peculiar geometrical shapes impressed on the rocks themselves.


Comparing cell types

According to Alexander Tarashansky, a graduate student in bioengineering who works in Wang’s laboratory, the idea to create the algorithm came when Wang walked into the lab one day and asked him if he could analyze cell-type datasets from two different worms the lab studies at the same time.

“I was struck by how stark the differences are between them,” said Tarashansky, who was lead author of the paper and is a Stanford Bio-X Interdisciplinary Fellow. “We thought that they should have similar cell types, but when we try analyzing them using standard techniques, the method doesn’t recognize them as being similar.”

He wondered if it was a problem with the technique or if the cell types were just too different to match across species. Tarashansky then began working on the algorithm to better match cell types across species.

“Let’s say I want to compare a sponge to a human,” said Tarashansky. “It’s really not clear which sponge gene corresponds to which human gene because as organisms evolve, genes duplicate, they change, they duplicate again. And so now you have one gene in the sponge that may be related to many genes in humans.”

Instead of trying to find a one-to-one gene match like previous methods for data matching, the researchers’ mapping method matches the one gene in the sponge to all potentially corresponding human genes. Then the algorithm proceeds to figure out which is the right one.

Tarashansky says trying to find only one-to-one gene pairs has limited scientists looking to map cell types in the past. “I think the main innovation here is that we account for features that have changed over the course of hundreds of millions of years of evolution for long-range comparisons.”

“How can we use the ever-evolving genes to recognize the same cell type that are also constantly changing in different species?” Said Wang, who is senior author of the paper. “Evolution has been understood using genes and organismal traits, I think we are now at an exciting turning point to bridge the scales by looking at how cells evolve.”


Reviewer report 3

Eugene V. Koonin, NCBI, NLM, NIH, Bethesda, MD 20894, USA

This is a very interesting paper (certainly, fantastic read) that indeed decisively goes beyond the TOL by effectively dismissing the TOL as either an accurate depiction of the evolutionary (outside plants and animals) or a useful tool to study evolution. Without going into much detail, I will state my position on this issue.

Author's response

Thanks for the kind words, I will try to be terse, too. My paper deals with more than LGT-ToL, but from the referees's upcooming book [170]it seems that we are in broad and general agreement on the coarse outline of things regarding origin of life and origin of eukaryote issues.

As almost all literature in this field, this article argues against the TOL on the basis of the abundance of "lateral gene transfer" (LGT). And this is I am afraid a contradiction in terms: for any gene transfer to be labelled lateral, there should be a standard of vertical evolution to compare it with. If there is none, then there is no such thing as LGT either, just a tangled web of gene exchanges. But let us think a little deeper about this and ask: what are the nodes in that network of life's evolution? The answer is clear enough: distinct organisms or groups of organisms or lineages (if one takes the view that species do not exist among prokaryotes). And of course we know full well that such lineages exist and they do exchange genes laterally. What does it mean that there distinct lineages of prokaryotes (or any organisms)? Ostensibly, that ensembles of genes (genomes) evolve as coherent, if not immutable, wholes for extended time intervals. In other words, there are substantial fragments of tree-like evolution in the history of the prokaryotic world. So far so good but then it is pointed out that "at depth, the tree of life is not a tree". A statement supported by many observations as any phylogenetic signal certainly deteriorates as one attempts to trace it back to the early days of life's history. Still, is it the case that no signal of coherence between phylogenies of individual genes exists whatsoever? At least one recent study addressed this exact question, and the answer seems to be that the signal persists throughout, however weak it is at the deepest level [189].

Author's response

Yes, the deeper we go, the weaker the signals get, for several reasons elaborated there [189]. Recalling that folks can just barely agree on the branching orders for mammals (less than 300 MY of evolution) despite abundant homologous molecular data and no LGT that anyone can think of, the existence of any apparent congruence in the Puigbo et al. NUTs (nearly universal trees) is actually the surprise, as Leigh et al. [190]show, the methodological issue of ancient phylogenies notwithstanding [189, 191]

So my position is that the TOL is not as dead as it might seem to be and, if interpreted within a flexible conceptual framework, it is not an impediment to evolutionary research at all (as repeatedly suggested in this article). If we reinvent the TOL as a signal of partially congruent evolution of individual genes and try to measure this trend quantitatively, the answer comes out as

40% tree-like evolution [16]. This is still a minority of the evolutionary processes in the prokaryotic world but a far cry for "a tree of 1%" that the TOL becomes if interpreted simplistically as the tree of concatenated universal (see the critique of [2] in [76] and in this article). I think that the "statistical TOL" reflects two important facets of evolutionary reality:

A tree is a natural representation of a gene's history [192] as also acknowledged in this article

Genes do not evolve in isolation but rather in ensembles, and there is coherence in the evolution of such ensembles (genomes) that decays but does not disappear with evolutionary time.

Author's response

Yes, genes evolve individually as trees, barring recombination. But I would offer that 40% number needs some hefty qualification. The 40% number comes from an analysis of the NUTs [191]. The NUTs, meaning nearly universal trees, are trees for 102 proteins that are present in about 90% of broad sample of prokaryotic genomes [16, 189]. Recalling that 102 proteins corresponds to about 2-3% of typical prokaryotic genome, the 40% number means that about 40% of about 3% of the genome signal has some vertical component. Forty percent of three percent boils down to a tree of 1.2% which for our present purposes is not at all a far cry from a tree of 1%. We fully agree that towards the tips, prokaryotic evolution is to some extent treelike. But let's keep in mind that E. coli has about 18,000 genes [193], of which an individual only has about 4,500. The concept of "vertical" in situations where an individual only has 25% of the genes that its species contains requires more qualifications than we want to discuss here.

I believe that the "weak TOL" perceived this way is an asset to evolutionary biology rather than an impediment, in part because it is a most convenient - and in my view legitimate - framework for constructing evolutionary scenarios. This position by no account denies the importance of network representation of evolution as in [21]. These are not just useful but necessary perspectives on evolution that are complementary to the tree perspective.

Author's response

There is a tree component, and it is at the tips. But my paper is about early evolution, where today's tips have little direct bearing on the issues.

Finally, I would like to make a few notes on the differences between the tree components of evolution in prokaryotes and in eukaryotes. Surely, it is easier to construct reliable trees for multicellular eukaryotes but is the difference qualitative or quantitative?

Author's response

Both, but mostly qualitative.

I would argue for the latter view.

Author's response

OK, let's debate this briefly here.

Indeed, even in animals and plants, there are substantial parts of the genomes that hardly show much tree-like evolution at any significant phylogenetic depths due to extensive lineage-specific gene loss and even more lineage-specific accumulation of mobile elements. Then, much like in prokaryotes, when one goes deep into the evolutionary past, the tree signal becomes quite faint: indeed, no definitive resolution of the relationships between the eukaryotic supergroups has been reached despite considerable effort [7, 194, 195]. The pan-eukaryotic core is not 1% like in prokaryotes but is < 10% of the gene repertoires of the large genomes. Yes, evolution of eukaryotes is more tree-like than evolution of prokaryotes (due in large part to meiosis and regular sex in most groups) but the general description is the same: the TOL is not an overarching pattern but a statistical trend and in that form is real and useful.

Author's response

Right, and in addition euakryotes boast recurrent genome duplications (ploidization or whole genome duplications) and quick returns to the original haploid or diploid genetics via random loss of homeologues [196]. Over time, that leads to massive hidden microparalogy, a phylogenetic resolution problem specific to eukaryotes because prokaryotes lack similar mechanisms. And yes, eukaryote individuals inherit 100%, not 25% of the genes found in the species, and eukaryotes generally do not express their genes during cell division, an issue that relates to the origin of the nucleus, as I think we would argree. For the purposes of this paper (on early evolution), however, eukaryote phylogeny is an issue of the tips, and the tips have a treelike nature, in eukaryotes for sure: on that we agree. Here the debated point in this comment is "how much tree is there deep", and for the most part my essay says, starting with the title "it doesn't really matter", because none of my arguments are based on trees (though some might be congruent with aspects thereof). Given transduction, natural competence, conjugation, gene transfer agents, CRISPRs and the like in prokaryotes vs. "mate with your own kind" inheritance in eukaryotes, I think it is fair to say the following: the difference is quantitative, as you argue, but it is quantitative for qualitative reasons. Thus, can we agree on a remis on this point?


BIOL𧆂H

  • Title: HON: Environmental Science*
  • Number: BIOL 130H
  • Effective Term: 2021-22
  • Credit Hours: 1
  • Contact Hours: 1
  • Lecture Hours: 1

Requisiti:

Prerequisiti: Honors department approval.

Descrizione:

One-credit hour honors contract is available to qualified students who have an interest in a more thorough investigation of a topic related to this subject. An honors contract may incorporate research, a paper, or project and includes individual meetings with a faculty mentor. Student must be currently enrolled in the regular section of the courses or have completed it the previous semester. Contact the Honors Program Office, COM 201, for more information.

Textbooks:

Forniture:

Obiettivi

Content Outline and Competencies:

Method of Evaluation and Competencies:

Grade Criteria:

Caveats:

Responsabilità degli studenti:

Disabilities:

JCCC provides a range of services to allow persons with disabilities to participate in educational programs and activities. If you are a student with a disability and if you are in need of accommodations or services, it is your responsibility to contact Access Services and make a formal request. To schedule an appointment with an Access Advisor or for additional information, you may send an email or call Access Services at (913)469-3521. Access Services is located on the 2nd floor of the Student Center (SC 202).


Introduzione

Evolutionary developmental biology is a discipline with a long and distinguished history. Eminent scientists such as Haeckel and D’Arcy Thompson found insight into the organismal history of morphology from an understanding of developmental programs. However, as a modern field with a strong molecular genetic base, evolutionary developmental biology has really become prevalent in the past two decades, particularly following the description of homeotic genes that appear to be linked to key morphological transitions. A primary goal of evolutionary developmental biology (“evo-devo”) is to define how developmental programs are modified to generate novel or labile morphologies. This requires an understanding of the molecular genetic basis of these programs and of the changes they have undergone. These goals have been pursued in both plants and animals with striking insights gained in both kingdoms.

Because evo-devo is, by definition, a cross-disciplinary activity, it is conducted within a framework that often seems polarized. Evo-devo biologists with a molecular developmental background tend to consider first the genetic basis of the program in question, before looking at the evolutionary transitions in morphology that result from it, while evolutionary biologists tend to approach the problem from the opposing position. The past decade has seen the establishment of a common language and standards, which has greatly improved the integration of the discipline.

More recently, thanks in part to the remarkable technical advances that now enable in-depth studies to be performed on an unprecedented range of species, a more comparative approach has been added to mechanistic developmental biology. In this review we attempt to show how, by using an evo-devo approach, insights into both developmental and evolutionary biology can be gained. We have focused our examples on traits of the angiosperm flower, although the concepts we discuss are more broadly applicable. The review begins with a theoretical section (“Developmental Insight into Evolutionary Concepts”), discussing the general concepts of morphological evolution and the role that developmental biology can play in providing insight into those concepts. In this initial section we discuss the origin of novel traits, the phenomenon of homoplasy, and the special case of convergent and parallel evolution. In the subsequent two sections we discuss selected examples of floral traits whose comparative developmental biology has provided greater understanding of these concepts. “The Origin of Novel Floral Traits” focuses on evolutionary novelty, while “Developmental Mechanisms Underlying Floral Homoplasy” considers examples of traits that are labile through evolutionary time. We hope that these examples will stimulate fresh debate and ideas about how comparative developmental analyses can inform evolutionary studies. We conclude with a brief perspective on the prospects for the future of this exciting field.


Ringraziamenti

We thank Dr. Elaine Solowey of the Arava Institute of Environmental Sciences, Kibbutz Ketura, Israel for supplying leaf samples of the seven germinated ancient date palms Marc Arnoux, Nizar Drou, Michael Dhar, and the New York University Abu Dhabi Bioinformatics Core for assistance with DNA sequencing and bioinformatic analyses and Joel Malek for introducing the collaborators to each other. We are grateful to Yann Bourgeois, Nathan Wales, Christopher West, Rafal Gutaker, and Jae Young Choi for insightful discussions to Martin Petr for support in the use of the R pacchetto admixr and to Ramin Rahni for graphical support. This study was supported in parts by grants from the New York University Abu Dhabi Research Institute, the US NSF Plant Genome Research Program, and the Zegar Family Foundation to M.D.P.


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