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Menor população reprodutora viável

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Qual é a menor população reprodutora viável, como em uma população humana. Por viável, quero dizer uma população que mantém os defeitos genéticos baixos (o suficiente).

Uma questão fortemente relacionada: qual é o número esperado de gerações que uma determinada população pode sobreviver?


A literatura de biologia da conservação tem uma grande quantidade de informações, particularmente com referência ao desenvolvimento de planos de sobrevivência de espécies (por exemplo, Traill et al. [2007] relatam que um tamanho populacional mínimo efetivo de ~ 4.000 dará uma probabilidade de persistência de 99% de 40 gerações).

Como a pergunta menciona especificamente populações humanas, focalizarei minha resposta na genética de pequenas populações humanas, embora haja consideravelmente menos informações disponíveis.

Hamerton et al. (1965; Natureza 206: 1232-1234) estudaram anormalidades cromossômicas em 201 indivíduos de uma população total de 268 da pequena ilha de Tristão da Cunha. Esses autores relatam o aumento das anormalidades cromossômicas (aneuploidia; hipo ou hiperdiploidia) com a idade e sugerem que isso pode resultar em diminuição da eficiência mitótica. Pensa-se que esta população se desenvolveu a partir de uma população fundadora de apenas 15 anos. De acordo com Mantle e Pepys (2006; Clin Exp Allergy 4: 161-170) aproximadamente dois ou três dos colonos originais eram asmáticos, o que levou a uma prevalência muito alta (32%) na população atual.

Kaessmann et al. (2002; Am J Hum Genet 70: 673-685) apresentam um estudo mais moderno de desequilíbrio de ligação em duas pequenas populações humanas (Evenki e Saami; ~ 58.000 e ~ 60.000 tamanhos populacionais, respectivamente) em comparação com duas grandes populações (finlandeses e suecos; ~ 5 e ~ 9 milhões ) Os autores encontram LD significativo em 60% da população de Evenki e 48% de Sami, mas apenas 29% em finlandeses e suecos.

Lieberman et al. (2007; Nature 445: 727-731) discutem o potencial de detecção de parentesco humano para evitar consanguinidade. Esses mecanismos foram encontrados em outras espécies, "desde amebas sociais, insetos sociais e camarões, a pássaros, pulgões, plantas, roedores e primatas". Lieberman et al. propor mecanismos que contribuam para a detecção de irmãos em humanos, incluindo "associação perinatal materna" e "duração da co-residência". Além dessas pistas comportamentais, os autores também sugerem pistas fisiológicas, como o principal complexo de histocompatibilidade desempenhando um papel.


Suspeito que a resposta definitivamente incluiria um parâmetro que declararia quão 'diversa' a população em reprodução é para começar - incluindo quão heterozigoto cada indivíduo é (versus consanguíneo); bem como entre indivíduos - ou seja, quão diferentes esses indivíduos são uns dos outros.


Biologia de conservação

Espécies com populações pequenas correm maior risco de extinção em comparação com espécies com população maior. Na maioria das vezes, há a necessidade de conservar as espécies de forma eficaz e também utilizar os recursos disponíveis em uma área. Isso levou ao desenvolvimento de conceitos essenciais para pequenas populações MVP e MDA. A população mínima viável (MVP) é o menor tamanho da população com maior chance de sobrevivência. Para vertebrados, alguns biólogos sugeriram proteger pelo menos 500-5000 espécies para manter a variabilidade genética e a resiliência das espécies. Por outro lado, a área dinâmica mínima é o habitat adequado necessário para manter a população mínima viável. Foi estimado que 100-1000km2 são necessários para manter a população de pequenos mamíferos nas reservas africanas.
Pequenas populações estão altamente sujeitas a uma taxa de declínio mais rápida do que grandes populações, principalmente devido à perda de variabilidade genética e problemas relacionados de consanguinidade, desvios genéticos e flutuações demográficas devido a variações aleatórias e taxas de natalidade e mortalidade. A variabilidade genética permite que a maioria das espécies se adapte ao seu ambiente, o que permite a especiação. As frequências alélicas têm uma chance maior de mudar ao longo de muitas gerações em populações menores por um processo conhecido como deriva genética aleatória. Quando as frequências alélicas ocorrem em uma pequena população em baixas frequências, há uma chance maior de serem perdidas em algumas gerações, o que reduz a variação genética da população. A depressão por endogamia é uma condição em que os indivíduos acasalam com parentes próximos, como primos, irmãos, autofecundação em hermafroditas e etc. Um pequeno tamanho da população aumenta a chance de endogamia, uma vez que pode ser difícil para os indivíduos encontrarem parceiros. Este processo produz descendentes fracos, estéreis ou em menor número. A depressão por endogamia ocorre quando indivíduos de diferentes populações se acasalam para produzir híbridos que são geralmente fracos, estéreis e mal adaptados ao seu ambiente. A variabilidade genética reduzida também leva à perda de flexibilidade evolutiva devido à ausência de alelos raros que podem permitir que os indivíduos se adaptem a condições e doenças mutáveis.
Para proteger e preservar as populações, é necessário saber o tamanho efetivo da população, que é estimado como o número de indivíduos reprodutores em uma população. O tamanho efetivo da população é sempre menor do que a população principal devido a fatores como muitos indivíduos da população podem não estar produzindo, razão sexual desigual de indivíduos, variação em indivíduos no número de descendentes produzidos e a população pode mostrar grande flutuação ao longo do tempo. Variações nas taxas reprodutivas e de mortalidade também podem fazer com que pequenas populações flutuem aleatoriamente em tamanho. As variações ambientais também podem fazer com que pequenas populações diminuam de tamanho, tornando-as mais vulneráveis ​​à extinção. A fragmentação e outras atividades humanas também tornam as populações mais vulneráveis ​​a flutuações de tamanho e eventual extinção.
A leitura deste capítulo me conscientizou da importância de grandes populações. Parece que a maioria das atividades humanas torna as populações pequenas, o que as torna altamente vulneráveis ​​à extinção. As populações não são eliminadas instantaneamente pelas populações humanas, mas tornam-se instáveis ​​e pequenas, o que leva à eventual extinção.


5 - Populações mínimas viáveis: lidando com a incerteza

O Relatório Global 2000 para o Presidente (1980) estima que entre 500.000 e 2.000.000 de espécies - 15-20% de todas as espécies na Terra - podem ser extintas até o ano 2000. Embora a exploração direta e a poluição certamente sejam fatores, o A principal causa dessa onda projetada de extinções é a perda contínua de habitats selvagens. Assim, a conservação e gestão do habitat serão os elementos-chave em qualquer programa para minimizar ou reduzir esta diminuição esperada da diversidade biótica do mundo.

Dada uma população humana em expansão com expectativas econômicas crescentes, a competição pelo uso das terras selvagens remanescentes no mundo será intensa. Os conservacionistas freqüentemente enfrentam o problema de determinar quão pouco habitat uma espécie pode ter e ainda assim sobreviver. Ao mesmo tempo, os biólogos estão cada vez mais começando a reconhecer que a extinção pode frequentemente ser o resultado de eventos casuais e que a probabilidade de extinção pode aumentar dramaticamente conforme o tamanho da população diminui.

Para ver isso, considere a vida de um ser vivo individual. Para cumprir o potencial da vida, o indivíduo deve ser concebido, passar por um intrincado período de desenvolvimento, nascer, desenvolver-se ainda mais, acasalar-se, reproduzir-se e, ao mesmo tempo, sobreviver. Em qualquer lugar ao longo desse continuum de eventos, o indivíduo pode morrer.


Isolamento Reprodutivo

Dado o tempo suficiente, a divergência genética e fenotípica entre as populações afetará os caracteres que influenciam a reprodução: se os indivíduos das duas populações fossem reunidos, o acasalamento seria menos provável, mas se o acasalamento ocorresse, a prole seria inviável ou infértil. Muitos tipos de caracteres divergentes podem afetar o isolamento reprodutivo , a capacidade de cruzamento das duas populações.

O isolamento reprodutivo pode ocorrer de várias maneiras. Os cientistas os organizam em dois grupos: barreiras pré-zigóticas e barreiras pós-zigóticas. Lembre-se de que um zigoto é um óvulo fertilizado: a primeira célula do desenvolvimento de um organismo que se reproduz sexualmente. Portanto, um barreira pré-zigótica é um mecanismo que bloqueia a reprodução, incluindo barreiras que impedem a fertilização quando os organismos tentam a reprodução. UMA barreira pós-zigótica ocorre após a formação do zigoto, isso inclui organismos que não sobrevivem ao estágio embrionário e aqueles que nascem estéreis.

Alguns tipos de barreiras pré-zigóticas impedem totalmente a reprodução. Muitos organismos se reproduzem apenas em certas épocas do ano, freqüentemente apenas anualmente. Diferenças nos horários de criação, que chamamos isolamento temporal , pode atuar como uma forma de isolamento reprodutivo. Por exemplo, duas espécies de rãs habitam a mesma área, mas uma se reproduz de janeiro a março, enquanto a outra se reproduz de março a maio (Figura 7).

Figura 7. Estas duas espécies de sapos relacionadas exibem isolamento reprodutivo temporal. (uma) Aurora rana raças no início do ano que (b) Rana Boylii. (crédito a: modificação da obra de Mark R. Jennings, USFWS crédito b: modificação da obra de Alessandro Catenazzi)

Em alguns casos, as populações de uma espécie se movem ou são movidas para um novo habitat e passam a residir em um lugar que não se sobrepõe mais às mesmas espécies e outras populações. Chamamos esta situação isolamento de habitat . A reprodução com a espécie parental cessa e existe um novo grupo que agora é reprodutiva e geneticamente independente. Por exemplo, uma população de críquete que foi dividida após uma enchente não pôde mais interagir entre si. Com o tempo, as forças de seleção natural, mutação e deriva genética provavelmente resultarão na divergência dos dois grupos (Figura 8).

Figura 8. A especiação pode ocorrer quando duas populações ocupam habitats diferentes. Os habitats não precisam estar distantes. O grilo (a) Gryllus pennsylvanicus prefere solo arenoso, e o grilo (b) Gryllus firmus prefere solo argiloso. As duas espécies podem viver em estreita proximidade, mas por causa de suas preferências de solo diferentes, tornaram-se geneticamente isoladas.

Isolamento comportamental ocorre quando a presença ou ausência de um comportamento específico impede a reprodução. Por exemplo, vaga-lumes machos usam padrões de luz específicos para atrair fêmeas. Várias espécies de vaga-lumes exibem suas luzes de maneira diferente. Se um macho de uma espécie tentasse atrair a fêmea de outra, ela não reconheceria o padrão de luz e não acasalaria com o macho.

Outras barreiras pré-zigóticas funcionam quando diferenças em suas células de gametas (óvulos e espermatozoides) impedem que a fertilização ocorra. barreira gamética. Da mesma forma, em alguns casos, organismos intimamente relacionados tentam acasalar, mas suas estruturas reprodutivas simplesmente não se encaixam. Por exemplo, donzelas machos de espécies diferentes têm órgãos reprodutivos de formatos diferentes. Se uma espécie tenta acasalar com a fêmea de outra, suas partes corporais simplesmente não se encaixam. (Figura 9).

Figura 9. A forma do órgão reprodutor masculino varia entre as espécies de donzelas masculinas e só é compatível com a fêmea dessa espécie. A incompatibilidade de órgãos reprodutivos mantém as espécies isoladas reprodutivamente.

Nas plantas, certas estruturas destinadas a atrair um tipo de polinizador simultaneamente evitam que um polinizador diferente acesse o pólen. O túnel através do qual um animal deve acessar o néctar pode variar amplamente em comprimento e diâmetro, o que evita que a planta seja polinizada por cruzamento com uma espécie diferente (Figura 10).

Figura 10. Algumas flores evoluíram para atrair certos polinizadores. A (a) flor larga de dedaleira é adaptada para polinização por abelhas, enquanto a (b) flor trombeta trombeta longa, em forma de tubo, é adaptada para polinização por beija-flores.

Quando ocorre a fertilização e um zigoto se forma, as barreiras pós-zigóticas podem impedir a reprodução. Em muitos casos, os indivíduos híbridos não podem se formar normalmente no útero e simplesmente não sobrevivem aos estágios embrionários. Isso é chamado inviabilidade híbrida porque os organismos híbridos simplesmente não são viáveis. Em outra situação pós-zigótica, a reprodução leva ao nascimento e crescimento de um híbrido que é estéril e incapaz de reproduzir seus próprios descendentes, isso é chamado de esterilidade híbrida.

Influência do habitat na especiação

A especiação simpátrica também pode ocorrer de outras maneiras além da poliploidia. Por exemplo, considere uma espécie de peixe que vive em um lago. À medida que a população cresce, a competição por alimentos também aumenta. Sob pressão para encontrar alimento, suponha que um grupo desses peixes tivesse flexibilidade genética para descobrir e se alimentar de outro recurso que não era utilizado pelos outros peixes. E se essa nova fonte de alimento fosse encontrada em uma profundidade diferente do lago? Com o tempo, aqueles que se alimentam da segunda fonte de alimento interagiriam mais uns com os outros do que os outros peixes, portanto, eles se reproduziam juntos também. A descendência desses peixes provavelmente se comportaria como seus pais: alimentando-se e vivendo na mesma área e mantendo-se separados da população original. Se esse grupo de peixes continuasse separado da primeira população, eventualmente a especiação simpátrica poderia ocorrer à medida que mais diferenças genéticas se acumulassem entre eles.

Este cenário ocorre na natureza, assim como outros que levam ao isolamento reprodutivo. Um desses lugares é o Lago Vitória na África, famoso por sua especiação simpátrica de peixes ciclídeos. Os pesquisadores encontraram centenas de eventos de especiação simpátrica nesses peixes, que não só aconteceram em grande número, mas também em um curto período de tempo. A Figura 11 mostra esse tipo de especiação entre uma população de peixes ciclídeos na Nicarágua. Neste local, dois tipos de ciclídeos vivem na mesma localização geográfica, mas passaram a ter morfologias diferentes que os permitem comer várias fontes de alimento.

Figura 11. Peixes ciclídeos do Lago Apoyeque, Nicarágua, mostram evidências de especiação simpátrica. O Lago Apoyeque, um lago da cratera, tem 1.800 anos, mas as evidências genéticas indicam que o lago foi povoado há apenas 100 anos por uma única população de peixes ciclídeos. No entanto, duas populações com morfologias e dietas distintas existem agora no lago, e os cientistas acreditam que essas populações podem estar em um estágio inicial de especiação.


Alguns peixes-serra ameaçados de extinção estão tendo bebês, não é necessário sexo

Alguns membros fêmeas de uma espécie criticamente ameaçada de peixe-serra estão se reproduzindo na natureza sem sexo. A descoberta, relatada no jornal Cell Press Biologia Atual em 1º de junho, marca a primeira vez que descendentes vivos de "nascimentos virgens" foram encontrados em um vertebrado que se reproduz sexualmente na natureza, dizem os pesquisadores.

Evidências anteriores de que os vertebrados às vezes podem se reproduzir por meio de um processo chamado partenogênese vieram principalmente de exemplos isolados de animais em cativeiro - incluindo pássaros, répteis e tubarões. Nesses casos, os animais em questão surpreendiam seus tratadores dando à luz, apesar do fato de não terem tido oportunidade de acasalar. Além disso, os pesquisadores relataram recentemente duas cobras fêmeas de vida livre, cada uma grávida de um único partenógeno, mas não se sabia se esses embriões teriam vivido na natureza. Portanto, ninguém realmente sabia se esse fenômeno ocorria de forma significativa em populações selvagens.

Demian Chapman, da Stony Brook University em Nova York e seus colegas do Laboratório Priztker no Field Museum de Chicago e a Comissão de Conservação de Peixes e Vida Selvagem da Flórida descobriram que partenógenos vertebrados podem viver e vivem na natureza após realizar algumas impressões digitais de DNA de rotina peixe-serra em um estuário da Flórida. As análises de DNA dos pesquisadores mostram que cerca de 3% dos peixes-serra em seus estudos são produtos dessa forma incomum de reprodução.

O peixe-serra de dente pequeno é uma das cinco espécies de peixe-serra, um grupo de grandes raias conhecidas por sua longa rostro cravejada de dentes que usam para subjugar peixes pequenos. Os pesquisadores afirmam que o peixe-serra pode ser a primeira família de animais marinhos a ser extinta devido à pesca excessiva e à perda de habitat costeiro. Os peixes-serra Smalltooth são encontrados principalmente hoje em um punhado de locais no sul da Flórida, incluindo os rios Caloosahatchee e Peace.

"Estávamos realizando impressões digitais de DNA de rotina do peixe-serra encontrado nesta área para ver se os parentes estavam frequentemente se reproduzindo com parentes devido ao seu pequeno tamanho de população", disse o autor principal do estudo, Andrew Fields, candidato a PhD em Stony Brook Escola de Ciências Marinhas e Atmosféricas da Universidade. "O que as impressões digitais de DNA nos disseram foi totalmente mais surpreendente: as fêmeas do peixe-serra às vezes se reproduzem sem nem mesmo acasalar."

A partenogênese é comum em invertebrados, mas rara em animais vertebrados, explicam os pesquisadores. Acredita-se que a partenogênese dos vertebrados ocorra quando um óvulo não fertilizado absorve uma célula-irmã geneticamente idêntica. A prole resultante tem cerca de metade da diversidade genética de suas mães e muitas vezes morre.

"Havia um sentimento geral de que a partenogênese dos vertebrados era uma curiosidade que geralmente não levava a uma prole viável", disse Gregg Poulakis, da Comissão de Conservação de Peixes e Vida Selvagem da Flórida, que liderou as coletas de peixes-serra no campo.

E, no entanto, os sete partenógenos que os pesquisadores descobriram pareciam estar em perfeita saúde. Todos os animais foram marcados e soltos de volta na natureza como parte de um estudo contínuo dos movimentos do peixe-serra.

"A partenogênese ocasional pode ser muito mais rotineira em populações de animais selvagens do que jamais pensamos", diz Kevin Feldheim, do Laboratório Pritzker no Field Museum de Chicago, onde a impressão digital de DNA foi realizada.

É possível que essa forma de reprodução ocorra principalmente em populações pequenas ou em declínio. Os pesquisadores agora estão encorajando outros a examinar seus bancos de dados de DNA em busca de outras instâncias ocultas de partenógenos de vertebrados que vivem na natureza.

Quanto ao peixe-serra dente pequeno, é possível que essa habilidade possa mantê-lo por mais um tempo. Mas não será o suficiente para salvá-los.

"Isso deve servir como um alerta de que precisamos de esforços globais sérios para salvar esses animais", disse Feldheim.

A pesquisa foi financiada pelo Serviço Nacional de Pesca Marinha dos EUA, Fundação Roe e Fundação Pritzker.

Biologia Atual, Fields et al. "Partenogênese facultativa em um vertebrado selvagem criticamente ameaçado de extinção" http: // dx. doi. org / 10. 1016 / j. filhote. 2015. 04. 018

Biologia Atual, publicado pela Cell Press, é um jornal bimestral que apresenta artigos em todas as áreas da biologia. Biologia Atual se esforça para promover a comunicação entre os campos da biologia, publicando descobertas importantes de interesse geral e por meio de um assunto altamente acessível para não especialistas. Para obter mais informações, visite http: // www. célula. com / current-biology. Para receber alertas de mídia para Biologia Atual ou outras revistas da Cell Press, [email protected]

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Qual é a população mínima viável de uma colônia espacial?

Digamos que encontramos um planeta amigável para os humanos orbitando outra estrela e decidimos colonizá-lo. Quantas pessoas devemos enviar? Em termos de manutenção de um pool genético humano saudável, qual é a população mínima viável para uma colônia espacial isolada e distante?

Se você for como eu, você passou muitas noites sem dormir pensando nessa questão.

Sinceramente, duvido que alguém possa nos fornecer um número firme e específico. No entanto, existe uma espécie de regra geral generalizada no campo da biologia da conservação chamada regra 50/500.

Originalmente proposta em 1980 pelo geneticista Ian Franklin e o biólogo Michael Soule, a regra 50/500 nos diz:

  • Populações abaixo de 50 estão sob ameaça de extinção devido à consanguinidade.
  • Populações abaixo de 500 estão sob ameaça de extinção de longo prazo porque o pool genético é muito pequeno para se adaptar às mudanças ambientais.

Exceto que a regra 50/500 não é uma lei científica rígida. É apenas uma regra prática e tem muitos, muitos detratores.

Até Michael Soule, um dos co-criadores da regra, parece ter ficado bastante frustrado com a forma como as pessoas interpretaram a regra literalmente. Aqui está um artigo interessante e, eu acho, revelador sobre alguns papagaios ameaçados de extinção. Uma equipe de conservacionistas contatou Soule, perguntando se eles deveriam ao menos se incomodar em tentar salvar esses papagaios, porque só restavam 48.

Há também um argumento a ser feito de que os números 50 e 500 são muito baixos e que uma regra 100/1000 seria mais apropriada. E, claro, podemos realmente aplicar esta regra a todas as espécies igualmente quando algumas espécies se reproduzem mais rapidamente do que outras ou enfrentam diferentes tipos de desafios ambientais, etc, etc & # 8230.

Ainda assim, se estamos tentando imaginar uma colônia de humanos em algum mundo distante, uma colônia lutando pela sobrevivência a curto prazo e / ou a longo prazo, acho que a regra 50/500 pelo menos nos dá um bom lugar para começar.


Biologia reprodutiva e biotecnologias em felinos selvagens

Estratégias de conservação em habitats naturais, bem como em centros de reprodução, são necessárias para manter e reforçar populações viáveis ​​de felinos selvagens. Entre os conhecimentos fundamentais necessários para a reprodução de conservação, uma compreensão sólida da biologia reprodutiva é crítica para melhorar a reprodução natural e aumentar a diversidade genética. Além disso, oferece a oportunidade de desenvolver tecnologias de reprodução assistida (ARTs) em espécies ameaçadas e em perigo de extinção. O melhoramento conservador e as biotecnologias reprodutivas de felinos selvagens avançaram na última década. Foi claramente demonstrado que os felinos fêmeas têm espécies e padrões individuais de ciclos reprodutivos e respondem de maneira diferente aos hormônios exógenos. Nos machos, várias espécies ainda apresentam baixa qualidade de sêmen, muitas vezes devido à perda de diversidade genética em pequenas populações. Para superar os desafios da reprodução natural (incompatibilidade entre indivíduos ou ambiente subótimo) e mitigar a endogamia, a inseminação artificial, a produção de embriões e a transferência de embriões foram desenvolvidas em 24 espécies de gatos selvagens. Os principais fatores que limitam o sucesso do TARV são respostas inconsistentes à estimulação ovariana, qualidade variável dos gametas e embriões e preparação das fêmeas receptoras. Abordagens adicionais, incluindo tecnologias de células-tronco, foram exploradas para futuras aplicações médicas. No entanto, ainda há uma necessidade crítica de melhor conhecimento da biologia reprodutiva felina e melhoria da eficiência dos ARTs para aumentar a diversidade genética e criar populações sustentáveis ​​de felinos selvagens.

Palavras-chave: Biotecnologia Conservação Biologia reprodutiva Wild felids.


Que termo os biólogos usam para descrever o número de indivíduos que uma espécie requer para se reproduzir com sucesso e prevenir sua extinção? capacidade de carga densidade populacional curva de sobrevivência mínima viável da população

População mínima viável, é a menor população que um ecossistema pode ter de uma espécie e não passar por eventos catastróficos.

população mínima viável

População mínima viável é o termo que os biólogos usam para descrever o número de indivíduos que uma espécie requer para se reproduzir com sucesso e prevenir sua extinção. A população mínima viável é o número mínimo de organismos discretos necessários para se reproduzir entre esses organismos na espécie e impedir que a espécie se extinga.

Se a população mínima viável for mantida, então a espécie é capaz de se reproduzir, mas tem que competir com outro organismo quando o fator limitante desempenha seu papel.

Tamanho mínimo de populações viáveis ​​(MVPs)

O termo tamanho mínimo de população viável refere-se ao menor tamanho de população viável que persistirá por um determinado período de tempo. Descreve o tamanho da população que é capaz de se prevenir da extinção mantendo-se. O tamanho mínimo de população viável varia para diferentes espécies. É regulado por fatores dependentes e independentes da densidade que regulam a taxa de crescimento de populações ou espécies específicas.


21 Respostas 21

Isso depende bastante do conhecimento tecnológico / médico.

Por exemplo, foi [calculado em 160 para a exploração espacial] [1], desde que os exploradores voltem para casa após 20 gerações. Isso, é claro, pressupõe uma disponibilidade médica muito boa e, na verdade, riscos bastante baixos para os indivíduos. A redução resultante na variabilidade genética foi analisada como não sendo muito prejudicial. Com certeza isso poderia mas não garantido e mesmo pequenas infusões de material genético reduziriam significativamente os negativos. Também começar com alta variabilidade genética ajudará a reduzir esses riscos.

Um bom exemplo de uma população relativamente não variável geneticamente é os judeus Ashkenazi. Um [estudo recente] [2] sugeriu que na história semi-recente (25-30 gerações) sua população total era de cerca de 350 indivíduos sim, existem alguns defeitos genéticos que são comuns, mas não há doença generalizada (ou instabilidade genética), e alguns defeitos genéticos são raros porque não estavam muito presentes naquele grupo populacional inicial.

Eu diria que 160 é um mínimo bastante bom para uma colônia, sim - menos do que isso pode sobreviver, mas qualquer desastre menor tem uma chance desagradavelmente alta de exterminar a colônia.

Quanto mais baixa a tecnologia / disponibilidade de tratamento médico, maior a população precisa ser para fornecer uma 'proteção' para lesões.

A resposta de @Nick Wilde é muito boa, mas o número citado de 160 (a fonte na verdade afirma que 80 é possível com a engenharia social) refere-se ao que é minimamente necessário para sustentar uma população estável por 10 gerações.

Isso poderia ser relevante se o seu planeta estivesse muito longe, no entanto, se você olhar para a distância entre a Terra e Marte, leva apenas cerca de um ano para se mover de um planeta para o outro. Como tal, a população que você precisaria para caber dentro da espaçonave poderia ser reduzida significativamente, já que você pode simplesmente deixar a população crescer na chegada.

É difícil quantificar esse efeito, mas como 80 já podem ser suficientes para uma população estável, atrevo-me a dizer:

Começar com uma população crescente pode ser feito com menos de 80 pessoas, se escolhido com cuidado.

Dito isso, a principal preocupação parece ser a diversidade genética. As fontes variam um pouco sobre o assunto, mas parece que com a tecnologia atual o esperma pode ser congelado por pelo menos 1 geração. Então, vamos fazer um cálculo rápido:

Suponha que precisamos alcançar uma população com 80 conjuntos genéticos únicos para ir além do ponto de inflexão. Vamos fazer um cálculo rápido sobre como isso pode ser alcançado se mulheres férteis são capazes de dar à luz a 4 filhos em média e levam um monte de amostras de esperma congeladas com elas:

  • Geração 0: 10 mulheres (férteis) e 10 amostras congeladas
  • Geração 1: 20 mulheres e 20 homens e 80 amostras congeladas
  • Geração 2: 40 mulheres e 40 homens

Deste ponto em diante as mulheres da geração 2 poderiam continuar a expandir a população com os homens da geração 1 e 2. É verdade que um pouco de azar já pode atrapalhar o sistema, mas por estar do lado seguro, parece que :

Uma nave espacial com 20 mulheres e um freezer cheio de esperma é provavelmente o suficiente para iniciar uma população crescente.

15 indivíduos, 8 machos e 7 fêmeas são certamente suficientes para criar uma população sustentável, capaz de crescer sem cruzamento, embora com algumas doenças genéticas devido ao cruzamento.

A razão de sabermos disso é por causa de uma pequena ilha no Oceano Atlântico, Tristão da Cuhna, que tem uma população robusta e crescente de 266 habitantes (maio de 2016), e é habitada há cerca de 200 anos. Todas as pessoas que vivem na ilha podem derivar de 15 indivíduos, 8 homens e 7 mulheres. A população é um exemplo de livro didático ensinado em cursos de genética.

Isso é conhecido como População Mínima Viável, e muitos modelos de computador e estudos baseados em várias circunstâncias e espécies foram executados.

Para humanos, incluindo o desejo de evitar defeitos genéticos devido à endogamia, o MVP médio relatado é de 4.169 indivíduos. Você pode ler mais sobre isso no artigo da wiki aqui.

Assim como as questões de diversidade biológica, social e genética para manter uma população viável, você também precisa considerar a manutenção da tecnologia. É claro que uma pequena colônia em outro planeta vai depender muito da tecnologia para sobreviver.

Para começar, não é difícil imaginar uma situação em que uma nova cepa de uma doença poderia cortar uma faixa catastrófica em uma pequena colônia e, mesmo sem nada catastrófico do dia a dia, doenças e ferimentos serão uma grande tensão sem instalações médicas adequadas.

Da mesma forma, você precisará de engenheiros e técnicos para manter a infraestrutura básica em funcionamento.

A automação pode provavelmente ajudar com isso até certo ponto, mas certamente pareceria arriscado não ter uma profundidade razoável de conhecimento em como tudo funciona, especialmente com o passar das gerações e você deseja expandir e reformar as instalações.

Portanto, se acenarmos com a mão a tecnologia para realmente chegar lá e assumir um nível de tecnologia semelhante ao atual, com desenvolvimentos razoavelmente previsíveis em um planeta semelhante à Terra, então podemos começar a ter pelo menos alguma ideia.

No mundo desenvolvido, existem centenas de especialidades médicas e provavelmente teremos que aceitar que uma pequena colônia não terá a mesma amplitude e profundidade de conhecimento e instalações. Aqui, um bom modelo pode ser um hospital militar de campanha, pois são projetados para serem portáteis e versáteis e estão bem equipados para lidar com lesões traumáticas e cuidados de saúde primários, bem como epidemias e desastres naturais que parecem prioridades razoáveis ​​para uma colônia. Então você pode ter:

  • Cirurgiões
  • Anestesistas
  • Enfermeiras cirúrgicas
  • Clínicos Gerais
  • Dentistas
  • Farmacêuticos
  • Enfermeiras de enfermaria
  • Enfermeiras de terapia intensiva
  • Enfermeiras de cuidados primários
  • Paramédicos
  • Equipe especializada em limpeza e logística

Para uma colônia de longa duração, você provavelmente também desejaria técnicos de laboratório e pesquisadores médicos, embora possam fazer parte do departamento de ciências. Obviamente, você gostaria de ter pessoal com o mais amplo espectro de especialização e experiência possível.

Da mesma forma, se você pretende usar animais de trabalho e gado, você vai querer alguns veterinários para cuidar deles.

Governo e administração

Claramente, isso depende de como você deseja que a colônia seja administrada, mas com um modelo do tipo militar você teria algo como um quartel-general regimental com um comandante, ajudante, pessoal de escritório e provavelmente também chefes de vários departamentos como conselheiros técnicos. A polícia e a segurança também podem estar sob este título, pelo menos em parte.

Independentemente do sistema atual de governo, você precisará de pelo menos algumas pessoas com habilidades administrativas e jurídicas.

Por razões sociais e culturais óbvias, pode não ser desejável não ter uma cultura puramente militar com autoridade absoluta sobre a colônia, mas faz sentido como uma estrutura administrativa, mesmo se você tiver outros sistemas de controle e contrapesos mais democráticos ou descentralizados.

Engenharia e Logística

As mentioned the colony will depend a lot on technology which needs to be maintained and you will also need the technical expertise to develop natural resources, construct buildings and infrastructure and set up manufacturing facilities you could also argue that farming and food production falls broadly into this category. Again you have a huge array of specialisations to choose from and there will be compromises to be made between specialist expertise and more versatile generalists. Also each discipline will require theoretical knowledge, technical experience and management and planing. To start with you might set up :

  • Maintenance : technicians who know how the various basic systems work and how to maintain them
  • Machine and fabrication shop : supporting the other departments in making and repairing parts and eventually setting up a more comprehensive manufacturing base
  • Infrastructure and mining : building roads and buildings, mapping and surveying, setting up power generation and distribution.
  • Electronics and IT : maintaining and developing computer, electronic and communication systems.

Agricultura

Although you would probably want to mechanise a lot of food production if you end up a planet with indigenous life or at least the immediate ability to support it you will want some specific agricultural expertise. Equally if the planet is sufficiently earth-like some experts in more traditional skills of hunting and living off then land may significantly improve quality of life especially in the early stages.

Science and education

For a multi-generational colony education is clearly vital as you will need to educate the next generation to replace the skills you brought with you. Here you have the potential issue that you have a specific set of requirements in terms of skills but no idea what aptitudes and abilities the next generation will have so your education system will need to be flexible, effective and adaptable.

It will also be crucial that you have an effective way of storing and accessing as much accumulated knowledge as possible. The expertise will be thinly spread so libraries and librarians may be at the centre of the society and the job of librarian may end up as a very specific niche with a very broad spectrum of knowledge.

You would probably also want to have academic/research scientists representing the main branches of science. For reasonable completeness you might have representatives from

  • Matemática
  • Química
  • Materials science
  • Botânica
  • Zoologia
  • Medicina
  • Física
  • Astrophysics
  • Geology
  • Meteorologia
  • Psychology

Obviously there would be additional expertise from the other technical divisions and they might be supplemented by lab technicians and assistants and eventually take on students as part of the education system.

Culture and Services

As well as the basic services required to keep a society running any permanent colony will need to develop culture and leisure facilities to keep the population effective and sane. It is reasonable to assume that these will develop organically to some extent but a few really good chefs and perhaps some resident artists, writers and musicians could well be a reasonable addition to a colony.

Just as an example typical commercial kitchen which could feed a few hundred people to a decent standard might include

  • Head Chef
  • Sous chef
  • Pastry chef
  • Assistant chefs (perhaps 3 or 4 to allow for 365 day operation)
  • Kitchen assistants (could also be trainee chefs)

I've suggested 5 main divisions of expertise and on average it looks like you might want perhaps a dozen or so lead experts in specific fields as well as at least the same number of assistants, technicians and support staff. You might also have a flexible pool of labour from the general population. This also allows for some cross training so there isn't too much reliance on any one individual.

So with this in mind we could perhaps guess that you might have

  • 60 or so 'officers' with versatile technical expertise and administrative and organisational roles
  • 150+ skilled, specialist technicians
  • 300+ general and adaptable labour force with varying degrees of specialisation.

Again going back to a military model a battle-group is typically the basic unit which is more or less self sufficient and consists of around 500-800 soldiers with its own organic logistics and support. Obviously this isn't a very strong analogy to a space colony but it does represent a known structure which is able to function independently long term in a hostile environment with a good mix of specialist expertise and equipment, organisational structures, logistics and versatile labour.


34 comments on &ldquoThe Smallest Viable Genome Is Very Weird&rdquo

I recall serving at at DoE think tank on “what next after genomics” and many of us prioritized the “genes of unknown function”, of which there were thousands in each genome (including human). Almost two decades later…..

The truth is that it’s tough to convince a science peer-review panel to fund a study of a gene/protein when no one has a clue what it does. “Don’t work on that unknown protein. Work on something important!”

And it’s also risky for the investigator because it takes time to develop the research tools and to figure it out…meanwhile you’ve lost your funding

So on the one hand, decades after the issue came to light, there still remain thousands of microbial and human genes/proteins with no known function

And on the other, “our poor understanding of biology” is the main issue in our not being able to predict the right targets for drug discovery

There’s a massive disconnect is the system

I like this point. It comes back to an argument/question I’ve debated with people in the past with respect to novelty in drug development candidates. As I see it, there are a couple of (not necessarily mutually exclusive) ways to think about why we work on the genes we do and why we know what we know about them.

The first is a biological importance argument in which one might say that the genes we’ve discovered and know so much about were initially identified because they were among the most important genes for the most important functions in the cell/organism, and therefore the fact that some genes have thousands of pubs while others are basically unknown is a simple consequence of value. So, under this way of thinking, we have been directed to that which is most important in the cell.

The second is a more random argument which says in the early days of molecular biology a combination of techniques did identify a number of interesting and important genes but that set us on a kind of canalized path in which the only way to continue working on any gene would be to provide evidence for why it’s important, which would produce a kind of directed, and much more limited scope of inquiry. So, well-characterized genes are well-characterized because they’re the ones that due to a founder effect were able to attract more funding and interest.

I realize there are all kinds of random screening and identification methods that should counteract that second argument (mutational screens, transcriptome profiling, GWAS, etc.) but at the same time my experience has been that when such techniques are used, researchers gravitate toward the genes about which most is known anyway.

There’s also the point alluded to elsewhere in these comments that unknown genes may be unknown because we haven’t yet figured out which conditions under which to study them.

This is one of the valuable things that come out of work like this: questioning our fundamental assumptions about life and how it works. Or how we think it works, anyway.

There’s a whole host of barriers, and grants are only one of them. “Blue ocean research” is all good and fine when you already have a solid standing and don’t have to run after every nickel and dime and have enough projects going on that you’re not dependent on this one yielding publishable results. But this pretty much precludes it being done by a graduate student – unless the PI is such a beacon in the field that their connections and their name on the CV will overcome the risk of a lack of publications three, four years down the line. Projects with an outcome that may not be foreseeable in as to what it will be but as to that it will happen are far more attractive.

There are close parallels in self-evolving circuits- truly ghost in the machine territory:

“The plucky chip was utilizing only thirty-seven of its one hundred logic gates, and most of them were arranged in a curious collection of feedback loops. Five individual logic cells were functionally disconnected from the rest— with no pathways that would allow them to influence the output— yet when the researcher disabled any one of them the chip lost its ability to [function].”

Some of those structures exploit subtle behavior of the underlying chip. Running the same configuration on a different chip or in a different location would almost certainly fail. One has to train the algorithm in a variety of environmental conditions and on multiple different chips in order to develop a program that is robust enough to be demonstrated and shared.

In a similar way, the minimum viable codebase for a cell is dependent on the environments in which that cell will be expected to survive. It sounds like this is part of the allure of a fully synthetic cell: the code can be tweaked and run through many different environmental conditions to see what exactly the various genes are doing under varying pressures.

What are issues that come up with very big genomes? Do they throw light on the issue from the other end? Or do they just involve “junk” repeats?. Human genome used to be described as about 97% junk until it became clear that not under standing and junk were not becessarily the same A very boring plant called Paris Japonica is contested holder of biggest genome award with about 150,000 genes or 6x human one. It has a lot of dull foliage and tiny dull white flowers from an anthropomorphic perspective. What is all that DNA doing?

A small point, re “(This makes me wonder, a little bit, about the “huge-stretches-of-noncoding-DNA-are-vital-because-they’re-scaffolding” argument)”:

Note that Mycoplasma mycoides is a bacterium.

Those huge stretches of non-coding DNA are in eukaryotic cells. The genomes of bacteria mostly consist of one gene after another with very little space in between.

“Mycoplasma (M. mycoides JCV syn1.0) that they had synthesized and exchanged into another cell’s nucleus, which then showed viability.” I haven’t read the paper or news items, but I find it really interesting that they put the mycoplasma genome into the nucleus of another cell. Bacteria don’t have nuclei. Did they put it in a eukaryotic cell?

The recipient cell was also bacterial. From a paragraph in the 2010 paper, describing the challenges of constructing the artificial cell: “We also needed to learn how to transplant these genomes into a recipient bacterial cell to establish a cell controlled only by a synthetic genome. Because M. genitalium has an extremely slow growth rate, we turned to two faster-growing mycoplasma species, M. mycoides subspecies capri (GM12) as donor, and M. capricolum subspecies capricolum (CK) as recipient.”

RE:“huge-stretches-of-noncoding-DNA-are-vital-because-they’re-scaffolding”. That argument is usually made for eukaryotes. Prokaryotes, which you are discussing here, usually have substantially more compact genomes with a lot less “junk” (i.e. stuff we don’t understand).

On an unrelated note, I’m curious to hear what you think of the ongoing squabble at Google’s Verily:

Bigger news is that Venter rather disgustingly patented the whole things, effectively shutting down research for anyone but him. Unsurprising coming from him really.

Not disgusting at all. He spent millions of dollars on the research, he has every right to reap the benefits. If you want to work on it you can contact him. By the way, interesting math problem. It said ” 6 5= “. An operation symbol would be helpful!

Yeah, I tried to post earlier on some details around Ventner’s work but also got an operator-less math problem. Gave up after four tries. Too bad, as I know a fair amount about the actual Ventner work.

Only an American would think science benefits from being monetised. Tell that to Salk.

Off topic but may be of interest:
TV show about a clinical trial: What Love Is – The Duke Pathfinders 50
“Fifty women with incurable breast cancer endure an experimental medical protocol.”
In Washington, D.C. March 31 9PM Channel 32 (WHUT). No idea if or when it airs anywhere else – check your local listings.

Then again, it really depends on what kind of ‘life’ you’re looking at. There are many well known examples where if you delete a gene and look at cells under the microscope your cells will look fine and appear normal, but if you mutate or delete that same gene in a multicellular organism, it is now embryonically lethal or causes severe defects. The same logic probably doesn’t apply for more complex life.

I wished I’d heard the whole discussion about this on “Science Friday” last week – just caught a few moments in the car.
On the “synthetic lethal pairs”, the speaker (Venter(?)) drew the analogy of a 777. “There are these two big things, one under each wing. Let’s take one off. Hey, it still flies maybe they’re not needed, let’s take the other off. Oops.”
I foresee lots more on this topic in the years to come.

A friend who used to work at Venter’s outfit said lots of people there called this the “Frankencell Project,” so I guess this paper should be called “Frankencell 2.0” Cool!

In addition to this project demonstrating that even a minimal genome has lots of unknown genes, I’m certain some of the “known” genes in that genome are not as well understood as we think. There are lots of questionable annotations in the genomic databases.

As for the tendency of people to focus on what they know, that sure does happen. When I’m showing colleagues a list of the top hits from some Omics study or whatever, they invariably pay attention mainly to the ones about which they know something. A long standing personal fantasy is, before running such a study demand the people who will follow up on the hits firmly promise to work on the top N hits NO MATTER WHAT so that when the list comes back they won’t only work on the known hits. Never quite dared try this…

Taken from Al’s comment above:
“Don’t work on that unknown protein. Work on something important!”

Now here is a good example illustrating our lack of biological knowledge: the amyloid beta A4 precursor protein (APP). Despite 30 years of research and more than 12� publication in PubMed, the biological functions of the APP gene remain still unknown. Mutations in APP are responsible for Early-Onset Alzheimer Disease. By contrast, mice lacking the App gene live on happily and reproduce. Alguma sugestão? Genetic redundancy?

Andre I thought knock outs of APP did have a phenotype in mice – reduced learning [1].

As far as I understand, studies claiming behavioural differences between App-deficient mice and wild-type mice are highly controversial. There are lots of factors (e.g. genetic background, age, sex, previous conditioning, changes in animal care takers) influencing how mice respond in (artificial) behavioural tests. Have the App-deficient animals been backcrossed to be isogenic with the control mice? I had discussed the very same issue recently with a leading AD specialist in Germany. He feels that biological function of App is completely unresolved to date. The App-deficient mice in his animal facility are apparently normal and fertile. I therefore believe that if there were learning deficit in App-deficient mice, it does not appear to impair their reproductive activities. The males find the females without any problems and remember what needs to be done….. Maybe other AD specialists can comment on this point in greater detail.

Well if humans are anything to go by then reduced learning does not seem to affect fertility. Actually what would be really interesting is to see if we can find a null mutant for APP in the human population like was found PSCK9. If this has no phenotype then this will be very interesting.

Good point! I am not aware of a report identifying individuals lacking the APP gene. They may exist, however exist.

The amyloid precursor protein appears to be an intermediary between g protein-coupled receptors and the activation of Akt. This may explain its possible role in learning and memory and in cell survival.

Certain amyloid precursor protein mutations appear to over-activate g protein-coupled receptors which leads to oxidative stress and to the inhibition of Akt via nitration. The result then is the opposite: memory loss and neuronal cell death.

Dosen’t Mycoplasma genitalium have around the same number of genes as this syn 3.0 genome? M. genitalium knockout essentiality experiements were one of the earliest performed by Craig’s group in TIGR. Important consideration since bacteria with cell walls have genomes of the order of 4000 + genes but smaller genomes are known. Even H. influenzae has around 1800.

Then there’s searching for suppressor mutations that allow normally essential genes to be deleted…
Another interesting question: What is the minimum number of chemical elements for Earth life? C, H, O, N, P, & S are obvious. Some sort of ions are undoubtedly needed in the cytoplasm but could ammonium & bicarbonate, for example, do the job? Could all necessary functions be achieved without metalloenzymes?

I’d be stunned if any free-living lifeform can operate without metalloenzymes. Doing the electron-pushing to have any kind of metabolism…

Interesting question how much you could theoretically pare down the set of ions.

Buchnera apparently have smaller genomes than Mycoplasma. There’s also Wigglesworthia which are about the size of Mycoplasma. And then obviously there’s Nanoarchaeum equitans.

As I recall Buchnera isn’t autonomous it can only survive inside insects. Nanoarchaeum may also be a nonautonomous parasite. (Anyone have more up-to-date info?)

Nanoarchaeum is an extracellular parasite of bacteria IIRC (like Mycoplasma to eukaryotic cells, right?). But aren’t all of these prokaryotes very dependent on recovering complex compounds from their surroundings? The question is really whether the needed compounds are available in yeast extract – I am assuming that they aren’t growing these synthetic organisms in minimal media. I think it should be possible to run these experiments on any non-intracellular prokaryote as long as you supplement the media correctly.

I actually started by looking up the genome sizes of Chlamydia and Wolbachia. Both obligate intracellular parasites. Genomes of respectively

1200 which is larger than I expected so I went hunting for more information.

This reminds me of a game I used to play when I was a kid. A friend of mine had one of those electronics projects kits with a punch board for connecting components. We’d build one of the projects from the book, usually a radio or music generator, then we’d take turns removing wires until it stopped working. The last one to remove a wire won.


Conservation biology

Species with small populations are at a higher risk of being extinct compared to species with a larger population. Most often there is the need to conserve species effectively and also utilize available resources in an area. This led to the development of essential concepts for small populations MVP and MDA. The minimum viable population (MVP) is the smallest population size that has a greatest chance of survival. For vertebrates some biologists have suggested protecting at least 500-5000 species to maintain genetic variability and resilience of species. On the other hand the minimum dynamic area is the suitable habitat needed to maintain the minimum viable population. It has been estimated that a 100-1000km2 are needed to maintain small mammal population in African reserves.
Small populations are highly subject to a faster rate of decline than large populations mainly due to loss of genetic variability and related problems of inbreeding, genetic drifts and demographic fluctuations due to random variations and birth and death rates. Genetic variability enables most species to adapt to their environment which allows speciation. Allele frequencies have a greater chance of changing over many generations in smaller populations by a process known as random genetic drift. When allele frequencies occur in a small population at low frequencies, it has a greater chance of being lost in a few generations which reduces the genetic variation of the population. Inbreeding depression is a condition where individuals mate with close relatives such as cousins, siblings, self fertilization in hermaphrodites and etcetera. A small population size increases the chance of inbreeding since it might be hard for individuals to find mate. This process produces offspring that are weak, sterile or fewer in numbers. Outbreeding depression results when individuals of different population mate to produce hybrids which are generally weak, sterile and are poorly adapted to their environment. Reduced genetic variability also leads to the loss of evolutionary flexibility due to the absence of rare alleles which might enable individuals to adapt to changing conditions and diseases.
To protect and preserve populations, one needs to know the effective population size which is estimated as the number of breeding individuals in a population. The effective population size is always smaller than the main population due to the factors such as many individuals of the population might not be producing, unequal sex ratio of individuals, variation in individuals in the number of offspring produced and population may show large fluctuation overtime. Variations in reproductive and mortality rates can also cause small populations to fluctuate randomly in size. Environmental variations may also cause small populations to reduce in size making it more vulnerable to extinction. Fragmentation and other human activities also make populations more vulnerable to fluctuations in size and eventual extinction.
Reading this chapter made me aware of the importance of large populations. It seems that most human activities render populations small which makes them highly vulnerable to extinction. Populations are not instantly wiped out by human populations but are made unstable and small, this leads to eventual extinction.


Assista o vídeo: Mobilização contra a extinção dos municípios até 5mil habitantes. (Junho 2022).


Comentários:

  1. Gorboduc

    Ser confundido.

  2. Colquhoun

    Há algo nisso. Obrigado por sua ajuda com este problema. Todo engenhoso é simples.

  3. Mahoyu

    Certamente. Eu junto disse tudo acima. Podemos nos comunicar sobre este tema. Aqui ou em PM.

  4. Mezigor

    Eu acredito que você está errado. Vamos discutir isso. Mande-me um e-mail para PM, vamos conversar.

  5. Nikor

    Este tópico é simplesmente incomparável :), é muito interessante para mim)))

  6. Shimshon

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  7. Togul

    Eu acho que este é um tópico muito interessante. Eu sugiro que você discuta isso aqui ou em PM.



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