Il flusso genico è la diffusione dei geni fra popolazioni, per migrazioni di individui in età riproduttiva, per dispersione di propaguli o, nel caso delle piante, per dispersione dei gameti sotto forma di polline seguiti da riproduzione. Il flusso genico ha due effetti principali sulle popolazioni: può cambiare le frequenze alleliche della popolazione ricevente; può contribuire con nuovi geni al pool genico della popolazione ricevente (favorendo la dispersione di alleli unici e fungendo da fonte di variabilità genetica alternativa all'insorgenza di una nuova mutazione, evento generalmente raro).
In definitiva, l'effetto globale del flusso genico è quello di aumentare il polimorfismo di una popolazione e, allo stesso tempo, di ridurre le differenze genetiche medie tra le popolazioni. Questo scambio di geni diventa quindi una forza unificante che tende a prevenire che le popolazioni evolvano tra di loro differenze dal punto di vista genetico.
Esistono numerosi fattori che influenzano il tasso di flusso genico tra differenti popolazioni. Si prevede che il flusso genico sia minore nelle specie con bassa capacità dispersiva o scarsa mobilità, nelle specie che vivono in habitat frammentati, quando le distanze tra le popolazioni sono elevate e quando le dimensioni delle popolazioni sono ridotte.
La mobilità svolge un ruolo importante nel tasso di dispersione, poiché gli individui altamente mobili tendono ad avere maggiori possibilità di spostamento. Sebbene gli animali siano generalmente considerati più mobili delle piante, polline e semi possono essere trasportati per grandi distanze da animali, acqua o vento.
Quando il flusso genico è ostacolato, può verificarsi un aumento della consanguineità, misurata tramite il coefficiente di inincrocio (F) all'interno di una popolazione. Ad esempio, molte popolazioni insulari presentano bassi livelli di flusso genico a causa dell'isolamento geografico e delle ridotte dimensioni demografiche. Il Petrogale lateralis possiede diverse popolazioni consanguinee che vivono su varie isole al largo della costa australiana. La popolazione è così fortemente isolata che la mancanza di flusso genico ha portato a elevati livelli di consanguineità.
Misurazione del flusso genico Il livello di flusso genico tra popolazioni può essere stimato osservando la dispersione degli individui e registrandone il successo riproduttivo. Questo metodo diretto è applicabile solo ad alcuni tipi di organismi; più frequentemente si utilizzano metodi indiretti, che inferiscono il flusso genico confrontando le frequenze alleliche tra campioni di popolazioni. Quanto più due popolazioni risultano geneticamente differenziate, tanto minore sarà la stima del flusso genico, poiché esso esercita un effetto omogeneizzante. L'isolamento delle popolazioni porta infatti alla divergenza dovuta alla deriva genetica, mentre la migrazione tende a ridurre tale divergenza. Il flusso genico può essere misurato utilizzando la grandezza effettiva della popolazione () e il tasso netto di migrazione per generazione (m). Utilizzando l'approssimazione basata sul modello a isole, l'effetto della migrazione può essere calcolato per una popolazione in termini del grado di indice di fissazione (). Questa formula tiene conto della proporzione della variazione totale dei marcatori molecolari tra popolazioni, mediata sui diversi lociRogers, D. L., & Montalvo, A. M. (2004). Genetically appropriate choices for plant materials to maintain biological diversity. University of California. Quando vi è un migrante per generazione, è uguale a 0,2. Tuttavia, quando vi è meno di 1 migrante per generazione (assenza di migrazione), il coefficiente di consanguineità aumenta rapidamente, portando alla fissazione e alla completa divergenza ( = 1). Il valore più comune di è < 0,25. Ciò significa che è presente una certa migrazione. Le misure della struttura di popolazione variano da 0 a 1. Quando il flusso genico avviene tramite migrazione, gli effetti deleteri della consanguineità possono essere attenuati.
La formula può essere modificata per ricavare il tasso di migrazione quando è noto:
dove Nm = numero di migranti.
Barriere al flusso genico
Speciazione allopatrica
Quando il flusso genico viene bloccato da barriere fisiche, il risultato è la speciazione allopatrica che impedisce alle popolazioni della stessa specie di scambiarsi materiale genetico. Le barriere fisiche al flusso genico sono generalmente naturali. Esempi includono catene montuose invalicabili, oceani o vasti deserti. Tuttavia, in alcuni casi, possono essere create dall'uomo, come la Grande Muraglia, che ha ostacolato il flusso genico delle popolazioni vegetali native.
Speciazione simpatrica Le barriere al flusso genico non devono necessariamente essere fisiche. La speciazione simpatrica si verifica quando nuove specie si evolvono dalla stessa specie ancestrale all'interno della medesima area geografica. Questo fenomeno è spesso causato dalla comparsa di barriere riproduttive. Ad esempio, è stato osservato che due specie di palma del genere Howea presenti sull'isola di Lord Howe mostrano periodi di fioritura differenti, correlati alle preferenze del suolo, creando così una barriera riproduttiva che inibisce il flusso genico.
Flusso genico assistito dall'uomo
Salvataggio genetico Il flusso genico può anche essere utilizzato per aiutare specie minacciate di estinzione. Quando una specie è suddivisa in piccole popolazioni, aumenta il rischio di consanguineità e diminuisce la diversità genetica a causa della deriva genetica. Queste popolazioni possono trarre grande beneficio dall'introduzione di individui non imparentati, che possono aumentare la diversità genetica, ridurre il livello di consanguineità e potenzialmente incrementare la dimensione della popolazione.
Questo fenomeno è stato dimostrato in laboratorio in due ceppi di Drosophila melanogaster sottoposti a un collo di bottiglia genetico. Gli incroci tra le due popolazioni hanno ridotto gli effetti della consanguineità e aumentato la sopravvivenza sia nella generazione immediata sia in quella successiva.
Flusso genico assistito Analogamente al salvataggio genetico, il flusso genico assistito è una strategia di gestione utilizzata per conservare specie a rischio simulando i processi naturali di flusso genico. Trasferendo individui o gameti tra popolazioni all'interno dell'areale esistente di una specie, il flusso genico assistito può contribuire a mitigare gli effetti del cambiamento climatico facilitando l'adattamento alle future condizioni climatiche locali previste. Il flusso genico assistito può introdurre genotipi adattati alle nuove condizioni climatiche oppure aumentare la frequenza di alleli favorevoli presenti nella popolazione. In questo modo può migliorare l'idoneità genetica delle popolazioni esposte a rapidi cambiamenti ambientali. Sebbene questa strategia possa essere utilizzata per salvare specie che stanno attraversando un collo di bottiglia demografico, le sue applicazioni risultano rilevanti per qualsiasi specie il cui habitat sia destinato a subire significativi cambiamenti ambientali.
Inquinamento genetico Le attività umane, come il trasferimento di specie e la modifica del paesaggio, possono causare inquinamento genetico, ibridazione, introgressione e sommersione genetica. Questi processi possono portare all'omogeneizzazione o alla sostituzione dei genotipi locali come risultato di un vantaggio numerico e adattativo delle piante o degli animali introdotti.
Le specie non native possono minacciare fino all'estinzione piante e animali autoctoni attraverso ibridazione e introgressione. Ciò può avvenire tramite introduzioni deliberate da parte dell'uomo o modifiche dell'habitat che mettono in contatto specie precedentemente isolate. Tali fenomeni possono essere particolarmente dannosi per le specie rare che entrano in contatto con specie più abbondanti, come può avvenire tra specie insulari e continentali. L'incrocio tra specie può sostituire progressivamente il patrimonio genetico della specie più rara mediante la formazione di popolazioni ibride. Il fenomeno deriva dall'azione combinata della selezione naturale e della deriva genetica, che portano alla crescente prevalenza di caratteri vantaggiosi e all'omogeneizzazione genetica. L'entità del fenomeno non è sempre riconoscibile dal fenotipo degli organismi. Sebbene un certo grado di flusso genico si verifichi normalmente nel corso dell'evoluzione, l'ibridazione, con o senza introgressione, può minacciare l'esistenza di una specie rara.
Urbanizzazione Esistono due principali modelli che descrivono il modo in cui l'urbanizzazione influenza il flusso genico delle popolazioni urbane. Il primo modello riguarda la frammentazione ambientale. In questo caso, le modifiche del paesaggio interrompono la continuità dell'habitat e riducono la diversità genetica. Il secondo è chiamato modello di facilitazione urbana e suggerisce che, in alcune popolazioni, il flusso genico venga favorito dai cambiamenti antropici del paesaggio. La facilitazione urbana può collegare popolazioni precedentemente isolate, ridurre l'isolato genetico e favorire la diffusione di nuovi genotipi. Essa può avvenire in diversi modi, ma nella maggior parte dei casi comporta il contatto diretto o indiretto tra specie precedentemente isolate. La modifica di un habitat attraverso l'urbanizzazione provoca frammentazione dell'habitat, ma può anche interrompere barriere esistenti e creare percorsi o corridoi ecologici che collegano due specie un tempo separate. L'efficacia di questo processo dipende dalla capacità di dispersione delle specie e dalla loro capacità nell'utilizzare strutture antropiche come corridoi di spostamento. Anche il cambiamento climatico rappresenta un altro meccanismo: animali che vivono in aree meridionali possono essere costretti a migrare verso nord alla ricerca di temperature più fresche, entrando così in contatto con popolazioni che prima non rientravano nel loro areale. In modo ancora più diretto, gli esseri umani introducono spesso specie non native in nuovi ambienti, il che può portare all'ibridazione tra specie simili.
La facilitazione urbana è stato testato su un organismo nocivo per la salute umana: la vedova nera occidentale (Latrodectus hesperus). Uno studio del 2018 ha raccolto dati sulla variazione genomica di polimorfismi a singolo nucleotide (SNP) in popolazioni urbane e rurali di questi ragni, trovando prove di un maggiore flusso genico nelle prime rispetto alle seconde. Inoltre, il genoma dei ragni urbani risultava più diversificato rispetto a quello delle popolazioni rurali, suggerendo una maggiore capacità di adattamento nelle popolazioni urbane di vedova nera occidentale. Dal punto di vista fenotipico, i ragni urbani sono più grandi, più scuri e più aggressivi, caratteristiche che potrebbero aumentare la sopravvivenza negli ambienti urbani. Questi risultati supportano il modello della facilitazione urbana, poiché tali ragni riescono effettivamente a diffondersi e diversificarsi più rapidamente negli ambienti urbani rispetto a quelli rurali. Tuttavia, rappresentano anche un esempio del fatto che la facilitazione urbana, pur aumentando il flusso genico, non è necessariamente benefica per l'ambiente, dato che la vedova nera occidentale possiede un veleno altamente tossico e costituisce quindi un rischio per la salute umana.