Teoría científica de la evolución

Variación genética y tasa de evolución.

Cuanta más variación genética exista en una población, mayor será la oportunidad de que ocurra la evolución. A medida que aumenta el número de loci genéticos que son variables y aumenta el número de alelos en cada locus, aumenta la probabilidad de que algunos alelos cambien de frecuencia a expensas de sus alternativas. El genetista británico RA Fisher demostró matemáticamente una correlación directa entre la cantidad de variación genética en una población y la tasa de cambio evolutivo por selección natural. Esta demostración se materializa en su teorema fundamental de selección natural (1930): "La tasa de aumento de la aptitud de cualquier organismo en cualquier momento es igual a su variación genética en la aptitud en ese momento".

Este teorema ha sido confirmado experimentalmente. Un estudio empleó diferentes cepas de Drosophila serrata, una especie de mosca de vinagre del este de Australia y Nueva Guinea. La evolución de las moscas de vinagre puede investigarse criándolas en "jaulas de población" separadas y descubriendo cómo cambian las poblaciones a lo largo de muchas generaciones. Se establecieron poblaciones experimentales, con las moscas viviendo y reproduciéndose en sus microcosmos aislados. Se establecieron poblaciones de una sola cepa a partir de moscas recolectadas en Nueva Guinea o en Australia; Además, se constituyó una población mixta al cruzar estas dos cepas de moscas. La población mixta tuvo la mayor variación genética inicial, ya que comenzó con dos poblaciones diferentes de una sola cepa. Para alentar un rápido cambio evolutivo, las poblaciones fueron manipuladas de tal manera que las moscas experimentaron una intensa competencia por la comida y el espacio. La adaptación al entorno experimental se midió contando periódicamente el número de individuos en las poblaciones.

Dos resultados merecen atención. Primero, la población mixta tenía, al final del experimento, más moscas que las poblaciones de una sola cepa. En segundo lugar, y más relevante, el número de moscas aumentó a un ritmo más rápido en la población mixta que en las poblaciones de una sola cepa. La adaptación evolutiva al medio ambiente ocurrió en ambos tipos de población; ambos pudieron mantener números más altos a medida que las generaciones progresaban. Pero la tasa de evolución fue más rápida en el grupo mixto que en los grupos de una sola cepa. La mayor cantidad inicial de variación genética hizo posible una tasa de evolución más rápida.

Medición de la variabilidad genética

Debido a que el potencial de evolución de una población está determinado por su variación genética, los evolucionistas están interesados ​​en descubrir el alcance de dicha variación en las poblaciones naturales. Es evidente que las especies de plantas y animales son heterogéneas en todo tipo de formas: en los colores de las flores y los hábitos de crecimiento de las plantas, por ejemplo, o en las formas de concha y los patrones de bandas de los caracoles. Las diferencias se notan más fácilmente entre los humanos (en rasgos faciales, color de cabello y piel, altura y peso), pero tales diferencias morfológicas están presentes en todos los grupos de organismos. Un problema con la variación morfológica es que no se sabe cuánto se debe a factores genéticos y cuánto puede resultar de las influencias ambientales.

Los criadores de animales y plantas seleccionan para sus experimentos individuos o semillas que se destacan en los atributos deseados: en el contenido de proteínas del maíz (maíz), por ejemplo, o en el rendimiento lácteo de las vacas. La selección se repite generación tras generación. Si la población cambia en la dirección favorecida por el obtentor, queda claro que el stock original poseía variación genética con respecto al rasgo seleccionado.

Los resultados de la selección artificial son impresionantes. La selección por alto contenido de aceite en el maíz aumentó el contenido de aceite de menos del 5 por ciento a más del 19 por ciento en 76 generaciones, mientras que la selección por bajo contenido de aceite lo redujo a menos del 1 por ciento. Treinta años de selección para aumentar la producción de huevos en una bandada de pollos White Leghorn aumentaron la producción anual promedio de una gallina de 125.6 a 249.6 huevos. La selección artificial ha producido infinitas variedades de razas de perros, gatos y caballos. Las plantas cultivadas para la alimentación y la fibra y los animales criados para la alimentación y el transporte son todos productos de selección artificial antigua o moderna. Desde finales del siglo XX, los científicos han utilizado las técnicas de biología molecular para modificar o introducir genes para los rasgos deseados en una variedad de organismos, incluidas plantas y animales domésticos; Este campo se conoce como ingeniería genética o tecnología de ADN recombinante. Las mejoras que en el pasado se lograron después de decenas de generaciones mediante selección artificial ahora se pueden lograr de manera mucho más efectiva y rápida (dentro de una sola generación) mediante la tecnología de genética molecular.

El éxito de la selección artificial para prácticamente todos los rasgos y todos los organismos en los que se ha probado sugiere que la variación genética es generalizada en las poblaciones naturales. Pero a los evolucionistas les gusta ir un paso más allá y obtener estimaciones cuantitativas. Solo desde la década de 1960, con los avances de la biología molecular, los genetistas han desarrollado métodos para medir el grado de variación genética en poblaciones o entre especies de organismos. Estos métodos consisten esencialmente en tomar una muestra de genes y descubrir cuántos son variables y qué tan variables son cada uno. Una manera simple de medir la variabilidad de un locus genético es determinar qué proporción de los individuos en una población son heterocigotos en ese locus. En un individuo heterocigoto, los dos genes para un rasgo, uno recibido de la madre y el otro del padre, son diferentes. La proporción de heterocigotos en la población es, por lo tanto, la misma que la probabilidad de que dos genes tomados al azar del grupo de genes sean diferentes.

Se han utilizado técnicas para determinar la heterocigosidad para investigar numerosas especies de plantas y animales. Típicamente, los insectos y otros invertebrados son genéticamente más variados que los mamíferos y otros vertebrados, y las plantas criadas por cruzamiento (cruzando con cepas relativamente no relacionadas) exhiben más variación que las criadas por autopolinización. Pero la cantidad de variación genética es, en cualquier caso, asombrosa. Considere como ejemplo a los humanos, cuyo nivel de variación es casi el mismo que el de otros mamíferos. El valor de heterocigosidad humana a nivel de proteínas se establece como H = 0.067, lo que significa que un individuo es heterocigoto en el 6.7 por ciento de sus genes, porque los dos genes en cada locus codifican proteínas ligeramente diferentes. El genoma humano contiene aproximadamente 20,000–25,000 genes. Esto significa que una persona es heterocigótica a no menos de 30,000 × 0.067 = 2,010 loci de genes. Un individuo heterocigoto en un locus (Aa) puede producir dos tipos diferentes de células sexuales, o gametos, uno con cada alelo (A y a); un heterocigoto individual en dos loci (AaBb) puede producir cuatro tipos de gametos (AB, Ab, aB y ab); un individuo heterocigoto en n loci puede producir potencialmente 2 ⁿ gametos diferentes. Por lo tanto, un individuo humano típico tiene el potencial de producir 2 ^2,010, o aproximadamente 10 ⁶⁰⁵ (1 con 605 ceros a continuación), diferentes tipos de gametos. Ese número es mucho mayor que el número estimado de átomos en el universo, alrededor de 10 ⁸⁰.

Está claro, entonces, que cada célula sexual producida por un ser humano es genéticamente diferente de todas las demás células sexuales y, por lo tanto, es probable que no haya dos personas que hayan existido o existirán genéticamente idénticas, con la excepción de idénticas. gemelos, que se desarrollan a partir de un solo óvulo fertilizado. La misma conclusión se aplica a todos los organismos que se reproducen sexualmente; cada individuo representa una configuración genética única que probablemente nunca se repetirá nuevamente. Este enorme reservorio de variación genética en las poblaciones naturales ofrece oportunidades prácticamente ilimitadas para el cambio evolutivo en respuesta a las limitaciones ambientales y las necesidades de los organismos.

El origen de la variación genética: mutaciones.

La vida se originó hace unos 3.500 millones de años en forma de organismos primordiales que eran relativamente simples y muy pequeños. Todos los seres vivos han evolucionado a partir de estos comienzos humildes. En la actualidad, hay más de dos millones de especies conocidas, que son muy diversas en cuanto a tamaño, forma y estilo de vida, así como en las secuencias de ADN que contienen su información genética. ¿Qué ha producido la variación genética generalizada dentro de las poblaciones naturales y las diferencias genéticas entre especies? Debe haber algún medio evolutivo mediante el cual las secuencias de ADN existentes se cambien y se incorporen nuevas secuencias en los conjuntos de genes de las especies.

La información codificada en la secuencia de nucleótidos del ADN, por regla general, se reproduce fielmente durante la replicación, de modo que cada replicación da como resultado dos moléculas de ADN que son idénticas entre sí y con la molécula original. Pero la herencia no es un proceso perfectamente conservador; de lo contrario, la evolución no podría haber tenido lugar. Ocasionalmente, se producen "errores" o mutaciones en la molécula de ADN durante la replicación, de modo que las células hijas difieren de las células parentales en la secuencia o en la cantidad de ADN. Una mutación aparece por primera vez en una sola célula de un organismo, pero se transmite a todas las células que descienden de la primera. Las mutaciones se pueden clasificar en dos categorías: mutaciones genéticas o puntuales, que afectan solo unos pocos nucleótidos dentro de un gen, y mutaciones cromosómicas, que cambian el número de cromosomas o cambian el número o la disposición de los genes en un cromosoma.