Biología de preparatoria

La evolución biológica y la biodiversidad de las especies

Antecedentes y teoría de la evolución de Darwin y Wallace

Desde tiempos ancestrales y a lo largo de la historia han surgido preguntas sobre el origen de la vida y de las especies, así como la evolución de las mismas; al principio, las respuestas fueron en torno a la religión, donde se creía que todos los organismos fueron creados simultáneamente por Dios; sin embargo, en la Biología moderna los científicos han rechazado este principio fundamental basándose en ideas que han desarrollado a lo largo de la historia. En la figura 1 se exponen algunas ideas del desarrollo de la biología evolutiva moderna.

Figura 1. Antecedentes a la teoría de la evolución de Darwin y Wallace

La evolución biológica es el conjunto de transformaciones continuas que han originado las diversas formas de vida, es decir, los cambios producidos de generación en generación en una población de individuos que puede llevar a la aparición de nuevas especies, a la adaptación a distintos ambientes o a la aparición de diferencias evolutivas.

La ciencia, antes de Darwin, quien estuvo influenciado por la teología, sostenía que todas las especies habían sido creadas por Dios y que toda forma de vida permanecía inalterable desde ese momento. Por su parte, Platón y Aristóteles (427-347 a.C), filósofos griegos, propusieron que todo objeto existente en la Tierra era un reflejo temporal simplemente de su forma ideal inspirada por esa divinidad. Aristóteles, además, clasificó todos los organismos en una jerarquía lineal a la que llamó: la escala de la naturaleza.

Figura 2. Diversas especies

Las especies inalterables que se pueden clasificar de acuerdo con su cercanía a la perfección, iniciando con los tipos superiores hasta los tipos inferiores, son:

  1. Humanos.
  2. Mamíferos.
  3. Aves.
  4. Reptiles y anfibios.
  5. Ballenas y mariposas.
  6. Peces.
  7. Calamares y pulpos.
  8. Langostas, cangrejos, etc.
  9. Caracoles, almejas.
  10. Insectos, arañas, etc.
  11. Medusas, esponjas, etc.
  12. Plantas superiores.
  13. Plantas inferiores.
  14. Materia inanimada.

El asentamiento de culturas y la exploración de nuevos continentes dieron lugar a nuevas hipótesis en las cuales se discutía sobre esta inalterabilidad de las especies, la diversidad de tipos de organismos era más grande de lo que se pudieran imaginar. Así iniciaron a tomar nota de patrones, en cierta área geográfica por ejemplo, se encontraban con especies diferentes a comparación de otra zona, así como grupos de especies similares dentro de una misma área.

Para el siglo XVIII, concluyeron que las especies habían cambiado a lo largo del tiempo, por ejemplo; Georges Louis LeClerc, mejor conocido como el conde de Buffon (1707-1788), sugirió que de la creación original había un grupo reducido de especies, pero que conforme había pasado el tiempo se habían producido otras mediante procesos naturales.

Poco después, con el descubrimiento de fragmentos de roca que parecían ser parte de organismos vivos encontrados durante excavaciones, se hizo evidente un avance en la Geología: los fósiles, que muchos pensaban que sólo eran producto del viento, el agua o del hombre, en realidad eran restos de organismos conservados a lo largo de mucho tiempo.

Algunos ejemplos de estos fósiles son huesos, conchas, insectos, huevos, heces fecales o huellas que se petrificaron y convirtieron en piedra. Además, con esto se dieron cuenta que la Tierra está formada por capas, antiguas (abajo) y recientes (en la superficie), y en una cierta capa es donde se hallaban estos fósiles. En las más antiguas se encontraban especies muy diferentes a las especies modernas y vieron que estas especies vegetales y animales ya se habían extinguido, es decir, ninguna se encontraba disponible en la Tierra. Con esto pudieron concluir que distintos tipos de organismos vivieron en otras épocas de la historia.

A pesar de contar con los fósiles como evidencia, muchos científicos no aceptaban que las especies cambiaban o que surgían con el paso del tiempo. Así, con el fin de mantener la idea de la creación por parte de una divinidad, pero explicando la extinción de algunas especies, George Cuvier, paleontólogo francés (1769-1832) propuso la teoría del catastrofismo. Esta teoría explica que los cambios biológicos y geológicos de nuestro planeta se debían a cambios violentos como las catástrofes (terremotos, meteoritos, inundaciones, volcanes, etc.).

Por lo tanto, las especies existieron y desaparecieron debido a estas catástrofes. Una vez extintas, nuevas especies aparecerían y ocuparían los lugares de las anteriores, este proceso se repetiría con el tiempo.

La hipótesis de Cuvier y las catástrofes fueron cuestiona- das por el geólogo Charles Lyell (1797-1875) y James Hutton (1726-1797), quienes consideraban que las explicaciones di- vinas o bíblicas son poco científicas y por lo tanto falsas. La teoría del uniformismo se opone totalmente al catastrofismo, defiende la existencia de procesos naturales como la sedimentación, vulcanismo y la erosión, que actuaban de forma muy lenta, uniforme y sin interrupción debido a fuerzas que operaban sobre el relieve de la Tierra durante mucho tiempo, estas fuerzas se consideran fijas y constantes. Hutton observó cambios en la corteza terrestre a lo largo del tiempo y estableció que la edad del planeta era mucho mayor que la deducida en el Génesis, es decir, de varios millones de años. Un ejemplo de este cambio gradual es la formación de cordilleras y valles, que se da por la fuerza lenta que ejerce el viento y el agua en la superficie y no por catástrofes o grandes inundaciones. Lyell y Hutton demostraron que este tiempo, la edad de la Tierra, era suficiente para que todo evolucionara y era parte de un mecanismo.

El primer científico que propuso un mecanismo de evolución fue Jean Baptiste La- marck (1744-1829), quien estudió la secuencia de los organismos en las capas de las rocas, fósiles más antiguos tenían formas más simples y fósiles más recientes tienden a ser más complejos y parecidos a los actuales. Además, Lamarck planteó que las especies van cambiando sus características a lo largo del tiempo de una manera gradual, mostrando una tendencia hacia la complejidad y la perfección, esta teoría se basa en dos suposiciones:

  1. Ley del uso y del desuso: cuando una parte del cuerpo se usa repetidamente crece y se desarrolla, en cambio, si no se usa se atrofia, se debilita lentamente y llega a desaparecer.
  2. Ley de la herencia de los caracteres adquiridos: cualquier animal puede transmitir a sus descendientes aquellos caracteres que ha adquirido durante su vida.
Figura 3. Teoría de Lamarck

Por ejemplo, si los antepasados de las jirafas intentaban aumentar su ración alimenticia al estirarse a comer las hojas de las ramas altas de los árboles, sus cuellos se alargaban en consecuencia, por lo tanto, sus descendientes heredarían cuellos más largos y así sucesivamente hasta llegar a las jirafas como las conocemos ahora.

El siguiente mecanismo, y que fue clave en el tema de la evolución, es el de Darwin y Wallace, quienes, a mediados del siglo XIX, concluyeron que las especies existen- tes eran resultado de la evolución de sus predecesoras.

El razonamiento que condujo a Charles Darwin (1809-1882) y Alfred Russel Wallace (1823-1913), cada quien por su lado, a su propuesta de proceso de evolución resulta ser muy simple, y descubrieron que algunas especies sólo cambiaban en algunos aspectos; por ejemplo, Darwin estudió un grupo de especies de pinzones que se especializan en comer distintos alimentos, por lo que su pico tiene tamaño y forma característicos para consumir ese alimento.

Figura 4. Pinzón. (1) pinzón grande de tierra con el pico adaptado para comer semillas grandes; (2) pinzón pequeño de tierra, con pico pequeño adaptado para comer semillas pequeñas; (3) pinzón gorjeador, con el pico adaptado para comer insectos, y (4) pinzón arbóreo vegetariano, con pico adaptado para comer hojas.

Darwin y Wallace propusieron que los individuos de cada generación difieren ligeramente de los miembros de la generación anterior, lo que resulta a lo largo del tiempo como grandes transformaciones.

Con las investigaciones de Wallace, Darwin publicó en 1859 El origen de las especies por selección natural, en la que explica la teoría apoyándola de las diferentes observaciones que tuvo sobre la naturaleza.

La teoría evolutiva o darwinismo se basa en cuatro postulados acerca de las poblaciones.

  1. Los individuos varían en una población. Cada uno de los integrantes de una población difiere de los demás en muchos aspectos.
  2. Los caracteres se heredan de padres a descendientes. Al menos algunas de las diferencias entre los miembros de una población se deben a características que pueden transmitirse de los progenitores a la descendencia.
  3. Algunos individuos no logran sobrevivir y reproducirse. En cada generación, algunos individuos de una población sobreviven y se reproducen con éxito y otros no.
  4. La supervivencia y la reproducción no están determinadas por el azar. La super- vivencia y la reproducción dependen de sus características. Los individuos con caracteres de ventaja sobreviven más tiempo y dejan mayor número de descendencia, un proceso llamado selección natural.

Principales causas de la variabilidad genética y el cambio evolutivo

Ya hemos revisado algunas de las teorías más importantes sobre la evolución en un marco histórico, ahora profundizaremos en los conceptos científicos a través de los cuales se logra explicar las ideas más relevantes sobre el cambio evolutivo.

Mutación

Darwin no conocía la fuente de las variaciones en los organismos individuales, pero observó que parecían ocurrir aleatoriamente. Esto se atribuyó a la mutación. La mutación es un cambio permanente y transmisible en el material genético (ADN) de una célula. Puede ser producida por errores de copia en el material genético duran- te la división celular y por la exposición a la radiación, sustancias químicas o virus o bajo el control celular durante procesos como la meiosis o la hipermutación. En los organismos multicelulares, las mutaciones pueden dividirse en:

  • Mutaciones germinales: se transmiten a la descendencia, ya que afecta el ADN de células reproductivas o germinales (óvulo y espermatozoide).
  • Mutaciones somáticas: se encuentran en el ADN de las células de alguna parte del cuerpo, produciendo malformaciones o muerte de células y pueden causar cáncer.

Para un gen dado, sólo una pequeña proporción de una población hereda una mutación de la generación anterior. Una mutación puede producir un cambio en una estructura o función de un organismo.

Figura 5. Una mutación génica causa coloración marrón.

Flujo de genes

Es el intercambio de genes entre poblaciones diferentes, normalmente relacionadas mediante un cruzamiento.

El flujo de genes o movimiento de alelos entre distintas poblaciones favorece la variabilidad genética en estas poblaciones. Cuando los individuos se mueven de una población a otra y se cruzan en una nueva ubicación, los alelos se transfieren de una poza génica a otra. Por ejemplo, el polen puede ser un agente de flujo génico, ya que, esparcido por los vientos, llevando alelos de una población a otra.

Deriva génica

Consiste en cambios en las frecuencias génicas debido a que los genes de una generación dada no constituyen una muestra representativa de los genes de la anterior. Observa en la figura 6 cómo algunos genes se pierden con el paso de muchos años, o cuando existe cualquier suceso que termine con la vida de manera inesperada y por casualidad o porque permitan que se reproduzcan sólo de esa forma un subconjunto de una población, lo que puede causar cambios aleatorios en las frecuencias de alelos, este suceso es conocido como deriva génica, y estos cambios pueden ocasionar la desaparición de un alelo en la población.

Figura 6. Deriva génica

La deriva génica ocurre en cierta medida en todas las poblaciones, pero se da con más rapidez y tiene más efectos en las poblaciones pequeñas porque sólo unos cuantos organismos podrían portar un alelo específico.

Interacción con el ambiente

Los animales poseen la capacidad de obtener, registrar y procesar la información acerca de las condiciones en que se encuentra el medio ambiente, este factor influye, entre otros aspectos, en sus ciclos reproductivos, así como en el desarrollo de sus crías.

Apareamiento no aleatorio

La selección de la pareja no es al azar. Cada macho de una población debe tener igual oportunidad de aparearse con cada una de las hembras, pero la realidad es que el apareamiento no aleatorio es la regla en la mayoría de las poblaciones.

El apareamiento no aleatorio por sí mismo no altera la frecuencia de los alelos dentro de una población. Pero puede tener efectos considerables sobre la distribución de los genotipos, estos podrían ser más comunes y afectar la dirección de la selección natural.

Los efectos del apareamiento no aleatorio pueden tener una función significativa en la evolución, ya que muchos organismos tienen movilidad limitada y tienden a permanecer cerca del lugar de nacimiento. En muchos casos, los descendientes son productos de parientes.

Selección natural

Las poblaciones que presentan las características más favorables hacia todos aquellos factores selectivos son los organismos que sobreviven gracias a su variabilidad genética hacia los factores del medio.

La selección natural no actúa directamente sobre los genotipos de los organismos individuales, sino sobre los fenotipos, las estructuras y los comportamientos que muestran los miembros de una población.

Principio de la selección natural y su relación con la genética de poblaciones

La selección natural da forma a la evolución de las poblaciones, donde los organismos dependen de la adaptación al medio ambiente cambiante; es decir, los mejor adaptados desplazan a los menos adaptados.

La selección natural favorece caracteres que aumentan la supervivencia de sus poseedores sólo en la medida que el mejoramiento en la supervivencia conduce a un mejoramiento en la reproducción. Una característica que mejore la supervivencia puede aumentar la probabilidad de que el individuo sobreviva el tiempo suficiente para reproducirse o alargar el lapso de vida. Esto garantiza el futuro de los alelos de un individuo y la prevalencia de los mismos. De esta manera, el principal impulsor de la selección natural son las diferencias en la reproducción, los individuos que portan dichos alelos dejan más descendientes que otros con alelos diferentes.

La selección natural no actúa directamente sobre los genotipos de los organismos individuales, más bien sobre los fenotipos, las estructuras y los comportamientos que muestran los individuos de una población. Por lo tanto, a los genotipos los afectan los fenotipos por la vinculación que tienen.

La genética de poblaciones estudia la frecuencia, distribución y herencia de alelos en las poblaciones. De igual manera define a la poza génica como la suma de todos los genes de una población y consiste en todos los alelos de todos los individuos de toda la población. Si se suman todas las copias de cada alelo de ese gen de todos los individuos de una población, se puede determinar la proporción relativa de cada alelo, en una cantidad llamada frecuencia alélica. A partir de esto, la evolución se define como los cambios en las frecuencias alélicas que ocurren en una poza génica con el transcurso del tiempo.

En 1908, el matemático inglés Godfrey H. Hardy y el médico alemán Wilhelm Weinberg desarrollaron de manera independiente el conocido principio de Hardy-Weinberg (a explicar más adelante), que demuestra que bajo ciertas condiciones, las frecuencias de los alelos y las de los genotipos en una población permanecerán constantes sin importar cuántas generaciones transcurran. En otras palabras, la población no evolucionará. A esto se le llama población en equilibrio y supone que no hay evolución cuando se cumplen las siguientes condiciones:

  • No debe haber mutación.
  • No debe haber flujo génico; es decir, no debe existir movimiento de alelos hacia dentro o fuera de la población.
  • La población debe ser muy grande.
  • Todos los apareamientos deben ser aleatorios, sin ninguna tendencia hacia ciertos genotipos para aparearse con otros genotipos específicos.
  • No debe existir selección natural; es decir, todos los genotipos deben reproducir- se con el mismo éxito.

Si esto no se cumple, entonces la población evolucionará.

Principio de Hardy-Weinberg

El principio de Hardy-Weinberg establece que las frecuencias de alelos permanecerán constantes con el paso del tiempo en la poza génica de una población grande, donde haya apareamiento aleatorio más no mutaciones ni flujo génico ni selección natural. Además, Hardy y Weinberg demostraron que si las frecuencias alélicas no cambian en una población en equilibrio, la proporción de individuos con un genotipo específico también permanecerá constante.

La teoría de la genética de poblaciones predice que el equilibrio de Hardy-Weinberg puede alterarse por las desviaciones de cualquiera de sus cinco condiciones. De esta manera, es posible predecir cinco causas principales del cambio evolutivo: mutación, flujo génico, población pequeña, apareamiento no aleatorio y selección natural.

Causas y objetivos de la evolución por selección natural y artificial

El proceso de selección artificial se refiere a elegir a los mejores individuos de una población para obtener una buena descendencia y a repetir el proceso. Sin embargo, la selección artificial surge a partir de la necesidad de la reproducción de plantas y animales domésticos con características específicas deseables.

Un ejemplo claro es la diversidad de razas de perros, en donde el ser humano realiza las cruzas hasta llegar a individuos totalmente diferentes a sus progenitores.

Figura 7. Raza de perros

Fuente: Secretaría de Educación Pública. (2015). Biología II. Ciudad de México.