La biología evolutiva es el subcampo de la biología que estudia los procesos evolutivos ( selección natural , descendencia común , especiación ) que produjeron la diversidad de la vida en la Tierra. También se define como el estudio de la historia de las formas de vida en la Tierra. La evolución sostiene que todas las especies están relacionadas y cambian gradualmente a lo largo de generaciones. [1] En una población, las variaciones genéticas afectan los fenotipos (características físicas) de un organismo. Estos cambios en los fenotipos serán una ventaja para algunos organismos, que luego se transmitirán a su descendencia. Algunos ejemplos de evolución de especies a lo largo de muchas generaciones son la polilla moteada y las aves no voladoras . En la década de 1930, la disciplina de la biología evolutiva surgió a través de lo que Julian Huxley llamó la síntesis moderna de la comprensión, a partir de campos de investigación biológica previamente no relacionados, como la genética y la ecología, la sistemática y la paleontología .
El alcance de las investigaciones actuales se ha ampliado para abarcar la arquitectura genética de la adaptación , la evolución molecular y las diferentes fuerzas que contribuyen a la evolución, como la selección sexual , la deriva genética y la biogeografía . Además, el campo más nuevo de la biología evolutiva del desarrollo ("evo-devo") investiga cómo se controla la embriogénesis , produciendo así una síntesis más amplia que integra la biología del desarrollo con los campos de estudio cubiertos por la síntesis evolutiva anterior.
La evolución es el concepto unificador central en biología. La biología se puede dividir de varias maneras. Una manera es por el nivel de organización biológica , desde molecular a celular , de organismo a población . Otra forma es por grupo taxonómico percibido , con campos como la zoología , la botánica y la microbiología , que reflejan lo que alguna vez se consideraron las principales divisiones de la vida. Una tercera vía es mediante enfoques, como la biología de campo, la biología teórica , la evolución experimental y la paleontología. Estas formas alternativas de dividir la materia se han combinado con la biología evolutiva para crear subcampos como la ecología evolutiva y la biología evolutiva del desarrollo .
Más recientemente, la fusión entre las ciencias biológicas y las ciencias aplicadas dio origen a nuevos campos que son extensiones de la biología evolutiva, incluida la robótica evolutiva , la ingeniería, [2] los algoritmos , [3] la economía , [4] y la arquitectura. [5] Los mecanismos básicos de la evolución se aplican directa o indirectamente para generar diseños novedosos o resolver problemas que son difíciles de resolver de otra manera. La investigación generada en estos campos aplicados contribuye al progreso, especialmente a partir del trabajo sobre la evolución en campos de la informática y la ingeniería como la ingeniería mecánica. [6]
La evolución adaptativa [7] se relaciona con los cambios evolutivos que ocurren debido a los cambios en el medio ambiente, esto hace que el organismo se adapte a su hábitat. Este cambio aumenta las posibilidades de supervivencia y reproducción del organismo (esto puede denominarse aptitud del organismo ). Por ejemplo, los pinzones de Darwin [8] en las islas Galápagos desarrollaron picos de diferentes formas para sobrevivir durante mucho tiempo. La evolución adaptativa también puede ser una evolución convergente si dos especies lejanamente relacionadas viven en entornos similares y enfrentan presiones similares.
La evolución convergente es el proceso en el que organismos emparentados o distantes evolucionan características similares de forma independiente. Este tipo de evolución crea estructuras análogas que tienen una función, estructura o forma similar entre las dos especies. Por ejemplo, los tiburones y los delfines se parecen pero no están relacionados. Asimismo, las aves, los insectos voladores y los murciélagos tienen la capacidad de volar, pero no están relacionados entre sí. Estos rasgos similares tienden a evolucionar a partir de presiones ambientales similares.
La evolución divergente es el proceso de especiación. Esto puede suceder de varias maneras:
La influencia de dos especies estrechamente asociadas se conoce como coevolución . [10] Cuando dos o más especies evolucionan en compañía de otras, una especie se adapta a los cambios en otras especies. Este tipo de evolución suele ocurrir en especies que tienen relaciones simbióticas . Por ejemplo, la coevolución depredador-presa, este es el tipo más común de coevolución. En esto, el depredador debe evolucionar para convertirse en un cazador más eficaz porque existe una presión selectiva sobre la presa para que se mantenga alejada de la captura. Las presas, a su vez, necesitan desarrollar mejores estrategias de supervivencia. La hipótesis de la Reina Roja es un ejemplo de interacciones depredador-presa. La relación entre insectos polinizadores como las abejas y plantas con flores, herbívoros y plantas, también son algunos ejemplos comunes de coevolución difusa o gremial. [11]
Los mecanismos de la evolución se centran principalmente en la mutación, la deriva genética, el flujo de genes, el apareamiento no aleatorio y la selección natural.
Mutación : La mutación [12] es un cambio en la secuencia de ADN dentro de un gen o un cromosoma de un organismo. La mayoría de las mutaciones son perjudiciales o neutrales; es decir, no pueden dañar ni beneficiar, pero a veces también pueden ser beneficiosos.
Deriva genética : La deriva genética [13] es un proceso variacional, ocurre como resultado de los errores de muestreo de una generación a otra donde un evento aleatorio que ocurre por casualidad en la naturaleza cambia o influye en la frecuencia de los alelos dentro de una población. Tiene un efecto mucho más fuerte en las poblaciones pequeñas que en las grandes.
Flujo de genes : El flujo de genes [14] es la transferencia de material genético del acervo genético de una población a otra. En una población, la migración ocurre de una especie a otra, lo que resulta en un cambio en la frecuencia de los alelos.
Selección natural : La supervivencia y tasa de reproducción de una especie depende de la adaptabilidad de la especie a su entorno. Este proceso se llama selección natural . [15] Algunas especies con ciertos rasgos en una población tienen una tasa de supervivencia y reproducción más alta que otras ( aptitud ) y transmiten estas características genéticas a su descendencia.
En biología evolutiva del desarrollo, los científicos analizan cómo los diferentes procesos del desarrollo influyen en cómo un organismo específico alcanza su plan corporal actual. La regulación genética de la ontogenia y el proceso filogenético es lo que permite que este tipo de comprensión de la biología sea posible. Al observar diferentes procesos durante el desarrollo y recorrer el árbol evolutivo, se puede determinar en qué punto surgió una estructura específica. Por ejemplo, se puede observar que las tres capas germinales no están presentes en los cnidarios y ctenóforos, sino que sí en los gusanos, estando más o menos desarrolladas según el tipo de gusano. Con esta práctica también se pueden rastrear otras estructuras como el desarrollo de los genes Hox y órganos sensoriales como los ojos. [16] [17]
Los árboles filogenéticos son representaciones de linaje genético. Son figuras que muestran cuán relacionadas están las especies entre sí. Se formaron analizando los rasgos físicos y las similitudes del ADN entre especies. Luego, utilizando un reloj molecular, los científicos pueden estimar cuándo divergieron las especies. Un ejemplo de filogenia sería el árbol de la vida.
Los genes que tienen ascendencia compartida son homólogos. Si ocurre un evento de especiación y un gen termina en dos especies diferentes, los genes ahora son ortólogos. Si un gen se duplica dentro de una especie singular, entonces es un parálogo. Se puede utilizar un reloj molecular para estimar cuándo ocurrieron estos eventos. [18]
La idea de la evolución por selección natural fue propuesta por Charles Darwin en 1859, pero la biología evolutiva, como disciplina académica por derecho propio, surgió durante el período de la síntesis moderna en las décadas de 1930 y 1940. [19] No fue hasta la década de 1980 que muchas universidades tuvieron departamentos de biología evolutiva. En Estados Unidos, muchas universidades han creado departamentos de biología molecular y celular o de ecología y biología evolutiva , en lugar de los antiguos departamentos de botánica y zoología . La paleontología suele agruparse con las ciencias de la tierra .
La microbiología también se está convirtiendo en una disciplina evolutiva ahora que se comprenden mejor la fisiología y la genómica microbianas . El rápido tiempo de generación de bacterias y virus como los bacteriófagos permite explorar cuestiones evolutivas.
Muchos biólogos han contribuido a dar forma a la disciplina moderna de la biología evolutiva. Theodosius Dobzhansky y EB Ford establecieron un programa de investigación empírica. Ronald Fisher , Sewall Wright y JBS Haldane crearon un marco teórico sólido. Ernst Mayr en sistemática , George Gaylord Simpson en paleontología y G. Ledyard Stebbins en botánica ayudaron a formar la síntesis moderna. James Crow , [20] Richard Lewontin , [21] Dan Hartl , [22] Marcus Feldman , [23] [24] y Brian Charlesworth [25] formaron a una generación de biólogos evolutivos.
La investigación actual en biología evolutiva cubre diversos temas e incorpora ideas de diversas áreas, como la genética molecular y la informática .
En primer lugar, algunos campos de la investigación evolutiva intentan explicar fenómenos que no fueron bien explicados en la síntesis evolutiva moderna . Estos incluyen la especiación , [26] [27] la evolución de la reproducción sexual , [28] [29] la evolución de la cooperación , la evolución del envejecimiento , [30] y la evolucionabilidad . [31]
En segundo lugar, algunos biólogos evolutivos plantean la pregunta evolutiva más sencilla: "¿qué pasó y cuándo?". Esto incluye campos como la paleobiología , donde los paleobiólogos y biólogos evolutivos, incluidos Thomas Halliday y Anjali Goswami, estudiaron la evolución de los primeros mamíferos remontándose en el tiempo durante las eras Mesozoica y Cenozoica (hace entre 299 millones y 12.000 años). [32] [33] Otros campos relacionados con la exploración genérica de la evolución ("¿qué pasó y cuándo?") incluyen la sistemática y la filogenética .
En tercer lugar, la síntesis evolutiva moderna se ideó en una época en la que nadie entendía las bases moleculares de los genes. Hoy en día, los biólogos evolutivos intentan determinar la arquitectura genética de fenómenos evolutivos interesantes como la adaptación y la especiación. Buscan respuestas a preguntas como cuántos genes están involucrados, qué tan grandes son los efectos de cada gen, qué tan interdependientes son los efectos de diferentes genes, qué hacen los genes y qué cambios les suceden (por ejemplo, mutaciones puntuales versus mutaciones puntuales ). duplicación de genes o incluso duplicación del genoma ). Intentan conciliar la alta heredabilidad observada en estudios de gemelos con la dificultad de encontrar qué genes son responsables de esta heredabilidad mediante estudios de asociación de todo el genoma . [34]
Un desafío al estudiar la arquitectura genética es que la genética de poblaciones clásica que catalizó la síntesis evolutiva moderna debe actualizarse para tener en cuenta el conocimiento molecular moderno. Esto requiere una gran cantidad de desarrollo matemático para relacionar los datos de la secuencia de ADN con la teoría evolutiva como parte de una teoría de la evolución molecular . Por ejemplo, los biólogos intentan inferir qué genes han estado bajo una fuerte selección mediante la detección de barridos selectivos . [35]
Cuarto, la síntesis evolutiva moderna implicó un acuerdo sobre qué fuerzas contribuyen a la evolución, pero no sobre su importancia relativa. [36] La investigación actual busca determinar esto. Las fuerzas evolutivas incluyen la selección natural , la selección sexual , la deriva genética , el borrador genético , las limitaciones del desarrollo, el sesgo de mutación y la biogeografía .
Este enfoque evolutivo es clave para gran parte de la investigación actual en biología y ecología de organismos, como la teoría de la historia de la vida . La anotación de genes y su función depende en gran medida de enfoques comparativos. El campo de la biología evolutiva del desarrollo ("evo-devo") investiga cómo funcionan los procesos de desarrollo y los compara en diferentes organismos para determinar cómo evolucionaron.
Muchos médicos no tienen suficiente experiencia en biología evolutiva, lo que dificulta su uso en la medicina moderna. [37] Sin embargo, hay esfuerzos para obtener una comprensión más profunda de la enfermedad a través de la medicina evolutiva y desarrollar terapias evolutivas .
La evolución juega un papel en la resistencia a las drogas; por ejemplo, cómo el VIH se vuelve resistente a los medicamentos y al sistema inmunológico del cuerpo. La mutación de resistencia del VIH se debe a la selección natural de los supervivientes y su descendencia. Los pocos VIH que sobrevivieron al sistema inmunológico se reprodujeron y tuvieron descendencia que también fue resistente al sistema inmunológico. [38] La resistencia a los medicamentos también causa muchos problemas a los pacientes, como que la enfermedad empeore o que la enfermedad pueda mutar en algo que ya no se pueda curar con medicamentos. Sin la medicina adecuada, una enfermedad puede suponer la muerte de un paciente. Si su cuerpo tiene resistencia a una cierta cantidad de medicamentos, entonces será cada vez más difícil encontrar el medicamento adecuado. No completar el tratamiento completo de antibióticos prescrito también es un ejemplo de resistencia que hará que las bacterias contra las cuales se toma el antibiótico evolucionen y continúen propagándose en el cuerpo. [39] Cuando la dosis completa del medicamento no ingresa al cuerpo y realiza su trabajo adecuado, las bacterias que sobreviven a la dosis inicial continuarán reproduciéndose. Esto puede provocar otro ataque de enfermedad más adelante que será más difícil de curar porque las bacterias involucradas serán resistentes al primer medicamento utilizado. Tomar el tratamiento completo del medicamento recetado es un paso vital para evitar la resistencia a los antibióticos.
Las personas con enfermedades crónicas, especialmente aquellas que pueden reaparecer a lo largo de la vida, corren un mayor riesgo de resistencia a los antibióticos que otras. [40] Esto se debe a que el uso excesivo de un medicamento o una dosis demasiado alta puede hacer que el sistema inmunológico del paciente se debilite y la enfermedad evolucione y se fortalezca. Por ejemplo, los pacientes con cáncer necesitarán una dosis cada vez más fuerte de medicamento debido a su sistema inmunológico de bajo funcionamiento. [41]
Algunas revistas científicas se especializan exclusivamente en biología evolutiva en su conjunto, incluidas las revistas Evolution , Journal of Evolutionary Biology y BMC Evolutionary Biology . Algunas revistas cubren subespecialidades dentro de la biología evolutiva, como las revistas Systematic Biology , Molecular Biology y Evolution y su revista hermana Genome Biology and Evolution , y Cladistics .
Otras revistas combinan aspectos de la biología evolutiva con otros campos relacionados. Por ejemplo, Molecular Ecology , Proceedings of the Royal Society of London Series B , The American Naturalist y Theoretical Population Biology se superponen con la ecología y otros aspectos de la biología de los organismos. La superposición con la ecología también es destacada en las revistas de revisión Trends in Ecology and Evolution y Annual Review of Ecology, Evolution, and Systematics . Las revistas Genetics y PLoS Genetics se superponen con cuestiones de genética molecular que no son obviamente de naturaleza evolutiva.
Medios relacionados con la biología evolutiva en Wikimedia Commons
