Un cuello de botella poblacional o cuello de botella genético es una reducción brusca del tamaño de una población debido a eventos ambientales como hambrunas, terremotos, inundaciones, incendios, enfermedades y sequías ; o actividades humanas como genocidio, especicidio, violencia generalizada o sacrificio intencional. Tales eventos pueden reducir la variación en el acervo genético de una población; a partir de entonces, una población más pequeña, con una diversidad genética menor , permanece para transmitir genes a futuras generaciones de descendientes . La diversidad genética sigue siendo menor, aumentando solo cuando ocurre el flujo genético de otra población o aumentando muy lentamente con el tiempo a medida que ocurren mutaciones aleatorias . [1] [ fuente autopublicada ] Esto resulta en una reducción en la robustez de la población y en su capacidad para adaptarse y sobrevivir a la selección de cambios ambientales, como el cambio climático o un cambio en los recursos disponibles. [2] Alternativamente, si los sobrevivientes del cuello de botella son los individuos con la mayor aptitud genética , la frecuencia de los genes más aptos dentro del acervo genético aumenta, mientras que el acervo en sí se reduce.
La deriva genética causada por un cuello de botella poblacional puede cambiar la distribución aleatoria proporcional de los alelos e incluso provocar la pérdida de alelos . Las posibilidades de endogamia y homogeneidad genética pueden aumentar, lo que posiblemente lleve a una depresión endogámica . Un tamaño de población menor también puede provocar la acumulación de mutaciones perjudiciales. [3]
Los cuellos de botella poblacionales desempeñan un papel importante en la biología de la conservación (véase tamaño mínimo viable de la población ) y en el contexto de la agricultura ( control biológico y de plagas ). [4]
En biología de la conservación , el tamaño mínimo de la población viable (MVP) ayuda a determinar el tamaño efectivo de la población cuando una población está en riesgo de extinción . [5] [6] Los efectos de un cuello de botella poblacional a menudo dependen de la cantidad de individuos que quedan después del cuello de botella y de cómo se compara con el tamaño mínimo de la población viable.
Una forma ligeramente diferente de cuello de botella puede ocurrir si un grupo pequeño se separa reproductivamente (por ejemplo, geográficamente) de la población principal, como por ejemplo a través de un evento fundador, por ejemplo, si unos pocos miembros de una especie colonizan con éxito una nueva isla aislada, o a partir de pequeños programas de cría en cautiverio, como los animales en un zoológico. Alternativamente, las especies invasoras pueden sufrir cuellos de botella poblacionales a través de eventos fundadores cuando se introducen en su área de distribución invadida. [7]
Según un modelo de 1999, se produjo un grave cuello de botella poblacional, o más específicamente una especiación completa , entre un grupo de Australopithecus a medida que hacían la transición hacia la especie conocida como Homo erectus hace dos millones de años. Se cree que deben haber ocurrido cuellos de botella adicionales desde que el Homo erectus comenzó a caminar sobre la Tierra, pero los datos arqueológicos, paleontológicos y genéticos actuales son inadecuados para brindar mucha información confiable sobre tales cuellos de botella conjeturados. [8] No obstante, un análisis genético de 2023 discernió un cuello de botella poblacional de ancestros humanos de unos posibles 100.000 a 1000 individuos "hace alrededor de 930.000 y 813.000 años [que] duró alrededor de 117.000 años y llevó a los ancestros humanos cerca de la extinción". [9] [10]
Un estudio de 2005 de la Universidad Rutgers teorizó que las poblaciones nativas de las Américas anteriores a 1492 son descendientes de solo 70 individuos que cruzaron el puente terrestre entre Asia y América del Norte. [11]
El cuello de botella del cromosoma Y del Neolítico se refiere a un período alrededor de 5000 a. C. donde la diversidad en el cromosoma Y masculino cayó precipitadamente, a un nivel equivalente a la reproducción ocurriendo con una proporción entre hombres y mujeres de 1:17. [12] Descubierto en 2015 [13] la investigación sugiere que la razón del cuello de botella no fue una reducción en el número de hombres, sino una disminución drástica en el porcentaje de hombres con éxito reproductivo.
La controvertida teoría de la catástrofe de Toba, presentada a finales de los años 1990 y principios de los años 2000, sugería que hace aproximadamente 75.000 años se produjo un cuello de botella en la población humana , proponiendo que la población humana se redujo a quizás 10.000–30.000 individuos [14] cuando el supervolcán Toba en Indonesia entró en erupción y desencadenó un importante cambio ambiental. Se propuso la existencia de cuellos de botella paralelos entre chimpancés , gorilas , macacos rhesus , orangutanes y tigres . [15] La hipótesis se basaba en evidencia geológica de un cambio climático repentino y en evidencia de coalescencia de algunos genes (incluido el ADN mitocondrial , el ADN del cromosoma Y y algunos genes nucleares ) [16] y el nivel relativamente bajo de variación genética en los humanos. [14]
Sin embargo, investigaciones posteriores, especialmente en la década de 2010, parecieron refutar tanto el argumento climático como el genético. Investigaciones recientes muestran que el alcance del cambio climático fue mucho menor de lo que creían los defensores de la teoría. [17]
En 2000, un artículo de Molecular Biology and Evolution sugirió un modelo de trasplante o un "cuello de botella largo" para explicar la variación genética limitada, en lugar de un cambio ambiental catastrófico. [8] Esto sería coherente con las sugerencias de que en el África subsahariana los números podrían haber disminuido en momentos tan bajos como 2.000, tal vez durante tanto tiempo como 100.000 años, antes de que los números comenzaran a expandirse nuevamente en la Edad de Piedra Tardía . [18]
El bisonte europeo , también llamado bisonte europeo (Bison bonasus), estuvo a punto de extinguirse a principios del siglo XX. Los animales que viven hoy en día descienden de 12 individuos y tienen una variación genética extremadamente baja, lo que puede estar empezando a afectar la capacidad reproductiva de los machos. [19]
La población de bisonte americano (Bison bison) disminuyó debido a la caza excesiva, lo que casi llevó a la extinción alrededor del año 1890, aunque desde entonces ha comenzado a recuperarse (ver tabla).
Un ejemplo clásico de un cuello de botella poblacional es el del elefante marino del norte , cuya población se redujo a unos 30 ejemplares en la década de 1890. Aunque ahora cuenta con cientos de miles, el potencial de cuellos de botella dentro de las colonias persiste. Los machos dominantes son capaces de aparearse con el mayor número de hembras, a veces hasta con 100. Como gran parte de la descendencia de una colonia desciende de un solo macho dominante, la diversidad genética es limitada, lo que hace que la especie sea más vulnerable a las enfermedades y las mutaciones genéticas.
El hámster dorado es una especie con un cuello de botella similar: la gran mayoría de los hámsteres domésticos descienden de una única camada encontrada en el desierto sirio alrededor de 1930, y quedan muy pocos hámsteres dorados salvajes.
Un ejemplo extremo de un cuello de botella poblacional es el petirrojo negro de Nueva Zelanda , del cual cada ejemplar actual es descendiente de una sola hembra, llamada Old Blue. La población del petirrojo negro todavía se está recuperando de su punto más bajo de sólo cinco individuos en 1980.
El genoma del panda gigante muestra evidencia de un grave cuello de botella hace unos 43.000 años. [20] También hay evidencia de al menos una especie de primate, el mono dorado de nariz chata , que también sufrió un cuello de botella en esa época. Se sospecha que un evento ambiental desconocido causó los cuellos de botella observados en ambas especies. Los cuellos de botella probablemente causaron la baja diversidad genética observada en ambas especies.
A veces se pueden inferir otros hechos a partir de un cuello de botella poblacional observado. Entre las tortugas gigantes de las Islas Galápagos (que son en sí mismas un excelente ejemplo de un cuello de botella), la población comparativamente grande en las laderas del volcán Alcedo es significativamente menos diversa que otras cuatro poblaciones de tortugas en la misma isla. Los análisis de ADN datan el cuello de botella a alrededor de 88.000 años antes del presente ( YBP ). [21] Aproximadamente 100.000 YBP el volcán entró en erupción violentamente, enterrando profundamente gran parte del hábitat de las tortugas en piedra pómez y ceniza.
Otro ejemplo puede verse en los gallos de las praderas mayores , que prevalecieron en América del Norte hasta el siglo XX. Solo en Illinois , el número de gallos de las praderas mayores se desplomó de más de 100 millones en 1900 a aproximadamente 46 en 1998. [22] Estas disminuciones en la población fueron el resultado de la caza y la destrucción del hábitat , pero las consecuencias aleatorias también han causado una gran pérdida en la diversidad de especies. El análisis de ADN que compara las aves de 1990 y mediados de siglo muestra un pronunciado declive genético en las últimas décadas. El manejo de los gallos de las praderas mayores ahora incluye esfuerzos de rescate genético que incluyen la translocación de gallos de las praderas entre leks para aumentar la diversidad genética de cada población. [22]
El cuello de botella poblacional también plantea una amenaza importante para la estabilidad de las poblaciones de especies. Papilio homerus es la mariposa más grande de América y está en peligro de extinción según la UICN . La desaparición de una población central plantea una amenaza importante de cuello de botella poblacional. Las dos poblaciones restantes ahora están aisladas geográficamente y enfrentan un futuro inestable con una oportunidad restante limitada para el flujo genético. [23]
Existen cuellos de botella genéticos en los guepardos . [24] [25]
También existen cuellos de botella entre animales de raza pura (por ejemplo, perros y gatos : pugs , persas ) porque los criadores limitan sus reservas genéticas a unos pocos individuos (ganadores de concursos) por su apariencia y comportamiento. El uso extensivo de animales individuales deseables con exclusión de otros puede resultar en un efecto de padre popular .
La cría selectiva de razas de perros ha provocado cuellos de botella específicos de cada raza. [26] Estos cuellos de botella han provocado que los perros tengan una carga genética media de un 2-3% mayor que los lobos grises . [27] Los estrictos programas de cría y los cuellos de botella de población han provocado la prevalencia de enfermedades como enfermedades cardíacas, ceguera, cánceres , displasia de cadera y cataratas. [26]
La cría selectiva para producir cultivos de alto rendimiento ha causado cuellos de botella genéticos en estos cultivos y ha conducido a una homogeneidad genética. [28] Esta diversidad genética reducida en muchos cultivos podría conducir a una mayor susceptibilidad a nuevas enfermedades o plagas, lo que amenaza la seguridad alimentaria mundial. [29]
Las investigaciones han demostrado que en el genoma del pino Wollemi ( Wollemia nobilis ) hay una cantidad increíblemente baja, casi indetectable, de diversidad genética. [30] La UICN encontró un recuento poblacional de 80 individuos maduros y alrededor de 300 plántulas y ejemplares juveniles en 2011, y anteriormente, el pino Wollemi tenía menos de 50 individuos en estado salvaje. [31] El bajo tamaño de la población y la baja diversidad genética indican que el pino Wollemi atravesó un grave cuello de botella poblacional.
En la década de 1970, los esfuerzos de conservación de la especie en peligro de extinción Argyroxiphium sandwicense ssp. sandwicense crearon un cuello de botella en la población . [32] La pequeña población natural de la especie se incrementó durante la década de 1970 con individuos trasplantados. Se descubrió que todas las plantas de la especie trasplantadas eran descendientes de la primera o posterior generación de solo dos fundadores maternos. La baja cantidad de loci polimórficos en los individuos trasplantados provocó el cuello de botella en la población, lo que provocó la pérdida del alelo marcador en ocho de los loci.
