La historia de la evolución molecular comienza a principios del siglo XX con la "bioquímica comparada", pero el campo de la evolución molecular cobró fuerza en las décadas de 1960 y 1970, tras el auge de la biología molecular . La llegada de la secuenciación de proteínas permitió a los biólogos moleculares [ cita necesaria ] crear filogenias basadas en la comparación de secuencias y utilizar las diferencias entre secuencias homólogas como un reloj molecular para estimar el tiempo transcurrido desde el último ancestro común. A finales de la década de 1960, la teoría neutral de la evolución molecular proporcionó una base teórica para el reloj molecular, aunque tanto el reloj como la teoría neutral fueron controvertidos, ya que la mayoría de los biólogos evolucionistas se aferraban firmemente al panselectionismo , con la selección natural como la única causa importante de la evolución molecular. cambiar. Después de la década de 1970, la secuenciación de ácidos nucleicos permitió que la evolución molecular fuera más allá de las proteínas y llegara a secuencias de ARN ribosomal altamente conservadas , la base de una reconceptualización de la historia temprana de la vida .
Antes del auge de la biología molecular en las décadas de 1950 y 1960, un pequeño número de biólogos habían explorado las posibilidades de utilizar las diferencias bioquímicas entre especies para estudiar la evolución . Alfred Sturtevant predijo la existencia de inversiones cromosómicas en 1921 y con Dobzhansky construyó una de las primeras filogenias moleculares en 17 cepas de Drosophila Pseudo-obscura a partir de la acumulación de inversiones cromosómicas observadas a partir de la hibridación de cromosomas politen . [1] Ernest Baldwin trabajó extensamente en bioquímica comparada a partir de la década de 1930, y Marcel Florkin fue pionero en técnicas para construir filogenias basadas en caracteres moleculares y bioquímicos en la década de 1940. Sin embargo, no fue hasta la década de 1950 que los biólogos desarrollaron técnicas para producir datos bioquímicos para el estudio cuantitativo de la evolución molecular . [2]
Las primeras investigaciones en sistemática molecular se basaron en ensayos inmunológicos y métodos de "huella digital" de proteínas. Alan Boyden, basándose en los métodos inmunológicos de George Nuttall , desarrolló nuevas técnicas a partir de 1954 y, a principios de la década de 1960, Curtis Williams y Morris Goodman utilizaron comparaciones inmunológicas para estudiar la filogenia de los primates . Otros, como Linus Pauling y sus estudiantes, aplicaron combinaciones recientemente desarrolladas de electroforesis y cromatografía en papel a proteínas sujetas a digestión parcial por enzimas digestivas para crear patrones bidimensionales únicos, permitiendo comparaciones detalladas de proteínas homólogas. [3]
A partir de la década de 1950, algunos naturalistas también experimentaron con enfoques moleculares, en particular Ernst Mayr y Charles Sibley . Mientras que Mayr rápidamente se amargó con la cromatografía en papel, Sibley aplicó con éxito la electroforesis a las proteínas de la clara de huevo para resolver problemas en la taxonomía de las aves, y pronto la complementó con técnicas de hibridación de ADN : el comienzo de una larga carrera basada en la sistemática molecular . [4]
Si bien estas primeras técnicas bioquímicas encontraron una aceptación reticente en la comunidad biológica, en su mayor parte no tuvieron impacto en los principales problemas teóricos de la evolución y la genética de poblaciones. Esto cambiaría a medida que la biología molecular arroje más luz sobre la naturaleza física y química de los genes.
En el momento en que la biología molecular estaba cobrando importancia, en la década de 1950, hubo un largo debate (la controversia clásica/equilibrio) sobre las causas de la heterosis , el aumento de la aptitud que se observa cuando se cruzan líneas endogámicas. En 1950, James F. Crow ofreció dos explicaciones diferentes (luego denominadas posiciones clásica y de equilibrio ) basadas en la paradoja articulada por primera vez por JBS Haldane en 1937: el efecto de las mutaciones nocivas sobre la aptitud promedio de una población depende sólo de la tasa de mutaciones (no el grado de daño causado por cada mutación) porque las mutaciones más dañinas se eliminan más rápidamente mediante la selección natural, mientras que las mutaciones menos dañinas permanecen en la población por más tiempo. HJ Müller denominó a esto " carga genética ". [5]
Müller, motivado por su preocupación por los efectos de la radiación en las poblaciones humanas, argumentó que la heterosis es principalmente el resultado de alelos homocigotos recesivos nocivos, cuyos efectos quedan enmascarados cuando se cruzan líneas separadas; esta fue la hipótesis de dominancia , parte de lo que Dobzhansky denominada posición clásica . Por lo tanto, la radiación ionizante y las mutaciones resultantes producen una carga genética considerable incluso si la muerte o la enfermedad no ocurren en la generación expuesta, y en ausencia de mutación, la selección natural aumentará gradualmente el nivel de homocigosidad. Bruce Wallace , en colaboración con JC King , utilizó la hipótesis de la sobredominancia para desarrollar la posición de equilibrio , que dejaba un lugar más amplio para la sobredominancia (donde el estado heterocigoto de un gen es más apto que los estados homocigotos). En ese caso, la heterosis es simplemente el resultado de la mayor expresión de la ventaja heterocigota . Si los loci sobredominantes son comunes, entonces un alto nivel de heterocigosidad resultaría de la selección natural, y la radiación inductora de mutaciones puede, de hecho, facilitar un aumento en la aptitud debido a la sobredominancia. (Ésta era también la opinión de Dobzhansky.) [6]
El debate continuó durante la década de 1950 y gradualmente se convirtió en un foco central de la genética de poblaciones. Un estudio de 1958 sobre Drosophila realizado por Wallace sugirió que las mutaciones inducidas por la radiación aumentaban la viabilidad de moscas previamente homocigotas, proporcionando evidencia de la ventaja de los heterocigotos y la posición de equilibrio; Wallace estimó que el 50% de los loci en las poblaciones naturales de Drosophila eran heterocigotos. Los análisis matemáticos posteriores de Motoo Kimura reforzaron lo que Crow había sugerido en 1950: que incluso si los loci sobredominantes son raros, podrían ser responsables de una cantidad desproporcionada de variabilidad genética. En consecuencia, Kimura y su mentor Crow se inclinaron por la posición clásica. Una mayor colaboración entre Crow y Kimura condujo al modelo de alelos infinitos , que podría usarse para calcular el número de alelos diferentes esperados en una población, en función del tamaño de la población, la tasa de mutación y si los alelos mutantes eran neutrales, sobredominantes o nocivos. Por lo tanto, el modelo de alelos infinitos ofrecía una forma potencial de decidir entre las posiciones clásica y de equilibrio, si se pudieran encontrar valores precisos para el nivel de heterocigosidad. [7]
A mediados de la década de 1960, las técnicas de bioquímica y biología molecular (en particular la electroforesis de proteínas ) proporcionaron una manera de medir el nivel de heterocigosidad en poblaciones naturales: un posible medio para resolver la controversia clásica/equilibrio. En 1963, Jack L. Hubby publicó un estudio de electroforesis sobre la variación de proteínas en Drosophila ; [8] poco después, Hubby comenzó a colaborar con Richard Lewontin para aplicar el método de Hubby a la controversia clásica/equilibrio midiendo la proporción de loci heterocigotos en poblaciones naturales. Sus dos artículos históricos, publicados en 1966, establecieron un nivel significativo de heterocigosidad para Drosophila (12%, en promedio). [9] Sin embargo, estos hallazgos resultaron difíciles de interpretar. La mayoría de los genetistas de poblaciones (incluidos Hubby y Lewontin) rechazaron la posibilidad de mutaciones neutrales generalizadas; Las explicaciones que no implicaban selección eran anatema para la biología evolutiva convencional. Hubby y Lewontin también descartaron la ventaja heterocigota como la causa principal debido a la carga de segregación que implicaría, aunque los críticos argumentaron que los hallazgos en realidad encajan bien con la hipótesis de sobredominancia. [10]
Mientras los biólogos evolucionistas se estaban diversificando tentativamente hacia la biología molecular, rápidamente estaban dirigiendo su atención hacia la evolución.
Después de desarrollar los fundamentos de la secuenciación de proteínas con insulina entre 1951 y 1955, Frederick Sanger y sus colegas publicaron una comparación limitada entre especies de la secuencia de insulina en 1956. Francis Crick , Charles Sibley y otros reconocieron el potencial del uso de secuencias biológicas para construir filogenias. aunque todavía había pocas secuencias de este tipo disponibles. A principios de la década de 1960, las técnicas de secuenciación de proteínas habían avanzado hasta el punto de que era factible la comparación directa de secuencias de aminoácidos homólogas. [11] En 1961, Emanuel Margoliash y sus colaboradores completaron la secuencia del citocromo c del caballo (una proteína más larga y más ampliamente distribuida que la insulina), seguida en poco tiempo por varias otras especies.
En 1962, Linus Pauling y Emile Zuckerkandl propusieron utilizar el número de diferencias entre secuencias de proteínas homólogas para estimar el tiempo transcurrido desde la divergencia , una idea que Zuckerkandl había concebido alrededor de 1960 o 1961. Esto comenzó con el foco de investigación de Pauling durante mucho tiempo, la hemoglobina , que estaba siendo secuenciado por Walter Schroeder ; las secuencias no sólo respaldaban la filogenia de los vertebrados aceptada, sino también la hipótesis (propuesta por primera vez en 1957) de que las diferentes cadenas de globina dentro de un solo organismo también podrían atribuirse a una proteína ancestral común. [12] Entre 1962 y 1965, Pauling y Zuckerkandl refinaron y elaboraron esta idea, a la que denominaron reloj molecular , y Emil L. Smith y Emanuel Margoliash ampliaron el análisis al citocromo c. Los primeros cálculos del reloj molecular coincidían bastante bien con los tiempos de divergencia establecidos basados en evidencia paleontológica. Sin embargo, la idea esencial del reloj molecular (que las proteínas individuales evolucionan a un ritmo regular independientemente de la evolución morfológica de una especie ) era extremadamente provocativa (como pretendían Pauling y Zuckerkandl). [13]
Desde principios de la década de 1960, la biología molecular fue vista cada vez más como una amenaza al núcleo tradicional de la biología evolutiva. Los biólogos evolucionistas establecidos –particularmente Ernst Mayr , Theodosius Dobzhansky y GG Simpson , tres de los fundadores de la síntesis evolutiva moderna de las décadas de 1930 y 1940– eran extremadamente escépticos ante los enfoques moleculares, especialmente cuando se trataba de la conexión (o falta de ella) con la naturaleza . selección . La evolución molecular en general (y el reloj molecular en particular) ofrecían poca base para explorar la causalidad evolutiva. Según la hipótesis del reloj molecular, las proteínas evolucionaron esencialmente independientemente de las fuerzas de selección determinadas por el entorno; esto contrastaba marcadamente con el panselectionismo prevaleciente en ese momento. Además, Pauling, Zuckerkandl y otros biólogos moleculares fueron cada vez más audaces al afirmar la importancia de las "macromoléculas informativas" (ADN, ARN y proteínas) para todos los procesos biológicos, incluida la evolución. [14] La lucha entre los biólogos evolutivos y los biólogos moleculares, en la que cada grupo defendía su disciplina como el centro de la biología en su conjunto, fue posteriormente denominada "guerras moleculares" por Edward O. Wilson , quien experimentó de primera mano el dominio de su biología. departamento por jóvenes biólogos moleculares a finales de los años cincuenta y sesenta. [15]
En 1961, Mayr comenzó a abogar por una distinción clara entre biología funcional (que consideraba causas próximas y planteaba preguntas de "cómo") y biología evolutiva (que consideraba causas últimas y planteaba preguntas de "por qué") [16]. Sostuvo que tanto las disciplinas como los individuos Los científicos podían clasificarse en el lado funcional o evolutivo , y que los dos enfoques de la biología eran complementarios. Mayr, Dobzhansky, Simpson y otros utilizaron esta distinción para defender la continua relevancia de la biología orgánica, que rápidamente estaba perdiendo terreno frente a la biología molecular y disciplinas relacionadas en la competencia por la financiación y el apoyo universitario. [17] Fue en ese contexto que Dobzhansky publicó por primera vez su famosa afirmación, " nada en biología tiene sentido excepto a la luz de la evolución ", en un artículo de 1964 afirmando la importancia de la biología de los organismos frente a la amenaza molecular; Dobzhansky caracterizó las disciplinas moleculares como " cartesianas " (reduccionistas) y las disciplinas organísmicas como " darwinianas ". [18]
Mayr y Simpson asistieron a muchas de las primeras conferencias donde se discutió la evolución molecular, criticando lo que consideraban enfoques demasiado simplistas del reloj molecular. El reloj molecular, basado en tasas uniformes de cambio genético impulsado por mutaciones y derivas aleatorias, parecía incompatible con las diferentes tasas de evolución y los procesos adaptativos impulsados por el medio ambiente (como la radiación adaptativa ) que se encontraban entre los desarrollos clave de la síntesis evolutiva. En la conferencia Wenner-Gren de 1962, el Coloquio sobre la evolución de las proteínas sanguíneas en Brujas , Bélgica , de 1964 , y la Conferencia sobre la evolución de genes y proteínas de la Universidad de Rutgers , de 1964 , dialogaron directamente con los biólogos moleculares y los bioquímicos, con la esperanza de mantener la posición central. lugar de las explicaciones darwinianas en la evolución a medida que su estudio se extiende a nuevos campos. [19]
Aunque no está directamente relacionado con la evolución molecular, a mediados de la década de 1960 también se produjo el surgimiento de la visión de la evolución centrada en los genes , impulsada por Adaptación y selección natural de George C. Williams (1966). El debate sobre las unidades de selección , en particular la controversia sobre la selección de grupos , llevó a un mayor enfoque en los genes individuales (en lugar de organismos o poblaciones completos) como base teórica de la evolución. Sin embargo, el mayor enfoque en los genes no significó un enfoque en la evolución molecular; de hecho, el adaptacionismo promovido por Williams y otras teorías evolucionistas marginó aún más los cambios aparentemente no adaptativos estudiados por los evolucionistas moleculares.
La amenaza intelectual de la evolución molecular se hizo más explícita en 1968, cuando Motoo Kimura introdujo la teoría neutral de la evolución molecular . [20] Basándose en los estudios del reloj molecular disponibles (de la hemoglobina de una amplia variedad de mamíferos, del citocromo c de mamíferos y aves, y de la triosafosfato deshidrogenasa de conejos y vacas), Kimura (con la ayuda de Tomoko Ohta ) calculó una tasa promedio de sustitución del ADN. de un cambio de par de bases por cada 300 pares de bases (que codifican 100 aminoácidos) cada 28 millones de años. Para los genomas de mamíferos, esto indicaba una tasa de sustitución de uno cada 1,8 años, lo que produciría una carga de sustitución insosteniblemente alta a menos que la preponderancia de las sustituciones fuera selectivamente neutral. Kimura argumentó que las mutaciones neutras ocurren con mucha frecuencia, una conclusión compatible con los resultados de los estudios electroforéticos de heterocigosidad de proteínas. Kimura también aplicó su trabajo matemático anterior sobre la deriva genética para explicar cómo las mutaciones neutrales podían llegar a la fijación , incluso en ausencia de selección natural; pronto convenció a James F. Crow del poder potencial de los alelos neutros y también de la deriva genética. [21]
La teoría de Kimura, descrita sólo brevemente en una carta a Nature , fue seguida poco después por un análisis más sustancial realizado por Jack L. King y Thomas H. Jukes , quienes titularon su primer artículo sobre el tema " Evolución no darwiniana ". [22] Aunque King y Jukes produjeron estimaciones mucho más bajas de las tasas de sustitución y la carga genética resultante en el caso de cambios no neutrales, coincidieron en que las mutaciones neutrales impulsadas por la deriva genética eran reales y significativas. Las tasas de evolución bastante constantes observadas para las proteínas individuales no se explicaban fácilmente sin invocar sustituciones neutras (aunque GG Simpson y Emil Smith lo habían intentado). Jukes y King también encontraron una fuerte correlación entre la frecuencia de los aminoácidos y el número de codones diferentes que codifican cada aminoácido. Esto apuntaba a que las sustituciones en secuencias de proteínas eran en gran medida producto de una deriva genética aleatoria. [23]
El artículo de King y Jukes, especialmente con su provocativo título, fue visto como un desafío directo al neodarwinismo dominante, y llevó la evolución molecular y la teoría neutral al centro de la biología evolutiva. Proporcionó un mecanismo para el reloj molecular y una base teórica para explorar cuestiones más profundas de la evolución molecular, como la relación entre la tasa de evolución y la importancia funcional. El surgimiento de la teoría neutral marcó una síntesis de la biología evolutiva y la biología molecular, aunque incompleta. [24]
Con su trabajo sobre una base teórica más firme, en 1971 Emile Zuckerkandl y otros evolucionistas moleculares fundaron el Journal of Molecular Evolution .
Las respuestas críticas a la teoría neutral que pronto aparecieron marcaron el comienzo del debate neutralista-seleccionista . En resumen, los seleccionistas consideraban la selección natural como la causa principal o única de la evolución, incluso a nivel molecular, mientras que los neutralistas sostenían que las mutaciones neutrales estaban muy extendidas y que la deriva genética era un factor crucial en la evolución de las proteínas. Kimura se convirtió en el defensor más destacado de la teoría neutral, que sería su principal objetivo durante el resto de su carrera. Con Ohta, reorientó sus argumentos sobre la velocidad a la que la deriva podría fijar nuevas mutaciones en poblaciones finitas, la importancia de tasas constantes de evolución de proteínas y las limitaciones funcionales sobre la evolución de proteínas que habían descrito los bioquímicos y biólogos moleculares. Aunque Kimura había desarrollado inicialmente la teoría neutral en parte como una consecuencia de la posición clásica dentro de la controversia clásica/equilibrio (predecir una carga genética alta como consecuencia de mutaciones no neutrales), gradualmente fue restando importancia a su argumento original de que la carga segregacional sería increíblemente alta. sin mutaciones neutrales (que muchos seleccionistas, e incluso sus compañeros neutralistas King y Jukes, rechazaron). [25]
Desde la década de 1970 hasta principios de la de 1980, tanto los seleccionistas como los neutralistas pudieron explicar los altos niveles observados de heterocigosidad en las poblaciones naturales, asumiendo valores diferentes para parámetros desconocidos. Al principio del debate, Tomoko Ohta, estudiante de Kimura , se centró en la interacción entre la selección natural y la deriva genética, que era significativa para mutaciones que no eran estrictamente neutrales, pero casi lo eran. En tales casos, la selección competiría con la deriva: la mayoría de las mutaciones levemente perjudiciales serían eliminadas por selección natural o por azar; algunos pasarían a la fijación mediante la deriva. El comportamiento de este tipo de mutación, descrito por una ecuación que combinaba las matemáticas de la teoría neutral con modelos clásicos, se convirtió en la base de la teoría casi neutral de la evolución molecular de Ohta . [26]
En 1973, Ohta publicó una breve carta en Nature [27] sugiriendo que una amplia variedad de evidencia molecular apoyaba la teoría de que la mayoría de los eventos de mutación a nivel molecular son ligeramente nocivos en lugar de estrictamente neutrales. Los evolucionistas moleculares estaban descubriendo que, si bien las tasas de evolución de las proteínas (consistentes con el reloj molecular ) eran bastante independientes del tiempo de generación , las tasas de divergencia del ADN no codificante eran inversamente proporcionales al tiempo de generación. Al observar que el tamaño de la población es generalmente inversamente proporcional al tiempo de generación, Tomoko Ohta propuso que la mayoría de las sustituciones de aminoácidos son ligeramente perjudiciales, mientras que las sustituciones de ADN no codificante son más neutrales. En este caso, la tasa más rápida de evolución neutra de las proteínas esperada en poblaciones pequeñas (debido a la deriva genética) se ve compensada por tiempos de generación más largos (y viceversa), pero en poblaciones grandes con tiempos de generación cortos, el ADN no codificante evoluciona más rápido mientras que la evolución de las proteínas. se retrasa por selección (que es más significativa que la deriva para poblaciones grandes). [28]
Entre entonces y principios de la década de 1990, muchos estudios de evolución molecular utilizaron un "modelo de cambio" en el que el efecto negativo sobre la aptitud de una población debido a mutaciones nocivas vuelve a su valor original cuando una mutación alcanza la fijación. A principios de la década de 1990, Ohta desarrolló un "modelo fijo" que incluía mutaciones tanto beneficiosas como perjudiciales, de modo que no fuera necesario ningún "cambio" artificial en la aptitud general de la población. [29] Sin embargo, según Ohta, la teoría casi neutral cayó en gran medida en desgracia a finales de la década de 1980, debido a la teoría neutral matemáticamente más simple para la investigación sistemática molecular generalizada que floreció después del advenimiento de la secuenciación rápida del ADN . A medida que estudios sistemáticos más detallados comenzaron a comparar la evolución de las regiones del genoma sujetas a una selección fuerte versus una selección más débil en la década de 1990, la teoría casi neutral y la interacción entre la selección y la deriva se han convertido una vez más en un importante foco de investigación. [30]
Si bien los primeros trabajos sobre evolución molecular se centraron en proteínas fácilmente secuenciables y en la historia evolutiva relativamente reciente, a finales de la década de 1960 algunos biólogos moleculares avanzaban hacia la base del árbol de la vida mediante el estudio de secuencias de ácidos nucleicos altamente conservadas. Carl Woese , un biólogo molecular cuyo trabajo anterior fue sobre el código genético y su origen, comenzó a utilizar subunidades pequeñas de ARN ribosomal para reclasificar bacterias por similitud genética (en lugar de morfológica). El trabajo avanzó lentamente al principio, pero se aceleró a medida que se desarrollaron nuevos métodos de secuenciación en los años 1970 y 1980. En 1977, Woese y George Fox anunciaron que algunas bacterias, como las metanógenas , carecían de las unidades de ARNr en las que se basaban los estudios filogenéticos de Woese; Argumentaron que estos organismos eran en realidad lo suficientemente distintos de las bacterias convencionales y de los llamados organismos superiores como para formar su propio reino, al que llamaron arqueobacterias . Aunque controvertido al principio (y cuestionado nuevamente a finales de los años 1990), el trabajo de Woese se convirtió en la base del moderno sistema de tres dominios de Archaea , Bacteria y Eukarya (reemplazando el sistema de cinco dominios que había surgido en los años 1960). [31]
El trabajo sobre filogenia microbiana también acercó la evolución molecular a la biología celular y la investigación del origen de la vida . Las diferencias entre arqueas señalaron la importancia del ARN en la historia temprana de la vida. En su trabajo con el código genético, Woese había sugerido que la vida basada en el ARN había precedido a las formas actuales de vida basada en el ADN, al igual que varias otras antes que él, una idea que Walter Gilbert llamaría más tarde el " mundo del ARN ". En muchos casos, la investigación genómica en la década de 1990 produjo filogenias que contradecían los resultados basados en el ARNr, lo que llevó al reconocimiento de una transferencia lateral generalizada de genes entre distintos taxones. Combinado con el probable origen endosimbiótico de los eukarya llenos de orgánulos , esto apuntaba a una imagen mucho más compleja del origen y la historia temprana de la vida, que podría no describirse en los términos tradicionales de ascendencia común. [32]