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 las 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 en 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 espectro de investigación actual 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 , lo que produce 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 central unificador de la biología. La biología se puede dividir de varias formas. Una de ellas es por el nivel de organización biológica , desde lo molecular a lo celular , desde el organismo a la población . Otra forma es por el 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 forma es por 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 la ciencia biológica y las ciencias aplicadas dio origen a nuevos campos que son extensiones de la biología evolutiva, incluyendo 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 crear nuevos diseños 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 la ciencia informática y los campos de 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 sea adecuado para su hábitat. Este cambio aumenta las posibilidades de supervivencia y reproducción del organismo (esto puede denominarse aptitud de un organismo ). Por ejemplo, los pinzones de Darwin [8] en las islas Galápagos desarrollaron picos de formas diferentes para sobrevivir durante mucho tiempo. La evolución adaptativa también puede ser evolución convergente si dos especies distantemente relacionadas viven en entornos similares enfrentando presiones similares.
La evolución convergente es el proceso en el que organismos relacionados o distantemente relacionados desarrollan 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. Del mismo modo, 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. Puede ocurrir de varias maneras:
La influencia de dos especies estrechamente asociadas se conoce como coevolución . [10] Cuando dos o más especies evolucionan juntas, una especie se adapta a los cambios en la otra especie. Este tipo de evolución ocurre a menudo en especies que tienen relaciones simbióticas . Por ejemplo, la coevolución depredador-presa, este es el tipo más común de coevolución. En este caso, el depredador debe evolucionar para convertirse en un cazador más eficaz porque existe una presión selectiva sobre la presa para evitar la captura. La presa, a su vez, necesita 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 genético, 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 cromosoma de un organismo. La mayoría de las mutaciones son perjudiciales o neutrales, es decir, no pueden causar daño ni beneficio, pero a veces también pueden ser beneficiosas.
Deriva genética : La deriva genética [13] es un proceso variacional que ocurre como resultado de errores de muestreo de una generación a otra, donde un evento aleatorio que sucede por casualidad en la naturaleza cambia o influye en la frecuencia de alelos dentro de una población. Tiene un efecto mucho más fuerte en poblaciones pequeñas que en poblaciones grandes.
Flujo genético : El flujo genético [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 da como resultado el cambio de frecuencia de alelos.
Selección natural : La tasa de supervivencia y reproducción de una especie depende de la adaptabilidad de la especie a su entorno. Este proceso se denomina 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 sus descendientes.
En la biología evolutiva del desarrollo, los científicos estudian el papel que desempeñan los diferentes procesos del desarrollo en la forma en que un organismo específico alcanza su plan corporal actual. La regulación genética de la ontogenia y el proceso filogenético son los que permiten este tipo de comprensión de la biología. Al observar los diferentes procesos durante el desarrollo y recorrer el árbol evolutivo, se puede determinar en qué punto se produjo una estructura específica. Por ejemplo, se puede observar que las tres capas germinales no están presentes en los cnidarios y los ctenóforos, pero sí en los gusanos, que están más o menos desarrollados según el tipo de gusano en sí. Con esta práctica también se pueden rastrear otras estructuras, como el desarrollo de los genes Hox y los órganos sensoriales, como los ojos. [16] [17]
Los árboles filogenéticos son representaciones del linaje genético. Son figuras que muestran cómo están relacionadas las especies entre sí. Se forman analizando los rasgos físicos, así como las similitudes del ADN entre las 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 comparten una ascendencia son homólogos. Si se produce un evento de especiación y un gen termina en dos especies diferentes, los genes pasan a ser 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 los Estados Unidos, muchas universidades han creado departamentos de biología molecular y celular o ecología y biología evolutiva , en lugar de los antiguos departamentos de botánica y zoología . La paleontología a menudo se agrupa con las ciencias de la tierra .
Ahora que se comprenden mejor la fisiología y la genómica microbianas, la microbiología también se está convirtiendo en una disciplina evolutiva . 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] entrenaron a una generación de biólogos evolutivos.
La investigación actual en biología evolutiva abarca 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 se han tenido en cuenta adecuadamente en la síntesis evolutiva moderna . Entre ellos se 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 capacidad evolutiva . [31]
En segundo lugar, algunos biólogos evolucionistas plantean la pregunta evolutiva más directa: "¿qué pasó y cuándo?". Esto incluye campos como la paleobiología , donde los paleobiólogos y biólogos evolucionistas, incluidos Thomas Halliday y Anjali Goswami, estudiaron la evolución de los primeros mamíferos remontándose mucho 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 la base molecular de los genes. Hoy en día, los biólogos evolucionistas 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 frente a duplicación génica o incluso duplicación genómica ). Intentan reconciliar la alta heredabilidad observada en los estudios de gemelos con la dificultad de encontrar qué genes son responsables de esta heredabilidad utilizando estudios de asociación de todo el genoma . [34]
Un desafío en el estudio de la arquitectura genética es que la genética poblacional clásica que catalizó la síntesis evolutiva moderna debe actualizarse para tener en cuenta el conocimiento molecular moderno. Esto requiere un gran desarrollo matemático para relacionar los datos de secuencias 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 detectando barridos selectivos . [35]
En cuarto lugar, 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 reclutamiento 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 vida . La anotación de los genes y su función se basa en gran medida en 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 formación en biología evolutiva, lo que dificulta su uso en la medicina moderna. [37] Sin embargo, existen esfuerzos para obtener una comprensión más profunda de las enfermedades a través de la medicina evolutiva y desarrollar terapias evolutivas .
La evolución juega un papel en la resistencia a los medicamentos; por ejemplo, cómo el VIH se vuelve resistente a los medicamentos y al sistema inmunológico del cuerpo. La mutación de la resistencia del VIH se debe a la selección natural de los sobrevivientes y su descendencia. Los pocos VIH que sobreviven al sistema inmunológico se reproducen y tienen descendencia que también es resistente al sistema inmunológico. [38] La resistencia a los medicamentos también causa muchos problemas para los pacientes, como un empeoramiento de la enfermedad o la enfermedad puede mutar en algo que ya no se puede curar con medicamentos. Sin el medicamento adecuado, una enfermedad puede ser la muerte de un paciente. Si su cuerpo tiene resistencia a una cierta cantidad de medicamentos, entonces el medicamento adecuado será cada vez más difícil de encontrar. No completar el ciclo completo de antibióticos prescrito también es un ejemplo de resistencia que hará que las bacterias contra las que se está tomando 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 episodio de enfermedad más adelante que será más difícil de curar porque las bacterias involucradas serán resistentes al primer medicamento utilizado. Tomar el tratamiento completo que le hayan recetado es un paso vital para evitar la resistencia a los antibióticos.
Las personas con enfermedades crónicas, especialmente aquellas que pueden repetirse a lo largo de la vida, tienen un mayor riesgo de desarrollar 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 haga más fuerte. Por ejemplo, los pacientes con cáncer necesitarán una dosis de medicamento cada vez más fuerte debido a su bajo funcionamiento del sistema inmunológico. [41]
Algunas revistas científicas se especializan exclusivamente en biología evolutiva en su conjunto, entre ellas Evolution , Journal of Evolutionary Biology y BMC Evolutionary Biology . Algunas revistas cubren subespecialidades dentro de la biología evolutiva, como Systematic Biology , Molecular Biology and 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 tienen superposiciones con la ecología y otros aspectos de la biología organismal. La superposición con la ecología también es prominente 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.
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