Evolución biológica: teorías científicas de la evolución, proceso evolutivo, pruebas/evidencias, mecanismos de evolución, ejemplos de evolución en especies

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La evolución biológica es el cambio en las propiedades de los grupos de organismos en el curso de las generaciones. Los grupos de organismos de la misma especie se conocen como «poblaciones biológicas».

En esencia, la teoría moderna neodarwinista de la evolución dice que esta consiste en un cambio gradual de las formas vida. Esta empezó – presumiblemente – con una molécula con la capacidad de replicarse a sí misma hace unos 3.5 mil millones de años.

Fuente: chensiyuan [CC BY-SA 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0)]

Con el paso del tiempo, ocurrió una ramificación de los linajes y surgieron nuevas y diversas especies. Los mecanismos para este cambio evolutivo son la selección natural y la deriva génica.

La biología evolutiva busca entender el origen de la diversidad biológica y cómo se mantiene. Como es una ciencia central en la biología, es generalmente considerada como un pensamiento unificador, que integra las distintas disciplinas de las ciencias biológicas.

Esta propiedad unificadora de la biología evolutiva quedó marcada en la famosa frase de  Theodosius Dobzhansky: “nada tiene sentido en biología, si no es a la luz de la evolución”.

Hoy en día, la biología evolutiva ha gozado de todos los avances en la ciencia, permitiendo reconstruir filogenias usando numerosos caracteres moleculares y poderosos análisis estadísticos.

¿Qué es el proceso evolutivo?

Evolución es un término que deriva de las raíces latinas evolvere, que se traduce como desplegar o revelar un potencial escondido. Hoy en día, la palabra evolución evoca simplemente un cambio. Es probable que sea parte de nuestro léxico diario para referirnos a cambios en un objeto o en una persona.

Sin embargo, la evolución biológica hace referencia a los cambios en grupos de organismos a través del paso de las generaciones. Esta definición general de evolución es usada por Futuyma (2005). Es importante resaltar que los organismos como individuos no evolucionan, mientras que los grupos de organismos sí.

En biología, el conjunto de individuos de la misma especie que coexisten en tiempo y en espacio son llamados poblaciones. Para que un cambio en una población sea considerado evolutivo debe ser pasado de una generación a otra por vía del material genético.

Teorías científicas de la evolución

Desde tiempos inmemorales, el ser humano ha sentido una curiosidad intrínseca por el origen de la vida y la existencia de la enorme diversidad que presentan los seres orgánicos.

Como el naturalista británico Charles Darwin (1809-1882) tuvo un impacto significativo en el desarrollo de esta ciencia, examinaremos las teorías propuestas antes y después de sus contribuciones.

Antes de Darwin: el creacionismo y la inmutabilidad de las especies

Antes de Darwin, los naturalistas y demás científicos se caracterizaban por mantener un pensamiento creacionista en lo que respecta al origen de las especies.

Se manejaba visiones esencialistas, donde cada especie tenía una esencia inmutable y la variación que observábamos en el grupo se debían solamente a imperfecciones del ser. Esta concepción era manejada en la época de Platón y Aristóteles.

Tiempo después, los cristianos empezaron a interpretar de manera literal los pasajes de la Biblia, entendiendo que los seres orgánicos fueron creados en un único evento por un ente sobrenatural. Esta concepción no permitía cambios en las especies en el tiempo, ya que habían sido creadas bajo la perfección divina.

En el siglo XVIII el objetivo de los naturalistas era catalogar el plan divino que Dios había creado. Por ejemplo, Linneo estableció las bases de la taxonomía actual siguiendo esta línea de pensamiento.

Posteriormente, esta visión fue desafiada por varios pensadores. La teoría pre-Darwiniana más relevante de la época fue formulada por Jean Baptiste Lamarck. Para él, cada especie se había originado de manera individual por medio de la generación espontánea y era capaz de “progresar” o mejorar con el paso del tiempo.

Uno de los principios más relevantes establecidos por Lamarck fue la herencia de los caracteres adquiridos. Este naturalista creía que los distintos rasgos que adquirimos a lo largo de nuestras vidas podían ser pasados a nuestra descendencia.

Por ejemplo, bajo la visión lamarkiana, un fisicoculturista que trabaja arduamente todos sus grupos musculares, debía tener hijos con músculos desarrollados. El mismo principio se aplicarí con el desuso de los órganos.

Contribuciones de Darwin y Wallace a la biología evolutiva: la selección natural

El nombre de Charles Darwin suele aparecer en la mayoría de los textos de biología, sin importar su especialidad. Darwin revolucionó la biología, y las ciencias en general, con una magnitud increíble – comparable, por ejemplo, con las contribuciones de Newton.

En su juventud, Darwin mantenía un pensamiento fiel a las enseñanzas bíblicas. Sin embargo, acompañado de un pensamiento religioso, Darwin expresaba un interés hacia las ciencias naturales, por lo que se rodeaba de las mentes científicas más brillantes del momento.

El viaje en el Beagle

La vida de Darwin dio un giro cuando a muy temprana edad inició un viaje a bordo del H. M. S. Beagle, un barco británico que exploraría distintas regiones de Sudamérica. Luego de un viaje que duro un par de años, Darwin observó y recolectó una enorme diversidad de fauna y flora sudamericana.

Gracias a su situación financiera óptima, Darwin pudo dedicar su vida exclusivamente a su trabajo en las ciencias biológicas. Luego de extensas meditaciones – y también lecturas sobre economía – Darwin generó su teoría de la selección natural.

La selección natural es una idea simple y a la vez poderosa, siendo un mecanismo evolutivo importante – aunque no el único, como veremos más adelante.

Esta idea no fue únicamente deducida por Darwin. Un joven naturalista llamado Alfred Wallace llegó a ideas muy similares de manera independiente. Wallace se comunicó con Darwin, y ambos presentaron juntos la teoría de la evolución por selección natural.

El Origen de las Especies

Posteriormente, Darwin presenta su obra maestra: “El Origen de las Especies”, que despliega su teoría detalladamente y con evidencia robusta. Este libro cuenta con seis ediciones en las que Darwin trabajó a lo largo de su vida.

La teoría de selección natural sostiene que si existe alguna variación útil y heredable en una población de individuos, existirá una reproducción diferencial entre los poseedores de la característica. Estos tenderán a generar más descendientes, aumentando así la frecuencia del rasgo en la población.

Además, Darwin también propuso la ancestría común: todas las especies han divergido en el tiempo evolutivo de un ancestro en común. Así, todos los seres orgánicos pueden ser representados en el gran árbol de la vida.

Después de Darwin: el neodarwinismo y la síntesis

Inmediatamente después de la publicación de “El Origen”, una gran controversia se desató entre los científicos más importantes de la época. Sin embargo, con el pasar de los años, la teoría fue paulatinamente aceptada.

Existieron biólogos que nunca aceptaron las ideas Darwinianas, por lo que generaron sus propias teorías evolutivas, hoy en día desacreditadas casi por completo. Ejemplo de ello son el neo-lamarkismo, la ortogénesis, y el mutacionismo, entre otras.

Entre los año 30 y 40 todas las teorías anti-Darwinistas fueron desechadas con la llegada de la síntesis evolutiva. Esta consistió en la unión de las ideas darwinianas con las contribuciones de una serie de genetistas y paleontólogos como Fisher, Haldane, Mayr, y Wright, entre otros.

La síntesis logró unificar las teorías evolutivas con principios genéticos correctos, ya que una de las dificultades que tuvo que experimentar Darwin durante su trabajo fue el desconocimiento de los genes como partículas de la herencia.

Evidencias de la evolución: ¿solo una teoría?

Hoy en día, la evolución biológica es un hecho respaldado por evidencia robusta y abundante. Aunque los biólogos no dudan de la veracidad del proceso, en la vida diaria solamos escuchar que la evolución es “solamente una teoría” – con connotaciones peyorativas.

Este malentendido parte del hecho de que el término “teoría” tiene diferentes significados en la ciencia y en vida cotidiana. Para la mayoría de las personas, una teoría es una predicción incierta de un hecho, caracterizada por tener cimientos débiles. Para un científico, una teoría es un cuerpo de ideas coherentes y estructuradas de la manera adecuada.

Siguiendo este orden de ideas, podemos concluir que la evolución es un hecho, y existen mecanismos para explicarla, como la teoría de la selección natural. Las evidencias más resaltantes del proceso evolutivo son las siguientes.

Homología

Dos procesos o estructuras son homólogas si dicho rasgo fue heredado directamente de un ancestro en común. En biología evolutiva, la homología es un punto fundamental, ya que son las únicas características que nos permiten reconstruir las relaciones ancestro-descendiente entre los grupos.

Homologías morfológicas

Un ejemplo muy famoso de homología son los huesos de las extremidades de los tetrápodos. Tomemos tres animales que difieren en su modalidad de locomoción para entender por qué la homología es una evidencia robusta del proceso evolutivo: humanos, ballenas y murciélagos.

Estos tres grupos comparten un plan básico estructural en sus extremidades anteriores, porque lo heredaron de un ancestro en común. Es decir, un tetrápodo ancestral tenía un húmero, seguido de un radio y un cúbito, y por último una serie de falanges.

No hay razón funcional por la cual tres animales con estilos de vida tan dispares deban compartir un mismo plan de huesos en sus extremidades.

Si la vida fuese diseñada, no hay razón para construir un organismo acuático, uno volador y uno terrestre con el mismo plan. Ningún ingeniero – por más inexperto que sea – crearía un organismo volador y uno nadador de la misma forma.

La manera más lógica de explicar esto es por ancestría en común. Los tres heredaron este plan estructural de un ancestro y sufrieron las modificaciones adaptativas que hoy en día observamos: alas, aletas y brazos.

Homologías moleculares

Las homología no se restringen a características anatómicas de un ser vivo. También pueden evidenciarse a nivel molecular. La información genética de los seres vivos se almacena en el ADN y se traduce en forma de tripletes: tres nucleótidos corresponden a un aminoácido.

Una homología molecular universal es la lectura de este código genético, ya que virtualmente todos los seres orgánicos comparten este lenguaje – aunque existen excepciones muy puntuales.

El registro fósil

Cuando Darwin propone su teoría de selección natural, argumenta que todas las formas de transición graduales no están presentes en el registro fósil porque está incompleto. En contraste, los opositores de las ideas darwinianas, ven la discontinuidad del registro como una prueba en contra de la teoría.

Debemos recordar que el proceso de fosilización de un ser orgánico es un evento improbable, aunado a la probabilidad de que un especimen encontrado en buenas condiciones. Por estas razones, menos del 1% de todas las formas que alguna vez vivieron están representadas en el registro fósil.

A pesar de ello, se han encontrado fósiles muy bien conservados que sirve como una “ventana al pasado”. Uno de los más famosos es Archaeopteryx. En este fósil resaltan las características intermedias entre un reptil y un ave. Igualmente, tenemos varios fósiles de homínidos que nos han permitido reconstruir la evolución de los humanos.

Algunas teorías alternativas han sido propuestas para lograr explicar la discontinuidad del registro, como la teoría del equilibrio puntuado.

Biogeografía

Aunque la evolución está respaldada por evidencia proveniente de muchas ramas del conocimiento, fue la biogeografía la que convenció a Darwin de la veracidad del proceso evolutivo.

La distribución de los organismos vivos sobre el planeta tierra no es homogénea, y muchos aspectos de este patrón pueden ser explicados por la teoría evolutiva – y no por la hipótesis de creación especial.

Cuando examinamos la fauna de las islas oceánicas (elementos aislados que nunca han tenido contacto con tierra firme), encontramos que la composición de especies es muy peculiar. Por ejemplo, esto se puede ver en las islas ubicadas en el Atlántico Norte, llamadas islas Bermudas.

Los vertebrados (no marinos) nativos de la zona son muy pocos, principalmente aves, murciélagos migratorios, y lagartijas, entre otros. Algunas de estas especies muestran una relación significativa con la fauna de América del Norte. Otras, por su parte, son endémicas de la isla y no se encuentran en ninguna otra región.

Este patrón de distribución es compatible con los procesos evolutivos, ya que la zona es colonizada específicamente con animales con capacidad de vuelo y de dispersarse grandes distancias.

Evolución en acción: ejemplo de evolución

Otro malentendido en la biología evolutiva es que se relaciona con un proceso extremadamente lento.

Si bien es cierto que para obtener adaptaciones complejas como las mandíbulas poderosas u ojos con visiones excelentes, tendríamos que esperar un par de millones de años, hay ciertos procesos evolutivos que podemos observar con nuestros propios ojos en un periodo de tiempo relativamente breve.

A continuación analizaremos el caso de la polilla Biston betularia como ejemplo de evolución en acción. Más adelante hablaremos de la resistencia a antibióticos y a pesticidas, otro ejemplo de evolución que podemos observar en un espacio corto de tiempo.

El melanismo industrial y Biston betularia

Uno de los ejemplos más resaltantes en la biología evolutiva es el melanismo industrial. Este fenómeno se documentó durante la revolución industrial y logró establecer una relación entre la variación en la coloración de la polilla Biston betularia y la contaminación de su hábitat.

La polilla presenta dos morfologías: una clara y otra oscura. Antes de la contaminación, la variante dominante era la polilla clara, presumiblemente porque se posaba en la corteza clara de los abedules y podía pasar desapercibida por sus depredadores potenciales: las aves.

Con la llegada de la revolución industrial, la contaminación aumento a niveles significativos. La corteza de los árboles empezó a tomar una coloración cada vez más oscura y esto generó un cambio en las frecuencias de las variantes clara y oscura de las polillas.

La polilla oscura fue la variante dominante por un tiempo, ya que podía ocultarse mejor en la corteza ennegrecida.

Posteriormente, se implementaron programas de limpieza ambiental que ayudaron a reducir la contaminación ambiental. Gracias a la eficiencia de dichos programas, los árboles empezaron a tomar nuevamente su color característico inicial.

Como podemos intuir, la frecuencia de las polillas cambió nuevamente, siendo la variante clara la dominante. Así, el proceso evolutivo quedó documentado en un lapso de tiempo de 50 años.

Mecanismos de la evolución

La evolución biológica es un proceso que involucra dos pasos: la generación de la variación y luego la reproducción diferencial de las variaciones, ya sea por selección natural o por deriva génica. Por esta razón, el término selección natural y evolución no deben usarse de manera intercambiable – porque no lo son.

Bajo la perspectiva de la genética de población la evolución es el cambio de las frecuencias alélicas en el tiempo dentro de una población. Así, las fuerzas que cambian las frecuencias alélicas son la selección, la deriva, la mutación y la migración.

Selección natural

Como mencionamos anteriormente, la contribución más grande de Darwin a la biología fue proponer la teoría de selección natural. Esta ha sido fuertemente malinterpretada y tergiversada por los medios de comunicación, asociándola con frases erradas como: “la supervivencia del más apto”.

Condiciones para que ocurra la selección natural

La selección natural es una idea simple, con resultados magníficos. Si un sistema cumple con las siguientes características evolucionará – inevitablemente – por medio de selección natural:

– Variabilidad: una condición sine qua non para que ocurra la evolución es que debe existir variación dentro de la población.

Por ejemplo, los integrantes varían en su coloración, pelaje, estatura, etc. La variación la podemos encontrar a distintos niveles: morfológico, celular, bioquímico y molecular. A medida que bajamos en el nivel, encontramos que la variación aumenta.

– Heredabilidad: en términos sencillos, la heradabilidad es el parecido de los padres con su descendencia. Formalmente, se define como la proporción de la varianza fenotípica debido a la variación genética y se expresa con la ecuación: h2 = VG / (VG + VE), donde VG es la varianza genética y VE la varianza ambiental.

– Asociación con el fitness: por último, el rasgo heredable debe conferir al organismo que lo posee alguna ventaja en el fitness. Este término se usa en biología evolutiva para cuantificar la habilidad de un organismo para sobrevivir y reproducirse, dejando descendencia fértil.

Así, cuando estas tres condiciones se cumplen, los organismos con los rasgos ventajosos tienen más probabilidad de reproducirse que los miembros de la población que carecen de los mismos.

Deriva génica

La deriva génica es el cambio en las frecuencias alélicas que ocurre por el error de muestreo de los gametos de una generación a otra. Es decir, es un evento estocástico o aleatorio. Este fenómeno es significativo cuando la población efectiva de estudio es pequeña.

En estadística, el error de muestreo son las discrepancias que existen entre la predicción teórica y lo obtenido experimentalmente. Por ejemplo, si tenemos 50 granos negros y 50 granos rojos en una bolsa, esperaríamos que si tomamos 10 al azar la proporción esperada es de 5 granos negros y 5 rojos.

No obstante, no sería extraño que el resultado experimental sea 6 negros y 4 rojos, o 7 negros y 3 rojos. Esto es el error de muestreo.

De acuerdo con la teoría neutral de la evolución molecular, la mayoría de las mutaciones se fijan por deriva y no tienen efectos en el fitness del individuo.

Al igual que en la selección natural, en la deriva génica existe la reproducción diferencial de los individuos solo que en este caso es por azar – mientras que en la selección natural es por una característica que aumenta su fitness.

Aplicaciones de la biología evolutiva

La biología evolutiva tiene una serie de aplicaciones, tanto para la medicina, agricultura, biología de la conservación, como para otras disciplinas.

Medicina

La teoría de evolución es una ciencia esencial en el campo de la medicina. Por ejemplo, nos permite predecir el resultado del uso indiscriminado de antibióticos para el tratamiento de enfermedades infecciosas.

Cuando aplicamos un antibiótico de manera innecesaria o no culminamos el tratamiento médico, eliminaremos a las variantes no resistentes, pero los individuos resistentes incrementaran su frecuencia en la población de bacterias.

Actualmente, el tema de la resistencia bacteriana ante la mayoría de los antibióticos es un tema de interés y preocupación mundial. La concienciación sobre el uso de antibióticos es una manera de aminorar esta complicación.

Por ejemplo, la bacteria Staphylococcus aureus es común es lo quirófanos y causa infecciones en los pacientes durante las cirugías.

Hoy en día, la bacteria es totalmente resistente a una serie de antibióticos, como la penicilina, ampicilina, y drogas relacionadas. Aunque se han generado nuevos antibióticos para contrarrestarla, las drogas son cada vez menos eficientes.

La crisis de la resistencia es uno de los ejemplos más dramáticos de evolución, que podemos observar con nuestros propios ojos, por lo que también sirve como evidencia del proceso evolutivo.

Agricultura y ganadería

El mismo principio evolutivo se puede extrapolar al uso de pesticidas para la eliminación de plagas, en cultivos con importancia económica significativa. Si se aplica por mucho tiempo el mismo tipo de pesticida, favoreceremos el aumento de las variantes resistentes.

Del mismo modo, los ganaderos buscan obtener a los “mejores” animales, que maximicen la producción (de leche, carne, etc). Estos ganaderos seleccionan a los individuos que ellos consideran más útiles en términos prácticos. Con el paso de las generaciones, los individuos se asemejan cada vez más a lo deseado por el humano.

Este proceso de selección artificial humana se asemeja a la selección natural, en términos del éxito reproductivo diferencial. Con la diferencia notable que en la naturaleza no existe ningún ente seleccionador.

Biología de la conservación

En temas de conservación, el entendimiento de fenómenos como «cuellos de botella» y la disminución del fitness causado por la endogamia permite evitarlos y generar planes de conservación que incrementen el fitness y mantengan a la población “sana”.

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