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Evolución: ¿Cómo podrían evolucionar simultáneamente todos los rasgos útiles?

Evolución: ¿Cómo podrían evolucionar simultáneamente todos los rasgos útiles?



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Tengo una pregunta básica sobre la evolución, para la que nunca encontré una respuesta. Entiendo cómo funciona la evolución si nos centramos en un órgano o rasgo específico. Con cada generación, es más probable que algún organismo se reproduzca, por lo que el rasgo que conduce al éxito se vuelve más frecuente. Mi problema es comprender cómo todos los rasgos pueden evolucionar simultáneamente.

Mirando hacia atrás a nuestros antepasados, desarrollamos muchos tipos diferentes de adaptaciones (en áreas no relacionadas como la vista, la eficiencia de los riñones o un miedo saludable a los depredadores, la digestión de ciertos nutrientes, el caminar equilibrado, etc.). La selección natural solo puede funcionar con lo que está allí, por lo que las mutaciones son importantes. Pero si las mutaciones son raras, parece poco probable que muchas (miles de) propiedades de los organismos mejoren en una sola generación. Necesitaría tener mucha suerte para mejorar aleatoriamente todos los genes responsables.

Entonces, si miramos hacia atrás a nuestros antepasados ​​nuevamente, ¿mejoraron solo uno o un puñado de rasgos en cada generación? En ese caso, necesitaríamos cientos de generaciones antes de haber mejorado algo en cada "frente". Para entonces, las otras propiedades podrían "derivar" de nuevo a una versión no tan ventajosa. (Esto suponía que cada generación mejoraba un rasgo aleatorio, a diferencia de largas secuencias de generaciones, cada una de las cuales mejoraba el mismo). ¿O siempre hubo algunos organismos súper afortunados que obtuvieron una mejora aleatoria en casi todos los rasgos diferentes? Pero tener algunos de esos súper afortunados no es suficiente. Los buenos rasgos no garantizan el éxito, solo mejoran las probabilidades. Entonces necesitaríamos muchos muy afortunados en cada generación.

¿Alguien ha calculado o simulado cómo puede ocurrir la adaptación para muchos rasgos diferentes? simultaneamente?


¿Alguien ha calculado o simulado cómo la adaptación de muchos rasgos diferentes puede ocurrir simultáneamente?

Hay muchos estudios sobre el tema, pero no entiendo completamente cuál es su problema. Así que intentaré dar algunas palabras con la esperanza de que ayuden un poco, pero es posible que me pierda por completo el punto que quiere hacer.

La tasa de mutación en humanos es de alrededor de $ 1.25 cdot 10 ^ {- 8} $ por par de bases por individuo por generación. El genoma humano contiene alrededor de 3400 Mpb, lo que significa que probablemente tengas $ 1.25 cdot 10 ^ {- 8} * 3.4 * 10 ^ 9 = 42.5 $ mutaciones que ninguno de tus padres tenía en su genoma. Ahora bien, si considera el tamaño de la población, verá que se produce una cantidad bastante grande de mutaciones en cada generación en la población humana. ¡Así que las mutaciones no son tan raras! Podría ser injusto tomar a los humanos como ejemplo, ya que el tamaño de la población humana es muy grande. De todos modos, la gran mayoría de mutaciones son deletéreas. En consecuencia, tiene razón, probablemente no se producirán muchas mutaciones beneficiosas en una población determinada en una generación determinada y, especialmente, no en el mismo individuo (¡excepto si piensa en virus!).

Ahora, dependiendo de cuán beneficiosa sea la mutación que está considerando (coeficiente de selección), dependiendo de su dominio, dependiendo del tamaño (efectivo) de la población, sus nuevas mutaciones pueden tomar varias generaciones antes de alcanzar la fijación en la población. En este tiempo pueden ocurrir otras mutaciones. Y luego, la pregunta es muy interesante. Imagine una población de individuos asexuales donde existen dos mutaciones beneficiosas (en dos loci diferentes [= posición en un cromosoma]). Debido a que no hay recombinación (por definición de lo que es una población asexual) nunca estas dos mutaciones se encontrarán en los mismos individuos y en consecuencia si una mutación alcanza la fijación, necesariamente significa que la otra mutación habría desaparecido. En población sexual es diferente. La recombinación permite que las dos mutaciones, una vez que alcancen una frecuencia suficiente, probablemente se encuentren en el mismo organismo y por tanto, las dos mutaciones puedan llegar a la fijación.

Espero haber ayudado un poco


Creo que el principal problema que tienes está en este párrafo:

Pero si las mutaciones son raras, parece poco probable que muchas (miles de) propiedades de los organismos mejoren en una sola generación. Necesitaría tener mucha suerte para mejorar aleatoriamente todos los genes responsables.

Hay dos conceptos erróneos básicos allí:

  1. Las mutaciones son no raro. De hecho, son muy comunes. Una de las células de su cuerpo probablemente desarrolló una mientras estaba leyendo esta respuesta.

  2. De hecho, es poco probable que miles de propiedades se "mejoren" en una sola generación. No es así como funciona la evolución. Necesitas recordar eso especies evolucionan, no individuos. Entonces, digamos que me han seleccionado porque corro más rápido y mi pareja ha sido seleccionada porque es más inteligente, nuestro hijo podría incorporar ambas características. Ahora extrapole eso a todos los individuos de una especie y agregue unos pocos millones de años y obtendrá tanto la inteligencia como la velocidad seleccionadas.

Finalmente, la suerte tiene muy poco que ver con eso. Estamos hablando de un proceso muy lento que funciona durante millones de años. La evolución no se produce en una sola generación, las mutaciones que la impulsan podrían, pero no el proceso evolutivo mediante el cual estas mutaciones se incorporan al genoma de la población en general.


La idea básica es que las mutaciones que mejoran diferentes rasgos pueden ocurrir en diferentes individuos y luego unirse por recombinación. Entonces, la frecuencia de recombinación establece aproximadamente la tasa máxima a la que la población puede adquirir buenas mutaciones. Nick Barton y yo lo calculamos y descubrimos que una población puede obtener aproximadamente una buena mutación por cromosoma por generación: http://www.plosgenetics.org/article/info%3Adoi%2F10.1371%2Fjournal.pgen.1002740#pgen -1002740-g008


Esta página tiene dos partes: discusión de antecedentes sobre la evolución de las aves, seguida de grupos de clasificación y ejemplos fotográficos de aves actuales.

Evolución de las aves

Las aves forman una clase monofilética, Aves, los únicos descendientes modernos de los dinosaurios terápodos. Desde finales del Mesozoico, existe evidencia de al menos ocho subclases de Aves. Solo una de esas subclase sobrevivió hasta el Cenozoico: Neornithes, las aves modernas. Esta subclase se ha expandido para llenar casi todos los nichos que explotaban las ocho subclases anteriores, incluidos los percheros de árboles, limícolas, buzos y aves terrestres no voladoras. Es probable que haya algunos ejemplos de coevolución entre Neorinthes y las subclases extintas de Aves.

Las aves modernas están adaptadas para el vuelo, homoiotérmicas, carnívoras, emplumadas, con picos desdentados. Puede que no siempre haya sido así. Los dinosaurios evolucionaron a partir de reptiles, que exhiben una variedad de modos de termofisiología de sangre fría. Estudios recientes de huevos de dinosaurio revelan que muchos tipos fueron enterrados al igual que los huevos de cocodrilo en la actualidad. Los huevos enterrados, no destinados a la incubación, tienden a formar cáscaras no porosas de alta densidad. Pero los huevos descubiertos de algunos terápodos revelan cáscaras porosas que probablemente se incubaron, lo que demuestra un cambio hipotético hacia la homoiotermia a lo largo de la línea de desarrollo de Aves.

Los primeros ejemplos de Aves tenían dientes, al igual que otros primos dinosaurios. Existe evidencia de la fina estructura ósea de que las primeras instancias de Aves pueden no haber sido completamente homoiotérmicas, aunque no está claro cómo un dinosaurio de sangre fría pudo haber generado la energía metabólica necesaria para el vuelo. Es probable que el vuelo temprano no haya implicado mucho más que saltar y planear, de modo que otras adaptaciones de soporte de vuelo tuvieron tiempo de evolucionar a medida que evolucionó la complejidad del vuelo.

Las plumas son una adaptación de las escamas de los reptiles. Pero la evidencia paleontológica descarta la noción de que las plumas fueron motivadas específicamente por el vuelo. Al principio de la evolución de los dinosaurios terápodos, aparecieron plumas tanto en especies voladoras como terrestres. Por lo tanto, parece que fue a partir de un grupo más grande de terápodos emplumados que el Archaeopteryx evolucionó como antepasado de Aves. Que las plumas fueran útiles para volar finalmente le permitió a Aves dejar el suelo. Pero las plumas probablemente existieron para usos más primitivos a fin de que ocurriera esta feliz coincidencia. Las plumas también proporcionan aislamiento y un medio de exhibición sexual. Esta última función puede haber sido la principal motivación para las plumas.

Los madrugadores deben haber obtenido alguna ventaja de sus necesariamente débiles habilidades de vuelo. Observar a las crías que aprenden a usar sus alas da una idea de cómo debe haber sido para estos pioneros. El vuelo habría aumentado las habilidades para atrapar presas de insectos en el aire, escapar del peligro, superar obstáculos y atacar presas desde ángulos inesperados. Estas ventajas compensan el peligro añadido y el gasto energético asociados con el vuelo.

Hay dos teorías sobre cómo comenzó el vuelo: arbórea y cursorial. Los defensores de los árboles arbóreos tienen a las primeras aves usando sus extremidades para trepar árboles y otras elevaciones, y luego deslizarse hacia abajo como muchos animales todavía lo hacen. Los partidarios de cursorial creen que las primeras aves eran corredoras bípedas, que usaban alas para ganar velocidad, brincar y permanecer brevemente en el aire. Ambos pueden ser correctos, pero ningún planeador arbóreo usa alas o apéndices para aumentar la distancia aérea. Siguen siendo planeadores puramente de trayectoria. Un comienzo más probable implicaría una estrategia que usara las alas en un movimiento de aleteo para ganar algo de ventaja. Además, desde el período más antiguo, ha habido órdenes de Aves que contienen aves que no vuelan, pero tienen alas. Esto nuevamente sugiere una estrategia basada en tierra para el uso inicial de alas.

El estudio de crías superprecociales terrestres muestra que aunque sus alas no permitieron que el ave logre volar, se utilizan para subir pendientes pronunciadas, donde se necesita potencia de ala para retener la tracción cuando la pendiente alcanza los 70 grados o más. Bajarse del terreno plano expuesto es la principal directiva de supervivencia para estos pajaritos, e incluso en su primer día pueden escalar pendientes empinadas, incluso invertidas, usando la potencia de las alas durante breves períodos, lo que ejerce una fuerza descendente a través de sus patas de hasta tres veces su peso corporal. El movimiento del ala cuando se genera tracción en el suelo es efectivamente una rotación de 90 grados con respecto al vuelo. Este es posiblemente el movimiento del ala primordial de la clase de aves.

El alto consumo de energía es el costo de volar. Para los objetos voladores, como pájaros y aviones, la física dicta una curva de potencia en forma de U que traza la energía gastada con la velocidad en el aire. La energía requerida para volar a baja velocidad es relativamente alta, luego disminuye al mínimo a la velocidad de energía óptima, luego aumenta nuevamente a medida que aumenta la velocidad. Las presiones evolutivas harían que los animales voladores optimizaran su uso de energía.

Como era de esperar, las aves pueden aplanar su curva de energía modificando su forma para optimizar el vuelo, disminuyendo así la producción de energía requerida para volar y también extendiendo el rango de velocidades energéticamente eficientes. Parte de tal transformación es la flexión continua de la caja torácica para optimizar la respiración.

Una consideración final de las características de las aves es nuevamente un problema de la física, el efecto de la masa corporal en la capacidad de vuelo. Hoy aparece una masa corporal máxima para la que es posible volar. Varios órdenes de clase Aves tienen especies de este tamaño máximo de vuelo, pero no hay ejemplos actuales o pasados ​​de una criatura voladora más grande.

Para volar, un pájaro puede usar sus patas para aumentar la velocidad de avance y simultáneamente usar sus alas en un movimiento de aleteo para aumentar aún más la velocidad de avance y proporcionar sustentación. Las aves pequeñas no necesitan el componente de marcha hacia adelante para volar. Pueden mover sus pequeñas alas lo suficientemente rápido como para despegar verticalmente. Pero las aves más grandes con alas más grandes no pueden mover la masa de sus alas lo suficientemente rápido como para despegar. Por lo tanto, emplean la asistencia para correr. Pero en algún límite de masa, el cuerpo del pájaro no puede hacer el trabajo requerido para despegar. No pueden correr lo suficientemente rápido y mover sus grandes alas con una frecuencia lo suficientemente alta.

El comportamiento de las aves está influenciado por el tamaño, ya que el mundo parece diferente al de las aves grandes y pequeñas. Las aves más pequeñas, debido a su capacidad para moverse directamente verticalmente a través del poder de las alas, habitan un verdadero espacio tridimensional. Su maniobrabilidad compensa su falta de tamaño en la lucha depredador-presa. Las aves más grandes se parecen más a nosotros, que viven en un espacio más plano. Su espacio incluye tanto el suelo como el cielo, pero también para ellos, los movimientos verticales repentinos y ascendentes están prohibidos por la física. El hecho de que las aves más pequeñas dominen las especies actuales de Aves se debe en gran parte a la física.

Agrupaciones de aves actuales

Las aves modernas representan 10 ^ 4 especies, divididas en 30 órdenes (las órdenes se están expandiendo a medida que el ADN reorganiza las relaciones entre los grupos). El 60% de todas las especies residen en un orden, las aves que se posan (Passeriformes).

Las aves se clasifican en dos superórdenes. (Los pedidos a continuación se caracterizan por una especie representativa).

El superorden Paleognathae comprende los siguientes órdenes, incluidas las ratites o grandes aves no voladoras:

  • Apterygiformes - kiwi
  • Struthioniformes - avestruz
  • Reiformes - ñandú
  • Casuariiformes - casuario
  • Tinamiformes - tinamú con cresta

El superorden Neognathae comprende los demás pedidos. Estos pueden estar relacionados por las siguientes agrupaciones, más dos órdenes actualmente desagrupadas. Las agrupaciones no forman una clasificación científica, pero sugieren órdenes estrechamente relacionadas.

  • Órdenes que están separadas de las demás:
    • Galliformes - faisán
    • Anseriformes - pato
    • Podicipediformes - zampullín
    • Gaviformes - loon
    • Sphenisciformes - pingüino
    • Pelecaniformes - pelícano
    • Procellariformes - albatros
    • Gruiformes - grulla, raíl, focha
    • Charadriiformes - gaviota
    • Ardeidae - garza
    • Columbiformes - paloma
    • Ciconiiformes - cigüeña
    • Psittaciformes - loro (entre grupos 4/5)
    • Falconiformes - halcón (entre grupos 4/5)
    • Accipitriformes y águila # 8211
    • Cathartiformes - Buitre del Nuevo Mundo
    • Strigiformes - búho
    • Cucuiiformes - cuco (entre grupos 5/6)
    • Caprimulgiformes - chotacabras
    • Apodiformes - veloz, colibrí
    • Trogoniformes - trogon (entre los grupos 6/7)
    • Coraciiformes - martín pescador
    • Piciformes - pájaro carpintero
    • Paseriformes - otras aves que se posan: arrendajo, cuervo, gorrión, pinzón, curruca, papamoscas & # 8230

    Nota personal: soy un observador casual de aves. Por observación, me refiero a capturar una imagen digital adecuada para identificar especies, género y madurez. A continuación se muestra una tabla de mis observaciones, organizada por orden. Tengo fotos de representantes de 22 de las 30 órdenes de Aves actualmente reconocidas.


    Resumen de impacto

    La aptitud es uno de los conceptos más importantes de la biología evolutiva. Representa qué tan bien un organismo transmite sus genes a la siguiente generación, como cuántos descendientes sobrevivientes tiene. Dos de las teorías más importantes de la biología evolutiva en conjunto predicen que la evolución por selección natural debería conducir siempre a un aumento de la aptitud media. Sin embargo, es fácil encontrar ejemplos de evolución en los que la aptitud promedio no aumenta (es decir, evolución pero no adaptación), lo que parece contradecir estas teorías fundamentales. Aquí, reconciliamos esta aparente paradoja considerando que los individuos pueden influir en la aptitud de los demás a través de interacciones sociales como pelear o cooperar. Cuando los organismos interactúan, las líneas divisorias entre la naturaleza y la crianza se difuminan, ya que parte del entorno (crianza) es causado por los efectos de otros individuos y sus genes (naturaleza). La aplicación de la teoría de la evolución social resuelve la paradoja de la evolución sin adaptación porque reconoce que la evolución cambia no solo los genes, sino también los genes de otros, que es el entorno que experimentan los individuos a través de las interacciones sociales. Por ejemplo, en una competencia por un recurso limitado, la selección natural puede mejorar los atributos que aumentan la capacidad competitiva, como las armas más grandes. Estas armas pueden mejorar la aptitud del individuo que las posee, pero reducen la aptitud de sus competidores, por lo que la aptitud promedio no cambia. Al reconocer que la aptitud de un individuo está determinada no solo por sus propios genes, sino también por los genes de aquellos individuos con los que interactúan, la teoría de la evolución social puede reconciliar una aparente paradoja entre dos pilares teóricos de la biología evolutiva.


    Rasgo (biología)

    En biología, un rasgo o carácter es una característica de un organismo.

    El término fenotipo se usa a veces como sinónimo de rasgo de uso común, pero estrictamente hablando, no indica el rasgo, sino el estado de ese rasgo (por ejemplo, el color de ojos del rasgo tiene los fenotipos azul, marrón y avellana).

    Un rasgo puede ser cualquier rasgo único o medida cuantificable de un organismo.

    Sin embargo, los rasgos más útiles para el análisis genético están presentes en diferentes formas en diferentes individuos.

    Un rasgo visible es el producto final de muchos procesos moleculares y bioquímicos.

    En la mayoría de los casos, la información comienza con el viaje del ADN al ARN y finalmente a la proteína (afectando finalmente la estructura y función del organismo).

    Este flujo de información también se puede seguir a través de la célula a medida que viaja desde el ADN en el núcleo, al citoplasma, a los ribosomas y al retículo endoplásmico, y finalmente al aparato de Golgi, que puede empaquetar los productos finales para exportarlos fuera de la célula. .

    Los productos celulares se liberan en los tejidos y órganos de un organismo, para finalmente afectar la fisiología de una manera que produce un rasgo.


    Cuando la selección sexual se escapa (1 de 2)

    El concepto de selección sexual desbocada ilustra una de las formas en que se supone que funciona la selección sexual.

    El dilema de la elección femenina:
    Esto lleva a una pregunta interesante: ¿cómo evolucionó la elección femenina de rasgos como una cola larga y colorida? Después de todo, si una hembra elige un macho con una cola larga e incómoda, sus hijos probablemente tendrán una cola similar y esa cola podría perjudicar sus posibilidades de supervivencia al atraer depredadores. ¿Cómo podría actuar la selección natural para producir una preferencia por un rasgo desventajoso?

    Tiene sentido que una hembra elija pareja basándose en rasgos que le ayuden a sobrevivir. Por ejemplo, una ave hembra haría bien en elegir una pareja de aspecto fuerte y libre de enfermedades. Es probable que ese macho tenga genes `` buenos '' que le permitan resistir las enfermedades y obtener suficiente comida, y transmitirá esos genes a su descendencia.

    Sin embargo, hay muchos ejemplos de hembras que eligen pareja basándose en rasgos menos útiles (p. Ej., La complejidad del canto) o incluso rasgos perjudiciales para la supervivencia (p. Ej., Plumaje de colores brillantes, como en el caso del pavo real). Estos casos presentan a los biólogos evolutivos con un poco de enigma. ¿Cómo surgieron estas preferencias en primer lugar? Si una hembra elige un macho con plumas brillantes, sus hijos tendrán plumas brillantes, que probablemente atraerán a los depredadores. Un gen para elegir machos de colores brillantes parecería ser una desventaja. ¿Cómo se propagan esos genes a través de una población?


    La profunda historia evolutiva del nuevo coronavirus

    Durante el último mes, la noticia del coronavirus pandémico, conocido como COVID-19, ha inquietado a personas en los EE. UU. Y en todo el mundo. A nivel internacional, los casi 1,2 millones de casos han provocado más de 60.000 muertes. Los negocios han cerrado, los trabajos han desaparecido, se ha pedido a grandes franjas de la población que se refugien en sus hogares y muchos otros se han quedado sin hogar, hambrientos y asustados. Nuestro último Evo en la noticia explicó cómo la teoría evolutiva ayuda a responder preguntas importantes sobre el origen de la pandemia. Este mes profundizaremos aún más en la historia evolutiva del virus y cómo esas relaciones profundas se relacionan con las perspectivas de una vacuna.

    ¿Dónde está la evolución?

    Estructuralmente, los virus son poco más que sacos de material genético. Consisten en ADN o ARN rodeado por una capa protectora de proteínas y, a veces, también por una capa de lípidos. Son tan pequeños que no se pueden ver con microscopios normales. Los científicos deben utilizar técnicas como la microscopía electrónica para visualizarlos. Lo más importante es que los virus no pueden reproducirse por sí mismos, invaden las células vivas de otro organismo y utilizan la maquinaria celular de esa otra especie para copiarse a sí mismos y a su material genético.

    Los virus parecen ocupar la zona gris entre la biología y la química. No es sorprendente que algunos científicos ni siquiera consideren que los virus sean seres vivos. Sin embargo, estar vivo no es un requisito previo para experimentar la evolución. Cualquier grupo que varíe de un individuo a otro y transmita rasgos a sus descendientes a través de la reproducción (es decir, muestre herencia) puede evolucionar. Los programas de computadora evolucionan si están diseñados para copiarse a sí mismos con variaciones menores. Los lenguajes humanos evolucionan a medida que cambian ligeramente con la cultura y se transmiten a los niños. Las moléculas que se auto-duplican en un tubo de ensayo evolucionan a medida que cometen errores de copia e introducen variaciones en sus linajes. Y así, por supuesto, también evolucionan los virus y mdash cuyo material genético es copiado imperfectamente por la maquinaria de sus células huésped.

    Cuando las entidades en evolución, como los virus, transmiten información hereditaria de padres a hijos, podemos representar su evolución en forma de árbol, llamada filogenia. A medida que se introducen variaciones y se transmiten a la descendencia, se forman nuevas ramas del árbol. Por lo general, podemos reconstruir la historia evolutiva de un grupo recopilando información sobre la distribución de rasgos (secuencias genéticas, características anatómicas, comportamientos, etc.) entre los linajes de ese grupo. Sin embargo, cuando se introducen nuevas variaciones (por ejemplo, mutaciones) rápidamente, es más difícil reconstruir las relaciones evolutivas antiguas. Esto se debe a que esas variaciones son evidencia, y cuando ocurren muchas de ellas, es probable que los nuevos cambios sobrescriban los más antiguos, destruyendo la evidencia de las relaciones más antiguas. Dado que los virus mutan rápidamente, es muy difícil reconstruir su profunda historia evolutiva. Sin embargo, los científicos han avanzado mucho en este desafío, especialmente al incluir información sobre la estructura de las proteínas virales (y no solo las secuencias genéticas) en sus análisis.

    En el árbol genealógico de los virus (ver más abajo), COVID-19 encaja en la rama ocupada por otros coronavirus. Tenga en cuenta que los coronavirus solo están relacionados de forma lejana con los virus de la gripe, aunque la variedad de síntomas que causan es similar. Debido a que no están estrechamente relacionados, no esperaríamos que las proteínas en la superficie de COVID-19 tengan mucha similitud con las de las partículas del virus de la gripe. Las vacunas nos protegen de las enfermedades al enseñar a nuestro sistema inmunológico a reconocer y combatir los patógenos basándose en las proteínas de su superficie. En términos prácticos, esto significa que las vacunas contra la influenza están diseñadas para atacar diferentes proteínas de superficie y simplemente no funcionarán contra el nuevo coronavirus pandémico, por muy similares que parezcan los síntomas. Sin embargo, mantenerse al día con la vacuna contra la gripe es especialmente importante durante la pandemia actual porque las personas que se enferman de gripe agregan aún más carga a nuestros sistemas de atención médica estresados.

    Relaciones evolutivas entre virus y vida celular.

    Haz click en la imagen para una vista mas grande. Crédito: Science Advances

    Sin embargo, profundizar en las relaciones evolutivas entre los coronavirus (ver el árbol a continuación) revela algunos motivos de esperanza. Los coronavirus que infectan a los humanos causan una variedad de efectos. Algunas, como la cepa HKU1, no causan más que un resfriado. Debido a que los efectos de estas cepas son tan leves, no ha habido motivación para desarrollar vacunas contra ellas. Pero otras, como el MERS y el virus del SARS que surgieron a principios de la década de 2000, son enfermedades graves que matan a un porcentaje mayor de personas infectadas que el COVID-19. El SARS fue eliminado unos años después de que comenzara a infectar a los humanos, pero los investigadores lograron algunos avances hacia el desarrollo de una vacuna cuando todavía era una amenaza. Y los científicos han continuado trabajando en una vacuna MERS, alcanzando hitos esperanzadores, aunque no una vacuna funcional. Este trabajo en parientes cercanos de COVID-19 puede informar algunos esfuerzos para desarrollar una vacuna COVID-19.

    Historia evolutiva de los coronavirus que infectan a los humanos. Tenga en cuenta que los coronavirus infectan a una amplia gama de mamíferos y aves, incluidos murciélagos, pangolines, camellos, ratones y vacas. Los linajes virales que infectan a otras especies se excluyen de esta filogenia para mayor claridad. Adaptado de Coronoviridae Study Group del Comité Internacional de Taxonomía de Virus, 2020

    Un factor crítico en la creación de una vacuna para combatir un nuevo patógeno es la tasa de cambio evolutivo. Los patógenos que evolucionan lentamente (por ejemplo, porque tienen una tasa de mutación baja) siguen siendo bastante similares de una infección a la siguiente, presentando un objetivo constante al que debe apuntar una vacuna. Sin embargo, los patógenos que evolucionan rápidamente pueden diversificarse en una multitud de linajes rápidamente, formando un árbol evolutivo tupido. Esto dificulta el diseño de una única vacuna que pueda reconocer y combatir todas las diferentes ramas de la diversa filogenia del patógeno. El VIH, por ejemplo, tiene la tasa de mutación más alta de cualquier linaje biológico que la ciencia haya estudiado y evoluciona a la velocidad del rayo. Por esta y otras razones, todavía no tenemos una vacuna contra el VIH a pesar de más de 35 años de trabajo. Afortunadamente, los coronavirus tienen una tasa de evolución más moderada. Si bien el desarrollo de una vacuna eficaz para COVID-19 seguirá siendo un desafío, los investigadores tienen esperanzas.

    Entender el COVID-19 como una cepa entre una multitud de coronavirus estrechamente relacionados también puede darnos una idea de cuánto tiempo podría durar la inmunidad, una vez adquirida a través de una vacuna o infección. Los coronavirus que causan síntomas similares a los del resfriado en humanos solo desencadenan una inmunidad de corta duración: el mismo virus puede volver a infectarse en menos de un año. Sin embargo, para las cepas SARS y MERS & mdash más estrechamente relacionadas con COVID-19 y las cepas que causan enfermedades graves, como ocurre con COVID-19, la inmunidad parece durar varios años (aunque no toda la vida). Si bien debemos esperar más datos para estar seguros, una buena hipótesis de partida es que la inmunidad al COVID-19 duraría varios años y que es posible que debamos volver a vacunarnos después de eso.

    El nuevo coronavirus es sin duda aterrador y peligroso, pero no es desconocido ni incognoscible. La investigación científica ha construido un conocimiento sólido de los virus, con diferentes facetas de su funcionamiento iluminadas por la epidemiología, la microbiología, la genética y, por supuesto, la evolución. Los científicos de todo el mundo están aportando todo este conocimiento a medida que se unen en un esfuerzo por desarrollar estrategias para la prevención de infecciones, tratamientos y vacunas.


    Discusión

    La evolución de un rasgo complejo como el perfil hidrocarbonado cuticular aún se conoce poco. En el presente estudio, estudiamos la señal filogenética de rasgos CHC cuantitativos y cualitativos en todo el género. Crematogaster, dentro de tres Crematogaster clados y en los químicamente diversos C. levior grupo de especies. Para la mayoría de los rasgos cuantitativos, la señal filogenética fue sorprendentemente baja en todos los conjuntos de datos y no difirió de un modelo aleatorio de evolución. En todo el género y en los tres clados, la señal filogenética fue solo no aleatoria para uno cuantitativo y tres rasgos cualitativos. En contraste, siete rasgos cuantitativos y dos cualitativos mostraron una señal no aleatoria en el C. levior grupo de especies, lo que indica que la señal filogenética puede variar a través de escalas taxonómicas.

    Restricciones filogenéticas bajas a nivel de género y clado

    Con una excepción, ninguno de los rasgos cuantitativos en el total Crematogaster conjunto de datos y en los conjuntos de datos por clados mostraron una señal filogenética diferente de la expectativa aleatoria. Sin embargo, casi todos se desviaron fuertemente del modelo de movimiento browniano. Entre los rasgos cualitativos, uno (presencia de dimetil alcanos) mostró una señal filogenética significativa, mientras que los otros dos diferían del movimiento browniano pero no de las expectativas bajo un modelo aleatorio. Estos resultados apoyan la idea de que solo la presencia o ausencia de ciertas rutas biosintéticas, por ejemplo para la producción de dimetil alcanos, puede estar filogenéticamente restringida. Sin embargo, la composición cuantitativa de la sustancia, dada una clase de hidrocarburo que puede ser producida por el insecto, puede evolucionar rápidamente: la evolución gradual de pequeños cambios acumulados, incluso bajo selección direccional, produciría una señal filogenética (Blomberg et al., 2003), que no encontramos para los rasgos cuantitativos. Blomberg et al. encontraron una señal filogenética significativa en el 92% de los rasgos que analizaron, incluidos los rasgos morfológicos, de comportamiento, de tamaño corporal, de historia de vida y fisiológicos. De manera similar, la señal filogenética fue significativa para casi todos los rasgos analizados en una gran filogenia de primates (Kamilar y Cooper, 2013). La falta de señal en los rasgos de CHC de nuestro estudio, junto con la desviación significativa del modelo de movimiento browniano, muestra que los perfiles de CHC pueden evolucionar en un modo saltacional.

    Este resultado se ajusta a grandes cambios saltacionales en la evolución de las feromonas de agregación de escarabajos (Symonds & Gitau-Clarke, 2016), pero contradice estudios previos sobre feromonas de agregación en Drosophila y moscas Tephritidae (Symonds & Wertheim, 2005 Symonds et al., 2009). Además, un estudio reciente encontró una evolución gradual en los perfiles de CHC de hormigas (van Wilgenburg et al., 2011). En nuestra opinión, la causa de esta diferencia es que analizamos principalmente rasgos cuantitativos en lugar de la simple presencia o ausencia de sustancias. La abundancia de una sustancia debe estar sometida a una selección más fuerte que su mera presencia: el impacto relativo de una sustancia en, por ejemplo, la capacidad impermeabilizante de la cutícula depende de su abundancia relativa, no solo de su presencia o ausencia. Una sustancia rara puede experimentar poca selección debido a su pequeño impacto en las propiedades generales de la cutícula, pero un investigador aún registrará su presencia. Por lo tanto, la composición cuantitativa de CHC puede responder rápidamente a presiones selectivas y evolucionar en un modo saltacional, mientras que la presencia o ausencia de sustancias puede mostrar menos cambios evolutivos y, por lo tanto, una señal filogenética más fuerte. De hecho, varios rasgos cualitativos que analizamos mostraron una señal filogenética, como la presencia de dimetil alcanos (total Crematogaster conjunto de datos) y presencia de alquenos y alcadienos (C. levior grupo de especies). Esto indica que la presencia o ausencia de una ruta biosintética puede conservarse, pero la composición cuantitativa está menos restringida.

    Sugerimos que la producción de clases de compuestos completos puede regularse rápidamente hacia arriba o hacia abajo dado que la vía biosintética está presente. Esto puede permitir que un insecto se adapte rápidamente a las presiones de selección, por ejemplo, de las condiciones climáticas o las interacciones bióticas (Rouault et al., 2004 Menzel y Schmitt, 2012). De hecho, pocas mutaciones puntuales pueden inducir cambios radicales en el perfil de CHC, ya sea a través de cambios en la funcionalidad del gen o cambios en la expresión del gen. Estos cambios pueden ser suficientes para causar aislamiento reproductivo entre poblaciones (Wicker-Thomas, 2011). De manera similar, el silenciamiento experimental de un solo gen CHC desencadenó cambios en CHC y, por lo tanto, afectó la elección de pareja (Chung et al., 2014). Varias familias de genes involucrados en la biosíntesis de CHC se han diversificado en insectos sociales (Helmkampf et al., 2014), lo que sugiere que los insectos sociales poseen un rico arsenal enzimático que permite una rápida adaptación a las presiones de selección.

    It is important to keep in mind that the strength of a phylogenetic signal depends on the taxonomic level investigated. For example, the presence of a compound class shows little signal within Crematogaster if all Crematogaster species can produce it. In contrast, the same trait may be found highly conserved in investigations across a wider taxonomic scale if other taxa lack this ability. This explains why the presence of alkenes, mono-, di- and tri-methyl alkanes showed a strong phylogenetic signal across the order Hymenoptera (Kather & Martin, 2015 ), but not necessarily among Crematogaster especies. Moreover, the difference in taxonomic scale explains why the presence or absence of substance classes shows evidence for saltational evolution on the genus or clade level (this study), while a contrasting pattern of gradual evolution may be found in studies on higher taxonomic levels, as has been reported for ants on the family level (van Wilgenburg et al., 2011 ).

    On low taxonomic level: random quantitative traits, conserved qualitative traits

    Compared to the genus- and clade-wise analyses, the quantitative traits in the C. levior species group showed even lower K values, and all of them differed from the Brownian motion model. Interestingly, however, seven traits additionally differed from the random model (three chain length traits and the abundances of norte- and monomethyl alkanes, alkenes and alkadienes). These four substance classes had an average abundance of 15.1–30.0% within the C. levior species group, whereas the remaining compounds, including dimethyl alkanes, were rare (0.07–5.3%). That their evolution differs from both models is difficult to interpret. It might be due to conflicting patterns in different parts of the phylogeny, with traits being extremely labile in some species groups, but more conserved in others. Por ejemplo, C. levior A is chemically more variable than C. levior B (Fig. 5, Menzel et al., 2014 ), which might explain our results.

    Even on the low taxonomic level of a species group, quantitative CHC traits are hence malleable and diversify quickly. Strong chemical differences between closely related or even cryptic species have regularly been shown (Elmes et al., 2002 Menzel et al., 2008 Morrison & Witte, 2011 Pokorny et al., 2013 ). Given the lack of phylogenetic constraints, this might be the rule rather than the exception, with the most pronounced example in our data being C. levior A and B. The two taxa are genetically close and morphologically undistinguishable, but differ greatly in CHC composition and chain length (Menzel et al., 2014). Possibly, chemical diversification might be driven by the need to avoid interspecific matings. In many solitary insects, CHCs function as contact sex pheromones (Thomas & Simmons, 2008 ). If they fulfil this role in social insects as well, they should be under selection for sexual character displacement between reproductively isolated populations (Gröning & Hochkirch, 2008 ). In this case, chemical divergence between workers of related species could be a by-product of the divergence of the corresponding sexuals. This seems plausible given that worker–queen similarity within a species is higher than worker–worker or queen–queen similarity between species in the ant genus Temnotórax (Brunner et al., 2011). However, little is known yet on the role of CHC for mate recognition in social insects, rendering this interpretation tentative.

    In contrast to the quantitative traits, the presence or absence of alkenes and alkadienes was highly conserved in the C. levior grupo. Similar to our results on the genus level, we therefore conclude that the presence or absence of a biosynthetic pathway can be conserved, but once it is present in an organism, its quantitative expression is not phylogenetically constrained.


    Understanding Populations, Evolution, and Natural Selection

    In order to understand why individual mutations and adaptations are not in and of themselves evolutionary, it's important to first understand the core concepts behind evolution and population studies.

    Evolution is defined as a change in the inheritable characteristics of a population of several successive generations while a population is defined as a group of individuals within a single species that live in the same area and can interbreed.

    Populations of individuals in the same species have a collective gene pool in which all future offspring will draw their genes from, which allows natural selection to work on the population and determine which individuals are more “fit” for their environments.

    The aim is to increase those favorable traits in the gene pool while weeding out the ones that not favorable natural selection cannot work on a single individual because there are not competing traits in the individual to choose between. Therefore, only populations can evolve using the mechanism of natural selection.


    History of the Theory of Evolution

    The idea that traits are passed down from parents to offspring has been around since the ancient Greek philosophers' time. In the middle 1700s, Carolus Linnaeus came up with his taxonomic naming system, which grouped like species together and implied there was an evolutionary connection between species within the same group.

    The late 1700s saw the first theories that species changed over time. Scientists like the Comte de Buffon and Charles Darwin's grandfather, Erasmus Darwin, both proposed that species changed over time, but neither man could explain how or why they changed. They also kept their ideas under wraps due to how controversial the thoughts were compared to accepted religious views at the time.

    John Baptiste Lamarck, a student of the Comte de Buffon, was the first to publicly state species changed over time. However, part of his theory was incorrect. Lamarck proposed that acquired traits were passed down to offspring. Georges Cuvier was able to prove that part of the theory incorrect, but he also had evidence that there were once living species that had evolved and gone extinct.

    Cuvier believed in catastrophism, meaning these changes and extinctions in nature happened suddenly and violently. James Hutton and Charles Lyell countered Cuvier's argument with the idea of uniformitarianism. This theory said changes happen slowly and accumulate over time.


    What Evolves in Evolution?

    Even before Darwin, it should be remembered, scientists contemplated the notion that different kinds of organisms evolve–that is, have evolved in the past and conceivably continue to evolve. And that the evolution of living organisms has to do with adaptation over many generations of reproduction.

    The evidence for adaptation through differential reproduction over the generations–driven by differential fitness of the variety of heritable traits in a population … of bacteria, oak trees, people …–is unambiguous. Yet, the implications for how we think about life remain challenging. In my experience, this is particularly the case on two levels. First, biology students have difficulty–especially initially–staying focused on evolution as a gradual process of complex change in differential reproduction over thousands generations. Second, instructors–especially those who have limited background in biology, say, in teaching an introductory anthropology course–have difficulty, more often than one would expect, in combining clear presentation with effective exercises and discussions that would better help students really own and use accurate knowledge of long-term evolutionary processes and outcomes. The evolutionary process is indeed complex, because what changes (again, over many many generations) is simultaneously:

    • random mutation rarely but persistently altering how bits of DNA function, sometimes increasing the fitness of a given bit in the environment, sometimes decreasing it
    • the characteristics that those more fit bits of DNA build or influence, as they chemically shape phenotypic “vehicles” for their own survival and reproduction (Dawkins 1982a, 1982b)
    • variation in adjoining bits of “neutrally fit” DNA that have succeeded in hanging on for the ride while accumulating harmless mutations
    • the sustained or accumulated, often ecologically structuring impact of DNA’s chemical, usually complex and indirect influence on those phenotypic vehicles that have already been favored by previous generations of natural selection … with the critical, pervasive effect that DNA indirectly but systemically, cumulatively changes its environment over long time-frames (Odling-Smee et al. 2003)

    The intricacy of this process may best be conceptualized with a series of abstract notions, like poblaciones y allele frequency change. But at the intro level, just trying to get your head around these thoughts can deaden what provokes curiosity about evolution: birth, maturation, aggression, cooperation, sex, and death in nature. BTW, I had to go with the language “more fit bits” once it popped into my head, since it sounds somewhat disgusting, even a bit obscene. BUT … but hopefully you’ll remember the bigger point about why students find it especially difficult to conceptualize the evolutionary process.

    Now note that the complexity of evolution is not irreducible. It is reducible to how DNA chemically functions, impacting its environment, and in turn influencing which DNA-chain variants survive and copy themselves more effectively in that environment. While scientific knowledge always philosophically involves doubt and acknowledgment that there are unknown phenomena in the universe, science is also an active stance for seeking explanations for observable phenomena that involve natural causes or processes. (This perspective is, of course, contra what proponents of “intelligent design” try to sell us on, where it is claimed or hoped that God comes in, every once in a while–allowing us to witness biochemical systems or anatomical structures, at least in some organisms, that exhibit such complexity so as to defy the very physics or chemistry according to which those organisms’ genes are naturally supposed to have evolved or operate. Such claims very simply amount to hoping–because of an a priori belief in divine intervention in nature–that repeatable, independently verifiable observations do indeed record phenomena that scientific inquiry will never ever be able to explain. Among other profound philosophical problems with Intelligent Design–the perspective of which takes a seemingly tactical step away from the Biblical literalist point of departure of so-called “Creation Science”–is this: it is really arbitrary which poorly understood observable phenomenon is left open to scientific curiosity and investigation and which is asserted to be so complex that we can decide here and now that said complexity is evidence of an active divine hand in nature. And this makes Intelligent Design not only a willfully ignorant stance, but also very corruptible, highly susceptible to arbitrary appeals to phony scientific authority.)

    Getting back to what evolves in evolution, I would emphasize four absolutely key take-homes from the above brief summary of the evolutionary process:

    1. Evolution does indeed happen in populations of organisms whenever there is change in DNA diversity from one generation to the next … and thus, evolution is not really that interesting in the short-term … but it is happening.
    2. IT’S FEEDBACK, PEOPLE: evolution is understood to occur sin irreducible complexity, exactly BECAUSE DNA impacts–and thus changes–its own environment, even as random mutation in this theoretically infinitely long biopolymer causes variation in DNA’s very function … including complex interactions among its own chemical products in and around cells … In other words, DNA regulates its own chemical self-copying function–albeit with occasional copying errors (a.k.a. random mutations)–at the same time that it influences other chemical products in its own environment, in which the chemical replication proceeds … so that sometimes DNA has a strong non-nested hierarchical filtering effect on the environment, although most of the time, the environment has a stronger non-nested hierarchical filtering effect on replicating DNA.
    3. Evolution is interesting in the long-term–that is, over thousands or millions of years–because that’s when all the drama of birth, aggression, cooperation, sex and death emerges. The challenge is that it comes from the complex, occasionally shifting non-nested hierarchical feedback between DNA and its environment, and that leads to much more than anthropomorphically titillating drama … evolution has produced spectacular ecological phenomena that have given the planet Earth a richly dynamic but resilient biosphere–one that’s survived all forms of physical change on the planetary level (plate tectonics and volcanic eruption) and solar system level (oscillations in the Earth’s orbit and variations in solar radiation intensity) over a couple of billions of years.
    4. It’s worth being interested in points 1. and 2. BECAUSE if you’re interested in 3., then the first two points help you answer a lot of questions and even ask some new, really smart ones.

    This is more than just my two cents, as a college instructor in biological anthropology, for why deeper understanding of evolution is worth the effort and how students might begin to answer AND ask better questions about why life works the way it does. As virtually all biologists would emphasize, everyone agrees that evolution in DNA allele frequencies goes on all the time–and in all forms of reproducing populations, from bacteria to trees to whales. But not everyone agrees on the reasons why long-term evolution is most interesting. In scientific discussion and research there arises all kinds of logically derived, yet diverging views about how to analyze the relationship between boring, short-term allele-frequency changes over a few generations and complex, interesting patterns, which may range from DNA function to organismal development to food webs to major adaptive radiations of species … and even to mass extinctions. Among the best known scientific debates about emergent evolutionary process unfolded in the 1970’s and 1980’s: Does speciation, extinction, and adaptation follow a gradual or a punctuated equilibrium proces (Eldredge and Gould 1972 Gingerich 1984, 1985 Gould and Eldredge 1977)? Are common phenotypic traits in populations best assumed to be adaptations shaped by natural selection or structural connectors or place-holders that really have nothing to do with adaptation (Gould and Lewontin 1979 Mayr 1983)? Have most fixed alleles in populations evolved by random drift, despite being selectively neutral (that is, having no influence whatsoever on vehicles that might favor or disfavor replication in the prevailing environment) (Kimura 1983)? Is the branching history of species best reconstructed by phenetic or cladistic analyses of their traits (Gingerich 1985 Stuessy 1987)? Should species be considered individuals (Vrba 1984 Vrba and Eldredge 1984 Vrba and Gould 1986) or should we really mainly focus on the “long reach of the (selfish) gene” (Dawkins 1982b)? No one said that science is easy, but it should be done right, and these theoretical and technical debates were part of the scientific process of trying to get the answer right: asking the right questions, using the right models, making the right measurements, carrying out the right analyses, so that observations could be replicated by other scientists and the research questions, methods, and conclusions all logically connected. Many of these debates have been eclipsed by the flood of data that has come over the past 25 years or so. Now, thanks to increasing computational power and DNA sequencing technologies, biological researchers have begun developing methods that integrate genetic, ecological, biochemical, physiological, anatomical, and behavioral information. And this helps us better understand the connections between areas of biological inquiry that have been all too often over-specialized.

    So … despite lingering and often intellectually challenging and productive debates about philosophical approaches to the complex process of evolution, we have to stay focused on key ideas. That is, clear ideas that facilitate our integrating different questions about how DNA-environment feedback–fundamentally involving DNA replication–structures the big picture emergent phenomena. And putting aside debates about whether species are individuals or genes should demand more of our scientific concern, I’d emphasize one clear idea that helps us to getting back to basics, about how DNA-environment feedback can shape diversity in patterns of birth, maturation, aggression, cooperation, sex, and death. Even as populations of DNA strands evolve (keep that image in your mind clearly), they co-evolve with the environments they shape–and in turn, shape their fitness as replicating molecules. Thus, DNA is always evolving, but what we see evolving with DNA is a matter of scale at which we observe and investigate, whether we focus in on biochemical details of DNA function in cells, speciation and extinction, or the resilience or fragility of the whole biosphere that has shaped our evolution, even as we humans impact it.

    REFERENCIAS

    Dawkins, R. (1982a). The extended phenotype: the long reach of the gene. Oxford New York: Oxford University Press.

    Dawkins, R. (1982b). Replicators and Vehicles. In King’s College Sociobiology Group (Ed.), Current Problems in Sociobiology (pp. 45–64). Nueva York: Cambridge University Press. Retrieved from http://www.stephenjaygould.org/library/dawkins_replicators.html

    ELDREDGE, N., & Gould, S. J. (1972). Punctuated equilibria : an alternative to phyletic gradualism. In Schopf, Thomas J.M. (Ed.), Models in Paleobiology (pp. 82–115). San Francisco: Freeman, Cooper and Co.

    Gingerich, P. D. (1983). Rates of Evolution: Effects of Time and Temporal Scaling. Ciencias, 222(4620), 159–161. doi:10.2307/1691072

    Gingerich, P. D. (1984). Punctuated Equilibria-Where is the Evidence? Zoología sistemática, 33(3), 335. doi:10.2307/2413079

    Gingerich, P. D. (1985). Species in the Fossil Record: Concepts, Trends, and Transitions. Paleobiología, 11(1), 27–41. doi:10.2307/2400421

    Gould, S. J., & Lewontin, R. C. (1979). The Spandrels of San Marco and the Panglossian Paradigm: A Critique of the Adaptationist Programme. Proceedings of the Royal Society of London. Series B. Biological Sciences, 205(1161), 581–598. doi:10.1098/rspb.1979.0086

    Gould, Stephen Jay, & Eldredge, N. (1977). Punctuated Equilibria: The Tempo and Mode of Evolution Reconsidered. Paleobiología, 3(2), 115–151. doi:10.2307/2400177

    Kimura, M. (1983). La teoría neutral de la evolución molecular. Nueva York: Cambridge University Press.

    Mayr, E. (1983). How to Carry Out the Adaptationist Program? El naturalista estadounidense, 121(3), 324–334. doi:10.2307/2461153

    Odling-Smee, F. J., Feldman, M. W., & Laland, K. N. (2003). Niche construction: the neglected process in evolution. Princeton: Prensa de la Universidad de Princeton.

    Stuessy, T. F. (1987). Explicit Approaches for Evolutionary Classification. Systematic Botany, 12(2), 251–262. doi:10.2307/2419319

    Vrba, E. S., & Eldredge, N. (1984). Individuals, Hierarchies and Processes: Towards a More Complete Evolutionary Theory. Paleobiología, 10(2), 146–171. doi:10.2307/2400395

    Vrba, E. S., & Gould, S. J. (1986). The Hierarchical Expansion of Sorting and Selection: Sorting and Selection Cannot Be Equated. Paleobiología, 12(2), 217–228. doi:10.2307/2400492


    Ver el vídeo: Qué pasaría si nuestros cuerpos siguieran evolucionando? (Agosto 2022).