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Estructuras homólogas bajo Lamarck

Estructuras homólogas bajo Lamarck


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He leído que la teoría de Lamarck no explica las estructuras homólogas.

Pero, ¿qué pasa con la siguiente hipótesis bajo las teorías de Lamarck:

  • Una población desarrolla una adaptación a su entorno.
  • Parte de la población adaptada se aleja
  • La adaptación se transmite a la descendencia de la población.
  • Toda la descendencia de la población original tiene la adaptación, independientemente de si sus antepasados ​​se mudaron o no.

¿No es esta adaptación una estructura homóloga?


Estoy de acuerdo con usted en que no veo por qué la hipótesis de Lamarck no podría explicar la presencia de estructuras homólogas.

El enlace que ofrece también afirma que la hipótesis de Larmarck no explicaría los "patrones de diversidad biogeográfica". Si bien esta expresión es un poco vaga, no entendería por qué la hipótesis de Lamarck no explica los patrones de diversidad biogeográfica.

La redacción de sus escenarios (ausencia del término especiación alopátrica, uso del término "desarrolla" en lugar de "evoluciona" o simplemente "se adapta") sugiere que puede aprovechar un curso de introducción a la biología evolutiva, como el corto y el bueno curso de UC Berkeley llamado Understanding Evolution


18.1 Comprensión de la evolución

Al final de esta sección, podrá hacer lo siguiente:

  • Describir cómo los científicos desarrollaron la teoría actual de la evolución.
  • Definir adaptación
  • Explicar la evolución convergente y divergente.
  • Describir estructuras homólogas y vestigiales.
  • Discutir conceptos erróneos sobre la teoría de la evolución.

La evolución por selección natural describe un mecanismo de cómo las especies cambian con el tiempo. Científicos, filósofos, investigadores y otros habían hecho sugerencias y debatieron este tema mucho antes de que Darwin comenzara a explorar esta idea. El filósofo griego clásico Platón enfatizó en sus escritos que las especies eran estáticas e inmutables, pero también hubo antiguos griegos que expresaron ideas evolutivas. En el siglo XVIII, el naturalista Georges-Louis Leclerc Comte de Buffon reintrodujo ideas sobre la evolución de los animales y observó que varias regiones geográficas tienen diferentes poblaciones de plantas y animales, incluso cuando los entornos son similares. Algunos en este momento también aceptaron que había especies extintas.

También durante el siglo XVIII, James Hutton, un geólogo y naturalista escocés, propuso que el cambio geológico ocurría gradualmente al acumular pequeños cambios de procesos que operan como lo están hoy durante largos períodos de tiempo. Esto contrasta con la opinión predominante de que la geología del planeta fue una consecuencia de eventos catastróficos que ocurrieron durante un pasado relativamente breve. El geólogo del siglo XIX Charles Lyell popularizó el punto de vista de Hutton. Un amigo de Darwin. Las ideas de Lyell influyeron en el pensamiento de Darwin: la noción de Lyell de la mayor edad de la Tierra dio más tiempo para un cambio gradual en las especies, y el proceso de cambio proporcionó una analogía para este cambio. A principios del siglo XIX, Jean-Baptiste Lamarck publicó un libro que detallaba un mecanismo para el cambio evolutivo. Ahora nos referimos a este mecanismo como una herencia de características adquiridas por las cuales el ambiente causa modificaciones en un individuo, o la descendencia podría usar o desuso de una estructura durante su vida, y así producir cambios en una especie. Si bien muchos desacreditaron este mecanismo para el cambio evolutivo, las ideas de Lamarck fueron una influencia importante en el pensamiento evolutivo.

Charles Darwin y la selección natural

A mediados del siglo XIX, dos naturalistas, Charles Darwin y Alfred Russel Wallace, concibieron y describieron de forma independiente el mecanismo real de la evolución. Es importante destacar que cada naturalista pasó tiempo explorando el mundo natural en expediciones a los trópicos. De 1831 a 1836, Darwin viajó por todo el mundo en H.M.S. Beagle, incluidas las paradas en América del Sur, Australia y el extremo sur de África. Wallace viajó a Brasil para recolectar insectos en la selva amazónica de 1848 a 1852 y al archipiélago malayo de 1854 a 1862. El viaje de Darwin, al igual que los viajes posteriores de Wallace al archipiélago malayo, incluyó paradas en varias cadenas de islas, la última en las Islas Galápagos. al oeste de Ecuador. En estas islas, Darwin observó especies de organismos en diferentes islas que eran claramente similares, pero que tenían claras diferencias. Por ejemplo, los pinzones terrestres que habitan en las Islas Galápagos comprenden varias especies con una forma de pico única (Figura 18.2). Las especies de las islas tenían una serie graduada de tamaños y formas de pico con diferencias muy pequeñas entre las más similares. Observó que estos pinzones se parecían mucho a otra especie de pinzones en el continente sudamericano. Darwin imaginó que las especies de la isla podrían ser especies modificadas de una de las especies originales del continente. Tras un estudio más detallado, se dio cuenta de que los variados picos de cada pinzón ayudaban a las aves a adquirir un tipo específico de alimento. Por ejemplo, los pinzones comedores de semillas tenían picos más fuertes y gruesos para romper las semillas, y los pinzones comedores de insectos tenían picos en forma de lanza para apuñalar a sus presas.

Tanto Wallace como Darwin observaron patrones similares en otros organismos y desarrollaron independientemente la misma explicación de cómo y por qué tales cambios podrían tener lugar. Darwin llamó a este mecanismo selección natural. La selección natural, o "supervivencia del más apto", es la reproducción más prolífica de individuos con rasgos favorables que sobreviven al cambio ambiental debido a esos rasgos. Esto conduce a un cambio evolutivo.

Por ejemplo, Darwin observó que una población de tortugas gigantes en el archipiélago de Galápagos tenía el cuello más largo que las que vivían en otras islas con tierras bajas secas. Estas tortugas fueron “seleccionadas” porque podían alcanzar más hojas y acceder a más comida que aquellas con cuello corto. En épocas de sequía, cuando habría menos hojas disponibles, las que podían alcanzar más hojas tenían más posibilidades de comer y sobrevivir que las que no podían llegar a la fuente de alimento. En consecuencia, las tortugas de cuello largo tendrían más probabilidades de tener éxito reproductivo y transmitir el rasgo de cuello largo a su descendencia. Con el tiempo, solo las tortugas de cuello largo estarían presentes en la población.

La selección natural, argumentó Darwin, era un resultado inevitable de tres principios que operaban en la naturaleza. Primero, la mayoría de las características de los organismos se heredan o se transmiten de padres a hijos. Aunque nadie, incluidos Darwin y Wallace, sabía cómo sucedió esto en ese momento, era un entendimiento común. En segundo lugar, se producen más descendientes de los que pueden sobrevivir, por lo que los recursos para la supervivencia y la reproducción son limitados. La capacidad de reproducción en todos los organismos supera la disponibilidad de recursos para mantener su número. Por lo tanto, existe competencia por esos recursos en cada generación. Tanto Darwin como Wallace entendieron este principio al leer el ensayo del economista Thomas Malthus que explicaba este principio en relación con las poblaciones humanas. En tercer lugar, la descendencia varía entre sí con respecto a sus características y esas variaciones se heredan. Darwin y Wallace razonaron que la descendencia con características heredadas que les permite competir mejor por recursos limitados sobrevivirá y tendrá más descendencia que aquellos individuos con variaciones que son menos capaces de competir. Debido a que las características se heredan, estas características estarán mejor representadas en la próxima generación. Esto conducirá a cambios en las poblaciones a lo largo de generaciones en un proceso que Darwin llamó descendencia con modificación. En última instancia, la selección natural conduce a una mayor adaptación de la población a su entorno local. Es el único mecanismo conocido para la evolución adaptativa.

En 1858, Darwin y Wallace (Figura 18.3) presentaron artículos en la Linnean Society de Londres que discutían la idea de la selección natural. Al año siguiente, el libro de Darwin, En el origen de las especies, fue publicado. Su libro esbozó con considerable detalle sus argumentos a favor de la evolución por selección natural.

Es difícil y requiere mucho tiempo documentar y presentar ejemplos de evolución por selección natural. Los pinzones de Galápagos son un excelente ejemplo. Peter y Rosemary Grant y sus colegas han estudiado las poblaciones de pinzones de Galápagos todos los años desde 1976 y han proporcionado evidencia importante de selección natural. Los Grant encontraron cambios de una generación a la siguiente en la distribución de la forma del pico con el pinzón terrestre mediano en la isla Galápagos de Daphne Major. Las aves han heredado una variación en la forma de su pico, algunas tienen picos anchos y profundos y otras tienen picos más delgados. Durante un período en el que las precipitaciones fueron más altas de lo normal debido a El Niño, faltaron semillas grandes y duras de las que comían los pájaros de pico grande; sin embargo, hubo abundancia de semillas pequeñas y blandas que comieron los pájaros de pico pequeño. . Por lo tanto, las aves de pico pequeño pudieron sobrevivir y reproducirse. En los años posteriores a este El Niño, los Grant midieron el tamaño de los picos en la población y encontraron que el tamaño promedio del pico era más pequeño. Dado que el tamaño del pico es un rasgo heredado, los padres con billetes más pequeños tuvieron más descendencia y el pico evolucionó a un tamaño mucho más pequeño. A medida que las condiciones mejoraron en 1987 y las semillas más grandes se hicieron más disponibles, cesó la tendencia hacia un tamaño promedio de pico más pequeño.

Conexión profesional

Biólogo de campo

Muchas personas caminan, exploran cuevas, bucean o escalan montañas para divertirse. Las personas a menudo participan en estas actividades con la esperanza de ver la vida silvestre. Experimentar el aire libre puede ser increíblemente placentero y estimulante. ¿Qué pasa si su trabajo implicaba trabajar en la naturaleza? Los biólogos de campo, por definición, trabajan al aire libre en el "campo". El término campo en este caso se refiere a cualquier lugar al aire libre, incluso bajo el agua. Un biólogo de campo normalmente centra la investigación en una determinada especie, grupo de organismos o un solo hábitat (Figura 18.4).

Uno de los objetivos de muchos biólogos de campo incluye descubrir nuevas especies no registradas. Estos hallazgos no solo amplían nuestra comprensión del mundo natural, sino que también conducen a importantes innovaciones en campos como la medicina y la agricultura. Las especies vegetales y microbianas, en particular, pueden revelar nuevos conocimientos medicinales y nutritivos. Otros organismos pueden desempeñar un papel clave en los ecosistemas o, si es raro, requieren protección. Cuando se descubren, los investigadores pueden utilizar estas importantes especies como evidencia de las regulaciones y leyes ambientales.

Procesos y patrones de evolución

La selección natural solo puede tener lugar si hay variación o diferencias entre los individuos de una población. Es importante destacar que estas diferencias deben tener alguna base genética, de lo contrario, la selección no conducirá a cambios en la próxima generación. Esto es fundamental porque las razones no genéticas pueden causar variaciones entre individuos, como la altura de un individuo, debido a una mejor nutrición en lugar de genes diferentes.

La diversidad genética en una población proviene de dos mecanismos principales: la mutación y la reproducción sexual. La mutación, un cambio en el ADN, es la fuente última de nuevos alelos o nueva variación genética en cualquier población. Los cambios genéticos que causa la mutación pueden tener uno de tres resultados en el fenotipo. Una mutación afecta el fenotipo del organismo de una manera que le da una menor aptitud: menor probabilidad de supervivencia o menor descendencia. Una mutación puede producir un fenotipo con un efecto beneficioso sobre la aptitud. Muchas mutaciones tampoco tendrán ningún efecto sobre la aptitud del fenotipo. Llamamos a estas mutaciones neutrales. Las mutaciones también pueden tener una amplia gama de tamaños de efecto sobre la aptitud del organismo que las expresa en su fenotipo, desde un efecto pequeño hasta un gran efecto. La reproducción sexual también conduce a la diversidad genética: cuando dos padres se reproducen, combinaciones únicas de alelos se ensamblan para producir genotipos únicos y, por lo tanto, fenotipos en cada descendencia.

Llamamos adaptación a un rasgo hereditario que ayuda a la supervivencia y reproducción de un organismo en su entorno actual. Los científicos describen grupos de organismos que se adaptan a su entorno cuando ocurre una variación genética a lo largo del tiempo que aumenta o mantiene el "ajuste" de la población a su entorno. Las patas palmeadas de un ornitorrinco son una adaptación para nadar. El pelaje grueso de un leopardo de las nieves es una adaptación para vivir en el frío. La rápida velocidad de un guepardo es una adaptación para atrapar presas.

Que un rasgo sea favorable o no depende de las condiciones ambientales actuales. No siempre se seleccionan los mismos rasgos porque las condiciones ambientales pueden cambiar. Por ejemplo, considere una especie de planta que creció en un clima húmedo y no necesitaba conservar agua. Se seleccionaron hojas grandes porque permitían a la planta obtener más energía del sol. Las hojas grandes requieren más agua para mantenerse que las hojas pequeñas, y el ambiente húmedo proporcionó condiciones favorables para soportar hojas grandes. Después de miles de años, el clima cambió y el área ya no tenía exceso de agua. La dirección de la selección natural cambió de modo que se seleccionaron plantas con hojas pequeñas porque esas poblaciones pudieron conservar agua para sobrevivir a las nuevas condiciones ambientales.

La evolución de las especies ha dado como resultado una enorme variación en forma y función. A veces, la evolución da lugar a grupos de organismos que se vuelven tremendamente diferentes entre sí. Llamamos a dos especies que evolucionan en diversas direcciones a partir de un punto común de evolución divergente. Podemos ver una evolución tan divergente en las formas de los órganos reproductores de las plantas con flores que comparten las mismas anatomías básicas; sin embargo, pueden verse muy diferentes como resultado de la selección en diferentes entornos físicos y la adaptación a diferentes tipos de polinizadores (Figura 18.5).

En otros casos, fenotipos similares evolucionan de forma independiente en especies relacionadas lejanamente. Por ejemplo, el vuelo ha evolucionado tanto en murciélagos como en insectos, y ambos tienen estructuras a las que nos referimos como alas, que son adaptaciones al vuelo. Sin embargo, las alas de los murciélagos y los insectos han evolucionado a partir de estructuras originales muy diferentes. A este fenómeno lo llamamos evolución convergente, donde rasgos similares evolucionan de forma independiente en especies que no comparten un ancestro común. Las dos especies llegaron a la misma función, volar, pero lo hicieron por separado.

Estos cambios físicos ocurren durante períodos de tiempo enormes y ayudan a explicar cómo ocurre la evolución. La selección natural actúa sobre organismos individuales, que luego pueden dar forma a una especie entera. Aunque la selección natural puede funcionar en una sola generación en un individuo, pueden pasar miles o incluso millones de años para que evolucione el genotipo de una especie completa. Es a lo largo de estos largos períodos de tiempo que la vida en la tierra ha cambiado y sigue cambiando.

Evidencia de Evolución

La evidencia de la evolución es convincente y extensa. Al observar todos los niveles de organización de los sistemas vivos, los biólogos ven la firma de la evolución pasada y presente. Darwin dedicó una gran parte de su libro, Sobre el Origen de las especies, para identificar patrones en la naturaleza que fueran consistentes con la evolución, y desde Darwin, nuestra comprensión se ha vuelto más clara y amplia.

Fósiles

Los fósiles proporcionan evidencia sólida de que los organismos del pasado no son los mismos que los de hoy, y los fósiles muestran una progresión de la evolución. Los científicos determinan la edad de los fósiles y los clasifican en todo el mundo para determinar cuándo vivían los organismos entre sí. El registro fósil resultante cuenta la historia del pasado y muestra la evolución de la forma durante millones de años (Figura 18.6). Por ejemplo, los científicos han recuperado registros muy detallados que muestran la evolución de humanos y caballos (Figura 18.6). La aleta de ballena comparte una morfología similar a los apéndices de aves y mamíferos (Figura 18.7), lo que indica que estas especies comparten un ancestro común.

Anatomía y Embriología

Otro tipo de evidencia de la evolución es la presencia de estructuras en organismos que comparten la misma forma básica. Por ejemplo, los huesos de los apéndices de humanos, perros, aves y ballenas comparten la misma construcción general (Figura 18.7) que resulta de su origen en los apéndices de un ancestro común. Con el tiempo, la evolución condujo a cambios en las formas y tamaños de los huesos de diferentes especies, pero han mantenido el mismo diseño general. Los científicos llaman estructuras homólogas a estas partes sinónimos.

Algunas estructuras existen en organismos que no tienen ninguna función aparente y parecen ser partes residuales de un antepasado común pasado. A estas estructuras no utilizadas las llamamos estructuras vestigiales sin función. Otros ejemplos de estructuras vestigiales son las alas de las aves no voladoras, las hojas de algunos cactus y los huesos de las patas traseras de las ballenas. No todas las similitudes representan estructuras homólogas. Como se explica en Determinación de relaciones evolutivas, cuando se producen características similares debido a limitaciones ambientales y no a una relación evolutiva cercana, es una analogía u homoplasia. Por ejemplo, los insectos usan alas para volar como los murciélagos y los pájaros, pero la estructura del ala y el origen embrionario son completamente diferentes. Se trata de estructuras análogas (figura 20.8).

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Mire este video que explora los huesos del cuerpo humano.

Otra evidencia de evolución es la convergencia de formas en organismos que comparten ambientes similares. Por ejemplo, las especies de animales no emparentados, como el zorro ártico y la perdiz blanca, que viven en la región ártica han sido seleccionadas por fenotipos blancos estacionales durante el invierno para mezclarse con la nieve y el hielo (Figura 18.8). Estas similitudes ocurren no debido a un ancestro común, sino a presiones de selección similares: los beneficios de que los depredadores no las vean.

La embriología, el estudio de la anatomía del desarrollo de un organismo hasta su forma adulta, también proporciona evidencia de parentesco entre grupos de organismos ahora muy divergentes. El ajuste mutacional en el embrión puede tener consecuencias tan magnificadas en el adulto que tiende a conservar la formación del embrión. Como resultado, las estructuras que están ausentes en algunos grupos a menudo aparecen en sus formas embrionarias y desaparecen cuando alcanzan la forma adulta o juvenil. Por ejemplo, todos los embriones de vertebrados, incluidos los humanos, presentan hendiduras branquiales y colas en algún momento de su desarrollo temprano. Estos desaparecen en los adultos de los grupos terrestres pero las formas adultas de los grupos acuáticos como los peces y algunos anfibios los mantienen. Los embriones de grandes simios, incluidos los humanos, tienen una estructura de cola durante su desarrollo que pierden cuando nacen.

Biogeografia

La distribución geográfica de los organismos en el planeta sigue patrones que podemos explicar mejor mediante la evolución junto con el movimiento de las placas tectónicas a lo largo del tiempo geológico. Los grupos amplios que evolucionaron antes de la ruptura del supercontinente Pangea (hace unos 200 millones de años) se distribuyen por todo el mundo. Los grupos que evolucionaron desde la ruptura aparecen de manera única en regiones del planeta, como la flora y fauna únicas de los continentes del norte que se formaron a partir del supercontinente Laurasia y de los continentes del sur que se formaron a partir del supercontinente Gondwana. La presencia de miembros de la familia de plantas Proteaceae en Australia, el sur de África y Sudamérica fue más predominante antes de la ruptura del supercontinente sur de Gondwana.

La diversificación marsupial en Australia y la ausencia de otros mamíferos reflejan el largo aislamiento de Australia. Australia tiene una abundancia de especies endémicas, especies que no se encuentran en ningún otro lugar, lo cual es típico de las islas cuyo aislamiento por extensiones de agua evita que las especies migren. Con el tiempo, estas especies divergen evolutivamente en nuevas especies que se ven muy diferentes de sus antepasados ​​que pueden existir en el continente. Los marsupiales de Australia, los pinzones de las Galápagos y muchas especies en las islas hawaianas son únicas en su único punto de origen, sin embargo, muestran relaciones distantes con especies ancestrales en tierra firme.

Biología Molecular

Como las estructuras anatómicas, las estructuras moleculares de la vida reflejan el descenso con modificaciones. La universalidad del ADN refleja la evidencia de un ancestro común para toda la vida. Las divisiones fundamentales en la vida entre el código genético, la replicación del ADN y la expresión se reflejan en las principales diferencias estructurales en estructuras que de otro modo serían conservadoras, como los componentes de los ribosomas y las estructuras de la membrana. En general, la relación de los grupos de organismos se refleja en la similitud de sus secuencias de ADN, exactamente el patrón que esperaríamos de la descendencia y la diversificación de un ancestro común.

Las secuencias de ADN también han arrojado luz sobre algunos de los mecanismos de la evolución. Por ejemplo, está claro que la evolución de nuevas funciones para las proteínas ocurre comúnmente después de eventos de duplicación de genes que permiten modificar libremente una copia por mutación, selección o deriva (cambios en el acervo genético de una población resultantes del azar), mientras que la segunda copia continúa. para producir una proteína funcional.

Conceptos erróneos de la evolución

Aunque la teoría de la evolución generó cierta controversia cuando Darwin la propuso por primera vez, los biólogos la aceptaron casi universalmente, en particular los biólogos más jóvenes, dentro de los 20 años posteriores a la publicación de Sobre el Origen de las especies. Sin embargo, la teoría de la evolución es un concepto difícil y abundan los conceptos erróneos sobre su funcionamiento.

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Este sitio aborda algunos de los principales conceptos erróneos asociados con la teoría de la evolución.

La evolución es solo una teoría

Los críticos de la teoría de la evolución descartan su importancia al confundir deliberadamente el uso cotidiano de la palabra "teoría" con la forma en que los científicos usan la palabra. En ciencia, entendemos una "teoría" como un cuerpo de explicaciones comprobadas y verificadas a fondo para un conjunto de observaciones del mundo natural. Los científicos tienen una teoría del átomo, una teoría de la gravedad y la teoría de la relatividad, cada una de las cuales describe hechos entendidos sobre el mundo. De la misma manera, la teoría de la evolución describe hechos sobre el mundo viviente. Como tal, una teoría en la ciencia ha sobrevivido a importantes esfuerzos por desacreditarla por parte de los científicos. En contraste, una "teoría" en la lengua vernácula común es una palabra que significa una suposición o explicación sugerida. Este significado es más parecido al concepto científico de "hipótesis". Cuando los críticos de la evolución dicen que es "sólo una teoría", están dando a entender que hay poca evidencia que la respalde y que todavía está en el proceso de pruebas rigurosas. Esta es una caracterización errónea.

Los individuos evolucionan

La evolución es el cambio en la composición genética de una población a lo largo del tiempo, específicamente a lo largo de generaciones, como resultado de la reproducción diferencial de individuos con ciertos alelos. Los individuos cambian a lo largo de su vida, obviamente, pero esto es desarrollo e implica cambios programados por el conjunto de genes que el individuo adquirió al nacer en coordinación con el entorno del individuo. Al pensar en la evolución de una característica, probablemente sea mejor pensar en el cambio del valor medio de la característica en la población a lo largo del tiempo. Por ejemplo, cuando la selección natural lleva a un cambio en el tamaño del pico en los pinzones terrestres medianos en las Galápagos, esto no significa que los picos individuales de los pinzones estén cambiando. Si uno mide el tamaño promedio de los billetes entre todos los individuos de la población al mismo tiempo y luego los mide en la población varios años más tarde, este valor promedio será diferente como resultado de la evolución. Aunque algunas personas pueden sobrevivir desde la primera vez hasta la segunda, todavía tendrán el mismo tamaño de factura, sin embargo, habrá muchas personas nuevas que contribuirán al cambio en el tamaño medio de la factura.

La evolución explica el origen de la vida

Es un malentendido común que la evolución incluye una explicación de los orígenes de la vida. Por el contrario, algunos de los críticos de la teoría creen que no puede explicar el origen de la vida. La teoría no intenta explicar el origen de la vida. La teoría de la evolución explica cómo las poblaciones cambian con el tiempo y cómo la vida diversifica el origen de las especies. No arroja luz sobre los inicios de la vida, incluidos los orígenes de las primeras células, que definen la vida. Es importante destacar que los biólogos creen que la presencia de vida en la Tierra excluye la posibilidad de que los eventos que llevaron a la vida en la Tierra puedan repetirse porque las etapas intermedias se convertirían inmediatamente en alimento para los seres vivos existentes.

Sin embargo, una vez que se estableciera un mecanismo de herencia en forma de una molécula como el ADN, ya sea dentro de una célula o precelda, estas entidades estarían sujetas al principio de selección natural. Los reproductores más efectivos aumentarían en frecuencia a expensas de los reproductores ineficientes. Si bien la evolución no explica el origen de la vida, puede tener algo que decir sobre algunos de los procesos que operan una vez que las entidades pre-vivientes adquirieron ciertas propiedades.

Los organismos evolucionan con un propósito

Declaraciones como "los organismos evolucionan en respuesta a un cambio en un medio ambiente" son bastante comunes, pero tales declaraciones pueden dar lugar a dos tipos de malentendidos. Primero, no interprete la afirmación en el sentido de que los organismos individuales evolucionan. La declaración es una abreviatura de "una población evoluciona en respuesta a un entorno cambiante". Sin embargo, puede surgir un segundo malentendido al interpretar la declaración en el sentido de que la evolución es de alguna manera intencional. Un entorno cambiado da como resultado que algunos individuos de la población, aquellos con fenotipos particulares, se beneficien y, por lo tanto, produzcan proporcionalmente más descendencia que otros fenotipos. Esto da como resultado un cambio en la población si las características están determinadas genéticamente.

También es importante comprender que la variación sobre la que actúa la selección natural ya se encuentra en una población y no surge en respuesta a un cambio ambiental. Por ejemplo, la aplicación de antibióticos a una población de bacterias, con el tiempo, seleccionará una población de bacterias que son resistentes a los antibióticos. La resistencia, que causa un gen, no surgió por mutación debido a la aplicación del antibiótico. El gen de la resistencia ya estaba presente en el acervo genético de la bacteria, probablemente con una frecuencia baja. El antibiótico, que mata las células bacterianas sin el gen de resistencia, selecciona fuertemente a los individuos que son resistentes, ya que estos serían los únicos que sobrevivieron y se dividieron. Los experimentos han demostrado que las mutaciones para la resistencia a los antibióticos no surgen como resultado de los antibióticos.

En un sentido más amplio, la evolución no está dirigida a objetivos. Las especies no mejoran con el tiempo. Simplemente rastrean su entorno cambiante con adaptaciones que maximizan su reproducción en un entorno particular en un momento particular. La evolución no tiene como objetivo hacer especies más rápidas, más grandes, más complejas o incluso más inteligentes, a pesar de lo común de este tipo de lenguaje en el discurso popular. Las características que evolucionan en una especie son función de la variación presente y del entorno, los cuales cambian constantemente de manera no direccional. Un rasgo que encaja en un entorno a la vez puede ser fatal en algún momento en el futuro. Esto es igualmente válido para las especies humanas y de insectos.


Charles Darwin y la selección natural

A mediados del siglo XIX, el mecanismo real de la evolución fue concebido y descrito de forma independiente por dos naturalistas: Charles Darwin y Alfred Russel Wallace. Es importante destacar que cada naturalista pasó tiempo explorando el mundo natural en expediciones a los trópicos. De 1831 a 1836, Darwin viajó por todo el mundo en H.M.S. Beagle, incluidas las paradas en América del Sur, Australia y el extremo sur de África. Wallace viajó a Brasil para recolectar insectos en la selva amazónica de 1848 a 1852 y al archipiélago malayo de 1854 a 1862. El viaje de Darwin, al igual que los viajes posteriores de Wallace al archipiélago malayo, incluyó paradas en varias cadenas de islas, la última en las Islas Galápagos. al oeste de Ecuador. En estas islas, Darwin observó especies de organismos en diferentes islas que eran claramente similares, pero que tenían claras diferencias.

Figura 1. Darwin observó que la forma del pico varía entre las especies de pinzones. Postuló que el pico de una especie ancestral se había adaptado con el tiempo para equipar a los pinzones para adquirir diferentes fuentes de alimento.

Por ejemplo, los pinzones terrestres que habitan en las Islas Galápagos comprenden varias especies con una forma de pico única (Figura 1). Las especies de las islas tenían una serie graduada de tamaños y formas de pico con diferencias muy pequeñas entre las más similares. Observó que estos pinzones se parecían mucho a otra especie de pinzones en el continente de América del Sur. Darwin imaginó que las especies de la isla podrían ser especies modificadas de una de las especies originales del continente. Tras un estudio más detallado, se dio cuenta de que los variados picos de cada pinzón ayudaban a las aves a adquirir un tipo específico de alimento. Por ejemplo, los pinzones comedores de semillas tenían picos más fuertes y gruesos para romper las semillas, y los pinzones comedores de insectos tenían picos en forma de lanza para apuñalar a sus presas.

Tanto Wallace como Darwin observaron patrones similares en otros organismos y desarrollaron independientemente la misma explicación de cómo y por qué tales cambios podrían tener lugar. Darwin llamó a este mecanismo selección natural. Seleccion natural, también conocida como "supervivencia del más apto", es la reproducción más prolífica de individuos con rasgos favorables que sobreviven al cambio ambiental debido a los rasgos que esto conduce al cambio evolutivo.

Por ejemplo, Darwin observó que una población de tortugas gigantes encontradas en el archipiélago de Galápagos tenía el cuello más largo que las que vivían en otras islas con tierras bajas secas. Estas tortugas fueron “seleccionadas” porque podían alcanzar más hojas y acceder a más comida que aquellas con cuello corto. En épocas de sequía, cuando habría menos hojas disponibles, las que podían alcanzar más hojas tenían más posibilidades de comer y sobrevivir que las que no podían llegar a la fuente de alimento. En consecuencia, las tortugas de cuello largo tendrían más probabilidades de tener éxito reproductivo y transmitir el rasgo de cuello largo a su descendencia. Con el tiempo, solo las tortugas de cuello largo estarían presentes en la población.

La selección natural, argumentó Darwin, era un resultado inevitable de tres principios que operaban en la naturaleza. Primero, la mayoría de las características de los organismos se heredan o se transmiten de padres a hijos. Aunque nadie, incluidos Darwin y Wallace, sabía cómo sucedió esto en ese momento, era un entendimiento común. En segundo lugar, se producen más descendientes de los que pueden sobrevivir, por lo que los recursos para la supervivencia y la reproducción son limitados. La capacidad de reproducción en todos los organismos supera la disponibilidad de recursos para mantener su número. Por lo tanto, existe competencia por esos recursos en cada generación. Tanto Darwin como Wallace entendieron este principio al leer un ensayo del economista Thomas Malthus, quien discutió este principio en relación con las poblaciones humanas. En tercer lugar, la descendencia varía entre sí con respecto a sus características y esas variaciones se heredan. Darwin y Wallace razonaron que la descendencia con características heredadas que les permite competir mejor por recursos limitados sobrevivirá y tendrá más descendencia que aquellos individuos con variaciones que son menos capaces de competir. Debido a que las características se heredan, estas características estarán mejor representadas en la próxima generación. Esto conducirá a cambios en las poblaciones a lo largo de generaciones en un proceso que Darwin llamó descendencia con modificación. En última instancia, la selección natural conduce a una mayor adaptación de la población a su entorno local, es el único mecanismo conocido para la evolución adaptativa.

Los artículos de Darwin y Wallace (Figura 2) que presentan la idea de la selección natural se leyeron juntos en 1858 ante la Linnean Society de Londres. Al año siguiente, el libro de Darwin, En el origen de las especies, fue publicado. Su libro esbozó con considerable detalle sus argumentos a favor de la evolución por selección natural.

Figura 2. Tanto (a) Charles Darwin como (b) Alfred Wallace escribieron artículos científicos sobre selección natural que se presentaron juntos ante la Linnean Society en 1858.

Las demostraciones de evolución por selección natural requieren mucho tiempo y son difíciles de obtener. Uno de los mejores ejemplos se ha demostrado en las mismas aves que ayudaron a inspirar la teoría de Darwin: los pinzones de las Galápagos. Peter y Rosemary Grant y sus colegas han estudiado las poblaciones de pinzones de Galápagos todos los años desde 1976 y han proporcionado importantes demostraciones de selección natural. Los Grant encontraron cambios de una generación a la siguiente en la distribución de las formas de los picos con el pinzón terrestre mediano en la isla Galápagos de Daphne Major. Las aves han heredado la variación en la forma del pico, algunas aves tienen picos anchos y profundos y otras tienen picos más delgados. Durante un período en el que las precipitaciones fueron más altas de lo normal debido a un El Niño, las semillas grandes y duras que comían las aves de pico grande se redujeron en número, sin embargo, hubo una abundancia de semillas pequeñas y blandas que comieron las aves de pico pequeño. Por lo tanto, la supervivencia y la reproducción fueron mucho mejores en los años siguientes para las aves de pico pequeño. En los años posteriores a este El Niño, los Grant midieron el tamaño de los picos en la población y encontraron que el tamaño promedio del pico era más pequeño. Dado que el tamaño del billete es un rasgo heredado, los padres con billetes más pequeños tenían más descendientes y el tamaño de los billetes había evolucionado para ser más pequeño. A medida que las condiciones mejoraron en 1987 y las semillas más grandes se hicieron más disponibles, cesó la tendencia hacia un tamaño promedio de pico más pequeño.

Conexión profesional

Biólogo de campo

Figura 3. Un biólogo de campo tranquiliza a un oso polar para su estudio. (crédito: Karen Rhode)

Muchas personas caminan, exploran cuevas, bucean o escalan montañas para divertirse. Las personas a menudo participan en estas actividades con la esperanza de ver la vida silvestre. Experimentar el aire libre puede ser increíblemente placentero y estimulante. ¿Y si tu trabajo fuera estar al aire libre en el desierto? Los biólogos de campo, por definición, trabajan al aire libre en el "campo". El término campo en este caso se refiere a cualquier lugar al aire libre, incluso bajo el agua. Un biólogo de campo normalmente centra la investigación en una determinada especie, grupo de organismos o un único hábitat (Figura 3).

Uno de los objetivos de muchos biólogos de campo incluye descubrir nuevas especies que nunca se han registrado. Estos hallazgos no solo amplían nuestra comprensión del mundo natural, sino que también conducen a importantes innovaciones en campos como la medicina y la agricultura. Las especies vegetales y microbianas, en particular, pueden revelar nuevos conocimientos medicinales y nutritivos. Otros organismos pueden desempeñar un papel clave en los ecosistemas o ser considerados raros y necesitados de protección. Cuando se descubren, estas especies importantes pueden usarse como evidencia para las regulaciones y leyes ambientales.


Evidencia de evolución

Las estructuras vestigiales suelen ser homólogas a las estructuras que funcionan normalmente en otras especies. Por lo tanto, las estructuras vestigiales pueden considerarse evidencia de la evolución, el proceso mediante el cual surgen rasgos hereditarios beneficiosos en la población durante un período prolongado de tiempo. La existencia de órganos vestigiales se puede atribuir a cambios en el entorno y patrones de comportamiento del organismo en cuestión. Como la función de la estructura ya no es beneficiosa para la supervivencia, la probabilidad de que la futura descendencia herede la forma "normal" de la estructura disminuye.

Las versiones vestigiales de la estructura se pueden comparar con la versión original de la estructura en otras especies para determinar la homología de una estructura vestigial. Las estructuras homólogas indican un ancestro común con aquellos organismos que tienen una versión funcional de la estructura.


Estructuras homólogas bajo Lamarck - Biología

Conceptos tempranos de la evolución: Jean Baptiste Lamarck

Darwin no fue el primer naturalista en proponer que las especies cambiaban con el tiempo en nuevas especies y que la vida, como diríamos ahora, evoluciona. En el siglo XVIII, Buffon y otros naturalistas comenzaron a introducir la idea de que la vida podría no haber sido fija desde la creación. A fines de la década de 1700, los paleontólogos habían aumentado las colecciones de fósiles de Europa, ofreciendo una imagen del pasado en desacuerdo con un mundo natural inmutable. Y en 1801, un naturalista francés llamado Jean Baptiste Pierre Antoine de Monet, Chevalier de Lamarck dio un gran paso conceptual y propuso una teoría de la evolución en toda regla.

Lamarck comenzó su carrera científica como botánico, pero en 1793 se convirtió en uno de los profesores fundadores del Musée National d'Histoire Naturelle como experto en invertebrados. Su trabajo en la clasificación de gusanos, arañas, moluscos y otras criaturas deshuesadas se adelantó mucho a su tiempo.

Organismos conducidos a una mayor complejidad
Este tipo de evolución, por la que Lamarck es más famoso en la actualidad, fue solo uno de los dos mecanismos que propuso. Como organismos adaptados a su entorno, la naturaleza también los impulsó inexorablemente hacia arriba desde formas simples a formas cada vez más complejas. Como Buffon, Lamarck creía que la vida había comenzado por generación espontánea. Pero afirmó que surgieron nuevas formas de vida primitivas a lo largo de la historia de la vida. Los microbios de hoy eran simplemente "los nuevos niños de la cuadra".

Evolución por procesos naturales
Lamarck estaba proponiendo que la vida tomara su forma actual a través de procesos naturales, no a través de intervenciones milagrosas. Para los naturalistas británicos en particular, empapados como estaban en la teología natural, esto era espantoso. Creían que la naturaleza era un reflejo del benevolente designio de Dios. Para ellos, parecía que Lamarck estaba afirmando que era el resultado de fuerzas primarias ciegas. Rechazado por algunos por motivos religiosos y rechazado por científicos como Cuvier por falta de rigor deductivo en sus argumentos, Lamarck murió en 1829 en la pobreza y la oscuridad.

Pero la noción de evolución no murió con él. El naturalista francés Geoffroy St. Hilaire defendería otra versión del cambio evolutivo en la década de 1820, y el escritor británico Robert Chambers sería el autor de un argumento de éxito de ventas a favor de la evolución en 1844: Vestigios de una creación natural. Y en 1859, Charles Darwin publicaría el Origen de las especies. Lamarck, St. Hilaire, Chambers y Darwin tenían ideas radicalmente diferentes sobre cómo opera la evolución, pero solo las de Darwin todavía tienen vigencia científica en la actualidad.


Diferente de Darwin
Darwin se basó en la misma evidencia para la evolución que Lamarck (como las estructuras vestigiales y la selección artificial a través de la reproducción), pero presentó argumentos completamente diferentes a los de Lamarck. Darwin no aceptó una flecha de complejidad atravesando la historia de la vida. Argumentó que la complejidad evolucionó simplemente como resultado de la adaptación de la vida a sus condiciones locales de una generación a la siguiente, al igual que los biólogos modernos ven este proceso. Pero, por supuesto, las ideas de Darwin tampoco eran del todo modernas. Por ejemplo, probó y finalmente rechazó varias ideas diferentes sobre la herencia (incluida la herencia de características adquiridas, como defendía Lamarck) y nunca llegó a una conclusión satisfactoria sobre cómo se transmitían los rasgos de padres a hijos.

La herencia lamarckiana es una idea que hoy se conoce principalmente por los libros de texto, donde se utiliza como contraste histórico para nuestra comprensión moderna de la herencia genética, que comenzó con el redescubrimiento del trabajo de Mendel a fines del siglo XIX. A pesar de todo lo que se equivocó, a Lamarck se le puede atribuir el mérito de haber imaginado un cambio evolutivo por primera vez.


Jean-Baptiste Lamarck (1744-1829)

"¿No percibimos, por tanto, que por la acción de las leyes de la organización ... la naturaleza ha multiplicado en tiempos, lugares y climas favorables sus primeros gérmenes de animalidad, dado lugar al desarrollo de sus organizaciones ... y aumentado y diversificado? Entonces ... ayudada por mucho tiempo y por una lenta pero constante diversidad de circunstancias, ha ido produciendo a este respecto el estado de cosas que ahora observamos. Cuán grande es esta consideración, y especialmente cuán remota es de todo lo que generalmente se piensa sobre este tema! "

Texto de una conferencia impartida por Lamarck en el Mus & eacutee National d'Histoire Naturelle, París, mayo de 1803

Las teorías científicas de Lamarck fueron ignoradas o atacadas en gran medida durante su vida. Lamarck nunca se ganó la aceptación y la estima de sus colegas Buffon y Cuvier, y murió en la pobreza y la oscuridad. Hoy, el nombre de Lamarck se asocia simplemente con una teoría desacreditada de la herencia, la "herencia de rasgos adquiridos". However, Charles Darwin, Lyell, Haeckel, and other early evolutionists acknowledged him as a great zoologist and as a forerunner of evolution. Charles Darwin wrote in 1861:

Jean Baptiste Pierre Antoine de Monet, Chevalier de Lamarck was born on August 1, 1744, in the village of Bazentin-le-Petit in the north of France. He was the youngest of eleven children in a family with a centuries-old tradition of military service his father and several of his brothers were soldiers. The young Lamarck entered the Jesuit seminary at Amiens around 1756, but not long after his father's death, Lamarck rode off to join the French army campaigning in Germany in the summer of 1761 in his first battle, he distinguished himself for bravery under fire and was promoted to officer. After peace was declared in 1763, Lamarck spent five years on garrison duty in the south of France, until an accidental injury forced him to leave the army. After working as a bank clerk in Paris for a while, Lamarck began to study medicine and botany, at which he rapidly became expert in 1778 his book on the plants of France, Flore Française, was published to great acclaim, in part thanks to the support of Buffon.

On the strength of the Flore Française (and Buffon's patronage), Lamarck was appointed an assistant botanist at the royal botanical garden, the Jardin des Plantes, which was not only a botanical garden but a center for medical education and biological research. Aside from a stint as tutor to Buffon's son during a tour of Europe in 1781, Lamarck continued as an underpaid assistant at the Jardin du Roi, living in poverty (and having to defend his job from cost-cutting bureaucrats in the National Assembly) until 1793. That year, the same year that Louis XVI and Marie Antoinette went to the guillotine, the old Jardin des Plantes was reorganized as the Musée National d'Histoire Naturelle (National Museum of Natural History), which was to be run by twelve professors in twelve different scientific fields. Lamarck, who had called for this reorganization, was appointed a professor -- of the natural history of insects and worms (that is, of all invertebrates), a subject he knew nothing about.

To be fair to Lamarck, we should mention that since the time of Linnaeus, few naturalists had considered the invertebrates worthy of study. The word "invertebrates" did not even exist at the time Lamarck coined it. The invertebrate collections at the Musée were enormous and rapidly growing, but poorly organized and classified. Although the professors at the Musée were theoretically equal in rank, the professorship of "insects and worms" was definitely the least prestigious. But Lamarck took on the enormous challenge of learning -- and creating -- a new field of biology. The sheer number and diversity of invertebrates proved to be both a challenge and a rich source of knowledge. As Lamarck lectured his students in 1803, after ten years of research on invertebrates:

But Lamarck's works never became popular during his lifetime, and Lamarck never won the respect or prestige enjoyed by his patron Buffon or his colleague Cuvier. While Cuvier respected Lamarck's work on invertebrates, he had no use for Lamarck's theory of evolution, and he used his influence to discredit it. Most of Lamarck's life was a constant struggle against poverty to make matters worse, he began to lose his sight around 1818, and spent his last years completely blind, cared for by his devoted daughters (he had been married four times). When he died, on December 28, 1829, he received a poor man's funeral (although his colleague Geoffroy Saint-Hilaire gave one of the orations) and was buried in a rented grave after five years his body was removed, and no one now knows where his remains are.

Lamarck's Scientific Thought

Beginning in 1801, Lamarck began to publish details of his evolutionary theories. Where men like Buffon had hinted at the possibility of evolutionary change, Lamarck declared it forthrightly. In 1801 he wrote:

While the mechanism of Lamarckian evolution is quite different from that proposed by Darwin, the predicted result is the same: adaptive change in lineages, ultimately driven by environmental change, over long periods of time. It is interesting to note that Lamarck cited in support of his theory of evolution many of the same lines of evidence that Darwin was to use in the Origen de las especies. Lamarck's Philosophie zoologique mentions the great variety of animal and plant forms produced under human cultivation (Lamarck even anticipated Darwin in mentioning fantail pigeons!) the presence of vestigial, non-functional structures in many animals and the presence of embryonic structures that have no counterpart in the adult. Like Darwin and later evolutionary biologists, Lamarck argued that the Earth was immensely old. Lamarck even mentions the possibility of natural selection in his writings, although he never seems to have attached much importance to this idea.

It is even more interesting to note that, although Darwin tried to refute the Lamarckian mechanism of inheritance, he later admitted that the heritable effects of use and disuse might be important in evolution. En el Origen de las especies he wrote that the vestigial eyes of moles and of cave-dwelling animals are "probably due to gradual reduction from disuse, but aided perhaps by natural selection." Lamarckian inheritance, at least in the sense Lamarck intended, is in conflict with the findings of genetics and has now been largely abandoned -- but until the rediscovery of Mendel's laws at the beginning of the twentieth century, no one understood the mechanisms of heredity, and Lamarckian inheritance was a perfectly reasonable hypothesis. Several other scientists of the day, including Erasmus Darwin, subscribed to the theory of use and disuse -- in fact, Erasmus Darwin's evolutionary theory is so close to Lamarck's in many respects that it is surprising that, as far as is known now, the two men were unaware of each other's work.

In several other respects, the theory of Lamarck differs from modern evolutionary theory. Lamarck viewed evolution as a process of increasing complexity and "perfection," not driven by chance as he wrote in Philosophie zoologique, "Nature, in producing in succession every species of animal, and beginning with the least perfect or simplest to end her work with the most perfect, has gradually complicated their structure." Lamarck did not believe in extinction: for him, species that disappeared did so because they evolved into different species. If this goes on for too long, it would mean the disappearance of less "perfect" organisms Lamarck had to postulate that simple organisms, such as protists, were constantly being spontaneously generated. Yet despite these differences, Lamarck made a major contribution to evolutionarythought, developing a theory that paralleled Darwin's in many respects. Rediscovered in the middle part of the 19th century, his theories finally gained the attention they merited. His mechanism of evolution remained a popular alternative to Darwinian selection until the beginning of the 20th century prominent scientists like Edward Drinker Cope adopted Lamarckianism and tried to apply it to their work. Though his proposed mechanism eventually fell out of favor, he broke ground in establishing the fact of evolution. The Victorian Web has more information on Lamarck's biological thought. You may also wish to view the WWW site of Lamarck's museum, the Musée National d'Histoire Naturelle, still one of the world's great natural history museums over 200 years after the French Revolution.


Challenges in homology search: HMMER3 and convergent evolution of coiled-coil regions

Detection of protein homology via sequence similarity has important applications in biology, from protein structure and function prediction to reconstruction of phylogenies. Although current methods for aligning protein sequences are powerful, challenges remain, including problems with homologous overextension of alignments and with regions under convergent evolution. Here, we test the ability of the profile hidden Markov model method HMMER3 to correctly assign homologous sequences to >13,000 manually curated families from the Pfam database. We identify problem families using protein regions that match two or more Pfam families not currently annotated as related in Pfam. We find that HMMER3 E-value estimates seem to be less accurate for families that feature periodic patterns of compositional bias, such as the ones typically observed in coiled-coils. These results support the continued use of manually curated inclusion thresholds in the Pfam database, especially on the subset of families that have been identified as problematic in experiments such as these. They also highlight the need for developing new methods that can correct for this particular type of compositional bias.

Cifras

Observed number of overlapping domains…

Observed number of overlapping domains (dark grey) and expected number of false positives…

( A ) Cumulative proportion…

( A ) Cumulative proportion of overlapping domains in Pfam families. Families are…

( A ) Venn diagram with overlap between families predicted to be coiled-coil,…

Comparison between the proportion of…

Comparison between the proportion of residues predicted to be in coiled-coil and in…

Proportion of residues in predicted…

Proportion of residues in predicted transmembrane helices, coiled-coil regions and intrinsically disordered regions…


Uncanny Examples of Convergent Evolution

A bat darting out of its cave at twilight. A butterfly flitting from flower to flower. A bird of prey circling above the tree tops. What do all these creatures have in common?

Not much, at least as far as their relationship on the phylogenetic tree of life is concerned, and that's what makes their shared capacity for winged flight such an interesting example of convergent evolution.

If it's been awhile since your last biology class, here's a brief refresher: Convergent evolution occurs when completely unrelated species evolve functionally similar features known as "analogous structures." The easiest way to understand whether a similar structure found within two different species is analogous is to ask yourself whether their most recent common ancestor also possessed the structure. In the case of bats, birds and butterflies — none of which share a common ancestor that flew — they all "converged" on the ability of flight as a useful trait in response to environmental stimuli and biological goals.

Of course, to fully understand the science behind analogous structures, it's important to talk about homologous structures, which are structures found in different species that originated from a common ancestor. While the wings of a bird and a bat (seen at right) are not homologous, the wings of a hawk and an owl are homologous because they both descend from a common flying ancestor that passed down its wings to future avian generations.

Another common example of a homologous structure can be observed in the bones of today's tetrapods, which are four-limbed terrestrial vertebrates that include amphibians, reptiles, mammals and birds. Despite their many physiological differences, every single one of these animals descend from a single common ancestor that is responsible for originating their basic skeletal structure almost 400 million years ago.

In the diagram below, you can compare the striking similarities between the homologous skeletal structures of several modern tetrapods: a human, a dog, a bird and a whale.

Although the basic arrangement of a tetrapod skeleton is uncanny, the notable differences you see between these four animals is the result of divergent evolution, which occurs when one species diverges into new species by developing variations in traits in response to environment and lifestyle.

One of the most dramatic, well-known examples of divergent evolution is found within the evolutionary history of cetaceans. Millions of years ago, the terrestrial ancestors of today's whales and dolphins abandoned their landlubbing lifestyle to live under the sea. Over time, these born-again sea creatures gradually streamlined their bodies to take on more fish-like characteristics — including transforming their limbs into paddle-like flippers and flukes for more efficient swimming. However, despite these drastic physiological changes, they still retain the homologous skeletal structure of a tetrapod, albeit in different proportions.

What's interesting about the evolution of cetaceans is that their adoption of more fishy characteristics represents not just an example of divergent evolution, but convergent evolution as well. This is why dolphins and sharks, despite coming from completely different branches of the animal kingdom, look so strikingly similar:

It should come as no surprise to learn that sharks and dolphins are very different. Dolphins are mammals, and sharks are fish. A dolphin's skeleton is made of bone, and a shark's skeleton is composed of just cartilage. While dolphins must come to the surface to breathe air, sharks use gills to extract oxygen from the water.

However, both sharks and dolphins have evolved specific analogous traits — streamlined bodies, dorsal fins, pectoral fins and flippers — to achieve the same goal, which is to swim quickly through the ocean and catch prey. In a nutshell, the concept of goal achievement is pretty much the essence of convergent evolution. That is, multiple species from different corners of the world all drawing similar evolutionary conclusions to the challenges and opportunities that they face.

Whether it's soaring through the sky, speeding through the water or trapping prey in sticky pits of doom, instances of convergent evolution are found all throughout nature on many different scales . and not just in animals, but plants, as well! Continue below for just a few of the most interesting examples of convergent evolution that have manifested in nature.


James Albert

1990 M.S. (Zoology) University of Michigan, Ann Arbor, MI

1995 Ph.D. (Zoology) University of Michigan, Ann Arbor, MI

My research is devoted to the diversity, systematics, and evolution of tropical fishes. I am interested in all aspects of tropical fish biology, including molecular, physiological, morphological, and behavioral characters, as well as the ecological and geographical circumstances under which these characters evolved. Projects in my lab include descriptive, experimental, and analytical studies of genetic and phenotypic data. These studies are used in part to document the total numbers species in ecologically defined regions, as well as the number of species endemic to these regions. A main objective is to investigate evolutionary questions at cellular, morphological and organismal levels. Further work focuses on testing hypotheses on the origin and maintenance of fish diversity in the tropics, using results from both field and laboratory studies.
Many results are published in the form of species descriptions and phylogenetic analyses. These results have important implications for conservation by providing primary data on the distribution and abundance species in poorly known environments and by documenting new areas of species richness. Species richnessis the baseline data used in most biodiversity assays and is important for habitat preservation.

The central theme of these projects is the spectacular diversification of teleost fishes. Teleosts constitute the majority of vertebrate species and occupy most of the aquatic habitats on earth. Through a combination of morphological and phylogenetic approaches we identify homologous structures, generate databases of morphological diversity and trace the history of character evolution. A more theoretical interest is in developing methods to generate and test alternative hypotheses of evolution. The idea is to use the myriad details of morphology and behavior as a basis to understand conditions of evolution.

!! Graduate Student Positions in Systematics and Evolution !!

I have openings for a Ph.D and MSc. students in my laboratory. Student research will focus on systematics, evolution and biogeography of freshwater fishes. Thesis projects will include a combination of field-based and laboratory studies using DNA sequencing and morphological approaches. Students will have opportunities to develop independent research projects in Latin America. Projects developed for North American freshwater and marine fishes are also encouraged. The UL Lafayette Department of Biology has a strong tradition of teaching and research in sub-tropical and tropical zoology. Course work would center on the areas of the students interests in evolutionary or ecological theory. Deadlines for application are Sept. 15/Jan. 15th. Please contact me directly via email if you are interested in pursuing graduate research in my laboratory and/or have any questions.


11.3 Evidence of Evolution

The evidence for evolution is compelling and extensive. Looking at every level of organization in living systems, biologists see the signature of past and present evolution. Darwin dedicated a large portion of his book, En el origen de las especies, identifying patterns in nature that were consistent with evolution and since Darwin our understanding has become clearer and broader.

Fósiles

Los fósiles proporcionan evidencia sólida de que los organismos del pasado no son los mismos que los que se encuentran hoy en día. Los fósiles muestran una progresión de la evolución. Scientists determine the age of fossils and categorize them all over the world to determine when the organisms lived relative to each other. The resulting fossil record tells the story of the past, and shows the evolution of form over millions of years (Figure 11.10). For example, highly detailed fossil records have been recovered for sequences of species in the evolution of whales and modern horses. The fossil record of horses in North America is especially rich and many contain transition fossils: those showing intermediate anatomy between earlier and later forms. The fossil record extends back to a dog-like ancestor some 55 million years ago that gave rise to the first horse-like species 55 to 42 million years ago in the genus Eohippus. The series of fossils tracks the change in anatomy resulting from a gradual drying trend that changed the landscape from a forested one to a prairie. Successive fossils show the evolution of teeth shapes and foot and leg anatomy to a grazing habit, with adaptations for escaping predators, for example in species of Mesohippus found from 40 to 30 million years ago. Later species showed gains in size, such as those of Hipparion, which existed from about 23 to 2 million years ago. The fossil record shows several adaptive radiations in the horse lineage, which is now much reduced to only one genus, Equus, with several species.

Anatomy and Embryology

Another type of evidence for evolution is the presence of structures in organisms that share the same basic form. For example, the bones in the appendages of a human, dog, bird, and whale all share the same overall construction (Figure 11.11). That similarity results from their origin in the appendages of a common ancestor. Over time, evolution led to changes in the shapes and sizes of these bones in different species, but they have maintained the same overall layout, evidence of descent from a common ancestor. Scientists call these synonymous parts homologous structures. Some structures exist in organisms that have no apparent function at all, and appear to be residual parts from a past ancestor. For example, some snakes have pelvic bones despite having no legs because they descended from reptiles that did have legs. These unused structures without function are called vestigial structures . Other examples of vestigial structures are wings on flightless birds (which may have other functions), leaves on some cacti, traces of pelvic bones in whales, and the sightless eyes of cave animals.

Conceptos en acción

Click through the activities at this interactive site to guess which bone structures are homologous and which are analogous, and to see examples of all kinds of evolutionary adaptations that illustrate these concepts.

Another evidence of evolution is the convergence of form in organisms that share similar environments. For example, species of unrelated animals, such as the arctic fox and ptarmigan (a bird), living in the arctic region have temporary white coverings during winter to blend with the snow and ice (Figure 11.12). The similarity occurs not because of common ancestry, indeed one covering is of fur and the other of feathers, but because of similar selection pressures—the benefits of not being seen by predators.

Embryology, the study of the development of the anatomy of an organism to its adult form also provides evidence of relatedness between now widely divergent groups of organisms. Structures that are absent in some groups often appear in their embryonic forms and disappear by the time the adult or juvenile form is reached. For example, all vertebrate embryos, including humans, exhibit gill slits at some point in their early development. These disappear in the adults of terrestrial groups, but are maintained in adult forms of aquatic groups such as fish and some amphibians. Great ape embryos, including humans, have a tail structure during their development that is lost by the time of birth. The reason embryos of unrelated species are often similar is that mutational changes that affect the organism during embryonic development can cause amplified differences in the adult, even while the embryonic similarities are preserved.

Biogeografia

La distribución geográfica de los organismos en el planeta sigue patrones que se explican mejor por la evolución junto con el movimiento de las placas tectónicas a lo largo del tiempo geológico. Los grupos amplios que evolucionaron antes de la desintegración del supercontinente Pangea (hace unos 200 millones de años) se distribuyen por todo el mundo. Los grupos que evolucionaron desde la ruptura aparecen únicamente en regiones del planeta, por ejemplo, la flora y fauna únicas de los continentes del norte que se formaron a partir del supercontinente Laurasia y de los continentes del sur que se formaron a partir del supercontinente Gondwana. The presence of Proteaceae in Australia, southern Africa, and South America is best explained by the plant family’s presence there prior to the southern supercontinent Gondwana breaking up (Figure 11.13).

La gran diversificación de los marsupiales en Australia y la ausencia de otros mamíferos refleja el largo aislamiento de ese continente insular. Australia tiene una abundancia de especies endémicas, especies que no se encuentran en ningún otro lugar, lo que es típico de las islas cuyo aislamiento por extensiones de agua evita la migración de especies a otras regiones. Con el tiempo, estas especies divergen evolutivamente en nuevas especies que se ven muy diferentes de sus antepasados ​​que pueden existir en el continente. Los marsupiales de Australia, los pinzones de las Galápagos y muchas especies de las islas hawaianas no se encuentran en ningún otro lugar que no sea su isla, pero muestran relaciones distantes con especies ancestrales en tierra firme.

Biología Molecular

Al igual que las estructuras anatómicas, las estructuras de las moléculas de la vida reflejan el descenso con modificaciones. Evidence of a common ancestor for all of life is reflected in the universality of DNA as the genetic material and of the near universality of the genetic code and the machinery of DNA replication and expression. Las divisiones fundamentales en la vida entre los tres dominios se reflejan en importantes diferencias estructurales en estructuras que de otro modo serían conservadoras, como los componentes de los ribosomas y las estructuras de las membranas. En general, la relación de los grupos de organismos se refleja en la similitud de sus secuencias de ADN, exactamente el patrón que se esperaría de la descendencia y la diversificación de un ancestro común.

Las secuencias de ADN también han arrojado luz sobre algunos de los mecanismos de la evolución. For example, it is clear that the evolution of new functions for proteins commonly occurs after gene duplication events. These duplications are a kind of mutation in which an entire gene is added as an extra copy (or many copies) in the genome. These duplications allow the free modification of one copy by mutation, selection, and drift, while the second copy continues to produce a functional protein. This allows the original function for the protein to be kept, while evolutionary forces tweak the copy until it functions in a new way.


Ver el vídeo: Mathematical Challenges to Darwins Theory of Evolution (Mayo 2022).