EVOLUCIÓN GUÍA Nº 1 2 CUATRIMESTRE 2015

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1 EVOLUCIÓN DEPARTAMENTO DE ECOLOGÍA, GENÉTICA Y EVOLUCIÓN FACULTAD DE CIENCIAS EXACTAS Y NATURALES UNIVERSIDAD DE BUENOS AIRES 2 CUATRIMESTRE 2015 GUÍA Nº 1 INTRODUCCIÓN A LA HISTORIA Y FILOSOFÍA DEL PENSAMIENTO EVOLUTIVO GENÉTICA DE POBLACIONES TEORÍA NEUTRALISTA ANÁLISIS FILOGENÉTICO

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3 ALGUNAS REGLAS BÁSICAS DE HIGIENE Y SEGURIDAD EN LABORATORIOS Las medidas de Seguridad en Laboratorios son un conjunto de medidas preventivas destinadas a proteger la salud de los que allí se desempeñan frente a los riesgos propios derivados de la actividad, para evitar accidentes y contaminaciones tanto dentro de su ámbito de trabajo, como hacia el exterior. Las reglas básicas aquí indicadas son un conjunto de prácticas de sentido común realizadas en forma rutinaria. El elemento clave es la actitud proactiva hacia la seguridad y la información que permita reconocer y combatir los riesgos presentes en el laboratorio. Será fundamental la realización meticulosa de cada técnica, pues ninguna medida, ni siquiera un equipo excelente puede sustituir el orden y el cuidado con que se trabaja. 1. Se deberá conocer la ubicación de los elementos de seguridad en el lugar de trabajo, tales como: matafuegos, salidas de emergencia, mantas ignífugas, lavaojos, gabinete para contener derrames, accionamiento de alarmas, etc. 2. No se permitirá comer, beber, fumar o maquillarse. 3. No se deberán guardar alimentos en el laboratorio, ni en las heladeras que contengan drogas. 4. Se deberá utilizar vestimenta apropiada para realizar trabajos de laboratorio y el cabello recogido (guardapolvo preferentemente de algodón y de mangas largas, zapatos cerrados, evitando el uso de accesorios colgantes). 5. Es imprescindible mantener el orden y la limpieza. Cada persona es responsable directa de la zona que le ha sido asignada y de todos los lugares comunes. 6. Las manos deben lavarse cuidadosamente después de cualquier manipulación de laboratorio y antes de retirarse del mismo. 7. Se deberán útil izar guantes apropiados para evitar el contacta con sustancias química o material biológico. Toda persona cuyos guantes se encuentren contaminados no deberá tocar objetos, ni superficies, tales como: teléfono, lapiceras, manijas de cajones o puertas, cuadernos, etc. 8. No se permitirá pipetear con la boca. 9. No se permitirá correr en los laboratorios. 10. Siempre que sea necesario proteger los ojos y la cara de salpicaduras o impactos se utilizarán anteojos de seguridad, viseras o pantallas faciales u otros dispositivos de protección. Cuando se manipulen productos químicos que emitan vapores o puedan provocar proyecciones, se evitará el uso de lentes de contacto. 11. No se deben bloquear las rutas de escape o pasillos con equipos, máquinas u otros elementos que entorpezcan la correcta circulación. 12. Todo material corrosivo, tóxico, inflamable, oxidante, radiactivo, explosivo o nocivo deberá estar adecuadamente etiquetado. 13. No se permitirán instalaciones eléctricas precarias o provisorias. Se dará aviso inmediato a la Secretaría Técnica en caso de filtraciones o goteras que puedan afectar las instalaciones o equipos y puedan provocar incendios por cortocircuitos (Interno 355). 14. Se requerirá el uso de mascarillas descartables cuando exista nesgo de producción de aerosoles (mezcla de partículas en medio líquido) o polvos, durante operaciones de pesada de sustancias tóxicas o biopatógenas, apertura de recipientes con cultivos después de agitación, etc. 15. Las prácticas que produzcan gases, vapores, humos o partículas, aquellas que pueden ser riesgosas por inhalación deben llevarse a cabo bajo campana 16. Se deberá verificar la ausencia de vapores inflamables antes de encender una fuente de ignición. No se operará con materiales inflamables o solventes sobre llamas directa o cerca de las mismas. Para calentamiento, sólo se utilizarán resistencias eléctricas o planchas calefactoras blindadas. Se prestará especial atención al punto de inflamación y de autoignición del producto. 17. El material de vidrio roto no se depositará con los residuos comunes. Será conveniente ubicarlo en cajas resistentes, envuelto en papel y dentro de bolsas plásticas. El que sea necesario reparar se entregará limpio al taller. 18. Será necesario que todo recipiente que hubiera contenido material inflamable y deba ser descartado sea vaciado totalmente, escurrido, enjuagado con un solvente apropiado y luego con agua varias veces. 19. Está prohibido descartar líquidos inflamables o tóxicos o corrosivos o material biológico por los desagües de las piletas, sanitarios o recipientes comunes para residuos. En cada caso se deberán seguir los procedimientos establecidos para la gestión de residuos. Consultar al Servicio de Higiene y Seguridad (Interno 275). 3

4 20. Cuando sea necesario manipular grandes cantidades de materiales inflamables (más de 5 litros.) deberá tenerse a mano un extintor apropiado para ese material en cuestión. 21. Cuando se trasvase material combustible o inflamable de un tambor a un recipiente más pequeño, realice una conexión con una cadena del tambor a tierra y con otra entre el tambor y el recipiente de manera de igualar potenciales y eliminar la posible carga estática. 22. Al almacenar sustancias químicas considere que hay cierto número de ellas que son incompatibles pues almacenadas juntas pueden dar lugar a reacciones peligrosas. Ante dudas consultar al Servicio de Higiene y Seguridad (Interno 275). 23. No almacene en estantes sobre mesadas sustancias corrosivas, hágalo en estantes bajo mesadas y en caso de ácidos o álcalis concentrados (mayor de 2N) deben ser mantenidas dentro de lo posible en bandejas de material adecuado. 24. Los cilindros de gases comprimidos y licuados deben asegurarse en posición vertical con pinzas, grampas y correas o cadenas a la pared en sitios de poca circulación, protegidos de la humedad y fuentes de calor, de ser posible, en el exterior. 25. Los laboratorios contarán con un botiquín de primeros auxilios con los elementos indispensables para atender casos de emergencia. 26. Se informará al Dpto. de Seguridad y Control cuando se necesiten dejar equipos funcionando en ausencia del personal del laboratorio. 27. Se anotará en un lugar visible desde el exterior los teléfonos de los responsables de cada laboratorio para que puedan ser consultados en caso de alguna anomalía verificada por el personal de Seguridad y Control en su recorrida fuera de los horarios habituales de trabajo. Procedimientos ante emergencias Emergencias médicas Si ocurre una emergencia tal como: cortes o abrasiones, quemaduras o ingestión accidental de algún producto químico, tóxico o peligroso, se deberá proceder: 1. A los accidentados se les proveerán los primeros auxilios. 2. Simultáneamente se tomará contacto con el Servicio Médico (Interno 482), o al Servicio Médico de Deportes ( /3948) 3. Avise al Jefe de Laboratorio o autoridad del Departamento, quienes solicitarán asistencia de la Secretaría Técnica (interno 380) para que envíen personal del Dpto. de Mantenimiento, Segundad y Control o Servicios Generales según corresponda. 4. El Jefe de Departamento notificará el accidente al Servicio de Higiene y Segundad para su evaluación e informe, donde se determinarán las causas y se elaborarán las propuestas para modificar dichas causas y evitar futuras repeticiones. 5. Centros para requerir ayuda médica: S.A.M.E. Teléfono 107 Hospital Pirovano: Av. Monroe 3555 Tel / 9279 INTOXICACIONES: Hospital de Niños Dr. R. Gutiérrez: Sánchez de Bustamante Capital Federal. Tel: Hospital de Niños Dr. P. de Elizalde: Av. Montes de Oca 40 Tel Toxicología QUEMADURAS: Hospital de Quemados: P. Goyena 369 Tel / 3022 OFTALMOLOGÍA Hospital Santa Lucía: San Juan 2021 Tel Hospital Dr. P. Lagleyze: Av. Juan B. Justo 4151 Tel / 2792 Incendio 1 Mantenga la calma. Lo más importante es ponerse a salvo y dar aviso a los demás. 2. Si hay alarma, acciónela. Si no, grite para alertar al resto 3. Se dará aviso inmediatamente al Dpto. de Segundad y Control (Interno 311) informando el lugar y las características del siniestro. 4. Si el fuego es pequeño y sabe utilizar un extintor, úselo. Si el fuego es de consideración, no se arriesgue y manteniendo la calma ponga en marcha el plan de evacuación. 5. Si debe evacuar el sector apague los equipos eléctricos y cierre las llaves de gas y ventanas. 4

5 6. Evacúe la zona por la ruta asignada. 7. No corra, camine rápido, cerrando a su paso la mayor cantidad de puertas. No utilice ascensores. Descienda siempre que sea posible. 8 No lleve consigo objetos, pueden entorpecer su salida. 9. Si pudo salir, por ninguna causa vuelva a entrar. Deje que los equipos especializados se encarguen. 10. Teléfonos útiles BOMBEROS: Teléfono 100 DIVISIÓN CENTRAL DE ALARMA: / CUARTEL V DE BELGRANO: Vuelta de Obligado 2254 Capital Tel BOMBEROS DE VICENTE LÓPEZ: Av. Maipú 1669 Vicente López. Tel BOMBEROS DE SAN ISIDRO: Santa Fe 650 Martínez. Tel Derrame de productos químicos 1 Atender a cualquier persona que pueda haber sido afectada. 2. Notificar a las personas que se encuentren en las áreas cercanas acerca del derrame. Coloque la cinta de demarcación para advertir el peligro. 3. Evacuar a toda persona no esencial del área del derrame. 4. Si el derrame es de material inflamable, apagar las fuentes de ignición, y las fuentes de calor. 5. Evite respirar los vapores del material derramado. Si es necesario, utilizar una máscara respiratoria con filtros apropiados al tipo de derrame. 6. Ventilar la zona. 7. Utilizar los elementos de protección personal tales como equipo de ropa resistente a ácidos, bases y solventes orgánicos y guantes. 8. Confinar o contener el derrame, evitando que se extienda. Para ello, extender los cordones en el contorno del derrame. 9. Luego, absorber con los paños sobre el derrame. 10. Deje actuar y luego recoger con pala y colocar el residuo en la bolsa roja y ciérrela. 11. Comuníquese con el Servicio de Higiene y Seguridad para disponer la bolsa con los residuos. 12. Si el derrame es de algún elemento muy volátil, deje dentro de la campana hasta que lo retire para su disposición. 13. Lave el área del derrame con agua y jabón. Seque bien. 14. Cuidadosamente retire y limpie todos los elementos que puedan haber sido salpicados por el derrame. 15. Lave los guantes, la máscara y ropa CUPÓN PARA ENTREGAR ALDOCENTE Fecha: El /La alumno/a de la materia. ha leído minuciosamente la guía de Normas Mínimas de Seguridad que acompaña esta guía. 5

6 Lista de Alumnos EGE: es una lista de distribución de información para alumnos del Departamento de Ecología, Genética y Evolución, acerca de becas, cursos y otras cuestiones de interés. No es una lista de discusión. Ud. puede suscribirse a la lista a través de: o accediendo desde el link correspondiente en la página del Departamento. En esta página también encontrará los correos electrónicos de los representantes estudiantiles del EGE, para realizar cualquier consulta. 6

7 PROGRAMA GENERAL I. INTRODUCCION En esta sección se estudiarán las evidencias que apoyan la tesis de la descendencia con modificación y cómo aquéllas fueron interpretándose a medida que se desarrolló el pensamiento evolutivo. 1. La Evolución en acción. Hechos y teoría. La evolución en acción: en la naturaleza, en un tubo de ensayo. La variación intraespecífica. Homologías. La evolución de la Tierra. El registro fósil. La procesión de la vida sobre la Tierra. Evolucionismo-Creacionismo. Cómo se estudia la evolución. 2. Introducción histórica. El origen del pensamiento evolutivo. Las primeras formulaciones de hipótesis sobre la evolución orgánica. La teoría de Lamarck. El origen de las especies. El darwinismo. El neodarwinismo. El ocaso del darwinismo original: La teoría mutacionista. La maduración de la teoría neodarwinista de la evolución. La Teoría Sintética de la Evolución. II. CONCEPTOS INTERDISCIPLINARIOS En este punto se introducirán conceptos de vital importancia en el marco del pensamiento evolutivo y que serán de suma importancia para el desarrollo de la temática ulterior. 3. La población como escenario del proceso evolutivo. Concepto de población. Distribución espacial. Crecimiento poblacional. Modelos exponencial y logístico. Factores limitantes de la densidad. El ambiente biótico. Interacciones interespecíficas: Predador-presa, competencia, interacciones beneficiosas. 4. Herencia: Fidelidad y mutabilidad. Principios de genética. El material genético. Estructura del gen. Replicación, recombinación y segregación. Genotipo y fenotipo. El control de la expresión génica. El origen de la variabilidad hereditaria. Cambios en el cariotipo. Mutaciones génicas. Tasas de mutación. Efectos fenotípicos de la mutación. Carácter de la mutación. Recombinación: amplificación de la variabilidad 5. La variabilidad en las poblaciones naturales y su medida. El principio de Hardy-Weinberg. Variación en caracteres cuantitativos. Variación genética intrapoblacional. Variación molecular. Polimorfismo. Variación interpoblacional: politipismo. Polimorfismos fanéricos y criptomorfismos. Los polimorfismos equilibrados y transitorios. III. LA DINAMICA DE LOS PROCESOS MICROEVOLUTIVOS Una de las definiciones de Evolución sostiene que el cambio evolutivo es la alteración de las frecuencias génicas en las poblaciones por efecto de los procesos microevolutivos. 7

8 6. La selección natural. Supervivencia y reproducción diferencial. El efecto del ambiente sobre el fitness. Niveles de selección. Modos de selección. Fitness constante y selección direccional. Mantenimiento de la variabilidad. Interacción entre procesos evolutivos. Las topografías adaptativas. Seleccionismo vs neutralismo. 7. Selección sobre caracteres poligénicos. Selección direccional sobre dos loci. Herencia poligénica: heredabilidad y respuesta a la selección. Correlaciones genéticas. Homeostasis de desarrollo y genética. 8. Estructura poblacional. La teoría de la endogamia. Tamaño poblacional, endogamia y deriva genética. Tamaño efectivo. El efecto fundador. Flujo génico. Evolución por deriva genética. Apareamiento clasificado. 9. La diferenciación espacial de las poblaciones. La diferenciación espacial de los polimorfismos. Clinas. Patrones espaciales de diferenciación geográfica: poblaciones contínuas y poblaciones discontínuas. Concepto de raza geográfica, de raza microgeográfica y de raza ecológica. IV. LA ESPECIE Y LOS PROCESOS DE LA ESPECIACION Una consecuencia de la acción sostenida de los procesos microevolutivos es la aparición de barreras fisiológicas que impiden el flujo génico entre poblaciones, es decir la aparición de nuevas especies. 10. El concepto y la realidad de las especies. La especie como sistema genético-ecológico: el concepto biológico. Atributos genéticos de las especies. Atributos morfológicos: alomorfía y sinmorfia. Atributos ecofisiológicos. Atributos ecológicos: el nicho y el papel en las interacciones comunitarias. Atributos comportamentales. El aislamiento reproductivo. Los mecanismos de aislamiento reproductivo (MARs). Las limitaciones del concepto biológico. 11. Los procesos de la especiación. Las diferencias genéticas entre especies y la genética de las diferencias entre especies. Modelos de especiación: alopátrico, parapátrico y simpátrico. Teorías genéticas de la especiacíon. El significado de la especie y la especiación. Genética de la Especiación. V. DIVERSIDAD Y CLASIFICACION. El tema central de esta sección es entender la diversidad, los modos de obtener una clasificación que contemple las relaciones evolutivas, así como la búsqueda de explicaciones de la actual distribución de los organismos sobre la superficie de la Tierra. 12. Reconstruyendo la historia evolutiva. Definiciones: anagénesis y cladogénesis. Clasificación. Sistemática: cladistas vs feneticistas. Dificultades en la inferencia filogenética. Filogenias morfológicas. Filogenias moleculares. 8

9 13. Biogeografía. Definiciones. La importancia del análisis filogenético. Patrones geográficos. Causas de la distribución geográfica. Evidencias paleontológicas y sistemáticas. Historia de la composición de las biotas. Variaciones regionales en la diversidad de especies. El origen de grupos dominantes. VI. PALEOBIOLOGIA Y MACROEVOLUCION Uno de los desafíos más importantes que enfrenta la Biología Evolutiva es la evolución de las diferencias entre taxones de rango superior. 14. Adaptación. El programa adaptacionista. Niveles de selección. Selección de grupo. La evolución de las historias de vida. Selección sexual. La evolución de la recombinación y el sexo. 15. La historia de la diversidad biológica. Cambios en la diversidad. Está regulada la diversidad?. Patrones de origen y de extinción de los taxones. Las tasas de extinción. Extinciones masivas. Tendencias evolutivas. 16. El origen de novedades evolutivas. Tasas evolutivas. Equilibrios puntuados. Regularidades de la evolución fenotípica. Alometría y heterocronia. El origen de taxones de rango superior. El contexto adaptativo de las novedades evolutivas. La evolución morfológica: bases genéticas y de desarrollo. Cambios disruptivos. Constreñimientos evolutivos. Macroevolución. Genes que afectan el lugar y el tiempo de los procesos de desarrollo. VII. LA EVOLUCION DEL HOMBRE. Es evidente que la Biología Evolutiva tiene algo para decir acerca de la condición humana, aunque esta sea el área de la Antropología, la Sociología, la Psicología y la Filosofía, entre otras disciplinas. 17. El hombre como animal. Caracteres que vinculan a la especie humana con los primates y en particular con los hominoideos. Características anatómicas, genómicas y fisiológicas. Rasgos que explican la evolución de los Primates. 18. El origen de los hominoideos. El registro fósil: relaciones con los póngidos. Australopitecinos y especies de Homo. La evolución reguladora y la heterocronía como factor del origen del hombre. ADN mitocondrial y ancestralidad. 19. El hombre como ser social. Requisitos morfológicos de la evolución cultural: postura erecta, uso de la mano, trabajo social, desarrollo del cerebro. Papel del lenguaje; Desarrollo del simbolismo y la abstracción. El relajamiento de la selección natural en el hombre. Los diferentes paradigmas según la disciplina. 9

10 BIBLIOGRAFIA Ayala, F.J. (1979) Evolución Molecular. Omega. Barcelona. Dobzhansky, T. (1970) Genetics of the evolutionary process. Columbia University Press. New York. Dobzhansky, T., F.J. Ayala, G.L. Stebbins, J.W. Valentine. (1979) Evolución. Omega. Barcelona. Eldredge, N., S.J. Gould. (1972) Punctuated equilibria: an alternative to phyletic gradualism, En T.J.M. Schopf (ed.), Models in Paleobiology. Freeman. San Francisco. CA. Endler, J.A. (1973) Geoghraphic variation speciation and clines. Princeton University Press. Princeton. NJ. Endler, J.A. (1986) Natural selection in the wild. Princeton University Press. Princeton. NJ. Falconer, D., T. Mackay. Quantitative Genetics. Longman. Lynch, M. B. Walsh (1998). Genetics and Analysis of Quantitative traits. Sinauer. Sunderland Mass. Futuyma, D. (1997) Evolutionary Biology. Sinauer. Sunderland Mass. Freeman, S., JC Herron. (1998). Evolutionary Analysis. Prentice Hall. Fontdevila, A. A. Moya Evolución. Editorial Síntesis Gould, S.J. (1977) Ontogeny and phylogeny. Harvard University Press. Cambridge. Mass. Gould, S.J., Eldredge, N. (1977) Punctuated equilibria: the tempo and mode of evolution reconsidered. Paleobiology 3: Gould, S.J., Vrba, E.S. (1982) Exaptation a missing term in the science of form. Paleobiology 8:4-15. Hartl, D.L., A.G. Clark. (1989) Principles of population genetics. Sinauer. Sunderland Mass. Hedrick, P.W. (2000) Genetics of populations. Science Books Int. Boston Mass. 2 nd edition Hoffman, A. (1989) Arguments on evolution: a paleontologist s perspective. Oxford University press. New York. Kimura, M. (1983) The neutral Theory of molecular evolution. Cambridge University Press. Cambridge. UK. Lewin, B. (1990) Genes IV. Oxford University press. New York. Lewontin, R.C. (1974) La base genética de la evolución. Omega, Barcelona. Mayr, E. (1963) Animal species and Evolution. Harvard University Press. Cambridge. Mass. Mayr, E. (1982) The growth of Biological thought. Diversity, evolution and inheritance. Harvard University Press. Cambridge. Mass. Mayr, E., W.B. Provine (1980) The evolutionary synthesis. Harvard University Press. Cambridge. Mass. Otte, D., J.A. Endler (eds.) (1989) Speciation and its consequences. Sinauer. Sunderland. Mass. Raff, R.A., T.C. Kauffman (1983) Embryos, genes and evolution. Macmillan. New York. Ridley, M. (1993, 1996, 2004) Evolution. Blackwell Sci. Publ. Cambridge Mass. Stanley, S.M. (1979) Macroevolution. Freeman. San Francisco. CA. Volpe, E.P. (1984) Understanding Evolution. W.C. Brown Publ. Dubuque, Iowa. 10

11 Programa de contenidos de trabajos prácticos Módulo 1. Introducción a la historia y filosofía del pensamiento evolutivo La ciencia como objeto de estudio. La realidad y el conocimiento científico. Posturas realistas e instrumentalistas. El debate ciencia vs. religión. La evolución como hecho y como teoría. Historiografía de la ciencia internalista y externalista. Distinción entre factores internos y externos. Historia del pensamiento evolutivo. Principales postulados de las teorías de cambio biológico: Buffon, Lamarck, Cuvier, Darwin, neodarwinistas y Gould. La historia en acción: los factores internos y externos en las teorías de cambio biológico. Módulo 2. Genética de poblaciones Definición de población y de evolución para la genética de poblaciones. Polimorfismos. Frecuencias alélicas y genotípicas. Modelo de Wright Fisher. Ley de Hardy Weinberg. El concepto de fitness: fitness absoluto y relativo, fitness poblacional. Procesos evolutivos determinísticos: conceptos de mutación, selección natural y migración. Coeficiente de selección y coeficiente de dominancia (H). Modelos de selección: selección contra un alelo recesivo, selección contra un alelo dominante, selección a favor y en contra de un heterocigota. Sus efectos sobre las frecuencias alélicas. Equilibrio selección natural y otros procesos evolutivos. Efecto Wahlund. Procesos evolutivos estocásticos: la deriva genética. Las fluctuaciones en la variabilidad poblacional. Módulo 3. Teoría neutralista Visiones sobre la variabilidad genética de las poblaciones naturales previas a la teoría neutralista. La teoría neutralista. Postulados y predicciones. El reloj molecular. La teoría neutralista como herramienta para inferir la acción de la selección natural. Estimadores de polimorfismo y divergencia nucleotídica. Cambio sinónimo y no sinónimo. Prueba Dn/Ds. Prueba DT de Tajima. Prueba de McDonald y Kreitman. Módulo 4. Análisis filogenético Sistemática. Jerarquías biológicas y el árbol de la vida. Cladogénesis y anagénesis. Escuelas de clasificación: evolutiva, fenética y sistemática filogenética. Homologías y homoplasias. Sinapomorfías y plesiomorfías. Tipos de grupos: monofiléticos, parafiléticos y polifiléticos. Metodologías de reconstrucción filogenética: métodos de distancia, método cladístico, métodos probabilísticos. Tipos de árboles. Tipos de búsquedas. Tipos de caracteres. Modelos de evolución molecular. Problemas en la reconstrucción filogenética. Genes 11

12 ortólogos, parálogos y xenólogos. La transferencia lateral. El fenómeno de atracción de ramas largas. Módulo 5. Biogeografía Histórica La evolución como ciencia histórica. El tiempo geológico: conceptos y divisiones. Patrones y procesos en biología evolutiva. Contingencia. Escenarios evolutivos. Desarrollo histórico de la disciplina. Patrones de distribución geográfica de las especies: endemismos, centros de origen, extinciones en masa y extinción de fondo. Procesos responsables de la distribución geográfica: dispersión y vicarianza. Principales hitos en la historia de la vida en la Tierra. Metodologías para la puesta a prueba de hipótesis biogeográficas. El caso del gran intercambio biótico americano. Módulo 6. Especie y especiación La especie como entidad real y como categoría de clasificación. Conceptos de especie: aislacionista, de reconocimiento, morfológico, evolutivo, cladístico, cohesivo. Mecanismo de aislamiento reproductivo. Modelos geográficos de especiación: alopátrico, parapátrico, peripátrico y simpátrico. Genética de la especiación: escuela aislacionista y escuela seleccionista. El caso de la especiación infecciosa. Módulo 7. Evolución y Desarrollo El problema de la homología. Los estudios morfológicos y el concepto clásico de homología. Nuevos aportes a nivel genético. Conceptos de homología primaria y serial. Origen único o múltiple de estructuras complejas: el caso de Pax6 y el ojo. Alometrías. Heterocronías. Restricciones generativas y selectivas en el desarrollo. Módulo 8. Macroevolución Definición e identificación de niveles en sistemas complejos. Emergentismo y reduccionismo. Su relación con la micro y macroevolución. Postulados neodarwinistas: alcances y limitaciones. Exaptaciones y adaptaciones. Nuevas propuestas teóricas. Mecanismos macroevolutivos. Selección de especies. Simbiogénesis. Distintas miradas en torno al origen evolutivo de la biodiversidad. Equilibros discontinuos y gradualismo filético. Supuestos en la reconstrucción de escenarios evolutivos. Módulo 9. Evolución humana Diversidad de primates. Relaciones filogenéticas. Los simios africanos: nuestros parientes más cercanos. Similitudes y diferencias entre las especies de hominoideos. Bases biológicas de las diferencias entre chimpancés y humanos. Primeros homíninos. La 12

13 radiación del género Homo en África. Evidencias osteológicas y arqueológicas. Morfología craneofacial comparada. La evolución humana como patrón macroevolutivo. Modelos de surgimiento del hombre anatómicamente moderno: fuera de África y multirregional. El poblamiento de Asia, Europa, Australia y América. Homo neanderthalensis y Homo sapiens. Extinción de Homo neanderthalensis. El origen de la capacidad simbólica en el Paleolítico Superior: arte, música y lenguaje. Procesos evolutivos y nuestra especie. 13

14 Régimen de Cursada, Aprobación y Promoción La evaluación de la materia se realiza a través de 2 (dos) exámenes parciales de modalidad teórico-práctica. Cada examen parcial debe aprobarse con un mínimo de 50/100 puntos. (1) Asistencia: Para conservar la condición de alumno regular, Ud. debe asistir al menos al 80% de las clases prácticas de su correspondiente turno es decir, asistir a 17 de las 21 clases de trabajos prácticos que tiene la materia. Por lo tanto, Ud. puede tener como máximo 4 (CUATRO) inasistencias sin justificativo. Si Ud. acumula 1 o 2 inasistencias adicionales como máximo, las mismas deberán estar justificadas sin excepción. Si Ud. posee más inasistencias (justificadas o no) pierde automáticamente la condición regular. Se considerarán justificables las ausencias por enfermedad, viaje de estudio de otra materia, asistencia a un congreso o viajes de campaña o tareas vinculadas a una pasantía de investigación. Para ello Ud. debe presentar la siguiente documentación: Enfermedad: certificado médico. Viaje de estudio: certificado de viaje firmado por el director de tesina, profesor o JTP responsable. Asistencia a congreso: fotocopia del certificado de asistencia y del certificado de ponencia. Viajes de campaña: fotocopia del plan de estudio en donde conste la inscripción al seminario y una certificación firmada por el director de beca o tesina. Pasantía de investigación: fotocopia de la carta de aceptación de su director de pasantía y el plan de trabajo previsto para la misma. Ante la falta de las certificaciones correspondientes no se justificarán las inasistencias. ATENCION: debido a la gran cantidad de inscriptos en evolución, ante la superposición de exámenes parciales de evolución con exámenes de otras materias, deberá rendir los exámenes de evolución en la fecha correspondiente. Durante el 2do. cuatrimestre 2015 no se justificarán las inasistencias por haber priorizado rendir parciales de otras materias. NO se permitirá a ningún alumno cursar los TPs en diferentes turnos. 14

15 (2) Examen Final: Para acceder a la instancia de final, ud. debe cumplir con todas las condiciones que se detallan a continuación: Encontrarse en condición de alumno regular. Haber aprobado cada parcial (o su correspondiente recuperatorio) con un mínimo de 50/100 puntos. La modalidad del examen final queda a consideración de los profesores de la materia. (3) Promoción: Para acceder al regimen de promoción de la materia sin examen final, Ud. debe cumplir con todas las condiciones que se detallan a continuación: Encontrarse en condición de alumno regular. Haber aprobado ambos parciales con un puntaje mayor o igual a 50/100 puntos. No haber recuperado ningún examen parcial. haber rendido los exámenes parciales en las fechas correspondientes o, en el caso de inasistencia justificada, Haber rendido el/los parciales en la primera fecha de recuperatorio. Obtener un promedio mayor o igual a 70/100 puntos entre los dos parciales. No se realizarán redondeos ni excepciones de ningún tipo en esta instancia (por ejemplo un promedio de 68/100 no cumple con este punto para acceder al régimen de promoción). La nota de promoción incluirá la nota de concepto de cada alumno, por lo tanto, puede no coincidir con el promedio del puntaje obtenido en los parciales. Ud. deberá esperar a la publicación oficial de las notas una vez finalizada la cursada. (4) Recuperatorios: En cada cuatrimestre, la materia tendrá 1 (una) instancia de recuperación de cada examen parcial al finalizar el mismo (ver fechas en el cronograma). Ud. tiene derecho a recuperar cada parcial una única vez. Cada recuperatorio se aprueba con un mínimo de 50/100 puntos. En caso de no poder rendir los exámenes parciales en las fechas correspondientes, Ud. debe presentar un certificado que justifique dicha inasistencia. Esto lo habilita a rendir el parcial en la fecha de recuperatorio prevista al final del cuatrimestre, conservando la posibilidad de promocionar la materia y de recuperar dicho parcial en una segunda instancia de recuperatorio cuando los docentes de la materia lo dispongan. Si Ud. justificó 15

16 fehacientemente su inasistencia al parcial y no se presentara a rendir el parcial por primera vez en la fecha de recuperatorio, pierde automáticamente la posibilidad de promocionar la materia, conservando la posibilidad de rendirlo en la segunda instancia de recuperación mencionada. Solo se aceptará 1 (UNA) justificación por inasistencia a un mismo examen parcial-recuperatorio. (5) Estudiantes Licenciatura en Paleontología: Para ingresar en el régimen de promoción, el alumno debe obtener un promedio ponderado de 70 puntos entre ambos parciales, en donde el primer parcial contribuye al promedio con un 25% y el segundo parcial con un 75%. 16

17 Fecha teórica Tema Teórica Fecha TP Tema TP Mi 12/8 Introducción Ma 11/8 Mi 12/8 LIBRE Vi 14/8 Historia del pensamiento evolutivo Ju 13/8 Vi 14/8 LIBRE Mi 19/8 Variabilidad genética Ma 18/8 Mi 19/8 LIBRE Vi 21/8 Genética de Poblaciones I Ju 20/8 Vi 21/8 LIBRE Mi 26/8 Genética de Poblaciones II Ma 25/8 - Mi 26/8 Historia del pensamiento evolutivo I Vi 28/8 LIBRE (jornada de Biología Evolutiva) Ju 27/8 - Vi 28/8 LIBRE (jornada de Biología Evolutiva el 28/8) Mi 2/9 Genética de Poblaciones III Ma 1/9 - Mi 2/9 Historia del pensamiento evolutivo II Vi 4/9 Evolución molecular I Ju 3/9 - Vi 4/8 Genética de Poblaciones I Mi 9/9 Evolución molecular II Ma 8/9 - Mi 9/9 Genética de Poblaciones II Vi 11/9 Plasticidad fenotípica Ju 10/9 - Vi 11/9 Genética de Poblaciones III Mi 16/9 Arquitectura genética Ma 15/9 - Mi 16/9 Teoría Neutralista I Vi 18/9 Filogenia I Ju 17/9 - Vi 18/9 Teoría Neutralista II Mi 23/9 Filogenia II Ma 22/9 - Mi 23/9 Filogenia I Vi 25/9 Filogenia III Ju 24/9 - Vi 25/9 Filogenia II Mi 30/9 REPASO Ma 29/9 - Mi 30/9 Filogenia III Vi 2/10 LIBRE Ju 1/10 - Vi 2/10 REPASO Miércoles 7/10 Primer Parcial Teórico-Práctico Vi 9/10 Teoría y Realidad de especie Ju 8/10 - Vi 9/10 LIBRE Mi 14/10 Especiación I Ma 13/10 - Mi 14/10 Biogeografía Vi 16/10 Especiación II Ju 15/10 - Vi 16/10 Especiación I Mi 21/10 Especiación III Ma 20/10 - Mi21/10 Especiación II Vi 23/10 Especiación IV Ju 22/10 - Vi 23/10 Especiación III Mi 28/10 EvoDevo Ma 27/10 - Mi 28/10 EvoDevo I Vi 30/11 Macroevolución Ju 29/10 - Vi 30/10 EvoDevo II 17

18 Mi 4/11 Adaptación Ma 3/11 - Mi 4/11 Macroevolución I Vi 6/11 Evolución del Sexo Ju 5/11 - Vi 6/11 Macroevolución II Mi 11/11 Evolución Humana I Ma 10/11 - Mi 11/11 Evolución Humana I Vi 13/11 Evolución Humana II Ju 12/11 - Vi 13/11 Evolución Humana II Mi 18/11 Evolución Humana III Ma 17/11 - Mi 18/11 Evolución Humana III Vi 20/11 REPASO Ju 19/11 - Vi 20/11 REPASO Miércoles 25/11 Segundo Parcial Teórico-Práctico Mi 9/12 Primer Recuperatorio Vi 11/12 Segundo Recuperatorio 18

19 EVOLUCIÓN 2015 TURNO: Apellido y nombre: L.U. N :... Domicilio: TE:... E mail:.. Correlativa Genética I TP aprobado Final aprobado Entregado Video HyS Talón reglam. Fecha TP Asistencia Evaluación Observaciones 25 26/08 Introducción Historia y Filosofía pensamiento evolutivo I 1 2/09 Introducción Historia y Filosofía pensamiento evolutivo II 3 4/09 Genética de Poblaciones (Tp simulaciones) 8 9/09 Genética de Poblaciones (Populus) 10 11/09 Genética de Poblaciones (Problemas) 15 16/09 Teoría Neutralista I 17 18/09 Teoría Neutralista II 22 23/09 Análisis Filogenético I 24 25/09 Análisis Filogenético II 29 30/09 Análisis Filogenético III 1 2/10 Repaso 13 14/10 Biogeografía 15 16/10 Especiación I 20 21/10 Especiación II 22 23/10 Especiación III 27 28/10 Evo Devo I 29 30/10 Evo Devo II 3 4/11 Macroevolución I 5 6/11 Macroevolución II 10 11/11 Evolución Humana I 12 13/11 Evolución Humana II 17 18/11 Evolución humana III 19 20/11 Repaso Nota 1 er parcial: Nota recuperatorio:.. Nota 2 do parcial:.. Nota recuperatorio: Nota promoción:.. Examen final:. OBSERVACIONES:.. 19

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21 MÓDULO I: INTRODUCCIÓN A LA HISTORIA Y FILOSOFÍA DEL PENSAMIENTO EVOLUTIVO 21

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23 TRABAJO PRÁCTICO N 1: INTRODUCCIÓN A LA HISTORIA Y FILOSOFIA DEL PENSAMIENTO EVOLUTIVO (1 PARTE) Por Guillermo Folguera y Ana Liza Tropea La filosofía sin historia es vacía, la historia sin la filosofía es ciega Immanuel Kant 1) Presentación de los docentes responsables del turno; trabajo a realizar durante la cursada; modalidades de evaluación y régimen de aprobación de la materia. Introducción. Un estudio de historia, filosofía y/o epistemología de cualquier disciplina no es susceptible de ser abordado en un sólo práctico. En el siguiente módulo se analizarán sólo algunos de los fundamentos básicos que dicho estudio contempla y requiere. Salvo en algunos de los puntos más específicos, no se trata sólo de una discusión pertinente a las teorías evolutivas. De todos modos, se debe reconocer que la Evolución, y el pensamiento evolutivo, es un excelente modelo para dar origen a un estudio de estas características. La mirada de la estructura de nuestras ciencias en la actualidad y en el pasado resulta fundamental a la hora de entender nuestras limitaciones, posibilidades y el papel que cumplimos en ellas. Para ello, es importante comenzar por reflexionar acerca de qué es eso que llamamos ciencia, cuál es su objeto de estudio y cuáles son sus objetivos y sus metodologías, cómo se lleva adelante, quiénes la construyen, qué factores influyen en su devenir. En síntesis, es de vital importancia indagar sobre los fundamentos de nuestra propia actividad para que los debates que se susciten en su transcurso resulten enriquecedores y para poder tomar una posición crítica frente a los mismos en tanto profesionales y ciudadanos. Y al recorrer este camino, no podemos dejar de reconocer al menos dos puntos que llaman a una profunda reflexión. En primer lugar, al indagar sobre el objeto de estudio de la ciencia, nos encontramos ante la cuestión de reflexionar sobre la relación que existe entre ese conocimiento particular y el mundo natural, la realidad. Y este punto no es menor ya que constituye la base sobre la que se construirá, consciente o inconscientemente, las nociones de ciencia y de verdad. Es acaso la ciencia un cuerpo de saberes que describen cómo funciona el mundo, externo e independiente de los científicos? Es la naturaleza algo que existe más allá de nuestros sistemas de conocimiento? Es lo mismo la ciencia en Occidente que en Oriente a pesar de que la naturaleza es la misma? Pueden existir varias naturalezas? O es tal vez la ciencia una interpretación posible del mundo, entre otras interpretaciones posibles? En este contexto se discutirán entonces diversos ejes como por ejemplo, el status ontológico que poseen las categorías que comúnmente emplea ese conocimiento - se planteará si las especies o si los genes existen o no en la naturaleza-; la importancia de los fenómenos observables; la posibilidad de que el conocimiento científico sea objetivo y acabado y; el progreso de la ciencia, entre otros. 23

24 En segundo lugar, al tratar de definir qué es la ciencia, no podemos dejar de lado la dimensión histórica de dicha problemática, ya que a través de ella entenderemos que la ciencia de hoy no es la misma que la ciencia del pasado, pero sí su fruto. Mirar hacia atrás sin embargo, no es una tarea sencilla. Los historiadores deben reconstruir dicha historia pero no de manera ciega. Deberán, en primera instancia, formular un interrogante particular acerca de esa ciencia. Recién allí y junto a una clara delimitación sobre qué será considerado como ciencia y que no dada en parte por la filosofía, el historiador formulará sus interpretaciones sobre los hechos documentados y podrá construir su narrativa la cual no sólo responderá a su interrogante original, sino que también constituirá una argumentación en favor de ciertas hipótesis históricas previas. Veremos un ejemplo al finalizar este primer trabajo práctico, en particular, con el famoso ejemplo del ocaso de las ideas transformistas de Lamarck a la sombra de Cuvier. En este contexto, cobra fundamental importancia la distinción entre qué factores, nociones, prácticas o inclusive individuos consideraremos incluidos dentro de la delimitación de ciencia realizada y cuales no. En otras palabras, cuales consideraremos como factores internos a la práctica científica y cuales consideraremos como factores externos a la misma. Es necesario enfatizar pues la gran importancia que reviste la reflexión sobre qué es ciencia y qué no, pudiendo recién allí aventurar una reconstrucción histórica de la misma. No podemos tratar de entender el porqué de la estructura de la ciencia actual sin siquiera saber qué es lo que estamos tratando de comprender. En este bloque temático no se pretende que el alumno aventure dicha delimitación de la ciencia que, por otra parte, es el complejo objeto de estudio de la epistemología. Tampoco es un objetivo que los alumnos puedan escribir sobre historia de la ciencia. Pero sí es nuestro objetivo introducir estas problemáticas y estimular la reflexión en torno a ellas ya que contribuyen a una formación académica plural y compleja que permitirá la toma de posición crítica y fundamentada frente a diversos debates o problemas que involucren el mundo natural y, en particular, la Teoría Evolutiva. Sobre la concepción de ciencia 1. Lea detenidamente el texto que figura a continuación y responda (Fragmentos extraídos de: Lewontin RC; Rose S; Kamin LJ. No está en los genes. Ed. Drakontos Bolsillo. Barcelona Pp ): a) Cuál es la concepción que los autores tienen sobre la ciencia? b) Según los autores: qué es la objetividad científica? Bajo qué supuestos está consolidada? c) Qué significa para Ud. hacer ciencia? Está de acuerdo con lo planteado por los autores? 24

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28 2. Instrumentalismo Realismo y el debate ciencia vs. religión. a) Analice la distinción entre realismo e instrumentalismo según Popper (Texto I). Aplique esta distinción al caso de Copérnico y Galileo (textos II, III). b) Analice la disputa entre ciencia y religión propuesta por Galileo y relacione dicha propuesta en el marco del surgimiento del creacionismo científico y la Teoría Evolutiva (texto IV). c) Qué relación encuentra entre este debate y su noción de ciencia (formulada en el punto 1.c.)? d) Considera Ud. que la Teoría Evolutiva es una teoría incompatible con la fe religiosa? Bibliografía de lectura obligatoria: Texto I. Popper, K. R "Tres concepciones sobre el conocimiento humano" en Conjeturas y Refutaciones. Barcelona, Paidós, pp Texto II. Osiander, A Prefacio en Copérnico, N. Sobre las revoluciones (de los orbes celestes). Madrid, Editora Nacional. Texto III. Galilei, G Ciencia y Religión en Cartas a Cristina de Lorena y otros textos sobre ciencia y religión. Madrid, Alianza. Texto IV. Gould, S.J La evolución como hecho y como teoría en Dientes de gallina y dedos de caballo. Ed. Blume. Madrid. 28

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33 TEXTO II: Osiander, prefacio a Copérnico AL LECTOR SOBRE LAS HIPÓTESIS DE ESTA OBRA 1 Divulgada ya la fama acerca de la novedad de las hipótesis de esta obra, se considera que la Tierra se mueve y que el Sol está inmóvil en el centro del universo, no me extraña que algunos eruditos se hayan ofendido vehementemente y consideren que no se deben modificar las disciplinas liberales constituidas correctamente ya hace tiempo. Pero si quieren ponderar la cuestión con exactitud, encontrarán que el autor de esta obra no ha cometido nada por lo que merezca ser reprendido. Pues es propio del astrónomo calcular la historia de los movimientos celestes con una labor diligente y diestra, y además concebir y configurar las causas de estos movimientos, o sus hipótesis, cuando por medio de ningún proceso racional puede averiguar las verdaderas causas de ellos. Y con tales supuestos pueden calcularse correctamente dichos movimientos a partir de los principios de la geometría, tanto mirando hacia el futuro como hacia el pasado. Ambas cosas ha establecido este autor de modo muy notable. Y no es necesario que estas hipótesis sean verdaderas, ni siquiera que sean verosímiles, sino que se basta con que muestren un cálculo coincidente con las observaciones, a no ser que alguien sea tan ignorante de la geometría o de la óptica tenga por verosímil el epiciclo de Venus, o crea que esa es la causa por la que precede unas veces al Sol y otras le sigue en cuarenta grados o más. Quién no advierte, supuesto esto, que necesariamente se sigue que el diámetro de la estrella en el perigeo es más de cuatro veces mayor; y su cuerpo más dieciséis veces mayor de lo que aparece en el apogeo, a lo que, sin embargo, se opone la experiencia de cualquier edad? También en esta disciplina hay cosas no menos absurdas o que en este momento no es necesario examinar. Está suficientemente claro que este arte no conoce completa y absolutamente las causas de los movimientos aparentes desiguales. Y si al suponer algunas, y ciertamente piensa muchísimas, en modo alguno suponga que puede persuadir a alguien [en que son verdad] sino tan solo para establecer correctamente el cálculo. Pero ofreciéndose varias hipótesis sobre uno solo y el mismo movimiento (como la excentricidad y el epiciclo en el caso del movimiento del Sol) el astrónomo tomará la que con mucho sea más fácil de comprender. Quizás el filósofo busque más la verosimilitud: pero ninguno de los dos comprenderá o transmitirá nada cierto, a no ser que le haya sido revelado por la divinidad. Por lo tanto, permitamos que también estas nuevas hipótesis se den a conocer entre las antiguas, no como más verosímiles, sino porque son al mismo tiempo admirables y fáciles, y porque aportan un gran tesoro de sapientísimas observaciones. Y no espere nadie en lo que respecta a las hipótesis, algo cierto de la astronomía, pues no puede proporcionarlo; para que no salga de esta disciplina más estúpido de lo que entre, si toma como verdad lo imaginado para otro uso. Adiós. 1 Prefacio debido a Andreas Osiander, aparecido primero anónimo en la edición de Durante algún tiempo le fue atribuido al propio Copérnico. 33

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45 TRABAJO PRÁCTICO N 2: INTRODUCCIÓN A LA HISTORIA Y FILOSOFIA DEL PENSAMIENTO EVOLUTIVO (2 PARTE) Nada en biología tiene sentido si no es a la luz de la evolución Theodosius Dobzhansky Nada en evolución tiene sentido si no es a la luz de la historia Richard Lewontin La dimensión histórica de la ciencia 1. Distinga entre factores internos y factores externos según el criterio de Lakatos utilizando el texto "Historia interna y externa" de Gaeta y Lucero (texto V). TEXTO V: Historia interna e historia externa (Fragmento) Extraído de: Gaeta, R. y Lucero, S "Historia interna e historia externa" en Imre Lakatos. El falsacionismo sofisticado. Buenos Aires, Eudeba. Un rasgo distintivo del pensamiento de Lakatos es el rol que le confiere a la historia de la ciencia en la evaluación de las diferentes teorías que tratan de caracterizar el conocimiento científico. Una filosofía de la ciencia manifiesta su riqueza y potencia explicativa en la medida en que ofrece una reconstrucción racional adecuada de la historia real. Pero, por otra parte, la historia de la ciencia se apoya en la filosofía, en la medida en que los datos que toma en cuenta el historiador son seleccionados e interpretados a la luz de algunos principios filosóficos, aun cuando no tenga conciencia completa de este hecho: Una historia sin ningún sesgo teórico es imposible. De allí que historia de la ciencia y filosofía de la ciencia sean mutuamente dependientes. La filosofía suministra los cánones normativos que orientan la tarea del historiador: la búsqueda, interpretación y selección de los hechos. El filósofo, por su parte, toma en cuenta los episodios reales -metodológicamente interpretados- a fin de dar una explicación racional de la marcha de la ciencia. Si esto es así, de toda filosofía de la ciencia deviene una teoría de la racionalidad científica. La relación estrecha entre las dos disciplinas está sintetizada en la conocida paráfrasis que Lakatos hace de una frase de Kant: -La filosofía de la ciencia sin historia de la ciencia es nada; la historia de la ciencia sin filosofía de la ciencia es ciega. De todos modos, la historia de la ciencia funciona como un tribunal de apelación para confrontar y evaluar filosofías rivales; en estos casos constituye una especie de base empírica para la contrastación, lo cual permite elegir la metodología más adecuada. Ahora bien, no todos los episodios de la historia real integran la reconstrucción racional elaborada por el historiador. Al respecto, Lakatos se vale de una distinción conocida en la época, a la que da un sentido muy particular: la demarcación entre historia interna e historia externa. La historia externa o empírica abarca los factores psicológicos y sociales, que posibilitan e inciden en el desarrollo del conocimiento. La historia interna o normativa comprende los aspectos lógico-matemáticos y empíricos de las teorías o programas de investigación; además, establece los criterios y las reglas que 45

46 rigen la actividad científica. Es la historia objetiva de la ciencia, la que transcurre en el tercer mundo de Popper y Platón. Lakatos señala que la demarcación entre lo interno y lo externo no es absoluta sino que depende de los cánones metodológicos que establece cada filosofía. Para el inductivismo, a la historia interna de la ciencia pertenecen los enunciados factuales y las generalizaciones; para el probabilismo, son relevantes los casos confirmatorios de las teorías y el incremento (o disminución) de su grado de probabilidad, conforme a la evidencia empírica disponible. El falsacionismo ingenuo considera que las piezas esenciales de la historia de la ciencia son las refutaciones y los experimentos cruciales, así como el derrocamiento de teorías refutadas y la propuesta de nuevas conjeturas audaces. La metodología de los PIC 1, en fin, concibe la historia interna como una pugna entre programas de investigación progresivos y degenerativos que conduce a la sustitución de estos últimos por los primeros. Para el filósofo, lo primario y fundamental es la historia interna; ella constituye el material de la reconstrucción racional, mientras que la historia externa es secundaria, periférica e irracional. La historia interna determina, además, cuál es la jurisdicción de la historia externa y, en este sentido, la condiciona; pero la inversa no es concebible: "Que un experimento sea crucial o no, que una hipótesis sea altamente probable o no a la luz de la evidencia disponible, que una problemática sea progresiva o no, no depende lo más mínimo de la autoridad, las creencias o la personalidad de los científicos. Tales factores subjetivos no tienen ningún interés para la historia interna." 2 Dado que la demarcación es trazada desde la filosofía, puede darse el caso de que un mismo hecho sea considerado parte de la historia interna para un historiador, mientras que otro lo relegue al campo de la historia externa. Por ejemplo, para un falsacionista sofisticado, la circunstancia de que una teoría sea capaz de predecir hechos nuevos forma parte de la historia interna. La actitud de un inductivista crítico frente a la misma situación es diferente, pues lo que considera relevante es el aumento de la confirmación de una hipótesis por medio de los ejemplos corroboradores. Para el caso, no es en absoluto relevante si los hechos que confirman la teoría fueron descubiertos antes o después de la formulación de la ley, ya que lo que cuenta es el apoyo inductivo o lógico que ofrece la evidencia empírica. En consecuencia, la circunstancia de que se trate de un hecho hasta entonces desconocido queda relegada a la historia externa. No obstante, Lakatos sostiene que la historia interna no es suficiente; por el contrario, debe ser complementada con la historia empírica que toma a su cargo la explicación de aquellos sucesos que no pueden ser explicados por causas internas. La razón para ello es que los hombres no actúan siempre de manera racional; y aun cuando lo hicieran, no en todos los casos interpretan correctamente sus acciones; a veces se equivocan en los juicios que formulan e incurren en una falsa conciencia de los hechos. Esta circunstancia muestra las limitaciones de la historia interna: siempre queda algún residuo no racional que debe ser explicado por el externalista. Así, por ejemplo, sólo la historia externa puede dar cuenta de por qué no prosperaron las investigaciones genéticas mendelianas en la Rusia soviética de 1950, o las investigaciones económicas sobre ayuda al exterior en los países anglosajones en Digamos, de paso, que el tema de la falsa conciencia o de las ideas equivocadas que puedan sustentar los científicos acerca de su propio quehacer es un tópico que tiene que relegarse siempre a la historia externa. En este punto Lakatos coincide con Popper al dar preeminencia a los 1 PIC: Programa de Investigación Científica 2 Historia de la ciencia y sus reconstrucciones racionales. Imre Lakatos. Tecnos Madrid. Pág

47 hechos objetivos, que componen el tercer mundo, sobre las creencias y opiniones de los individuos que constituyen el segundo mundo de Popper. "El historiador internalista considerará tal hecho histórico (el de las opiniones equivocadas del científico) como un hecho del segundo reino que sólo es una caricatura de su contrapartida en el tercer reino. El por qué acaecen tales caricaturas no es de su incumbencia; debe transferirse al externalista el problema de por qué ciertos científicos tuvieron opiniones falsas sobre lo que estaban haciendo". 3 Aún así, la preeminencia de la historia interna está fuera de toda discusión y es tan fundamental que Lakatos concede al historiador internalista no solamente la facultad de interpretar los hechos acaecidos de acuerdo con sus esquemas conceptuales, sino también de modificarlos radicalmente si fuera necesario para que encuadren en la reconstrucción racional que esté emprendiendo. El ejemplo que propone corresponde al programa de investigación atómica de Bohr: a pesar de que en 1913 Bohr no se había referido todavía al spin del electrón, el historiador de la ciencia puede fechar su descubrimiento en ese momento porque encaja de manera natural y lógica en la descripción del programa. Dado el caso, puede aclarar en una nota de pie de página cómo ocurrieron efectivamente los hechos: Un método de señalar las discrepancias entre la historia y su reconstrucción racional consiste en exponer la historia interna en el texto e indicar en nota de pie de página cómo la historia real discrepa respecto de reconstrucción racional". 4 Antes de pasar a otro tema, conviene tener presente que estas reflexiones acerca de la historia y de la filosofía de la ciencia, así como muchas otras observaciones de Lakatos, corresponden a un nivel de análisis superior que cabría llamar metametodológico. En efecto, Lakatos suele usar el nombre de «metodologías» para referirse a las distintas concepciones elaboradas para caracterizar el conocimiento científico. Así, las diferentes versiones del falsacionismo constituyen otras tantas metodologías. En este sentido, las metodologías pertenecen al nivel metacientífico y no deben confundirse con las heurísticas, que son las normas que guían concretamente el trabajo científico dentro de un programa de investigación. Ahora bien, en principio, los procedimientos que utilizan los científicos no tendrían por qué coincidir con los que usa un filósofo de la ciencia para elaborar o defender las tesis que sustenta. Sin embargo, Lakatos proyecta el concepto de programas de investigación desde el plano científico hasta el metacientífico. Así, mientras que en el primer estrato los objetos de estudio son las secuencias de teorías científicas, en el segundo nivel se toma como objetos de estudio las metodologías de la ciencia, entendidas como teorías de la racionalidad (inductivismo, falsacionismo, convencionalismo conservador, etc.), los cuales se interpretan como programas de investigación historiográficos o metacientíficos. Los argumentos de Lakatos comprenden pues dos niveles, uno metodológico (acerca de la ciencia) y otro metametodológico (acerca de las teorías de la racionalidad). Su objetivo es mostrar la superioridad del falsacionismo sofisticado frente a las otras metodologías. 3 Historia de la ciencia y sus reconstrucciones racionales. Imre Lakatos. Tecnos Madrid. Pág Historia de la ciencia y sus reconstrucciones racionales. Imre Lakatos. Tecnos Madrid. Pág

48 2. Análisis del pensamiento evolutivo o "analizando lo analizado". a) Realice una tabla comparativa en la que figuren: años de nacimiento y muerte, país de origen, aportes, grupo social al cual pertenece, campos de sus contribuciones y metodología utilizada, la concepción del tiempo y de la historia de la vida, religión del autor, tipo de interpretación de la letra bíblica, noción de cambio y nivel biológico protagónico en su teoría evolutiva de cada uno de los siguientes pensadores: Buffon, Cuvier, Lamarck, Darwin, Mayr y Gould (texto VI). b) Suponga que Ud. es historiador de la ciencia. Formule una o dos preguntas concisas acerca de las ideas de alguno de los pensadores anteriormente discutidos. Responda luego a dichos interrogantes utilizando factores internos y/o externos. TEXTO VI: Biografías Lamarck Jean-Baptiste Lamarck nació el 1º de Agosto de 1744 en Bazentin-le-Petit (Picardie) en una familia noble pero pobre. Animado por un progenitor pobre pasó sus primeros años en el seminario jesuítico de Amiens con la intención de ordenarse sacerdote. En 1760, cuando su padre murió, abandonó los estudios sacerdotales e ingresó en el ejército para seguir a las tropas a Westfalia. Participó en toda la Guerra de los siete años, y en la primera batalla en que tomó parte fue ascendido a oficial por su valor, aunque solo contaba con 17 años de edad. Su valor pronto lo convirtió en oficial, pero un accidente, sucedido mientras jugaba con sus compañeros al término de la campaña en 1768 en el cual se lesionó gravemente las glándulas linfáticas, puso fin a su carrera militar. Se colocó en casa de un banquero, comenzó a estudiar medicina en París y se interesó por la botánica como amateur; sin embargo, su presentación ante la sociedad científica francesa tuvo lugar mediante la lectura, ante la Academia de las ciencias, de una memoria dedicada a la meteorología Sur les principaux phénomènes de l'atmosphère (1776). Se interesó por la botánica y, luego de conocer a Rousseau, en 1778 escribió un trabajo sobre sus observaciones botánicas, que el naturalista Georges Louis Buffon publicó en 1779 con el nombre de Flore francois (Flora francesa). Como resultado de la edición del libro y de su amistad con Buffon, Lamarck fue elegido miembro de la Academia de Ciencias de Paris. En este trabajo hizo su primer aporte a la ciencia natural, al proponer un nuevo método taxonómico: el método dicotómico. Poco después, Buffon le encomienda acompañar a su hijo en un viaje por Europa y visitar los jardines botánicos de Holanda, Alemania, Hungría. A su regreso se dedica a la investigación botánica publicando numerosos estudios relacionados con la identificación y clasificación de especies vegetales y a la elaboración del Dictionnaire de Botanique de l Encyclopédie méthodique. En 1789 fue nombrado "Guardián de los herbarios del Rey". En 1792 funda junto con algunos otros sabios el Journal d'histoire Naturelle y publica durante dos años diferentes estudios botánicos en los que se detecta un cambio de actitud con respecto al significado del término especie. Critica las clasificaciones artificiales y pasa a defender las sistemáticas que tienen en cuenta las relaciones naturales que muestran 48

49 las especies. La publicación del Journal fue misteriosa y abruptamente interrumpida en La llegada de la Revolución Francesa dio un giro a su vida intelectual; se convirtió en un zoólogo hacia 1793 empezó a trabajar como colaborador botánico en 1783 en el Jardín du Roi (jardín de plantas del rey de Francia) cuando a sugerencia de él la Convención lo reformó y transformó en el Museo de Historia Natural. Esta reforma, de inspiración revolucionaria, forma parte de la reforma global de la ciencia y su enseñanza que tuvo lugar en Francia a finales del siglo XVIII y que después fue imitada en todos los países industriales del mundo, comenzando en Alemania y terminando en Inglaterra y los Estados Unidos durante la segunda mitad del siglo XIX. En el nuevo Museo se crearon doce cátedras: Arte químico (Brongniart), Mineralogía (Daubenton), Botánica (Desfontaines), Geología (Faujas de St. Fon), Química general (Fourcroy), Animales superiores (Geoffroy), Botánica y herborización (Jussieu), Animales inferiores (Lamarck), Anatomía animal (Mertrud), Anatomía humana (Portal), Cultivos (Thouin), Iconografía (Van Spaendonck). Lamarck se encontró con que tenía que comenzar a desentrañar los misterios de los animales inferiores. Comenzó a estudiar estos seres y publicó diligentes e importantes trabajos que determinaron la aparición de un nuevo nombre para ellos: los invertebrados; y nuevos géneros, especies y órdenes. La investigación acerca de los invertebrados le sugirió ideas nuevas que chocaron con la realidad social del momento y esto determinó que Lamarck muriese pobre y olvidado. Desde 1794 publicó varias obras de gran amplitud e índole diversa en las que expuso sus novedosas ideas sobre las especies, la química, geología, física, fósiles, meteorología. En general sus ideas no tenían más que el valor de la novedad, pero algunas de ellas eran lo suficientemente interesantes, o no más especulativas que las propias de su época, y por tanto debían haber merecido una mayor resonancia. Entre 1794 y 1798 publica tres obras (Recherches sur les causes des principaux faits physiques, Réfutation de la théorie pneumatique y Mémoires de physique et d'histoire Naturelle) donde expone su teoría sobre el fuego, oponiéndola a la teoría de los gases de Lavoisier. Estas tres obras son, en gran parte, junto con las dedicadas a meterorología, las causantes del olvido que sufrió Lamarck en su propia época. Sus fantasías físicoquímicas pueden ser interpretadas hoy como el intento de fundar una física de la energía más adecuada a sus intereses biológicos que la propuesta por los pneumáticos. Entre 1800 y 1810 publica 11 Annuaires météorologiques con pronósticos acerca del tiempo. los que debían servir para ayudar a médicos, marineros y agricultores. Este conjunto de obras presenta un gran interés y con ellas se adelanta a la meteorología moderna sentando algunos de sus principios y métodos. Sin embargo, Lamarck ha pasado a la historia de la ciencia sobre todo por sus obras sobre invertebrados y zoología. Entre ellas destacamos Système des animaux sans vertebres (1801), Recherches sur l'organisation des corps vivants, Histoire naturelle des animaux sans vertébres (1801). Publicó una impresionante obra en siete volúmenes, Historia natural de los animales invertebrados ( ). Sin embargo, su principal contribución a la ciencia fue la teoría de la evolución, expuesta en su Philosophie Zoologique (1809) en impecable forma científica, que hizo época en los anales de la ciencia, a pesar de que más tarde se hicieran evidentes sus errores en concepto. 49

50 Lamarck basó su hipótesis en el razonamiento siguiente: una gran modificación en el ambiente de una especie animal daría por resultado la necesidad de un cambio en esa determinada especie. Esta necesidad de cambio, producida por sentimientos internos, causaría en el animal la formación de nuevos hábitos para ajustarse a su nuevo ambiente. Basado en sus amplios estudios de la naturaleza y en su idea de la necesidad de cambio, hizo dos suposiciones importantes: Llamó a la primera ley del uso y del desuso, la cual supone que si alguna parte del cuerpo se usa repetidamente, ésta crece y se desarrolla; en cambio, las que no se usan se debilitan lentamente, se atrofian y pueden llegar a desaparecer. La segunda suposición fue la ley de la herencia de los caracteres adquiridos, que implica que cualquier animal puede transmitir a sus descendientes aquellos caracteres que ha adquirido durante su vida. Estas suposiciones las utilizó Lamarck para explicar el mecanismo de la evolución. Creyó que después de muchas generaciones evolucionaban nuevas especies como resultado de la adquisición o pérdida de caracteres. Por ejemplo, Lamarck afirmaba que al extender los dedos de los pies debajo del agua las aves palmípedas habían estimulado el desarrollo de membranas entre sus dedos. Por medio del constante estiramiento para mantenerse arriba del agua, las aves zancudas habían producido sus patas extraordinariamente largas. Los topos y los ratones ciegos habían perdido la vista después de vivir debajo de la superficie de la tierra por varias generaciones. Y en su ejemplo más famoso, Lamarck argumentó que las jirafas desarrollaron sus largas patas delanteras y sus cuellos tratando de alcanzar el follaje del los árboles de la sabana africana. Lamarck escribió: No es... la forma y el tipo de las partes corporales del animal que han dado lugar a sus hábitos y propiedades particulares sino, al contrario, son las costumbres y el estilo de vida y las condiciones bajo las cuales vivían sus antepasados que a lo largo del tiempo han determinado su forma corporal, sus órganos y sus características. Debido a que los animales seguían adaptándose al medio ambiente en flujo constante, el mismo concepto de una especie estable no tenía sentido para Lamarck. La vida era fluida, siempre volviéndose a diseñar en nuevas formas como respuesta a las circunstancias inestables. Murió en París el 18 de Diciembre de 1829 a la edad de 85 años y tras haber dejado una extensa obra dedicada a diferentes materias científicas. Su tumba se encuentra en la sección de indigentes del cementerio de Montparnasse en París. Solamente unos viejos y queridos amigos permanecían allí para despedirse de Jean- Baptiste Lamarck. Había sido uno de los naturalistas más respetados de Francia, el hombre que inventó el término biología, y la primera persona en desarrollar una teoría coherente de la evolución. Pero después de pasar sus últimos diez años aislado, ciego y terriblemente pobre, Lamarck se había ido y le habían olvidado. Sus ideas de evolución no lograron estimular la imaginación de sus contemporáneos; sin embargo, 50 años más tarde, el hecho de ser esta teoría opuesta a la que más tarde expuso Charles Darwin, dio 50

51 origen a la división entre dos escuelas evolucionistas, la darwinista y la lamarckiana, que imperó durante todo el siglo XIX. La Academia de las ciencias se reunió en 1832 en honor a Lamarck, y Cuvier hizo un elogio de Lamarck que sirvió más de censura que de glorificación. En sus escritos Lamarck había combatido las ideas de Cuvier y de casi todos los demás quienes pensaban que antes las especies eran estables y fijas. Argumentó que a lo largo del tiempo geológico los seres vivientes se habían perfeccionado paulatinamente hasta llegar a sus formas modernas. Lamarck fue el primero en promulgar la idea subversiva de "descendencia con modificación", es decir la noción de que las especies modernas fueran formas de vida derivadas de predecesores primitivos. Para el Barón Cuvier, quien había pasado una carrera enormemente productiva demostrando la estabilidad ordenada del mundo orgánico, tales pensamientos eran tonterías ultrajantes. Dadas sus investigaciones, Cuvier tenía la certeza de que los seres vivientes de la tierra se organizaban en varias categorías distintas, las cuales no habían cambiado desde la Creación. Si las especies hubieran cambiado gradualmente, preguntaba Cuvier, dónde estaba la evidencia para comprobarlo? Los animales momificados que se trajeron a Europa de las expediciones de Napoleón eran idénticos a los especímenes vivos a pesar del transcurso de varios miles de años. Cuvier argumentaba que si Lamarck tuviera razón, al menos algunos cambios deberían haberse detectado. El método obstinado del Barón Cuvier fue bien recibido en la comunidad científica, mientras que la teoría de transmutación gradual de Lamarck resultó en un rechazo generalizado. A fin de cuentas, la disputa amarga entre Lamarck y Cuvier se recuerda porque estos científicos esbozaron las dos alternativas generalizadas para una teoría del cambio orgánico: lo gradual contra lo repentino. Sin embargo, no se resolvió nada. Ningún mecanismo, ni la transmutación intencionada ni las catástrofes violentas convencieron a la larga. Sorprendentemente, el componente esencial de la explicación del cambio biológico se pediría prestado de otra disciplina novedosa: la economía. 51

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71 Charles Robert Darwin C. R. Darwin nació en Shrewsbury el 12 de febrero de Fue el segundo hijo varón de Robert Waring Darwin, médico de fama en la localidad, y de Susannah Wedgwood, hija de un célebre ceramista del Staffordshire, Josiah Wedgwood, y miembro de la Royal Society. Su abuelo paterno, Erasmus Darwin, fue también un conocido médico e importante naturalista, sus teorías acerca de la herencia de los caracteres adquiridos estaban destinadas a caer en descrédito por obra, precisamente, de su nieto. Además de su hermano, cinco años mayor que él, Charles tuvo tres hermanas también mayores y una hermana menor. Tras la muerte de su madre en 1817, su educación transcurrió en una escuela local y en su vejez recordó su experiencia allí como lo peor que pudo sucederle a su desarrollo intelectual. Ya desde la infancia dio muestras de un gusto por la historia natural que él consideró innato y, en especial, de una gran afición por coleccionar cosas (conchas, sellos, monedas, minerales) el tipo de pasión «que le lleva a uno a convertirse en un naturalista sistemático, en un experto, o en un avaro». En octubre de 1825 Darwin ingresó en la Universidad de Edimburgo para estudiar medicina por decisión de su padre, al que siempre recordó con cariño y admiración (y con un respeto no exento de connotaciones psicoanalíticas); la hipocondría de su edad adulta combinó la desconfianza en los médicos con la fe ilimitada en el instinto y los métodos de tratamiento paternos. Sin embargo Darwin no consiguió interesarse por la carrera; a la repugnancia por las operaciones quirúrgicas y a la incapacidad del profesorado para captar su atención, vino a sumarse el creciente convencimiento de que la herencia de su padre le iba a permitir una confortable subsistencia sin necesidad de ejercer una profesión como la de médico. De modo que, al cabo de dos cursos, su padre, dispuesto a impedir que se convirtiera en un ocioso hijo de familia, le propuso una carrera eclesiástica. Tras resolver los propios escrúpulos acerca de su fe, Darwin aceptó con gusto la idea de llegar a ser un clérigo rural y, a principios de 1828, después de haber refrescado su formación clásica, ingresó en el Christ's College de Cambridge. Una nueva vida Más que de los estudios académicos que se vio obligado a cursar, Darwin extrajo provecho en Cambridge de su asistencia voluntaria a las clases del botánico y entomólogo reverendo John Henslow, cuya amistad le reportó «un beneficio inestimable» y que tuvo una intervención directa en dos acontecimientos que determinaron su futuro: por una parte, al término de sus estudios en abril de 1831, Henslow le convenció de que se interesase por la geología, y le presentó a Adam Sedgwick, fundador del sistema cambriano, quien inició precisamente sus estudios sobre el mismo en una expedición al norte de Gales realizada en abril de ese mismo año en compañía de Darwin (treinta años más tarde, Henslow se vería obligado a defender al discípulo común ante las violentas críticas dirigidas por Sedgwick a las ideas evolucionistas); por otra parte, lo que es aún más importante, fue Henslow quien le proporcionó a Darwin la oportunidad de embarcarse como naturalista con el capitán Robert Fitzroy y acompañarle en el viaje que éste se proponía realizar a bordo del Beagle alrededor del mundo. En un principio su padre se opuso al proyecto, manifestando que sólo cambiaría de opinión si «alguien con sentido común» era capaz de considerar aconsejable el viaje. 71

72 Ese alguien fue su tío -y futuro suegro- Josiah Wedgwood, quien intercedió en favor de que su joven sobrino cumpliera el objetivo de viajar que Darwin se había fijado ya meses antes, cuando la lectura de Humboldt suscitó en él un deseo inmediato de visitar Tenerife y empezó a aprender castellano. El 27 de diciembre de 1831 el Beagle zarpó de Davenport con Darwin a bordo y dispuesto a comenzar la que él llamó su «segunda vida». El viaje del Beagle El objetivo de la expedición dirigida por Fitzroy era el de completar el estudio topográfico de los territorios de la Patagonia y la Tierra del Fuego, el trazado de las costas de Chile, Perú y algunas islas del Pacífico y la realización de una cadena de medidas cronométricas alrededor del mundo. El periplo, de casi cinco años de duración, llevó a Darwin a lo largo de las costas de América del Sur, para regresar luego durante el último año visitando las islas Galápagos, Tahití, Nueva Zelanda, Australia, Mauricio y Sudáfrica. Durante ese período su talante experimentó una profunda transformación. La antigua pasión por la caza sobrevivió los dos primeros años con toda su fuerza y fue él mismo quien se encargó de disparar sobre los pájaros y animales que pasaron a engrosar sus colecciones; poco a poco, sin embargo, esta tarea fue quedando encomendada a su criado a medida que su atención resultaba cada vez más absorbida por los aspectos científicos de su actividad. El estudio de la geología fue, en un principio, el factor que más contribuyó a convertir el viaje en la verdadera formación de Darwin como investigador, ya que con él entró inexcusablemente en juego la necesidad de razonar. Darwin se llevó consigo el primer volumen de los Principles of Geology de Charles Lyell, autor de la teoría llamada de las causas actuales y que habría de ser su colaborador en la exposición del evolucionismo; desde el reconocimiento de los primeros terrenos geológicos que visitó (la isla de São Tiago, en Cabo Verde), Darwin quedó convencido de la superioridad del enfoque preconizado por Lyell. En Sao Tiago tuvo por vez primera la idea de que las rocas blancas que observaba habían sido producidas por la lava derretida de antiguas erupciones volcánicas, la cual, al deslizarse hasta el fondo del mar, habría arrastrado conchas y corales triturados comunicándoles consistencia rocosa. Hacia el final del viaje, Darwin tuvo noticia de que Sedgwick había expresado a su padre la opinión de que el joven se convertiría en un científico importante; el acertado pronóstico era el resultado de la lectura por Henslow, ante la Philosophical Society de Cambridge, de algunas de las cartas remitidas por Darwin. La teoría sobre la formación de los arrecifes de coral por el crecimiento de éste en los bordes y en la cima de islas que se iban hundiendo lentamente, fue el primero en ver la luz (1842) de entre los logros científicos obtenidos por Darwin durante el viaje. Junto a éste y al establecimiento de la estructura geológica de algunas islas como Santa Elena, está el descubrimiento de la existencia de una cierta semejanza entre la fauna y la flora de las islas Galápagos con las de América del Sur, así como de diferencias entre los ejemplares de un mismo animal o planta recogidos en las distintas islas, lo que le hizo sospechar que la teoría de la estabilidad de las especies podría ser puesta en entredicho. Fue la elaboración teórica de esas observaciones la que, años después, resultó en su enunciado de las tesis evolutivas. Darwin regresó a Inglaterra el 2 de octubre de 1836; el cambio experimentado en esos años fue notable. También su salud se había alterado; hacia el final del viaje se mareaba con más facilidad que en sus comienzos, y en el otoño de 1834 había estado enfermo durante un mes. Se ha especulado con la posibilidad de que en marzo de

73 contrajera la enfermedad de Chagas como consecuencia de la picadura de un insecto. De todos modos, trabajó en la redacción de su diario del viaje (publicado en 1839) y en la elaboración de dos textos que presentaran sus observaciones geológicas y zoológicas. Instalado en Londres desde marzo de 1837, actuó como secretario honorario de la Geological Society y tomó contacto con Lyell. En julio de ese año empezó a escribir su primer cuaderno de notas sobre sus nuevos puntos de vista acerca de la «transmutación de las especies», que se le fueron imponiendo al reflexionar acerca de sus propias observaciones sobre la clasificación, las afinidades y los instintos de los animales, y también como consecuencia de un estudio exhaustivo de cuantas informaciones pudo recoger relativas a las transformaciones experimentadas por especies de plantas y animales domésticos debido a la intervención de criadores y horticultores. Sus investigaciones, realizadas sobre la base de «auténticos principios baconianos», pronto le convencieron de que la selección era la clave del éxito humano en la obtención de mejoras útiles en las razas de plantas y animales. La posibilidad de que esa misma selección actuara sobre los organismos que vivían en un estado natural se le hizo patente cuando en octubre de 1838 leyó «como pasatiempo» el ensayo de Malthus sobre la población, dispuesto como se hallaba, por sus prolongadas observaciones sobre los hábitos de animales y plantas, a percibir la presencia universal de la lucha por la existencia, se le ocurrió al instante que, en esas circunstancias, las variaciones favorables tenderían a conservarse, mientras que las desfavorables desaparecerían, con el resultado de la formación de nuevas especies. Darwin estimó que, «al fin, había conseguido una teoría con la que trabajar»; sin embargo, preocupado por evitar los prejuicios, decidió abstenerse por un tiempo de «escribir siquiera el más sucinto esbozo de la misma». En junio de 1842 se permitió el placer privado de un resumen muy breve -35 páginas escritas a lápiz-, que amplió hasta 230 páginas en el verano del año Por entonces, Darwin había contraído matrimonio el 29 de enero de 1839 con su prima Emma Wedgwood. Residieron en Londres hasta septiembre de 1842, cuando la familia se instaló en Down, en el condado de Kent, buscando un género de vida que se adecuase mejor a los frecuentes períodos de enfermedad que afligieron constantemente a Darwin. Por lo demás, los años de Londres fueron, por lo que a vida social se refiere, un preludio del retiro casi total en el que vivió en Down hasta el final de sus días. El 27 de diciembre de 1839 nació el primer hijo del matrimonio y Darwin inició con él una serie de observaciones, que se prolongaron a lo largo de los años, sobre la expresión de las emociones en el hombre y en los animales. Tuvo diez hijos, seis varones y cuatro mujeres, nacidos entre 1839 y 1856, de los que dos niñas y un niño murieron en la infancia. La teoría de la evolución Durante los primeros años de su estancia en Down, Darwin completó la redacción de sus trabajos sobre temas geológicos y se ocupó también de una nueva edición de su diario de viaje, que en un principio había aparecido formando parte de la obra publicada por Fitzroy sobre sus expediciones; en las notas autobiográficas que redactó en 1876 (reveladoramente tituladas como Recollections of the Development of my Mind and Character). De 1846 a 1854 Darwin estuvo ocupado en la redacción de sus monografías sobre los cirripedios, por los que se había interesado durante su estancia en las costas de Chile al hallar ejemplares de un tipo que planteaba problemas de clasificación. Esos años de trabajo sirvieron para convertirlo en un verdadero naturalista según las exigencias de su época, añadiendo al aprendizaje práctico adquirido durante el viaje la formación teórica necesaria para abordar el problema de las relaciones entre la historia 73

74 natural y la taxonomía. Además, sus estudios sobre los percebes le reportaron una sólida reputación entre los especialistas, siendo premiados en noviembre de 1853 por la Royal Society, de la que Darwin era miembro desde A comienzos de 1856 Lyell aconsejó a Darwin que trabajara en el completo desarrollo de sus ideas acerca de la evolución de las especies. Darwin emprendió entonces la redacción de una obra que, aun estando concebida a una escala tres o cuatro veces superior de la que luego había de ser la del texto efectivamente publicado, representaba, en su opinión, un mero resumen del material recogido al respecto. Pero, cuando se hallaba hacia la mitad del trabajo, recibió un manuscrito que contenía una breve pero explícita exposición de una teoría de la evolución por selección natural, que coincidía exactamente con sus propios puntos de vista. El texto era obra de Alfred Russell Wallace, un naturalista que desde 1854 se hallaba en el archipiélago malayo. En su nuevo trabajo, Wallace hablaba como Darwin, de «lucha por la existencia», una idea que, curiosamente, también le había venido inspirada por la lectura de Malthus. Darwin puso a Lyell en antecedentes del asunto y le comunicó sus vacilaciones acerca de cómo proceder respecto de la publicación de sus propias teorías, llegando a manifestar su intención de destruir sus propios escritos antes que aparecer como un usurpador de los derechos de Wallace a la prioridad. El incidente se saldó de manera salomónica merced a la intervención de Lyell y del botánico Joseph Dalton Hooker, uno de los principales defensores de las teorías evolucionistas de Darwin. Siguiendo el consejo de ambos, Darwin resumió su manuscrito, que fue presentado por Lyell y Hooker ante la Linnean Society el 1 de julio de 1858, junto con el trabajo de Wallace y con un extracto de una carta remitida por Darwin el 5 de septiembre de 1857 al botánico estadounidense Asa Gray, en el que constaba un esbozo de su teoría. Wallace no puso nunca en cuestión la corrección del procedimiento; más tarde, en 1887, manifestó su satisfacción por la manera en que todo se había desarrollado, aduciendo que él no poseía «el amor por el trabajo, el experimento y el detalle tan preeminente en Darwin, sin el cual cualquier cosa que yo hubiera podido escribir no habría convencido nunca a nadie». Tras el episodio, Darwin se vio obligado a dejar de lado sus vacilaciones por lo que a la publicidad de sus ideas se refería y abordó la tarea de reducir la escala de la obra que tenía entre manos para enviarla cuanto antes a la imprenta; asi quedó por fin redactado el libro On the Origin of Species by means of Natural Selection, or the Preservation of Favoured Races in the Struggle for Life, del que los primeros ejemplares se vendieron el mismo día de su aparición, el 24 de noviembre de Las implicaciones teológicas de la obra, que atribuía a la selección natural facultades hasta entonces reservadas a la divinidad, fueron causa de que inmediatamente empezara a formarse una enconada oposición, capitaneada por el paleontólogo Richard Owen, quien veinte años antes había acogido con entusiasmo las colecciones de fósiles traídas por Darwin de su viaje. En una memorable sesión de la British Association for the Advancement of Science que tuvo lugar en Oxford el 30 de junio de 1860, el obispo Samuel Wilberforce en calidad de portavoz del partido de Owen ridiculizó con brillante elocuencia las tesis evolucionistas, provocando una contundente réplica por parte de Thomas Henry Huxley, zoólogo, que fue el principal defensor ante la oposición religiosa de las tesis de Darwin, ganándose el sobrenombre de su bulldog. A la pregunta de Wilberforce sobre si a Huxley le hubiera sido indiferente saber que su abuelo había sido un mono, la respuesta inmediata fue, según el testimonio de Lyell: «Estaría en la misma situación que su señoría». Darwin se mantuvo apartado de la intervención directa en la controversia pública hasta 1871, cuando se publicó su obra The Descent of Man and Selection in Relation to 74

75 Sex, donde expuso sus argumentos en favor de la tesis de que el hombre había aparecido sobre la Tierra por medios exclusivamente naturales. Tres años antes había aparecido su estudio sobre la variación en animales y plantas por los efectos de la selección artificial, en el que trató de formular una teoría sobre el origen de la vida en general («pangénesis»), que resultó ser la más pobre de sus aportaciones a la biología. En 1872, con The Expression of the Emotions in Man and Animals, obra seminal de lo que luego sería el estudio moderno del comportamiento, Darwin puso fin a sus preocupaciones por los problemas teóricos y dedicó los últimos diez años de su vida a diversas investigaciones en el campo de la botánica. A finales de 1881 comenzó a padecer graves problemas cardíacos y falleció a consecuencia de un ataque al corazón el 19 de abril de Ernst Walter Mayr E. W. Mayr was born in 1904 in Kempten, Bavaria. Although his father was a judge, there was a long tradition of medical practice in the family. Mayr's father, Otto, encouraged an interest in nature, taking his children for long hikes to study the local wildlife. Young E. Mayr was, he would say of himself, "a born naturalist," fascinated by everything in the natural world, but especially by birds. This prosperous, cultivated family, like many others throughout the German Empire, was ruined by the First World War and the subsequent collapse of the German economy. Mayr's father died during the war, and Ernst, along with his mother and brothers went to live in Dresden, far from his Bavarian home. As a teenager, he spotted a red-billed duck, rarely seen north of the Alps, and took his information to the country's leading ornithologist, E. Stresemann in Berlin. Stresemann was impressed with the youngster's learning and his powers of observation and urged him to consider a career in zoology. True to his family's medical tradition, Mayr instead began medical studies at the University of Greifswald, but the attraction of wildlife was irresistible and on completing pre-clinical studies, he transferred to the University of Berlin to study zoology. Under Stresemann's guidance, he completed his Ph.D. by age 21. Although he won appointment as an assistant at the Museum of the University of Berlin, Mayr was eager to undertake an expedition to a remote, exotic place, in the manner of the great 19th century naturalists. Stresemann recommended Mayr to Lord Walter Rothschild, a banker and naturalist who possessed the world's largest private collection of bird specimens, housed at his own museum in Tring, England. Rothschild paid for Mayr to undertake a collecting expedition in the Dutch East Indies, now Indonesia. Mayr's mission took him deep into the interior of New Guinea. On this expedition, Mayr found numerous plant and animal species previously unknown to western science. Over the course of his career, he would name 26 new species of birds and 38 new species of orchids. In 1931, Mayr accepted an invitation to join the staff of the American Museum in New York. Lord Rothschild decided to sell his treasured bird collection, and Mayr arranged for the collection to be sold to the American Museum, where it became an essential component of the collection that Mayr tended for the next 20 years. 75

76 Grateful to be safe in New York as the Nazis took power in his native Germany, Mayr settled permanently in the United States. In 1935, he married Margarete Simon. Their marriage was to last more than 55 years, until her death in While the outbreak of World War II made further scientific travel in the South Pacific impossible, Mayr tended the collections of the Museum and became increasingly interested in the study of evolutionary biology, which had reached an impasse in the early 1940s. The father of evolutionary theory, Charles Darwin, described the process of evolution within a given species by means of natural selection, but had never been able to explain the process through which descendants of a common ancestor can diverge widely enough to become different species. The rediscovery, early in the twentieth century, of the work of Gregor Mendel, supplied a new piece of the puzzle. In the 1940s, genetic scientists studying evolution relied heavily on mathematical models; few of them had the field experience of observing diverse species in the wild. Mayr brought just such experience to the problem of the formation of species. Mayr found a more constructive approach in the work of the Russian geneticist Theodosius Dobzhansky. At the time, one of the greatest difficulties in evolutionary theory was the lack of a clear definition of what actually constitutes a species. Without a clear definition it was impossible to answer the question of how species diverge. In his landmark 1942 book, Systematics and the Origin of Species, Mayr outlined the concept of "biological species." Drawing on the work of Dobzhansky, among others, Mayr changed the paradigm permanently by defining a species as a group whose members can interbreed only with one another. This biological species concept has become so widely accepted that most laymen now take it for granted. Mayr also described the process of allopatric speciation, in which an isolated population experiences different environmental factors than creatures of the same species in another location. The isolated population offers a different set of random mutations for natural selection to act upon, until it grows so different that it is no longer compatible with other populations descended from the same ancestors. Mayr has never contended that this process accounts for all speciation, but his work established allopatric speciation as the prevalent model of evolution among more complex life forms. In 1953 Mayr accepted an appointment as Louis Alexander Agassiz Professor of Zoology at Harvard University. He was to remain at Harvard for the rest of his long, productive life. From 1961 to 1970, he also served as Director of the Harvard University Museum of Comparative Zoology. Mayr continued to write on evolution, in books such as Animal Species and Evolution, and found himself in frequent conflict with the approach of some mathematical geneticists, whom he once dismissed as practicing "bean bag genetics." He experienced a similar disagreement with some molecular geneticists, whose views he saw as reductionist, focusing on individual genes, or even molecules, without taking into account the environmental factors that act on whole organisms, populations and species. In the 1970s, Mayr's work turned more and more to defining a philosophy of biology. He wrote prolifically on the history of biology, especially on the history of evolutionary theory, in works such as The Growth of Biological Thought (1982), One Long Argument: Charles Darwin and the Genesis of Modern Evolutionary Thought 76

77 (1991) and This Is Biology (1997). As Stresemann had once served Mayr as an invaluable mentor, Mayr in turn found a promising protégé in the young zoologist Jared Diamond. Their decades of work culminated in the publication of The Birds of Northern Melanesia in Over the course of his lifetime, Ernst Mayr received every award possible for a scientist in his field, including the National Medal of Science, the International Prize and the Balzan Prize. There is no Nobel Prize for evolutionary biology. Mayr once observed that Charles Darwin himself would not have been eligible for a Nobel Prize. Mayr officially retired in 1975, but remained at Harvard as Professor Emeritus. He published more than 200 articles after he retired, more than most scientists publish in a lifetime. He was still publishing when he died at the age of 100 in Stephen Jay Gould S. J. Gould ( ) was among the best known and widely read scientists of the late 20th century. A paleontologist and educator at Harvard University, Gould made his largest contributions to science as the leading spoken-person for evolutionary theory. His monthly columns in Natural History magazine and his popular works on evolution have earned him numerous awards and one of the largest readerships in the popular-science genre penning altogether over twenty successful books throughout his career. For more than 30 years Gould served on the faculty at Harvard, where he was Alexander Agassiz Professor of Zoology, Professor of Geology, Biology, and the History of Science, as well as curator for Invertebrate Paleontology at the institution's Museum of Comparative Zoology. When five-year-old Stephen Jay Gould first marveled at the towering Tyrannosaurus skeleton in the American Museum of Natural History, he decided to spend his life studying fossils. Although few children in Queens, New York, shared his early fascination for evolution, he never considered any other career but paleontology. For his doctoral thesis he investigated variation and evolution in an obscure Burmudian land snail, anchoring his later theorizing in intense scrutiny of a single group of organisms, as Darwin had done with Barnacles. At one point, he hoped to find correlation between variation and different ecologies within the creature's range, but the snails' sizes, colors and shell shapes seemed to vary quite independently of local environment. Impressed with the importance of nonselectionist factors in evolution, he also became interested in structural constraints: how slight changes in one feature must alter several others within definite limits what Darwin had called "correlation of parts." Gould also became interested in distinguishing incidental features from adaptive ones. He coauthored (with Richard Lewontin) an influential paper inspired by the spandrels (geometric architectural features decorated with impressive religious paintings) of certain medieval cathedrals. While art historians had analyzed their distinctive aesthetic, most had forgotten the spandrel's humble origin as unavoidable engineering consequences of stress distribution a structural byproduct of constructing that kind of dome. As a biological example, Gould points out that the human chin, often cited as "advanced" in comparisons with "lower" primates, holds no special correlation with higher intelligence. It is, like the spandrels, an incidental result of stress and growth factors in the human jawbone. 77

78 Although Gould has become closely identified with the influential idea of punctuated equilibrium, it actually originated with paleontologist Niles Eldredge and was developed by them jointly. Eldredge's detailed studies of trilobites brought home to him a pattern that had impressed Thomas Henry Huxley: the fossil record seems to show "bursts" of speciation, then long periods of stability. Darwin's reply was that the fossil record was then too sketchy and incompletely known to provide evidence of pattered rates. But vast accumulations of paleontological evidence over the last century do not support Darwin's case for a steady, gradual evolutionary rate. Eldredge's trilobite series suggested, instead, relatively short episodes of rapid evolution followed by long periods of stability, confirming Huxley's impression. Gould enthusiastically agreed; it was time to acknowledge that such episodic patterns in the rocks probably reflect the reality of life's history. By the 1980s, "Punctuationalism" had become widely adopted and was proving to be a fruitful hypothesis for generating new insights and research. Although one of Gould's lifelong heroes is Charles Darwin, whose achievements he has celebrated in such books as Ever Since Darwin (1977) and The Panda's Thumb (1980), he is irreverent toward the orthodox Synthetic Theory of Evolution that has prevailed in biology since the 1940s. Dissatisfied with the limits of its explanatory power, he is open to exploring other possible mechanisms and approaches to supplement traditional natural selection to the dismay of more conservative colleagues. One of his approaches has been to emphasize the hierarchy of levels on which evolution operates; biochemical, genetic, embryological, physiological, individual, societal, species, lineages. Sorting or selection on any of these levels, he believes, produces significant effects on the level above or below it. Yale paleontologist Elisabeth Vrba and others agree with Gould about the importance of such hierarchical studies. Among opponents of punctuationalism, a few (R. Dawkins, V. Grant) complain Gould has set up a "straw man" of Darwinian gradualism and that jumpy or "quantum evolution" was discussed years ago by Ernst Mayr and George Gaylord Simpson. Examples of Darwin's self-contradictory fudging are easy to find, but Gould maintains that change "by slow, insensible degrees" remained central to Darwinian thought. And while acknowledging his predecessors' insights, Gould argues that often it is a shift of emphasis and focus rather than a radically new idea that leads to deeper scientific understanding. Gould's success as a popular author is another tempting target for critics; he does not shrink from public controversies. He appeared before Congressional committees on environmental issues, was a courtroom witness in the Arkansas Scopes II trial regarding teaching of evolution in the public schools and is prominent in speaking out against pseudo-scientific racism and biological determinism. A S. J. Gould s quote from The evolution of life on earth. Scientific American 271 (October 1994): 91. Sigmund Freud often remarked that great revolutions in the history of science have but one common, and ironic, feature: they knock human arrogance off one pedestal after another of our previous conviction about our own self-importance. In Freud's three examples, Copernicus moved our home from center to periphery, Darwin then relegated us to descent from an animal world ; and, finally (in one of the least modest statements of intellectual history), Freud himself discovered the unconscious and exploded the myth of a fully rational mind. In this wise and crucial sense, the Darwinian revolution remains woefully incomplete because, even though thinking humanity accepts the fact of evolution, most of us are still unwilling to abandon the comforting view that 78

79 evolution means (or at least embodies a central principle of) progress defined to render the appearance of something like human consciousness either virtually inevitable or at least predictable. The pedestal is not smashed until we abandon progress or complexification as a central principle and come to entertain the strong possibility that H. sapiens is but a tiny, late-arising twig on life's enormously arborescent bush a small bud that would almost surely not appear a second time if we could replant the bush from seed and let it grow again. (woefully= unhappily) 79

80 3. El historiador en acción. Discuta qué enfoque histórico emplea Jean Rostand en el párrafo marcado con tres asteriscos (***) del cap. IV: Buffon en Introducción a la historia de la biología. Ed. Planeta-Agostini. Barcelona, España. Justifique. 4. Mencione brevemente (a modo de repaso) los principales postulados de las teorías de cambio biológico propuestas por Buffon, Lamark, Cuvier, Darwin, Neodarwinistas y Gould. Para revisar los postulados de la Teoría Sintética de la Evolución (TSE) consulte el texto VII que se encuentra al final de esta sección. 5. Ejercitación. Usted es un historiador de la ciencia y epistemólogo, especialista en historia del pensamiento evolutivo, el cual ha sido recientemente convocado para escribir sobre las propuestas evolutivas de Charles Darwin. El editor de una importante revista le solicitó que escriba una columna a propósito de la conmemoración del año Darwin con las siguientes características: a) extensión máxima: 20 renglones b) en su escrito debe exponer el surgimiento de las principales ideas de Charles Darwin, enmarcadas en el contexto histórico de producción. Para ello, debe incluir en su narración los siguientes núcleos conceptuales (subráyelos en el texto), en el orden que considere apropiado: población azar cambio variabilidad viaje en el Beagle selección natural Malthus realismo Mendel especies herencia evolución fijismo dogma cristiano reproducción diferencial c) en su narración debe exponer al menos un factor externo y un factor interno para explicar el surgimiento de las propuestas evolutivas en Charles Darwin. Indíquelos en el cuerpo del texto subrayándolos con distintos colores e identifíquelos en una leyenda. 80

81 6. Ejercicitación adicional. Analice el caso puntual de Lamarck y Cuvier que se presenta a continuación y discuta qué relación existe entre las reconstrucciones históricas y la historia real. Qué relación tiene esto con el quehacer del biólogo evolutivo? La teoría de Lamarck generó numerosas discusiones entre los naturalistas de la época, quienes en su mayoría se resistían a considerar explicaciones que resultaran contradictorias con el relato bíblico. Al frente de las discusiones, en defensa de la postura creacionista, se encontraba Cuvier, quien gozaba entonces de gran prestigio científico y mantenía fuertes vinculaciones con el poder político y religioso de Francia. Al mismo tiempo, los aspectos más vulnerables de la propuesta de Lamarck, tales como la invocación del sentimiento interior, constituyeron el blanco de numerosas críticas. En este contexto, la fuerte controversia planteada entre los argumentos de Lamarck y la postura fijista de la escuela de Cuvier concluyó en un estancamiento de las ideas transformistas. Lamarck fue silenciado y marginado como científico. Actualmente podemos reconocer en su obra una pieza fundamental del pensamiento evolutivo y una muestra de la audacia intelectual y de la creatividad científica de un gran pensador solitario. ( ) Después del eclipse de las ideas de Lamarck, se produjo un largo letargo del pensamiento evolucionista. Recién cincuenta años después, el naturalista inglés Charles Darwin expuso, en su libro El origen de las especies por medio de la selección natural (1859), una teoría convincente que explicaba cómo se había producido el cambio de los seres vivos a lo largo del tiempo. La otra cara de la historia Algunos historiadores de la ciencia, particularmente en Francia, ponen en duda los términos en los que se narra la historia de conflictos entre Lamarck y Cuvier. Por un lado, se destaca la necesidad de identificar con precisión las ideas sobre las cuales ambos naturalistas estaban en desacuerdo, por otro lado, se analiza si efectivamente la posición privilegiada de Cuvier en relación con el poder político y religioso de la época es un factor relevante para comprender el eclipse de las ideas de Lamarck. Con respecto a las ideas, Lamarck observaba que muchas especies fósiles eran semejantes ( análogas ) a especies vivientes conocidas. Por el contrario, en el caso de los vertebrados fósiles en los que se especializaba Cuvier, era raro encontrar especies semejantes a las que viven en la actualidad. Lamarck llegó a la conclusión de que no pudieron producirse catástrofes destructoras de toda la vida en la Tierra ya que numerosas especies de invertebrados tenían continuidad en el registro fósil; de modo que la universalidad de las catástrofes proclamadas por Cuvier, entonces, no tenía validez. Por lo tanto, Lamarck inició una discusión abierta contra la doctrina catastrofista de Cuvier, quien entonces desplegó su argumento defensivo. Es indudable que sus ideas catastrofistas confortaban a los partidarios de la Biblia, sobre todo de Inglaterra. Pese a ello, entre 1820 y 1830, muchos científicos eminentes abandonaron la creencia en las catástrofes naturales y comenzaron a inclinarse hacia la idea de una continuidad en los procesos que ocurren en la naturaleza. En este sentido, 81

82 Lamarck se impuso a Cuvier en su posición anticatastrofista, es decir, una visión histórica que supone la continuidad de la vida a lo largo del tiempo. Según algunos autores, Cuvier nunca se enfrentó directamente con Lamarck, aunque sí debatió en contra de las ideas de transformación de las especies. Al mismo tiempo, sugieren que no hay indicios confiables que permitan afirmar que Cuvier haya utilizado sus altas funciones para silenciar a Lamarck. En la interpretación de estos autores, la versión más difundida de la historia de esta controversia parece haberse plasmado a fines del siglo XIX, cuando naturalistas e historiadores franceses se propusieron resaltar la figura de Lamarck enfatizando su condición de pensador desconocido y perseguido. Cabe ahora preguntarse, cuáles podrían ser las motivaciones de esta iniciativa. Como veremos más adelante, la argumentación brillante de Darwin, fundada en una gran cantidad de hechos, superó la propuesta de Lamarck. El Museo de Historia Natural de París sufrió un duro golpe a su orgullo. Una estatua de Lamarck, erigida en 1908, que se encuentra en el actual Jardín de Plantas de París ilustra bien esta historia: un bajorrelieve en bronce muestra a la hija de Lamarck consolando a su padre viejo y ciego con estas palabras: La posteridad te admirará, ella te vengará, padre. Más arriba se lee, Lamarck, fundador de la doctrina de la evolución. De esta manera, la sociedad científica francesa habría reivindicado su prioridad sobre las ideas evolutivas, dando a Lamarck la figura del genio silenciado. Cómo debe entonces leerse este tramo de la historia? Por cierto, no hay una única lectura. Distintos historiadores o corrientes historiográficas recuperan y enfatizan distintos aspectos. Así como los modelos de la ciencia son construcciones sociales, profundamente influidos por la cultura en la que son gestados, la historia de la ciencia también refleja los sesgos y las complejidades de la mirada de los historiadores y de sus respectivos contextos sociales y culturales. Extraído de Massarini, A. & Schnek, A. Evolución: historia de la vida. Libro en 10 módulos. Ed. CePA. Buenos Aires Bibliografía de lectura obligatoria: Texto V. Gaeta, R. y Lucero, S "Historia interna e historia externa" en Imre Lakatos. El falsacionismo sofisticado. Buenos Aires, Eudeba. Texto VI. Rostand, J Cap. IV: Buffon en Introducción a la historia de la biología. Ed. Planeta-Agostini. Barcelona, España. / Biografías de Linneo, C.; Cuvier, G Doce Mil Grandes. Enciclopedia Biográfica Universal. Ciencias Naturales. Editorial Promexa. México DF. / Biografías de Lamarck, J.-B.; Darwin, C.; Mayr, E. y Gould, S.J. Texto VII. Futuyma, D.J Evolution. Ed. Sinauer. Pp

83 Bibliografía recomendada para profundizar los temas del módulo: - Ayala F. J. La Teoría de la Evolución. Madrid: Ediciones Temas de Hoy; Boyd, R., Scientific realism, en Zalta, E. N. (ed.), Stanford Encyclopedia of Philosophy, Stanford University, - Brown, H., Capítulo III de La Nueva Filosofía de la Ciencia, Tecnos, Madrid, Chalmers A. Qué es esa cosa llamada ciencia? Madrid: Siglo XXI; Gould, S.J. Evolution and the triumph of homology, or why history matters. American Scientist 74: 60-69, Klimovsky G. Las desventuras del conocimiento científico. Buenos Aires: A-Z; Lewontin, R.C; Rose, S. & Kamin, L.J. No está en los genes. Barcelona: Drakontos Bolsillo;

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89 MÓDULO II: GENÉTICA DE POBLACIONES 89

90 INTRODUCCIÓN La Teoría Evolutiva (TE) representa la tesis unificadora de las Ciencias Biológicas y está constituida por un conjunto de subteorías e hipótesis interrelacionadas entre sí. La teoría de la evolución unifica todos los campos de las Ciencias Biológicas bajo un marco teórico que le da sentido a los hechos que se observan en la naturaleza. Los postulados de la teoría de evolución por selección natural fueron expuestos por Charles Darwin en 1859 en su libro On the origin of species by means of natural selection, or the preservation of favoured races in the struggle for existence. John Maynard Smith (1998), uno de los biólogos evolutivos más destacados de la última mitad de siglo XX, ha resumido la argumentación darwiniana del siguiente modo: 1. Los organismos se multiplican e incrementarían su número de manera indefinida si no fuese que existen límites impuestos por la muerte. 2. Los organismos varían y algunas de estas variaciones afectan la probabilidad de supervivencia y reproducción. 3. Los organismos tienen la propiedad de la herencia. El argumento fundamental de Darwin fue entonces que [ ] si los organismos se multiplican, varían y tienen herencia, aquellos organismos portadores de las características más favorables para la supervivencia y la reproducción, no sólo dejarán más descendientes sino que pasarán sus características a la siguiente generación. El resultado será un cambio en las características de la población. Algunos conceptos importantes La teoría de la selección natural no sólo predice el cambio evolutivo, sino que también predice que los organismos adquirirán características que los harán capaces de sobrevivir y reproducirse mejor en el ambiente en que viven. La adaptación al ambiente es una consecuencia de la evolución por selección natural. La selección natural ocurre siempre que la variación genética tenga efecto sobre la tasa de reproducción de los individuos. Los efectos de la selección natural pueden reducirse a variantes de información hereditaria que incrementan o disminuyen su frecuencia dependiendo si los individuos portadores tienen mayor o menor éxito reproductivo en relación a otros individuos de la población. Si la variación hereditaria no afecta el éxito reproductivo individual, se dice que el carácter es neutro y en este caso, la Teoría Neutralista de la Evolución (que estudiaremos más adelante) predice el destino y el recambio de dichas variantes en el tiempo. La simplicidad de la idea de evolución por selección natural ha sido no obstante reducida a descripciones bien intencionadas aunque poco felices con consecuencias indeseables para la propia teoría. Herbert Spencer 1 acuñó la frase supervivencia del más apto como resumen de selección natural y hasta el propio Darwin la utilizó para titular su capítulo IV en ediciones posteriores a la primera versión del Origen... Se ha argumentado que, si la teoría Darwiniana se resume de este modo, la misma resultaría tautológica, si la evolución se produce a través de la supervivencia del más apto, y el más apto es el que mejor sobrevive para dejar descendencia, la teoría sería circular y no explicaría absolutamente nada. Sin embargo, la supervivencia no es, en sí misma, parámetro del éxito reproductivo. La supervivencia incrementa el éxito reproductivo de una variante genética, solamente en los casos en los que una mayor longevidad tiene como efecto un incremento en el número de descendientes de dicha variante. Por ejemplo, 1 Filósofo británico ( ), autor de la serie Filosofía Sintética publicada entre los años 1855 y

91 si una variante incrementa la supervivencia de un salmón o de individuos de cualquier planta anual, pero lo hace luego de la reproducción, dicha variante no incrementará su frecuencia ya que el éxito reproductivo no se modificaría en lo absoluto, simplemente porque estos individuos se reproducen una vez y luego mueren. Inversamente, la frecuencia de una variante génica que reduce la supervivencia podría incrementarse si garantiza el éxito reproductivo diferencial. La estrategia de los machos de numerosas arañas y mántidos que se ofrecen como regalos nupciales para ser devorados por las hembras lo ejemplifica. La supervivencia no es garantía del éxito reproductivo. Si existen variantes genéticas que disminuyen el éxito reproductivo de los individuos incrementando su supervivencia, estos serán eliminados de la población por selección natural. De forma tal que, el éxito evolutivo de una variante génica debe entenderse como su permanencia a través de las generaciones. Por último, es importante recordar que la selección natural no impone ningún plan, ni propósito, ni dirección determinada a priori. QUÉ ES EVOLUCIÓN? Evolución significa cambio, aunque de una manera bien específica. Desde el punto de vista de la Genética de Poblaciones (GdeP, de ahora en más), disciplina que estudia los mecanismos genéticos del cambio evolutivo, evolución se define como el cambio del acervo génico de un linaje a través de las generaciones. Se considera acervo génico a todos los genes de una población en un momento particular, no sólo a las distintas variantes génicas. Entendemos como linaje a una secuencia de ancestrosdescendientes, ya sean poblaciones, células o genes. Aquí está implícita la definición de gen adoptada por la Biología Evolutiva: porción de información genética que sobrevive intacta el proceso de meiosis. Los genetistas de poblaciones miden la evolución por medio de la variación de las frecuencias alélicas (probabilidad de encontrar una variante en el pool de genes) entre generaciones de una misma población. La GdeP reduce a los individuos a combinaciones de alelos, generalmente aleatorias de un número específico de genes (normalmente 2 ó 3, en los modelos más simples de múltiples loci). El modelo más simple de individuo genético es el haploide formado por un único alelo A 1. Si existiese variación para dicho gen podría encontrarse en el acervo otro individuo que porte una variante genética distinta A 2. Sin embargo, la mayor parte de los modelos genéticos poblacionales se basan en individuos diploides, es decir portadores de dos alelos de un mismo gen. Ronald A. Fisher 2, padre intelectual del Neo-Darwinismo, imaginó en 1930 a los genes de una población como partículas moviéndose aleatoriamente en un espacio limitado. El choque de dos de estas partículas daba como resultado la formación de un individuo con características genéticas específicas y una capacidad distintiva para reproducirse en ese momento. El espacio limitado, en la idealización fisheriana, representa a la población. Bajo este modelo, el individuo diploide más simple es aquel que lleva una combinación homocigota AA y un fitness asociado W AA (ver definición más adelante). Si la población no posee variantes alélicas, es decir es monomórfica, todos los choques darán como resultado la formación de individuos genéticamente idénticos con iguales posibilidades de éxito reproductivo. Observe que en estas condiciones no habrá evolución por selección natural, ya que no se cumple uno de los postulados, cuál falta? 2 Autor del libro The Genetical Theory of Natural Selection. 91

92 Al adicionarse variación genética por mutación, se hacen posibles nuevas combinaciones genotípicas. La población en este caso ha dejado de ser monomórfica pudiendo decirse que es polimórfica. En el modelo de Fisher (también llamado Modelo de pool génico) resulta intuitivo que, al haber un número mayor de partículas de un tipo, mayor será el número de choques entre las más comunes. La probabilidad de formación de un tipo de individuo es entonces dependiente de la abundancia de los tipos de partículas. Esto es lo mismo que decir que las frecuencias genotípicas de una población dependen de las frecuencias alélicas del acervo. La analogía para la formación de los 3 genotipos AA, Aa, aa, es directa. Cada una de estas tres clases genotípicas tendrá un fitness asociado W AA, W Aa y W aa, respectivamente que nos dan una idea acerca de las probabilidades que tendrán cada uno de ellos de encontrarse representados en la siguiente generación. LA LEY DE HARDY Y WEINBERG George Hardy y Wilhelm Weinberg determinaron de manera independiente en 1908 que: Si no existe ningún proceso o mecanismo evolutivo (selección natural, deriva génica, mutación o migración) que modifique las proporciones de genes (frecuencias alélicas) de una población y mientras exista apareamiento aleatorio (panmixia), las frecuencias genotípicas permanecerán en unos valores específicos, denominadas de equilibrio, durante sucesivas generaciones. Este principio es conocido como la Ley de Hardy-Weinberg (HW). Supongamos que fr(a) y fr(a) son las frecuencias de las dos variantes alélicas exclusivas (A y a, respectivamente) de un locus autosómico. Siendo fr(a)=p y fr(a)=q, y considerando que son las únicas variantes alélicas, se puede inferir que p + q = 1. Para un locus autosómico, si las frecuencias de los tipos de cigotos o clases genotípicas son fr(aa)=p, fr(aa)=q y fr(aa)=r, las mismas pueden calcularse de acuerdo al siguiente esquema, en el cual se asume que la probabilidad de encuentro de las gametas portadoras de diferentes alelos depende únicamente de las frecuencias alélicas: Gameta 1 Gameta 2 Probabilidad Conjunta A A p x p p 2 P A a p x q a A q x p 2pq a a q x q q 2 R donde: P + Q + R = 1 Q Las probabilidades p 2, 2pq y q 2 representan las proporciones genotípicas del equilibrio planteadas por la ley de HW para un locus dialélico. Por ejemplo, si en una población la frecuencia de A se estima en 0.9 y la de a en 0.1, las frecuencias genotípicas esperadas por HW para las clases AA, Aa y aa deberían ser cercanas a 0.81, 0.18 y 0.01, respectivamente. En esta deducción puede verse que, independientemente de las frecuencias genotípicas en cualquier generación anterior, en una sola generación de apareamiento aleatorio se obtienen las frecuencias esperadas por HW. Asimismo puede deducirse que si los genotipos se encuentran en frecuencias de HW, las frecuencias alélicas p y q en la siguiente generación serán las mismas. 92

93 La probabilidad de escoger aleatoriamente una gameta A es la frecuencia del genotipo AA, es decir p 2, sumada a la mitad de la frecuencia del genotipo Aa, es decir pq, más la probabilidad de tomar A a partir del genotipo aa, que es cero. Entonces, la fr(a) en la siguiente generación p estará dada por la suma de estos 3 eventos, es decir: p = p 2 + p.q + 0 = p (1 - q) + p.q Distribuyendo y simplificando, resulta que p = p. Si seguimos el mismo razonamiento para el otro alelo a, resulta que q = q. Esto significa que las frecuencias alélicas no cambian de una generación a la siguiente, y si estas condiciones persisten, no habrá evolución como la hemos definido anteriormente. Esto se determina a posteriori de un muestreo y de una prueba estadística que considere los errores aleatorios que suelen desviar el ajuste a dichas frecuencias. Suposiciones implícitas de la ley de HW El cálculo de la probabilidad conjunta implica que los eventos de tomar primero un gen de un parental y luego otro de otro parental son eventos independientes, es decir que no se afectan mutuamente. Para ello debe cumplirse que: 1. la población sea grande y, 2. la formación del cigoto ocurra por apareamientos aleatorios. Por otra parte, esta ley asume que las frecuencias genotípicas son idénticas en machos y hembras. Si los machos y hembras tienen frecuencias genotípicas distintas, el equilibrio se logra en una generación de apareamiento aleatorio. En cambio, si las frecuencias alélicas son distintas entre los sexos se requerirán dos generaciones de panmixia para alcanzar las proporciones genotípicas de HW (en la primera generación de apareamiento aleatorio se igualan las frecuencias alélicas en valores promedio de los parentales). Utilidad de la ley de HW Esta ley es una gran hipótesis nula. Su importancia radica en que nos permite sospechar que algún mecanismo evolutivo podría estar operando sobre la población si logramos demostrar que los valores de equilibrio (p 2, 2pq, q 2 ) no se cumplen, a pesar de que las condiciones expuestas anteriormente son satisfechas. Es decir, si HW no se cumple puede ser por una o más de las siguientes razones: 1. pueden estar actuando o pudieron haber actuado la mutación, la selección, la deriva y/o la migración. 2. el apareamiento no es aleatorio. Esto produce un desvío de la panmixia y puede deberse a que existe apareamiento clasificado, endogamia o que la muestra no pertenece a una única población. En este último caso, el muestreo pudo haberse realizado a partir de poblaciones que no comparten el mismo pool de genes y, por lo tanto, tienen distintas frecuencias alélicas. Bajo estas condiciones, habrá menos heterocigotas respecto de los valores esperados según HW. A este efecto se lo conoce como Efecto Wahlund, e indica que la población se encuentra estructurada, es decir integrada por más de una unidad panmíctica. 3. las frecuencias alélicas de machos y hembras no son iguales. 93

94 FITNESS DARWINIANO El fitness (o éxito reproductivo o valor adaptativo) es una medida de la supervivencia y reproducción de los individuos de una clase genotípica. Este concepto, así definido, contiene los elementos básicos del pensamiento darwiniano: supervivencia y reproducción. El cambio evolutivo podría ser consecuencia de la supervivencia diferencial o de la competencia por el acceso a las cópulas. Fitness absoluto. Se define como el número de descendientes que un individuo de una clase genotípica aporta en promedio a la siguiente generación. El fitness absoluto se designa con la letra w y está dado por la probabilidad de sobrevivir hasta la edad reproductiva (w viabilidad ) asociada a la capacidad que dicho genotipo (clase) tenga de dejar descendencia (w fertilidad ). Dicho de otro modo: w = w viabilidad x w fertilidad. Si cualquiera de sus componentes (viabilidad, o componente de supervivencia y fertilidad, o componente reproductivo) es cero, el fitness absoluto del genotipo en cuestión será nulo. Fitness relativo. Se define como el éxito reproductivo de cada clase genotípica en relación a aquella clase que mayor número de descendientes aporte. En los modelos de la GdeP se considera que el tamaño poblacional (N) es constante a través del tiempo, por lo que se utiliza el concepto de fitness relativo. En nuestro ejemplo: Genotipo AA Aa aa fitness absoluto fitness relativo 0.9/0.9 = 1 0.8/0.9 = /0.9 = 0.55 Suposiciones implícitas en el concepto de fitness 1. El fitness no es una propiedad de un individuo sino de una clase de individuos. 2. El fitness es una propiedad de una clase genotípica y no de los genes, ya que las unidades de selección son los individuos. 3. Bajo su modelo más simple, la GdeP calcula el fitness con respecto a un único locus suponiendo que el resto del genoma genera en cada individuo un ruido de fondo cuyo promedio en la población no afecta significativamente la dinámica del gen que se estudia El fitness de una clase genotípica está asociado a un ambiente. 5. El fitness es una medida que se establece desde un estadio específico del ciclo de vida (por ej.: cigoto) hasta el mismo estadio en la siguiente generación. En la mayor parte de los modelos se lo considera constante durante sucesivas generaciones. 6. Las poblaciones no poseen fitness ya que éstas no se reproducen. PROCESOS QUE MODIFICAN LAS FRECUENCIAS ALÉLICAS Los procesos o mecanismos evolutivos como la mutación, la migración, la selección natural o la deriva génica a menudo producen cambios en las frecuencias alélicas. Los tres primeros son procesos dirigidos o determinísticos ya que conociendo determinados parámetros es posible estimar el cambio de las frecuencias alélicas generación tras generación como consecuencia de la acción de estos procesos. En cambio, 3 Lewontin, Richard Genotype and phenotype. Pp

95 la deriva genética es un proceso estocástico en el que las frecuencias alélicas se modifican al azar. La GdeP ha desarrollado modelos para ayudar a comprender y cuantificar estas modificaciones en el acervo génico de las poblaciones. En particular, los modelos de selección que se presentan a continuación permiten estudiar el cambio en las frecuencias alélicas de una generación a la siguiente por efecto de la selección natural. a. Modelo Básico de Selección Natural Para estimar el cambio de las frecuencias alélicas, entre generaciones sucesivas luego de la acción de la selección natural, debemos considerar: 1. el fitness relativo (w genotipo ) asociado a cada clase genotípica; 2. las frecuencias alélicas iniciales de la población (p y q); 3. los coeficientes de selección (s), que estiman la reducción de w de cada clase genotípica y se calcula como s = 1-w genotipo, por lo tanto w genotipo = 1-s En el cuadro siguiente se sintetizan los cálculos necesarios para estimar dichas frecuencias. GENOTIPO AA Aa aa Fitness (w) w AA w Aa w aa --- fr(genotipo) antes de la SN p 2 2pq q 2 1 fr(genotipo) después de la SN p 2 (w AA ) 2pq (w Aa ) q 2 (w aa ) 1 fr(genotipo) relativa después de la SN p 2 (w AA ) / 2pq (w Aa )/ q 2 (w aa )/ 1 = fitness medio poblacional = p 2 (w AA ) + 2pq(w Aa ) + q 2 (w aa ) El cambio en las frecuencias alélicas se calcula como: q = q - q Y, el valor de las frecuencias alélicas luego de la acción de selección natural se estima como: en general: q = q 2 + ½ 2pq => q = [q 2 (w aa ) + ½ 2pq(w Aa )] / por lo tanto: q = [q 2 (w aa ) + ½ 2pq(w Aa )] / - q b. Selección contra un alelo recesivo GENOTIPO AA Aa aa Fitness (w) s fr(genotipo) antes de la SN p 2 2pq q 2 fr(genotipo) después de la SN p 2 (1) 2pq(1) q 2 (1-s) fr(genotipo) relativa después de la SN p 2 (1) / 2pq(1) / q 2 (1-s) / 95

96 = p 2 (1) + 2pq(1) + q 2 (1-s) => = 1 - sq 2 q = [q 2 (w aa ) / 1 - sq 2 ]+ [½ 2pq / 1 - sq 2 ] => q = q(1 - sq) / 1 - sq 2 q = q - q q = [q (1-sq) / 1 - sq 2 ] q q = q (1-sq) q (1-sq 2 ) / 1 - sq 2 => q = - sq 2 (1-q) / 1 - sq 2 c. Selección contra un alelo dominante GENOTIPO AA Aa aa Fitness (w) 1-s 1-s 1 fr(genotipo) antes de la SN p 2 2pq q 2 fr(genotipo) después de la SN p 2 (1-s) 2pq(1-s) q 2 (1) fr(genotipo) relativa después de la SN p2 (1-s) / 2pq(1-s) / q 2 (1) / De la misma manera que en el caso anterior, se pueden calcular, q y q. = p 2 (1-s) + 2pq (1-s) + q 2 => = 1 sp (2 - p) Y el valor de las frecuencias alélicas luego de la acción de selección natural se estima como: En función de p : p = [p 2 (1-s) + pq (1-s)] / p = [p 2 -p 2 s + p (1-p) - sp (1-p)] / => p = p sp/ p = [p - sp/(1 - sp(2-p))] p p = {p -sp - p [1 -sp (2 - p)]}/ [1 -sp (2-p) ] >>> p = [-sp (1-2p + p 2 )] / [1-sp (2-p)] p =[- sp (1- p) 2 ]/ [1-sp (2-p)] 96

97 d. Selección contra un alelo deletéreo con distintos grados de dominancia En los modelos anteriores se considera dominancia completa. Sin embargo, pueden existir diferentes grados de dominancia lo que es considerado por medio del parámetro h. Si h = 0 w AA = w Aa = 1 Dominancia completa de A Si h = 1/2 w Aa = 1-1/2s Dominancia intermedia Si h varía entre 0 y 1 Dominancia parcial Si h = 1 w Aa = w aa = 1-s alelo a domina respecto del fitness e. Selección a favor del heterocigota (equilibrio heterótico o heterosis positiva) En este modelo el fitness de dos genotipos diferentes se ve afectado por la acción de la selección natural, cuantificándose con los coeficientes s y t. GENOTIPO AA Aa aa Fitness (w) 1- s 1 1- t fr(genotipo) antes de la SN p 2 2pq q 2 fr(genotipo) después de la SN p 2 (1-s) 2pq(1) q 2 (1-t) fr(genotipo) relativa después de la SN p 2 (1-s) / 2pq(1) / q 2 (1-t) / De la misma manera que en los casos anteriores, si calculamos el valor de y q podremos obtener el valor de q (ud. puede realizar estos cálculos y corroborar el valor de q) = 1-sp 2 -tq 2 q = q - q => q = pq (sp-tq)/1-sp 2 -tq 2 Condición de equilibrio: q = 0 cuando sp = tq => s(1-q) = tq s-sq = tq s-sq / q = t s = q(t+s) qt + qs = s Entonces el valor de las frecuencias en el equilibrio está determinado por: q* = s / s+t y p* = t / s+t f. Selección contra los heterocigotas (heterosis negativa) 97

98 GENOTIPO AA Aa Aa Fitness (W) 1+ s 1 1+ t fr(genotipo) antes de la SN p 2 2pq q 2 fr(genotipo) después de la SN P 2 (1+s) 2pq(1) q 2 (1+t) fr(genotipo) relativa después de la SN p2 (1+s) / 2pq(1) / q 2 (1+t) / El valor de las frecuencias en el equilibrio está determinado por: q* = s / s+t y p* = t / s+t A continuación se mencionan muy brevemente otros modelos en los cuales se contempla la interacción entre la selección natural y otros procesos evolutivos. Equilibrio entre Selección y Mutación La mutación produce generación tras generación un número importante de variantes, algunas de las cuales pueden afectar (positiva o negativamente) el éxito reproductivo de los individuos. La selección actúa disminuyendo la frecuencia de los alelos que reducen el fitness, pero estos reaparecerían por mutación recurrente. La acción simultánea de ambos procesos evolutivos conduciría a una situación de equilibrio en las frecuencias alélicas. Caso 1: para un alelo deletéreo recesivo El alelo recesivo a surge en la población por mutación a una tasa. Entonces: q = p q = (1-q) Al mismo tiempo, el alelo a es eliminado de la población por selección natural. Entonces (ver modelo de selección contra un alelo recesivo): En el equilibrio: q = -sq 2 (1-q) q T = q S + q = 0 sq 2 (1-q) = (1-q) sq 2 = q*= ( /s) 1/2 Caso 2: para un alelo perjudicial dominante Si el alelo dominante A surge en la población por mutación a una tasa. Entonces: p = q p = (1-p) 98

99 Al mismo tiempo, A es eliminado de la población por selección natural. Entonces (ver modelo de selección contra un alelo dominante): p = sp (1-p) 2 En equilibrio: sp (1-p) 2 = (1-p) como el valor de (1-p) es cercano a 1 => sp = entonces el valor de frecuencia en el equilibrio estaría dado por: p* = /s DOS MODELOS DE POBLACIONES PARA DOS TEORÍAS EVOLUTIVAS Desde principios de siglo XX y hasta los años 1930, selección natural y genética mendeliana reflejaban ideas contrapuestas 4. Los primeros genetistas mendelianos, como el botánico alemán Hugo de Vries ( ), el botánico danés William Johannsen y el norteamericano William Bateson ( ) proponían un proceso de cambio y formación de nuevas especies por macromutaciones. Surgía de este modo, la primera teoría no darwiniana de la evolución, la Teoría Mutacionista. Johannsen definió al gen como la unidad hereditaria que codifica una única característica observable. De este modo, un gen sólo podía identificarse bajo la referencia de un rasgo fenotípico. Johannsen razonaba que por endocruzas sucesivas se podían generar líneas puras de modo que, el genotipo, podía reconocerse sin ambigüedad observando directamente el fenotipo. Sus experimentos con líneas puras lo llevaron a diferenciar los componentes genético y ambiental de un rasgo fenotípico. De este modo, las líneas puras constituían un soporte estable sobre el cual el cambio evolutivo podría medirse. Sin demasiadas evidencias empíricas, este esquema fue extrapolado para representar el modelo de una población natural. La diversidad en la naturaleza estaría representada por la combinación de distintos genes que formarían distintas líneas puras; por sus características homocigotas, éstas mantenían la integridad genética de una población durante generaciones. La evolución se producía por mutaciones poco frecuentes que causaban grandes efectos fenotípicos que normalmente destruyen la armonía" de un genoma. Este modelo fue sostenido principalmente por Morgan 5, Müller 6 y Goldschmidt 7 quienes desarrollaron la genética de Drosophila. Para ellos, el papel de la selección natural consistía en eliminar las variantes aberrantes que se producían de manera infrecuente en las poblaciones. El término, selección purificadora, refleja el 4 Consulte: Depew D. & B. Weber Darwinism Evolving. Estos autores analizan la historia del darwinismo desde sus orígenes hasta nuestros días. 5 Thomas Hunt Morgan ( ), ganó el premio Nóbel en 1933 por construir el primer mapa genético. La clave fue el reconocimiento físico de los genes en los cromosomas de las glándulas salivales de Drosophila melanogaster. Descubrió el proceso de segregación independiente de los cromosomas en la meiosis, aportando las razones mecánicas para el entendimiento de la primera ley de Mendel. También encontró las razones por cuales la segunda ley a veces no se cumple. El definió el ligamiento de genes y su relación con la distancia en un mismo cromosoma. 6 Hermann Joseph Müller ( ), ganó el premio Nóbel en 1946 por el descubrimiento de los efectos mutagénicos de los rayos X sobre el material hereditario. Estudiante de Morgan, militó en el ala izquierda de la eugenética, y decidió llevar las Drosophilas hacia la URSS donde continuó su trabajo. 7 Richard Goldschmidt fue, probablemente, el último de los mutacionistas. Su libro del año 1940 fue recientemente reeditado por Yale Univ. Press. El prólogo lo escribió S. J. Gould. 99

100 concepto que tenían acerca del mecanismo darwiniano. En esta concepción, la selección natural jugaba un papel menor en el diseño de la naturaleza ya que las variaciones eran mínimas y frecuentemente no adaptativas. La mayor parte de los genes de una población estaban representados por sus formas salvajes o wild type que se combinaban de manera homocigota para la mayor parte de los loci génicos. Este modelo de población natural propuesto por los mutacionistas fue posteriormente denominado como modelo clásico. La corriente opuesta respondía más a la matemática estadística. Desde sus comienzos fue representada por el estadígrafo Francis Galton ( ) quien junto con Karl Pearson ( ) y Walter Weldon no sólo sostenían que la selección natural era la fuerza principal del cambio evolutivo, sino que proponían que la mayor parte de la variación en las poblaciones naturales era de carácter continuo y no discreto como se deducía de las leyes de Mendel 8. Para ellos el problema de la evolución animal era un problema estadístico y la variación, como Darwin lo argumentaba, era la moneda corriente en la naturaleza. Fue el matemático Udny Yule quien sugirió por primera vez que las teorías de Mendel y Darwin podían compatibilizarse si un sólo rasgo fenotípico continuo estuviese codificado por muchas unidades mendelianas. La selección natural podría trabajar modificando la media de la población por el continuo reemplazo de variantes genéticas de pequeño efecto fenotípico. La fusión de la teoría de selección natural con la genética mendeliana marca el nacimiento del Neo-darwinismo. El modelo clásico proponía un mar de genes wild type en casi todos los loci, con unos pocos alelos mutantes de efectos deletéreos que se enmascaran en los heterocigotos en sólo algunos loci. Por el contrario, el modelo propuesto por los neo-darwinianos predecía un gran número de alelos alternativos para un mismo gen. Este modelo, denominado modelo de equilibrio, permitiría la acción gradual y continua de la selección natural. Ronald Fisher argumentaba que el incremento de la adaptación de una población será mayor cuanto mayor sea la variación asociada al fitness que exista en ella. Si una población agota su combustible de variación, la selección natural no podrá trabajar. En este estado de equilibrio la población se encontraría en su máximo valor de fitness medio, es decir, en su óptimo de adaptación. Esta es la interpretación más general del Teorema Fundamental de la Selección Natural enunciado por R. Fisher en El modelo de equilibrio no sólo requería mayor variación. De acuerdo con la formulación neo-darwiniana, las poblaciones necesitan grandes cantidades de variación para contrarrestar el despilfarro triturador que la selección natural produce mientras conduce a una población hacia su máximo valor de adaptación. El neodarwinismo debería apostar fuertemente a un único juego que se transformaría en obsesión: la medición de la variación genética en las poblaciones naturales. EL ANÁLISIS GENÉTICO DE LA VARIACIÓN OCULTA Desde principios de los años 1930 los esfuerzos de Theodosius Dobzhansky y sus estudiantes se volcaron al análisis de las poblaciones naturales. Sus conclusiones fueron reveladoras: las poblaciones naturales presentan enormes cantidades de variación. Los trabajos de Dobzhansky terminaron con una discusión de medio siglo acerca del modelo genético de una población natural. El modelo equilibrado (por la presencia de alelos distintos en muchos loci) representaría la norma. Sus consecuencias sobre la 8 100

101 importancia de la mantención de la variación terminarían por demoler rápidamente los argumentos eugenésicos. Evidencias de la variación a partir de la selección artificial El teorema fundamental de Fisher predice que, si todos los loci relevantes de una característica fenotípica son invariantes, no habría selección posible. A partir de esta deducción, la variación genética podría reconocerse por medio de un programa de selección artificial realizado sobre distintas características fenotípicas continuas en las poblaciones naturales. Si la selección artificial muestra un cambio fenotípico a lo largo de las generaciones, ésta respuesta se considera como evidencia de que existe variación genética heredable para dicho carácter. El teorema fundamental de Fisher predice el aumento de la adaptación de una población siempre que se encuentre variación genética. Pero vale aclarar que esta variación es exclusivamente la variación que Fisher definió como aditiva, es decir, aquella que resulta de la acción de genes con efecto aditivo sobre el carácter. La selección solamente puede producir cambios observables a partir de su acción sobre un sólo tipo de variación genética, la que perdura a través del tiempo (heredable). La enorme cantidad de caracteres morfológicos, fisiológicos y comportamentales estudiados por los genetistas, agricultores y criadores de ganado permanecieron como la mejor evidencia de la conspicua variación genética en la naturaleza. Esto sería verificado posteriormente con el surgimiento de las técnicas bioquímicas a mediados de los años El análisis de la variación geográfica. Observaciones fenotípicas En el año 1942, Ernst Mayr escribió uno de los tres libros que se consideran como fundacionales de la Teoría Sintética de la Evolución, Systematics and the Origin of Species. Este libro fue diseñado para echar por tierra el concepto tipológico, fijista y esencialista de especie adoptado mayoritariamente por los taxónomos de su época. Su alternativa, el concepto biológico de especie, se sustenta en el reconocimiento de la variación geográfica de las poblaciones naturales. Las dos conclusiones principales de Mayr fueron: 1. Todos los caracteres de interés taxonómico que se han estudiado hasta el momento muestran más de una variante en las poblaciones naturales. Es decir, son polimórficos. 2. Las poblaciones de una misma especie difieren entre sí en al menos un carácter. Es decir, son politípicas. La lista de caracteres de interés taxonómico resultó abrumadora e incluía caracteres morfológicos, caracteres fisiológicos, caracteres sexuales secundarios, caracteres del ciclo de vida, etc. Mayr sostenía que toda esta variación polimórfica y politípica difícilmente fuera consecuencia de fenómenos puramente ambientales. Evidencias bioquímicas de la variación genética y parámetros que permiten estimarla En 1966, Richard Lewontin (discípulo de T. Dobzhansky) razonó que, dado que la mayor parte de los loci codifican proteínas y que muchas de éstas son enzimas, un locus monomórfico debería mostrar una única forma enzimática y, por el contrario, uno polimórfico debería tener al menos dos formas enzimáticas distintas (alozimas), siempre que la enzima fuera monomérica. 101

102 Con la técnica de electroforesis de enzimas (alo- o isoenzimas) los genetistas de poblaciones no tardaron en definir y cuantificar dos estimadores básicos del polimorfismo enzimático. Estos estimadores fueron la proporción de loci polimórficos de una población (P), y la heterocigosis media esperada por locus (He). 1. Proporción de loci polimórficos (P): Nº de loci polimórficos / Nº total de loci analizados Este índice es relativamente ambiguo ya que depende del Nº de loci analizado y del criterio por el cual un locus es considerado polimórfico (frecuencia del alelo más común < 0.95 ó 0.99). 2. Heterocigosis esperada (He): En una población panmíctica, la heterocigosis media esperada por locus puede calcularse directamente a partir de las frecuencias alélicas según la siguiente ecuación: He = 1- x i 2 donde x i es la frecuencia del alelo i de un locus en la población. Para calcular la heterocigosis media (He*) esperada para todos los loci analizados en una población, se utiliza la siguiente ecuación: He* = (1/n) (1- x i2 ) = He / n donde n es el número de loci analizados y x i es la frecuencia del i-ésimo alelo de un dado locus. El muestreo y la estimación de ambos parámetros en las poblaciones naturales confirmaron que en una especie sexual, la probabilidad de encontrar dos individuos idénticos (exceptuando los gemelos univitelinos) no es cero por definición de probabilidad, pero se le acerca bastante. 1-n Evidencias moleculares de la variación genética La electroforesis de proteínas es capaz de revelar solamente aquellas sustituciones de aminoácidos que producen un cambio en la carga eléctrica neta de la proteína. Además, una enorme cantidad de variación genética debe quedar oculta a la electroforesis debido al carácter degenerado del código genético. Recién hace casi un cuarto de siglo fue posible tener una idea del grado de la variabilidad que permanecía oculta a la técnica de la electroforesis de enzimas. Mientras que anteriormente sólo se reconocían las variantes genéticas Adh-S y Adh-F del locus Alcohol deshidrogenasa de Drosophila melanogaster, correspondientes a las formas electroforéticas lenta y rápida, Marty Kreitman (1983) describió una decena de variantes moleculares distintas a nivel de la secuencia de nucleótidos del gen que codifica para dicha enzima. Tengamos en cuenta que además de los datos de secuencias de nucleótidos, desde hace unos cuantos años se cuenta con una gran variedad de marcadores moleculares como los VNTR (micro y minisatélites), RAPDs (Random Amplified Polymorphic DNA), RFLP (polimorfismos para el largo de fragmentos de restricción), etc., que permiten investigar o cuantificar la variación molecular en las poblaciones. 102

103 Todas estas herramientas moleculares han evidenciado altos niveles de variación genética en poblaciones naturales. Particularmente, los datos de secuenciación como los obtenidos por Kreitman abrieron un gran interrogante: por qué existe una preponderancia de sustituciones sinónimas (aquellos cambios nucleotídicos que provocan un cambio en la secuencia de aminoácidos) respecto de las no sinónimas? Las respuestas a esta pregunta se verán más adelante cuando incursionemos en la Teoría Neutralista de la Evolución Molecular. LA JUSTIFICACIÓN ÚLTIMA DE LA VARIACIÓN GENÉTICA Hemos insistido en demostrar que las poblaciones poseen una importante cantidad de variación genética. También se insistió con la idea de reconocer a la selección natural como un mecanismo que mayoritariamente y de forma constante se opone a ella. Cómo justificamos entonces su mantención? Mencionemos las hipótesis selectivas y no selectivas que han tratado de explicarla: 1. La variación es selectivamente neutra. La selección natural no puede actuar en contra o a favor de una variante genética que no modifique la supervivencia o la reproducción diferencial del organismo. Los neutralistas sostienen que la mayor parte de la variación a nivel molecular es de este tipo. 2. Equilibrio entre la selección natural y otros procesos evolutivos como la mutación y la migración. 3. Selección a favor del heterocigota. 4. Selección dependiente de las frecuencias. En este modelo se contempla la existencia de dos clases (genotipos) en una misma población cuyo fitness es inversamente proporcional a la frecuencia en que se encuentran en la población. Por lo tanto, se alcanzará una situación de equilibrio en la que ambas variantes coexistirán. 5. Selección endocíclica. En este caso se considera la existencia de dos clases en una misma población cuyo fitness varía con el estado ontogenético del organismo. Por lo tanto, la selección operaría diferencialmente en distintos estadios del desarrollo, favoreciendo a una clase en un estadio y a la otra en otro estadio. De esta manera, se alcanzaría una situación de equilibrio en la que ambas variantes coexistirán. 6. El fitness varía en el espacio y el tiempo. En este caso se consideran modelos de selección en los que los coeficientes de selección que afectan a cada genotipo no son constantes sino que varían en diferentes compartimientos de un ambiente ecológicamente heterogéneo o en diferentes épocas del año, por ejemplo estaciones. 7. La selección actúa diferencialmente a distintos niveles. En este caso hablamos de un conflicto entre diferentes niveles de organización, por ejemplo genes, individuos, poblaciones, etc. Este tema se verá en mayor detalle en un trabajo práctico posterior. BIBLIOGRAFÍA CONSULTADA Alcock, J Animal behavior: An evolutionary approach. 6th ed. Sinauer Ass. Sutherland, Massachusetts. Ayala, F. J. y J. A. Coger Genética moderna. Ediciones Omega, Barcelona. 103

104 Barkow, J, L. Cosmides & J. Tooby The Adapted Mind. Evolutionary psychology and the generation of culture. Oxford Univ. Press. Buss, L The evolution of individuality. Princeton Univ. Press. Darwin, C On the origin of species by means of natural selection, or the preservation of favoured races in the struggle for existence. Murray ed., London , "The descent of man and selection in relation to sex". Ed Princeton Univ. Press The expression of the emotions in man and animals. Paul Ekman Ed. 3 rd ed Oxford Univ. Press. Dawkins, R El gen egoísta. Las bases biológicas de nuestra conducta Ed. Salvat. Dawkins, R Tiene sentido la vida fuera de sí misma? Invest. y Ciencia. Enero. Depew D. & B. Weber Darwinism Evolving. Systems dynamics and the genealogy of natural selection. MIT Press. Massachusetts. Falconer D. S. Introducción a la Genética cauntitativa Editorial CECSA. Fisher, R. A The genetical Theory of Natural Selection. Ed. Dover. Gillespie, J. H Population genetics. A concise guide. J. Hopkins Univ. Press. Goldschmidt, R The Material Basis of Evolutionary Genetics Yale Univ. Press. Gould, S. J The mismeasure of man. W. Norton & Co. NY. Hartl. D.L. Principles of populations genetics. Sinauer Associates, Inc., publishers, Sunderland, Massachussets Haldane J. B. S The Causes of Evolution. Ed Princeton Univ. Press. Hamilton, W. D Narrow Roads on Gene Land. Evolution of social behavior. Vol.1. Freeman-Spektrum. Hedrick P.W. Genetics of populations. Science books International, Boston. Van Nostrand reinbold Co., N. York Kreitman, M Nucleotide polymorphism at the alcohol dehydrogenase locus at D. melanogaster. Nature 304: Lewontin, R. C Genotype and phenotype. En Keywords in evolutionary biology. E. Fox Keller y E. A. Lloyd Eds. Harvard Univ. Press. Maynard Smith, J Evolutionary Genetics. 2 nd ed. Oxford Univ. Press. Maynard Smith, J. & E. Szathsmáry The major transition in evolution. Freeman- Spektrum. Nei, M Molecular evolutionary genetics. Columbia Univ. Press. N. Y Ridley, M Evolution. 2 nd ed. Blackwell Science. Cambridge, Massachusetts. Williams G. C Natural Selection. Domains, levels and challenges. Oxford Univ. Press. 104

105 GUÍA DE ESTUDIO 1. Ud. conoce el dogma central de la biología molecular y sus consecuencias sobre la tesis Lamarckiana 9. Sin embargo, también sabe que hasta un grabador permite que la información circule en ambas direcciones, por qué la naturaleza ha beneficiado el paso de la información desde genotipo hacia fenotipo y en menor frecuencia en la dirección opuesta? Es decir, por qué el dogma central es tan frecuente? 2. Bajo el paradigma del Neo-Darwinismo, Cuál es la unidad de variación, la unidad de selección y la unidad de evolución? 3. a- Mencione las cuatro condiciones necesarias para que opere la selección natural. b-imagine 3 situaciones distintas en las que alguna no se cumpla y elabore sus consecuencias. 4. Justifique su respuesta: a- Lucha por la existencia es sinónimo de selección natural? Por qué la supervivencia del más apto no es sinónimo de selección natural? b- Puede actuar la selección natural y no producir evolución? c- Puede haber evolución sin selección natural? d- Puede haber adaptación sin selección natural? e- La selección natural produce progreso evolutivo? f- Qué significa evolución en términos de la GdeP? 5. Qué postula la ley de HW y porqué se utiliza en biología evolutiva? En una población en equilibrio de HW hay evolución? 6. Los organismos poseen fitness? Los genotipos poseen fitness medio? 7. La explicación clásica sobre la longitud del cuello en las jirafas fue desafiada por Scheepers y colaboradores (Simmons, R. E. & L. Scheepers Winning by a Neck: Sexual Selection in the Evolution of Giraffe. Am. Nat.148, 5: ). Ellos propusieron una alternativa que reemplaza la acción de la selección natural por otra en donde el papel principal lo determina la selección sexual. Según esta visión, los machos utilizarían sus cuellos para establecer combates, los que tienen cuellos más largos generalmente los ganarían y accederían a un número mayor de cópulas. Qué quiere decir en términos de GdeP, que las jirafas han incrementado el tamaño de sus cuellos durante la evolución de su linaje? 8. En qué consiste el modelo Fisheriano de población mendeliana? Qué sucede en el modelo Fisheriano si las partículas pudiesen agruparse de a 2 por alguna característica fenotípica especial? 9. a- Qué representan los siguientes términos: p, q; P, Q, R; w aa, w Aa, w AA, ; p ; p; p*, q* y N? b- Cuál es la relación entre W ; p; p; p y p* en el equilibrio idealizado por Fisher? 10. Considere los siguientes valores de fitness de las 3 clases genotípicas en 6 poblaciones. 9 También se debe reconocer que los estados transmisibles de diferenciación celular, la transmisión de amplificaciones génicas inducidas entre generaciones y la existencia de mecanismos de herencia alternativos al ADN (herencia cortical en protozoos ciliados y herencia cultural) son evidencias de que la herencia de caracteres adquiridos existe. 105

106 Población AA Aa aa s s 1-s s 1 1-t Si inicialmente p= 0.5 en todos los casos, i- Cuál será el destino de las variantes alélicas? ii- Cuál será la efectividad de la SN para eliminar las variantes desventajosas? iii- Cuál será el destino del polimorfismo original? 11. La mutación es realmente aleatoria? Y si no lo es? Cómo explica la siguiente afirmación?: La evolución trabaja modificando las frecuencias de las variantes genéticas que, aleatoriamente surgen en las poblaciones naturales. 12. Si una población ancestral se separa en dos poblaciones Cuál será el/los posible/s destino/s de la variabilidad genética intrapoblacional y del grado de divergencia entre las poblaciones, si en las poblaciones está actuando: a) la selección natural, b) la deriva, c) la migración ó d) la mutación? 106

107 TP N 1: SIMULACIONES NUMERICAS SIMULACION 1: El caso de Biston betularia Objetivos: - Simular cambios en poblaciones polimórficas para la coloración en diferentes ambientes. - Comprender cómo opera un proceso selectivo a nivel poblacional, dadas ciertas condiciones iniciales conocidas. - Cuantificar variables para estimar la aptitud darwiniana asociada a cada clase fenotípica. - Elaborar hipótesis acerca del destino futuro de la variación fenotípica de esta especie de polillas. Introducción Charles Darwin acumuló una enorme colección de hechos para apoyar la teoría de la evolución por selección natural. Sin embargo, parte de las dificultades para demostrar la robustez de su teoría, fue la falta de un ejemplo de evolución en un período corto de tiempo, que pueda ser observado mientras tiene lugar en la naturaleza. Un ejemplo notable de cambio poblacional en el tiempo, observable en tiempos generacionales humanos, se produjo en su Inglaterra natal: la evolución de la polilla Biston betularia. Desarrollo de la simulación 1.1. Un integrante de cada grupo simulará ser un ave predadora de las polillas que habitan los árboles del bosque*. Para ello, deberá predar durante 5 minutos las polillas que observa en el ambiente correspondiente. *Esta simulación se halla disponible en: El resto de los integrantes del grupo deberá registrar el número de polillas predadas considerando que el tamaño poblacional inicial era de 100 individuos. Calcular la frecuencia absoluta inicial y final de cada uno de los fenotipos en cada uno de los ambientes simulados Calcular un valor de fitness para cada una de las clases fenotípicas en cada uno de los ambientes simulados e interpretar los resultados obtenidos. Preguntas para discutir 107

108 1.4 De qué manera la coloración incrementa o disminuye la probabilidad de supervivencia de las polillas? 1.5. Qué componente del fitness se halla afectado en esta simulación? Qué condiciones deben asumirse sobre el resto de los componentes del fitness de los morfos bajo estudio? 1.6. Suponiendo que la situación ambiental se mantiene constante, qué ocurrirá con el polimorfismo poblacional? 1.7. Qué ocurriría si se extinguieran los predadores en el bosque? Cambiarían las proporciones de ambos morfos a lo largo de las generaciones? Por qué? SIMULACION 2 Suponga que una población diploide de 10 individuos posee en la G(0), 4 alelos para un solo locus: Negro (N), rojo (R), marrón (M) y verde (V) en igual frecuencia Simule la G(0) con la cantidad de genotipos indicada en la tabla Escoja de manera aleatoria (sin mirar) y con reposición los genotipos de 10 individuos Apunte el número y frecuencia de genotipos y alelos escogidos en la planilla Forme la G(n+1) a partir de las frecuencias obtenidas, manteniendo el número de individuos constante (N=10) Repita los pasos 2 a 4, hasta completar la G(20) Calcule los valores de frecuencias alélicas y genotípicas desde la G(0) hasta la G(20) Calcule la heterocigosis observada en las generaciones pares. Gn RR NN MM VV RN RM RV NM NV MV R N M V H obs ,25 0,25 0,25 0, b- Grafique la frecuencia de los 4 alelos de acuerdo a las siguientes referencias: 108

109 M: R: V: N: Frecuencia 1,0 0,9 8,0 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0, Generaciones c- Grafique la heterocigosis observada en función de las generaciones. H obs. 1,0 0,9 8,0 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0, Generaciones d- Prepare una transparencia con los gráficos sin aumentar ni reducir el tamaño. e- Responda: e.1. Qué sucedió en cada subpoblación? Compare sus resultados con los otros grupos, y extrapole en el tiempo. e.2. Qué sucedió con el número de alelos en cada grupo? Extrapole a otras regiones no consideradas del genoma. 109

110 e.3. Los cambios observados son adaptativos? Justifique. Podemos afirmar que hubo evolución? 110

111 TP N 2: GENÉTICA DE POBLACIONES CON POPULUS GENERALIDADES: SELECCIÓN SOBRE UN LOCUS AUTOSÓMICO Para analizar los efectos de la selección natural sobre un locus autosómico dialélico en una población infinita, escoja la opción Natural Selection del menú principal y luego Locus Autonómico Dialélico. Encontrará una explicación teórica y un menú: I. Cuatro tipos de gráficos, p ƒ (t); P, Q, R ƒ (t); p ƒ (p); y ƒ (p). II. La opción Selection, maneja los parámetros h y s; y la opción Fitness, modifica los waa; waa; waa. III.El número de generaciones que desea simular. IV. Una opción que le permite analizar la dinámica evolutiva comenzando con 6 frecuencias iniciales distintas, o la elección de una única frecuencia inicial. 1. CONDICIONES DE HARDY-WEINBERG (HW) 1.1. Cuáles son las condiciones que debe modificar del panel de control para visualizar las condiciones de HW? 1.2. Qué significa que p=0 y constante para todo p? 1.3. Por qué =1 y constante para todo p? SUGERENCIAS: Utilice la visualización de 6 frecuencias del alelo A 1. Tome el número máximo de generaciones posibles. 2. SELECCIÓN SOBRE UN ALELO DELETEREO CON DISTINTOS GRADOS DE DOMINANCIA En el modelo general de selección en contra de un alelo recesivo, la distribución de los valores de fitness es: Genotipos A 1 A 1 A 1 A 2 A 2 A 2 Fitness 1 1-hs 1-s Si el grado de dominancia del alelo A 2 es mínimo, h=0, el alelo es totalmente recesivo, y el análisis del modelo más general se reduce a explicar los efectos que distintos coeficientes de selección s tienen sobre la tasa de incremento del alelo A 1. Si además, el alelo es en extremo deletéreo, es decir, letal, el fitness relativo de la clase A 2 A 2 será nulo. Modelo A 1 A 1 A 1 A 2 A 2 A 2 General s Letal

112 Corrobore que: 2.1. Para un alelo letal, p es máximo (aunque no idéntico) en la primera generación independientemente de h. Por qué? 2.2. Para un alelo letal totalmente dominante la evolución se reduce al análisis de 1 generación. Por qué? SUGERENCIAS: Considere recesividad total (h=0), escoja condiciones de selección no tan extremas (s<1) para responder o corroborar que: 2.3. p=0 sólo cuando p=0 ó p=1. Por qué se consideran estos puntos como puntos de equilibrios triviales? 2.4. Qué necesitaría para que desaparezca la población de genotipos A 2 A 2? 2.5. Independientemente del valor de h y s, la población tiende a perder el polimorfismo inicial. 3. HETEROSIS O VENTAJA DEL HETEROCIGOTA En el modelo general de selección a favor del heterocigota, la distribución de los valores de fitness es: Genotipos A 1 A 1 A 1 A 2 A 2 A 2 Fitness 1-s 1 1-t Si s y t son iguales, la dinámica será completamente simétrica: Genotipos A 1 A 1 A 1 A 2 A 2 A 2 Fitness 1-s 1 1-s Corrobore que: 3.1. En heterosis, cuando los homocigotas tienen el mismo éxito reproductivo, se cumple que existen 3 equilibrios distintos en la población, el punto de equilibrio estable corresponde a p=0.5. Por qué es estable? 3.2. En heterosis, las frecuencias alélicas de equilibrio no dependen de las frecuencias iniciales y sólo es sensible a los coeficientes de selección s y t, tal que p* = t/(s+t). Si s+t =1; p* = t. Verifique esta hipótesis para distintos valores de t Si los homocigotas tienen distinto éxito reproductivo, la curva p ƒ (p) corresponderá a una sinusoidal deformada. Por qué? 112

113 3.4. Verifique que esta curva será más asimétrica cuanto mayor sea la diferencia entre s y t Por qué en todos los casos que ha analizado, el fitness medio máximo nunca alcanza el 1? SUGERENCIAS: Escoja del menú de Fitness. Modifique los parámetros w Aa ; w Aa, w aa 4. SELECCIÓN CONTRA LOS HETEROCIGOTAS En el modelo general de selección en contra de los heterocigotas, la distribución de los valores de fitness es: Genotipos A 1 A 1 A 1 A 2 A 2 A 2 Fitness 1+s 1 1+t Si s y t son iguales, la dinámica será completamente simétrica pero inversa a la del problema 3. Genotipos A 1 A 1 A 1 A 2 A 2 A 2 Fitness 1+s 1 1+s SUGERENCIAS: Escoja del menú la opción Fitness. Modifique los parámetros w AA ; w Aa ; w aa 4.1. En heterosis negativa, cuando los homocigotas tienen el mismo éxito reproductivo, se cumple que: i. Existen 3 equilibrios distintos en la población, 2 triviales y uno que corresponde a p*=0.5. Es estable? ii. Las frecuencias genotípicas se estabilizarán en P=R=0.25 y Q=0.5, sólo si la frecuencia inicial es exactamente igual a p* =0.5. iii. ƒ (p) es simétrico y mínimo cuando p* =0.5, y sus valores máximos son independientes del s escogido. 4.2 Una población en heterosis, podría pensarse como un sistema dinámico con un solo estado atractor, cualquiera sea su frecuencia inicial de alelos el sistema llegará a un equilibrio estable que no depende de las condiciones iniciales de frecuencia. Sin embargo, cuando hay desventaja del heterocigota la población puede verse entrampada en 2 atractores distintos. De qué depende que la población termine en uno y no en otro? 4.3. Por qué en todos los casos analizados, W* máximo =1? 5. EJERCITACIÓN En base a lo estudiado en este TP, resuelva el siguiente problema individualmente. 113

114 Se estudiaron dos poblaciones de organismos en dos ambientes distintos con los siguientes resultados: Ambiente 1 Ambiente 2 Genotipo AA AB BB Genotipo AA AB BB # de nacimientos # de nacimientos # de adultos # de adultos Aclaración: suponga que para cada ambiente se realizó un estudio longitudinal de la misma cohorte de individuos. a) Estimar el fitness relativo de los tres genotipos en cada ambiente (tratar a las dos poblaciones como unidades evolutivas independientes). b) Asumiendo apareamiento aleatorio, ignorando la deriva génica, y suponiendo que el ambiente permanece constante, proponer qué ocurrirá con las frecuencias alélicas en el tiempo (graficar p vs. p, vs. p y p vs. t). 114

115 TP N 3: RESOLUCIÓN DE PROBLEMAS 1. Consideremos los siguientes datos colectados luego de un muestreo de Drosophila polymorpha (Evolution: 3, pp ). La tabla proporciona el número de genotipos EE, Ee y ee que corresponden las clases fenotípicas oscuras, intermedias y claras, para el color del abdomen, respectivamente. EE Ee ee Total Observado (O) Esperado por HW (E) χ 2 = (O E) 2 / E Obtenga los valores de p y q y responda si la población se ajusta a las proporciones esperadas por HW. 2. Cuál es la heterocigosis observada y cuál la esperada en las siguientes poblaciones? AA Aa aa H o H e Las mariposas del complejo de especies Colias presentan gran polimorfismo para el gen de la enzima fosfoglucosa isomerasa (PGI). Esta enzima interviene en el metabolismo de la glucosa por lo que resulta importante para el suministro de energía al momento del vuelo. Diversos trabajos han propuesto que el éxito reproductivo de las especies de Colias depende fuertemente de la capacidad de vuelo de los adultos. Usted se encuentra realizando una pasantía en Colorado, USA, y desea poner a prueba esta hipótesis. Para ello se propone estudiar la variación intrapoblacional para el gen de la PGI en C. meadii de las montañas Rocosas y realiza un muestreo en una zona de mayor altitud (tundra) y otra de menor altitud (estepa) en el cerro Gunninon. Como usted sabe que estas mariposas se aparean al atardecer, hace una colecta de individuos en vuelo libre durante la mañana y una colecta de parejas en cópula al atardecer en cada uno de los ambientes. A partir de los individuos colectados hace un análisis del polimorfismo presente en su muestra para el gen de la PGI y obtiene los siguientes resultados: Tundra A 1 A 1 A 1 A 2 A 2 A 2 Vuelo libre En cópula Estepa A 1 A 1 A 1 A 2 A 2 A 2 Vuelo libre En cópula

116 a) Calcule el fitness relativo de cada genotipo en cada uno de los ambientes. b) Qué tipo de selección está operando en cada caso? 4. Considere un locus con 2 alelos (A, a) en donde hay selección en contra del homocigota recesivo. La frecuencia de A entre 2 generaciones sucesivas es y 0.5. Cuál es el valor del coeficiente de selección (s) en contra de aa? 5. Cuál es la frecuencia de equilibrio en una población si un alelo recesivo que surge a una tasa de 4x10-6 tiene un éxito reproductivo cuando está en homocigosis de 0.8? 6. Un muestreo realizado en una población de Bombay (India) mostró las siguientes frecuencias para el grupo sanguíneo MN: MM MN NN 450 personas 300 personas 250 personas Un genetista de poblaciones que está estudiando la estructura demográfica y genética de la ciudad, a la vista de las frecuencias anteriores, decide hacer un estudio más detallado, diferenciando el grupo del cual proviene la persona. Por qué tomaría ésta decisión? Las frecuencias por castas son las siguientes: Grupo sanguíneo Casta A B MM MN NN a- Qué se puede deducir sobre la estructura poblacional a la vista de las frecuencias? Explique brevemente. De acuerdo a sus resultados, el genetista decide estudiar la estructura reproductiva del grupo. Está de acuerdo? Por qué? b- Cuál/es de la/s siguiente/s estructuras reproductoras les parece que mejor ajusta al estudio realizado?: Toda la población funciona como una unidad panmíctica. No se dan matrimonios entre castas, pero dentro de cada casta hay casamientos entre personas no emparentadas. No se dan matrimonios entre castas, pero dentro de cada casta el gobierno estimula con una importante suma de dinero los casamientos entre primos hermanos. Las castas están aisladas reproductivamente y dentro de cada casta existen muchos individuos no reproductores, de modo que el tamaño eficaz de la población es muy reducido en cada casta desde hace varias generaciones. 7. Un investigador estudia el polimorfismo para el pigmento del abdomen en 2 especies de coleópteros que viven en simpatría (el mismo ambiente) y obtiene el siguiente gráfico de las frecuencias alélicas en función del tiempo: 116

117 p 1 0 tiempo Mientras que en la especie 2 se observó el siguiente comportamiento de la frecuencia génica: p1 0 tiempo a- Explique y justifique que sucede con el polimorfismo en cada una de las especies. b- Esperaría que, de mantenerse estas circunstancias, el polimorfismo se mantenga o se pierda en cada una de las especies? Por qué? Es posible establecer un valor de fitness para este polimorfismo? Por qué? 8. Una población X de una determinada especie, presenta para un dado carácter, el siguiente polimorfismo genotípico: A 1 A 1, A 1 A 2, A 2 A 2. Un estudio de 10 años de duración demostró que durante todo ese período la población presentó ajuste a HW y Δp= 0. Por un evento azaroso, la población se dividió a la mitad originando las poblaciones X1 y X2. A partir de esta división se estudió la dinámica de las frecuencias genotípicas de cada población. Luego de varias generaciones se observó que al considerar las dos poblaciones X1 y X2 en conjunto (es decir la población X original), no se detectó ajuste a HW debido a un defecto de heterocigotas. A continuación se presentan los resultados obtenidos de las frecuencias genotípicas de ambas poblaciones desde el momento de la división: 117

118 Población X1 : fitness medio poblacional W 1 Frec. A Frec. A Tiempo (generaciones) Población X2 : fitness medio poblacional W 1 0,75 Frec. A 2 1 0,8 0,5 1 Frec. A Tiempo (generaciones) En la generación 20, el investigador realizó el siguiente estudio: tomó una muestra de la población X1 y la trasladó al laboratorio, allí cambió algunas variables ambientales respecto a la situación original (denominando a ésta población M1). Este experimento arrojó los siguientes resultados: Frec. A Tiempo (generaciones) En tanto que una muestra representativa de la población X2 también se traslada al laboratorio, la cual se denomina M2, manteniendo las mismas condiciones al traslado anterior (M1). Los resultados de este traslado fueron los siguientes: 118

119 Frec. A 1 1 Frec. genotípicas 1 0,5 0, Tiempo (generaciones) Tiempo (generaciones) a- Describa y justifique todos los cambios en las frecuencias alélicas y genotípicas desde el inicio del estudio hasta el final en las 5 poblaciones. b- Cuál es la posible causa del no ajuste a HW? c- Cuáles de las poblaciones (incluidas las de laboratorio): X1, X2, M1, M2; son polimórficas en el equilibrio y por qué? d- Los individuos provenientes de las poblaciones X1 y X2 podrían formar dos especies diferentes? Justifique brevemente su respuesta. 9. El mosquito Aedes aegypti es el agente transmisor del dengue. Durante los últimos años se han realizado muchas investigaciones con el fin de controlar las poblaciones naturales de dicho mosquito. Un grupo de investigadores realizó un estudio para evaluar la eficacia de un insecticida sobre una población natural de A. aegypti que desde t0 hasta t1 fue evaluada con otro insecticida similar. Sabiendo que la resistencia al insecticida está controlada por un locus dialélico, se estudiaron las frecuencias alélicas para dicho locus durante muchas generaciones (previas al tratamiento con el nuevo insecticida y posteriores al mismo). Los resultados se muestran a continuación: Momento en el que se aplicó el nuevo insecticida 0.5 P* t 0 t 1 t 2 Nota: Se sabe que durante el período t 0 a t 1, el fitness medio poblacional se maximiza cuando p = p*. 119

120 a- Explique y justifique los cambios en las frecuencias alélicas desde el inicio del estudio (t 0 ) hasta el final del mismo (t 2 ). Qué proceso evolutivo ocurrió en cada período (t 0 -t 1 y t 1 -t 2 )? Nombre el modelos de selección y describa cualitativamente los coeficientes de selección en el/los caso/s que corresponda. b- La población se mantiene polimórfica? Justifique. c- De acuerdo con estos resultados qué opina sobre la efectividad del uso de insecticidas para controlar poblaciones naturales de este mosquito? Justifique. Adicionalmente, dos pequeñas muestras de individuos (M 1 y M 2 ) de la población natural a t 0 fueron llevadas al laboratorio y mantenidas durante muchas generaciones. Luego de este tiempo, se realizó un nuevo experimento para evaluar el efecto de un tercer insecticida sobre estas dos poblaciones de laboratorio. Los resultados fueron llamativos: en M 1 la mortalidad fue total, mientras que en M 2 hubo un 100% de supervivencia luego del tratamiento. a- Cómo evolucionó la resistencia al insecticida en estas dos poblaciones de laboratorio? Explique. b- Graficar cualitativamente p en función del tiempo desde t 0 hasta el momento del experimento en el laboratorio. 10. Un grupo de investigadores descubrió una nueva especie de reptil cuyos representantes se encuentran distribuidos en dos poblaciones que están aisladas entre sí. Inmediatamente, realizaron un censo y determinaron el genotipo de todos los individuos en relación a un locus dialélico de interés. A partir de ese momento, continuaron recabando información en todas las generaciones permitiendo obtener los siguientes resultados: Población continental No se observaron diferencias significativas en las frecuencias alélicas y genotípicas a lo largo del tiempo. Población insular 120

121 Gran erupción volcánica A partir de lo anterior, responder las siguientes preguntas (considerando cada población por separado y, si es necesario, tomando en cuenta distintos momentos para cada una de ellas). Justifique todas las respuestas. a- Hay evolución en relación con el locus considerado? b- Existe polimorfismo para dicho locus? c- Qué fuerzas evolutivas pueden estar actuando? d- Graficar Δp en función de p para la población continental e- Qué se puede decir acerca de la evolución del resto del genoma? 11. Un grupo de investigadores comenzó a analizar una población de artrópodos de gran capacidad dispersiva que habita una pradera con algunas zonas rocosas. Poco tiempo después, descubrió que la coloración del cuerpo tiene una base genética simple y decidió estudiar si la misma era adaptativa. Para eso, determinó los genotipos de individuos de diferentes colores y el valor reproductivo de cada clase genotípica en una muestra representativa de la población. Obtuvo los siguientes resultados: Coloración del cuerpo Verde Gris verdosa Gris Genotipo A 1 A 1 A 1 A 2 A 2 A 2 Valor reproductivo 1,15 1 1,15 a) La coloración, es un carácter adaptativo en esta población? En caso afirmativo, qué modelo de selección natural explica mejor estos resultados? Tiempo después los investigadores parcelaron parte del lugar y en cada parcela introdujeron una muestra de individuos de dicha población. De esta manera, criaron separadamente a los individuos de cada muestra, pero en ambientes muy similares. Antes de introducirlos en las parcelas determinaron el genotipo de todos los individuos de cada muestra, lo que les permitió obtener los siguientes resultados: Muestra Frecuencia de A

122 2 0,7 3 0,5 4 0,3 b- Son polimórficas estas nuevas poblaciones? c- Qué ocurrirá con el alelo A 1 en cada una de ellas si el ambiente se mantiene constante por un gran número de generaciones? Justifique su respuesta. 122

123 PROBLEMAS ADICIONALES 1. Indique que poblaciones se ajustan a las proporciones de HW: 2. En un intrón del transcripto larval del gen que codifica para Adh, de D. melanogaster se halló un sitio de restricción BamHI. El análisis de 60 cromosomas aislados de una población natural reveló que 29 cromosomas eran sensibles al corte de la enzima. Suponiendo apareamiento aleatorio, calcule las frecuencias esperadas de genotipos BB, Bb y bb, considerando que B y b representan la presencia y la ausencia del sitio. 3. Si el fitness estimado para AA, Aa y aa es 1, 0.9 y 0.6 respectivamente, calcule la frecuencia de A en la generación 1, 2 y 3 dado que p= 0,7. 4. Calcule las frecuencias alélicas del equilibrio, en las 3 poblaciones que figuran mas abajo, si el fitness está dado por los siguientes valores 123

124 124

125 MÓDULO III: TEORÍA NEUTRALISTA 125

126 TEORÍA NEUTRALISTA EVOLUCIÓN. FCEN. UBA TEORÍA NEUTRALISTA Por Nicolás Frankel y Romina Piccinali INTRODUCCIÓN 1. VISIONES SOBRE LA VARIABILIDAD GENÉTICA PREVIAS A LA TEORÍA NEUTRALISTA En los años 50 los genetistas de poblaciones estaban divididos en dos escuelas: la escuela clásica, con Hermann Müller entre sus defensores, y la escuela equilibrada, con Theodosius Dobzhansky como figura principal. Como se deduce de su nombre, la escuela equilibrada predecía la existencia de muy altos niveles de variabilidad en las poblaciones naturales y postulaba que los mismos eran mantenidos por selección equilibradora (ventaja del heterocigota, selección dependiente de las frecuencias). La escuela clásica, en cambio, consideraba que los individuos eran homocigotas para la mayoría de sus genes y portaban alelos wild-type. Estos alelos se mantenían en las poblaciones porque la selección negativa (que ellos denominaban selección purificadora ) eliminaba las variantes perjudiciales que surgían por mutación. Por lo tanto, los seguidores de la escuela clásica creían que existía poca variabilidad en las poblaciones naturales, a diferencia de la alta variabilidad postulada por los seguidores del modelo equilibrado. En la siguiente tabla se resumen las principales ideas de cada escuela: Escuela clásica Escuela equilibrada Especiación Difícil (limitada por la Fácil (limitada por la cantidad de mutaciones) oportunidad de selección) Principal tipo de selección Purificadora (negativa) Equilibradora (principalmente ventaja del heterocigoto) Polimorfismo Transitorio Estable En los años 60 aparecen los primeros estudios genético-poblacionales basados en la electroforesis de proteínas y datos de secuencias de proteínas. Las secuencias de una misma proteína en distintas especies aportan información sobre la divergencia entre especies, mientras que los patrones electroforéticos de proteínas exploran el polimorfismo intraespecífico. En particular, se comenzaba a vislumbrar que en ciertos casos el número de sustituciones aminoacídicas entre dos especies era proporcional a la divergencia entre ellas (Margoliash, 1963). Por otro lado, en 1966 los estudios de Lewontin y Hubby en Drosophila pseudoobscura y de Harris en humanos demostraron que existe un alto polimorfismo dentro de las poblaciones. En esa época dominaba la visión de la escuela equilibrada como explicación de la variabilidad genética. Sin embargo, diversos trabajos (entre ellos el de Kimura y Crow en 1964) concluyeron que la selección equilibradora acarrea cargas insostenibles para el fitness medio poblacional y por lo tanto es difícil pensar en este mecanismo como el único responsable del mantenimiento de los polimorfismos. 2. LA TEORÍA NEUTRALISTA Una respuesta teórica a esta problemática llegó hacia fines de los 60 de la mano del genetista de poblaciones japonés Motoo Kimura, quien hasta ese momento había trabajado bajo el paradigma y los postulados del Neodarwinismo. En el año 1967 y en un intento por combinar la información teórica proveniente de la Genética de Poblaciones con los datos moleculares que empezaban a 126

127 TEORÍA NEUTRALISTA EVOLUCIÓN. FCEN. UBA generarse rápidamente, comenzó a trabajar con las secuencias aminoacídicas de la hemoglobina y del citocromo c de varias especies de mamíferos. Kimura se sorprendió al descubrir un número muy alto de sustituciones aminoacídicas, y extrapolando estas tasas de evolución al resto del genoma, concluyó que el número de cambios era demasiado grande para ser compatible con algunos de los postulados de la Teoría de la Evolución por Selección Natural. Sobre la base de esta discrepancia, en 1968 publicó su trabajo Evolutionary Rate at the Molecular Level, en el cual estableció los principios de la Teoría Neutralista de la Evolución o Teoría del Equilibrio Mutación-Deriva Génica, la cual sería refinada y perfeccionada en su libro The Neutral Theory of Molecular Evolution (1983). Por la misma época otros dos investigadores, King y Jukes (1969) arribaron a conclusiones similares basándose en un número mayor de datos. Los principales postulados de la Teoría Neutralista son los siguientes: - La mayor parte de las mutaciones son deletéreas o no tienen efecto sobre el valor adaptativo (son neutras). Las mutaciones deletéreas son rápidamente eliminadas de las poblaciones por la selección natural, razón por la cual no contribuyen al cambio evolutivo. Los alelos neutros, en cambio, varían aleatoriamente en frecuencia hasta su fijación o pérdida con el transcurso de las generaciones por efecto de la deriva genética. Esta Teoría también es llamada de Equilibrio Mutación-Deriva Génica-, en referencia a las dos fuerzas predominantes en ella: la mutación como fuente de variabilidad y la deriva como principal responsable del cambio en las frecuencias alélicas. - El polimorfismo es una etapa transitoria entre la fijación de variantes neutras a lo largo de la evolución de las especies. Bajo el modelo de evolución neutral de Kimura, los polimorfismos no son adaptativos ni se mantienen a través de procesos determinísticos como la selección equilibradora. - La tasa de evolución molecular debida a las mutaciones neutras (es decir la proporción de mutaciones que se fijan a lo largo del tiempo en la secuencia nucleotídica) es igual a la tasa de mutación neutra k = μf n, donde k es la tasa de sustitución, μ es la tasa de mutación y f n es la proporción de mutaciones neutras. - El nivel de polimorfismo es una función del tamaño efectivo poblacional y de la frecuencia de aparición de mutaciones neutras o tasa de mutación neutra. La Teoría Neutralista también permitió hacer predicciones respecto de los patrones de variabilidad molecular esperados en distintas regiones del genoma y en diferentes especies y proponer nuevas hipótesis para explicar ciertos patrones observados cuando comenzaron a acumularse datos de secuencias, originalmente de aminoácidos y luego de nucleótidos. Entre estas explicaciones y predicciones podemos citar los siguientes puntos: - Existe un reloj molecular en la evolución del genoma: ya desde la década de 1960 los datos de secuencias de aminoácidos de varias proteínas sugerían que el número de diferencias aminoacídicas entre dos organismos era proporcional al tiempo de divergencia entre las especies (Zuckerkandl y Pauling 1962, 1965; Margoliash, 1963). Esta idea fue bautizada como el reloj molecular de la evolución de las proteínas. La explicación dada por la Teoría Neutralista fue la siguiente: debido a que la mayor parte de las mutaciones son neutras, las tasas de sustitución de las moléculas son iguales a la tasa de mutación neutra. Si esta tasa fuera constante en los diferentes linajes, esto explicaría fácilmente por qué la tasa de evolución molecular por sitio y por año es constante. - La tasa de sustitución nucleotídica es mayor en aquellas regiones de una proteína que presentan menores restricciones funcionales: esto se debe a que, la probabilidad que una mutación sea neutra y pueda llegar a fijarse por azar, es mucho mayor si la misma ocurre en una región con poca importancia desde el punto de vista funcional. 127

128 TEORÍA NEUTRALISTA EVOLUCIÓN. FCEN. UBA - La tasa de evolución en los sitios sinónimos es mayor que en los sitios no sinónimos y en los pseudogenes es mayor que en las regiones codificantes: la misma explicación dada en el punto anterior respecto de las proteínas es también válida cuando se analizan directamente las secuencias de ADN. Debido a que los pseudogenes constituyen regiones del genoma que han dejado de ser funcionales y a que las posiciones nucleotídicas sinónimas no producen cambios en la secuencia aminoacídica de una proteína, es más probable que las mutaciones se comporten como neutras en estas regiones. - Las poblaciones con mayor tamaño efectivo deberían exhibir mayores niveles de polimorfismo: bajo el modelo de evolución neutra, el grado de polimorfismo o heterocigosis esperada de una población en equilibrio deriva génica-mutación es igual a 4N e μ donde N e es el tamaño efectivo y μ la tasa de mutación neutra. Es por ello que poblaciones de mayor tamaño deberían tener mayores niveles de variabilidad nucleotídica. 3. LA TEORÍA NEUTRALISTA COMO HERRAMIENTA PARA INFERIR LA ACCIÓN DE LA SELECCIÓN NATURAL La Teoría Neutralista afirma que las sustituciones nucleotídicas fijadas por selección natural conforman una proporción muy pequeña en comparación con los cambios neutros y por lo tanto la contribución de las mismas a la evolución del genoma es despreciable. Pero es difícil creer que todos los caracteres de una especie hayan surgido a través de cambios neutrales. Es muy probable que muchas de las variaciones fenotípicas que hoy observamos (a nivel micro y macroevolutivo) estén gobernadas por la selección natural, y estos cambios están, sin dudas, causados por transformaciones en los genes que codifican para dichos caracteres. Por lo tanto, estos genes han estado (y aún están) sometidos a presiones selectivas. Podemos entonces preguntarnos si es posible utilizar de alguna manera este modelo para determinar si el cambio evolutivo en una región génica ha sido adaptativo (es decir, resultado de la selección natural) o neutro. Debido a que la Teoría Neutralista hace predicciones muy precisas sobre los patrones de variabilidad esperados, se la puede utilizar como una hipótesis nula, la cual describe un mundo en el cual la selección natural no ha jugado ningún papel significativo y la mutación y la deriva génica son las únicas fuerzas evolutivas que influencian los patrones de diversidad genética, tanto dentro de las poblaciones (polimorfismo) como entre las especies (divergencia). Es posible entonces analizar si los datos de una determinada región genómica se ajustan a un modelo de evolución basado únicamente en la mutación y la deriva génica, mediante alguna prueba de bondad de ajuste. Si nuestras observaciones no pueden ser explicadas por nuestro modelo inicial, podemos rechazar la hipótesis nula de neutralidad, y proponer hipótesis alternativas donde se tengan en cuenta aspectos biológicos no considerados previamente en nuestro modelo. Si un conjunto de datos no se ajusta adecuadamente a las predicciones de la Teoría de Kimura es necesario plantear escenarios alternativos. Siempre es muy importante tener en cuenta que los desvíos de la neutralidad no implican necesariamente la acción de selección natural. El modelo neutralista formula sus predicciones para poblaciones en equilibrio deriva-mutación, esto implica que el tamaño efectivo poblacional (Ne) y la tasa de mutación (μ) son constantes en el tiempo. Factores demográficos tales como expansiones poblacionales, cuellos de botella y/o estructuración poblacional pueden generar desvíos de la neutralidad los cuales no son causados por la selección. 4. ESTIMADORES DE POLIMORFISMO Y DIVERGENCIA NUCLEOTÍDICA Antes de hacer una breve descripción de las pruebas propiamente dichas, es necesario definir algunos conceptos básicos con los que trabajaremos. 128

129 TEORÍA NEUTRALISTA EVOLUCIÓN. FCEN. UBA Sustituciones sinónimas y no sinónimas Una sustitución es el reemplazo de un alelo por otro en una población o especie; el término sustitución nucleotídica se emplea para indicar el reemplazo completo de un nucleótido por otro dentro de un linaje evolutivo a lo largo del tiempo. En regiones codificantes existen sustituciones sinónimas y sustituciones no sinónimas. Supongamos que tenemos las siguientes secuencias codificantes del gen X de las especies A y B, y que las mismas están alineadas de manera tal de poder comparar codones homólogos (Figura 1). Figura 1 Codón 23 Codón 24 Gen X-spA...UCA GGA CUA CUU... Gen X-spB...UCA GCA CUC CUU... Sustitución no sinónima GLY ALA Sustitución sinónima LEU=LEU En el codón 23 hay una sustitución nucleotídica no sinónima que implica el reemplazo del aminoácido codificado. En una especie ese codón codifica una glicina y en la otra una alanina. Lo que pudo haber ocurrido es que en el linaje de la especie B esa segunda posición del codón 23 cambió de G a C o por el contrario, que el cambio se haya producido en el linaje de la especie A. Igualmente esta información, no es relevante para esta prueba. En cambio en el codón 24 puede verse una sustitución de tipo sinónima, es decir que no cambia el aminoácido codificado. Polimorfismo sinónimo y no sinónimo Cuando consideramos la variabilidad intraespecífica, dentro o entre poblaciones, hablamos de sitios polimórficos o sitios segregantes (S) sinónimos y no sinónimos, es decir sitios que poseen más de una variante nucleotídica. Así por ejemplo en la Figura 2, en la población A los sitios 194, 196 y 197 tienen más de una variante (2 sinónimos y 1 no sinónimo), mientras que en la población B hay sólo 2 sitios polimórficos (ambos no sinónimos). Figura 2 POBLACIÓN A POSICIÓN NUCLEOTÍDICA AMINOÁCIDOS CODIFICADOS Alelo1 T C C A T A Ser-Ile Alelo2 T C A A T A Ser-Ile Alelo3 T C A A T T Ser-Ile Alelo4 T C C A T T Ser-Ile Alelo5 T C C A C A Ser-Thr Sin No Sin Sin 129

130 TEORÍA NEUTRALISTA EVOLUCIÓN. FCEN. UBA POBLACIÓN B POSICIÓN NUCLEOTÍDICA AMINOÁCIDOS CODIFICADOS Alelo1 T C C A T A Ser-Ile Alelo2 T C C A T A Ser-Ile Alelo3 T C C G T A Ser-Val Alelo4 T G C A T A Cys-Ile Alelo5 T G C G T A Cys-Val No sin No sin Las posiciones 192, 193 y 194 conforman un codón, así como las posiciones 195, 196 y 197 Se han definido varios estimadores del nivel de polimorfismo o de la heterocigosis media poblacional o θ. Este parámetro es conocido como parámetro neutralista y es igual a 4N e μ Los estimadores más utilizados son θ W (Watterson, 1975) y π (Tajima, 1989). θ W equivale al número promedio de nucleótidos segregantes por sitio. En la práctica se estima como: θ w = S L n 1 i= 1 (1/ i) donde S es el número de sitios segregantes, L el número total de pares de bases de la región n analizada y 1 (1/ i ) es una corrección por error de muestreo basada en el número total de secuencias analizadas (n). n π equivale al número promedio de diferencias nucleotídicas observadas entre pares de secuencias por sitio. Su valor puede calcularse como: π = n n 1 n kij L i= 1 j = i+ 1 2 donde, k ij es el número de diferencias nucleotídicas observadas entre las secuencias i y j, L es el n número total de pares de bases de la región analizada, n es número total de secuencias y es 2 igual a n(n-1)/2. 5. PRUEBAS DE AJUSTE A MODELOS DE EVOLUCIÓN NEUTRA La prueba Dn/Ds La prueba Dn/Ds (también llamada Ka/Ks) se utiliza generalmente en comparaciones interespecíficas de genes ortólogos. Pero también puede utilizarse para comparaciones entre genes parálogos dentro de una misma especie o entre especies 1. 1 La definición original de ortólogo y parálogo la dio Walter Fitch (1970): "Where the homology is the result of gene duplication so that both copies have descended side by side during the history of an organism, (for example, alpha and beta hemoglobin) the genes should be called paralogous (para = in 130

131 TEORÍA NEUTRALISTA EVOLUCIÓN. FCEN. UBA El cociente Dn/Ds es la relación entre la proporción de sustituciones no sinónimos (Dn) y la proporción de sustituciones sinónimas (Ds). Dn se calcula como el número total de sustituciones no sinónimas (n) (Figura 1) sobre el número total de sitios no sinónimos (NSS) (Figura 3) a lo largo de todo un gen, es decir, para todos sus codones. Ds se calcula como el número total de sustituciones sinónimas (s) (Figura 1) sobre el número total de sitios sinónimos (SS) (Figura 3). Hay distintas maneras de estimar los valores de n, NSS, s y SS (Muse, 1996). Nosotros lo haremos con el procedimiento de Nei y Gojobori (1986). Para obtener los valores de n y s se procede como en la Figura 1, pero se lo hace para todos los codones del gen. El número total de sitios sinónimos (SS) y sitios no sinónimos (NSS) se calcula de la siguiente manera: Figura 3 Codón 50 gen X-spA... GCA... 1ra posición 1 sitio no sinónimo 2da posición 1 sitio no sinónimo 3ra posición 1 sitio sinónimo En la figura 3 se muestra un triplete que codifica para el aminoácido alanina. Tanto en la 1ra posición como en la 2da posición, cualquier cambio nucleotídico que se produzca va a cambiar el aminoácido codificado por ese codón, por lo tanto estos sitios se cuentan como no sinónimos. En cambio en la 3ra posición, cualquiera de los tres potenciales cambios nucleotídicos no va a modificar el aminoácido codificado por ese triplete. Por lo tanto a ese sitio se lo considera como sinónimo. Este procedimiento se repite para todos los codones del gen. Es simple para este triplete, pero algunos pueden dar un poco más de trabajo (como en el caso del codón TTA). Ahora, teniendo los valores de n, NSS, s y SS nos dedicaremos a calcular el valor de Dn/Ds. Dn = n/nss Ds = s/ss Dn/Ds = n/nss/s/ss Cómo analizamos el resultado de Dn/Ds? Si Dn/Ds = 1, esto significa que las tasas de evolución sinónima y no sinónima son iguales, lo que sugiere que todos los sitios son neutros, es decir que no hay presiones selectivas diferenciales sobre las distintas posiciones nucleotídicas. El ejemplo clásico son los pseudogenes. Si Dn/Ds <1, la mayoría de los cambios aminoacídicos son deletéreos y por lo tanto son seleccionados negativamente (esto ocurre en la mayoría de los genes). Entonces Ds es mayor que Dn. Al cambiar el aminoácido en la proteína esta puede perder su función, en cambio una sustitución sinónima conserva el aminoácido en la proteína y en la mayoría de los casos es neutral. La tasa Ks puede considerase como neutral (aunque se sabe que las posiciones sinónimas también pueden ser blanco de la selección natural, ver Akashi, 1995). Si Dn/Ds > 1, eso significa que Dn es mayor que Ds y puede inferirse que sobre ese gen hubo selección positiva. Es decir que la Selección Natural favoreció la fijación de cambios aminoacídicos. Esto podría deberse a que dichos cambios proporcionan una actividad más eficiente parallel). Where the homology is the result of speciation so that the history of the gene reflects the history of the species (for example alpha hemoglobin in man and mouse) the genes should be called orthologous (ortho = exact)." 131

132 TEORÍA NEUTRALISTA EVOLUCIÓN. FCEN. UBA o una nueva función a la proteína involucrada, otorgando algún tipo de ventaja adaptativa a sus portadores. Una tabla de 2x2 nos permite saber si el valor de Dn/Ds es significativamente mayor a 1. (Li y Graur, 1999) La hipótesis nula que ambas tasas son iguales se pone a prueba con el estadístico de Fisher o el de χ 2. No sinónimos n NSS-n Sinónimos S SS-s D de Tajima o D T El D T (Tajima, 1989) trabaja con datos de polimorfismo y compara la diferencia entre θ W y π, dos estimadores del parámetro neutralista θ. Bajo neutralidad selectiva, la esperanza es que ambos estimadores sean iguales, y por lo tanto la diferencia entre ellos sea igual a cero. El valor de D T se calcula como: D T = π θw Var( π θw) Qué es lo que mide el estadístico de Tajima? θ W sólo está influido por el número de sitios segregantes (S), mientras que π es sensible a las frecuencias de estos sitios, de tal manera que los sitios con frecuencias intermedias, contribuyen más que los alelos en frecuencias bajas. En consecuencia, si una muestra tiene un exceso de alelos en frecuencias bajas, π será menor que θ W y D T será negativo. Si por el contrario, hay un exceso de alelos en frecuencias intermedias, π será mayor que θ W y D T positivo El D T es un estadístico muy general para analizar espectros de frecuencias alélicas, y tiende a ser negativo cuando el gen estudiado presenta huellas de barridos selectivos recientes (un barrido selectivo ocurre cuando un alelo se fija por selección y elimina toda o casi toda la variabilidad dentro y en las cercanías del locus en cuestión): Figura 4 Variabilidad previa al barrido selectivo Barrido selectivo: se fija el alelo portador de la mutación ventajosa Tras el barrido selectivo la población recupera su variabilidad Mutación ventajosa Mutación neutra Alelo Neutralidad π = θ W D T = 0 Exceso de alelos en baja frecuencia π < θ W D T < 0 132

133 TEORÍA NEUTRALISTA EVOLUCIÓN. FCEN. UBA Los valores de D T positivos, en cambio, son consistentes con selección equilibradora: Figura 5 SELECCIÓN EQUILIBRADORA Mutación ventajosa Mutación neutra Alelo Neutralidad π = θ W D T = 0 Exceso de alelos en frecuencias intermedias π > θ W D T > 0 Modificado de Lancet y Yanai (2004). evogen/admin.html No obstante, debe tenerse en cuenta que dos supuestos de esta prueba son que la población es panmíctica y que el tamaño efectivo de la población ha permanecido constante. Por esta razón, procesos demográficos tales como cuellos de botella y/o expansiones poblacionales y la presencia de estructuración poblacional (la existencia, dentro de una supuesta población panmíctica, de diferentes subpoblaciones diferenciadas genéticamente) pueden generar rechazos a la hipótesis nula de la prueba sin que necesariamente esté operando la selección natural. Posibles maneras de diferenciar los efectos demográficos de los selectivos consisten en analizar más de una región génica (los procesos demográficos afectan a todo el genoma, mientras que el efecto de la selección es gen-específico) o diferentes tipos de sitios polimórficos (por ejemplo, los cambios no sinónimos suelen estar sujetos en mayor medida a la selección natural que los cambios sinónimos). 6. La prueba de McDonald-Kreitman (MK) La prueba MK (McDonald y Kreitman, 1991) se basa también en la cuantificación de los cambios sinónimos y no sinónimos, pero a diferencia del método basado en el cociente Dn/Ds, necesitamos contar también con datos de polimorfismo intraespecífico. Los datos que se necesitan para la prueba MK se presentan en una tabla de 2x2: Polimórficos (dentro sp.) Fijados (entre sp.) Sinónimos n de sitios A n de sitios C No sinónimos n de sitios B n de sitios D La siguiente figura (McDonald y Kreitman, 1991) ilustra cuales son los sitios A, B, C y D en las secuencias de tres especies cercanamente emparentadas del género Drosophila: D. melanogaster, D. simulans y D. yakuba. 133

134 TEORÍA NEUTRALISTA EVOLUCIÓN. FCEN. UBA Figura 6 En esta figura se visualizan los sitios variables a lo largo de la secuencia del gen Adh en alelos muestreados (a, b, c, d, etc - flecha incompleta) para estas tres especies (flechas completas). Los sitios no variables no son informativos y no se incluyen en el análisis (por ejemplo el sitio 1500). Se muestra el nucleótido que presenta cada alelo en las posiciones variables. La columna con. muestra la base consenso en esa posición (la base más frecuente). Se pone un guión si la base es igual al consenso. Las dos columnas de la derecha indican a cuál de los cuatro grupos pertenece esa posición del gen (señalados con flechas completas y la letra correspondiente a la izquierda del gráfico). Para llevar a cabo esta prueba es necesario contabilizar tanto los sitios que son polimórficos dentro de cada especie como los sitios que presentan diferencias fijadas entre especies. Los sitios donde existen diferencias fijadas (C y D) son aquéllos en los que en las comparaciones entre pares de especies se observan diferentes nucleótidos pero no presentan variación dentro de las mismas. En cambio los sitios polimórficos (A y B) presentan variación sólo dentro de las especies. Para ver cómo se hace la división de fijados y polimórficos en sinónimos y de reemplazo se puede repasar la figura 2. Sabiendo ya como armar el cuadro de 2x2 podemos poner a prueba la predicción de la Teoría Neutralista que la proporción de sitios polimórficos sinónimos a no sinónimos es igual a la proporción de diferencias fijadas sinónimas a no sinónimas. Es decir si n de sitios A/ n de sitios B = n de sitios C/ n de sitios D, Para poner a prueba si un dado conjunto de datos se ajusta a lo esperado por la teoría Neutralista, se hace una prueba de independencia entre filas y columnas mediante una prueba G o de Fisher. Qué podemos concluir si hay desviaciones de la neutralidad? Por ejemplo si hubiese un número excesivo se sitios D (fijaciones de aminoácidos), podríamos decir que durante la divergencia interespecífica hubo cambios aminoacídicos que se fijaron por selección positiva. En otras palabras hubo evolución adaptativa a nivel molecular. Si por el contrario existe un exceso de polimorfismo aminoacídico (sitios B), esto puede interpretarse como selección purificadora, ya que 134

135 TEORÍA NEUTRALISTA EVOLUCIÓN. FCEN. UBA las mutaciones deletéreas pueden contribuir al polimorfismo pero es muy poco probable que lleguen a fijarse en una especie. Para terminar, incluimos una tabla que compara las tres pruebas. Prueba Comparación Se usa principalmente para detectar Dn/Ds Entre especies Selección positiva Tajima MK Dentro de una especie Entre y dentro de especies Selección positiva, selección equilibradora, Selección positiva Desventajas Al ser tan riguroso no se detecta la mayoría de los casos de selección positiva Muy sensible a cambios en el Ne y estructuración poblacional Asume una presión de selección constante 7. BIBLIOGRAFÍA 1. Akashi H Inferring weak selection from patterns of polymorphism and divergence at silent sites in Drosophila DNA. Genetics 139: Fitch WM Distinguishing homologous from analogous proteins. Systematic Zoology 19: Hubby JL, Lewontin RC A molecular approach to the study of genic heterozygosity in natural populations. I. The number of alleles at different loci in Drosophila pseudoobscura. Genetics 54(2): Kimura M, Crow JF The number of alleles that can be maintained in a finite population Genetics 49: Kimura M Evolutionary rate at the molecular level. Nature 217: Kimura M The Neutral Theory of Molecular Evolution. Cambridge University Press, Cambridge. 7. King JL, Jukes TH Non-Darwinian evolution. Science 164(881): Kreitman M Methods to detect selection in populations with applications to the human. Annu Rev Genomics Hum Genet.;1: Lewontin RC, Hubby JL A molecular approach to the study of genic heterozygosity in natural populations. II. Amount of variation and degree of heterozygosity in natural populations of Drosophila pseudoobscura. Genetics 54(2): Li H, Graur D Fundamentals of Molecular Evolution. Editorial Sinauer. 11. Margoliash E Primary structure and evolution of cytochrome c. Proc Natl Acad Sci USA. 50: McDonald JH, Kreitman M Adaptive protein evolution at the Adh locus in Drosophila. Nature 351: Muse SV Estimating synonymous and nonsynonymous substitution rates. Mol Biol Evol. 13(1): Nei M, Gojobori T Simple methods for estimating the numbers of synonymous and nonsynonymous nucleotide substitutions. Mol Biol Evol. 3(5): Tajima F Stastical method for testing the neutral mutation hypothesis by DNA polymorphism. Genetics 123: Watterson GA On the number of segregating sites in genetic models without recombination. Theor. Pop. Biol. 7: Zuckerkandl E, Pauling L Molecular disease, evolution and genic heterogeneity. Pp En M. Kash and B. Pullman, eds. Horizons in Biochemestry. Academic Press, New York, USA. 18. Zuckerkandl E, Pauling L Molecules as documents of evolutionary history. J. Theor. Biol. 8:

136 TEORÍA NEUTRALISTA EVOLUCIÓN. FCEN. UBA EJERCITACIÓN (PRIMERA PARTE) LA TEORÍA NEUTRALISTA: MIRADAS SOBRE LA VARIABILIDAD MOLECULAR Primera parte Lea la introducción del libro de Kimura The Neutral Theory of Molecular Evolution (1983, Cambridge University Press) y responda las siguientes preguntas: A1) Qué propone la teoría neutralista y por qué debería renombrarse como teoría del equilibrio mutación-deriva génica? Qué significa neutral en este contexto? A2) Qué es la evolución para Kimura y cuál es el nivel biológico en el que su teoría es aplicable? A3) Cuál es el rol que Kimura otorga a la selección natural? Por qué cree que esto causó tantas críticas cuando su teoría fue publicada? A4) Qué crítica hace Kimura al seleccionismo y qué ventaja tiene el modelo neutral al respecto? 136

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140 TEORÍA NEUTRALISTA EVOLUCIÓN. FCEN. UBA Segunda parte 1) Los siguientes gráficos muestran cómo serían los procesos de variación molecular en las poblaciones naturales según el modelo clásico y equilibrado: Gráfico 1. Gráfico 2. Aclaración: en los gráficos genes = alelos. a) Qué gráfico corresponde a cada escuela? Justifique. b) Represente, en un gráfico similar, la visión evolutiva de la Teoría Neutralista. c) Cómo podría representar en un gráfico de torta, la frecuencia relativa de los distintos tipos de mutaciones (deletéreas, ventajosas y neutras) según la visión neutralista y seleccionista? 140

141 TEORÍA NEUTRALISTA EVOLUCIÓN. FCEN. UBA 2) Analice el siguiente grafico (realizado por Dickerson en 1971, con secuencias de proteínas): Escala del eje X: Millones de años desde la divergencia (entre dos especies) Escala del Eje Y: Diferencias aminoacídicas en 100 sitios a) Qué indica la existencia de una relación lineal entre las variables graficadas? b) Las tres proteínas muestran distintas pendientes en el gráfico A qué podrá deberse este hecho? 3) En 1973 Motoo Kimura y Tomoko Ohta dataron la divergencia entre eucariotas y procariotas (Nature 243: ). Para ello, trabajaron con el gen de ARN ribosomal 5S. Alinearon las posiciones homólogas de las secuencias de levadura, E. coli y humano. A partir de este alineamiento calcularon las diferencias nucleotídicas observadas, expresadas como fracción de los sitios totales (λ). Luego, utilizaron la ecuación (1) para transformar λ en el parámetro K, que es nada más ni nada menos, el que va en la conocida ecuación de reloj (2). [Si prueba poner un valor en la ecuación (1) comprobará que D siempre termina siendo mayor a λ]. D = -3/4 ln (1-(4/3) λ) (1) K = D/2T (2) a) Por qué cree que el valor de diferencias nucleotídicas observadas se corrigió por medio de la ecuación (1)? 141

142 TEORÍA NEUTRALISTA EVOLUCIÓN. FCEN. UBA b) Según los autores, el valor de D entre E. coli y humano es de 0,817 y entre levadura y humano de 0,561. Teniendo en cuenta que hace aproximadamente 1200 millones de años divergieron la levadura y el humano Cómo dataron Ohta y Kimura la divergencia procariota-eucariota? 4) El siguiente gráfico fue obtenido comparando las secuencias de 50 genes entre humano y ratón asumiendo que la divergencia entre estas especies ocurrió hace 80 millones de años. Eje Y: tasa de sustitución ( = K = D/2T) Eje X: distintos sitios dentro de un gen: *Fourfold degenerate sites: sitios donde cualquier mutación conservaría el aminoácido codificado. *Twofold degenerate sites: sitios donde dos de las tres mutaciones posibles producirían un cambio de aminoácido. *Nondegenerate sites: sitios donde cualquier mutación produciría un cambio de aminoácido. a) Qué conclusiones se pueden obtener mirando el gráfico? b) Puede obtener una estimación de la tasa de mutación? Cuál es el valor aproximado de f n para los sitios no degenerados? c) Entran en conflicto los resultados del gráfico con la Teoría Neutralista? d) Cuantas diferencias espera encontrar (entre humano y ratón) en una región intrónica de 1000 pares de bases? 142

143 TEORÍA NEUTRALISTA EVOLUCIÓN. FCEN. UBA e) Qué regiones génicas de las menciondas en el gráfico tomaría para calcular un Dn/Ds? Y la prueba de Tajima (si tuviese datos intrapoblacionales)? 5) El siguiente gráfico fue hecho por un grupo de investigadores que analizaron la evolución del gen BrokenLCD estudiando su secuencia en muchas especies de vertebrados: Diferencias aminocídicas entre pares de secuencias C A B tiempo Los investigadores analizaron el gráfico y concluyeron que en el período A-B, se había producido un aumento en la fracción de mutaciones neutras (fn) del gen. Es decir, mutaciones que antes (B-C) hubieran sido deletéreas para el gen se tornaron neutras a) Qué opina usted sobre esta conclusión? Concuerda con lo que se ve reflejado en el gráfico? De qué otra manera podría explicar el aumento en la pendiente de la recta? Responda estas preguntas en el marco del paradigma de la Teoría Neutralista. b) Se le ocurre una hipótesis alternativa a la neutralidad para explicar estos datos? 6) Señale la/s respuesta/s correcta/s: Caso 1. Un alelo mutante A surge en una población. A. Si el alelo mutante es neutro con respecto al alelo original, existe un 50 % de probabilidad que el alelo mutante reemplace al alelo original. B. Es muy probable que el alelo mutante desaparezca en unas pocas generaciones debido a la deriva génica. C. El alelo mutante sólo se fijará si posee una fuerte ventaja selectiva. D. si el alelo mutante alcanza una frecuencia del 50%, es casi seguro que siempre se fijará en la población. Caso 2. Se espera que los sitios sinónimos cambien más rápidamente que los no sinónimos porque A. La proporción de transversiones es mayor en los sitios sinónimos. B. La selección negativa reduce la tasa de sustitución en los sitios no sinónimos. C. La tasa de mutación es mayor en los sitios sinónimos. D. La selección natural favorece las nuevas variantes que surgen en los sitios sinónimos. 143

144 TEORÍA NEUTRALISTA EVOLUCIÓN. FCEN. UBA 7) El siguiente gráfico, que se hizo comparando las secuencias de dos sub-tipos del virus HIV-1 (Lemey et al., Mol. Biol. Evol 22: , 2005), muestra el Dn/Ds en distintas regiones del genoma (esquematizado debajo del eje X). El gráfico se obtiene calculando el Dn/Ds en ventanas de 100 pares de bases no solapadas entre sí. Dn/Ds a) Qué puede concluir al analizar el gráfico? b) En qué zonas de un virus esperaría ud. encontrar rastros de selección positiva? Y de selección purificadora? 144

145 TEORÍA NEUTRALISTA EVOLUCIÓN. FCEN. UBA EJERCITACIÓN (SEGUNDA PARTE) LA TEORÍA NEUTRALISTA COMO HIPOTESIS NULA 1) En su artículo DNA and the Neutral Theory (Philos. Trans. R. Soc. Lond., B, Biol. Sci, Vol. 312, No. 1154, The Evolution of DNA Sequences (Jan. 29, 1986), pp ), Motoo Kimura presenta la siguiente figura sobre la divergencia nucleotídica entre humano y ratón para varios genes: ka: tasa de sustitución no sinónima, ks: tasa de sustitución sinónima a) Interprete brevemente el patrón que se observa en la figura. b) Son estos resultados consistentes con la teoría neutralista? Justifique. c) Que valor (aproximado) de Dn/Ds esperaría para la insulina? Si este resultado fuera significativo (las tasas son diferentes), que sugeriría? d) Si incluyéramos en el análisis un gen que ha estado sujeto a una fuerte selección positiva, en que zona de la figura esperaría encontrar Dn, si su valor de Ds es igual al de la prolactina? Justifique. 145

146 TEORÍA NEUTRALISTA EVOLUCIÓN. FCEN. UBA 2) Un grupo de investigadores estudió la variabilidad nucleotídica del gen cyt b en una población argentina de una especie de roedor y obtuvo las siguientes secuencias: individuo_1 5 ACCCTTCGATATAAACAATAGTAA 3 individuo_2 5 CCCCTTCGATATAAACAATAGTAA 3 individuo_3 5 CCCCTGCGATATAAACAATAGTAA 3 individuo_4 5 CCCCTTCGCTATAAACAATAGTAA 3 individuo_5 5 CCCCTTCGCTATAAACAATAGTAA 3 individuo_6 5 CCCCTTCGATATAAACAATATTAA 3 Luego decidió aplicar la prueba de Tajima para ver si la variabilidad era compatible con un modelo de evolución neutral. a) Calcule los valores de π y θ W (usando las fórmulas que están en esta guía). b) Sabiendo que Var( π θw) = , calcule el valor del estadístico de Tajima. c) Sabiendo ahora que el valor del estadístico es significativamente distinto de cero, formule dos hipótesis para explicar el resultado obtenido. Qué otros análisis realizaría para discriminar entre ambas posibilidades? 3) Diversos autores (Trippa y col. 1977, Singh y Rhomberg 1987) estudiaron la variabilidad isoenzimática de la proteína Fosfoglucomutasa (Pgm) en Drosophila melanogaster y D. simulans (Diptera, Insecta), encontrando altos niveles de polimorfismo en ambas especies de Drosophila. Pgm es parte del metabolismo del glucógeno, el cual es importante en el almacenamiento de energía en el músculo, catalizando la interconversión de glucosa-1-fosfato y glucosa-6-fosfato. En base a estas observaciones previas, Verrelli y Eanes (2000, Genetics 156: ) analizaron la variabilidad nucleotídica del gen que codifica la enzima Pgm y decidieron aplicar la prueba de Tajima, obteniendo los siguientes resultados: D T P* D. melanogaster -0,368 <0,001 D. simulans -0,122 >0,050 * probabilidad de obtener por azar el valor de D T observado. a) Con qué fin los autores decidieron utilizar esta prueba? Cuál es la hipótesis nula de la misma? b) Explique los resultados obtenidos para ambas especies. No olvide incluir en su respuesta la existencia de hipótesis alternativas para justificarlos. Posteriormente los investigadores estimaron la divergencia de cada una de las dos especies con D. yakuba, una especie cercana emparentada con D. melanogaster y D. simulans. Obtuvieron las siguientes diferencias nucleotídicas: Sinónimas No sinónimas D. melanogaster D. yakuba 5 20 D. simulans - D. yakuba Sabiendo que el número total de sitios sinónimos es 200 pb y el número total de sitios no sinónimos es de 400 pb: 146

147 TEORÍA NEUTRALISTA EVOLUCIÓN. FCEN. UBA c) Calcule el valor de Dn/Ds para las especies D. melanogaster-d. yakuba y para D. simulans - D. yakuba. d) Explique los resultados obtenidos e indique si son consistentes con alguna/s de la/s hipótesis propuesta/s en b). 4) Un estudiante de doctorado realiza su tesis en dos genes, alfa y beta, que codifican para proteínas vinculadas con la adaptación al stress hídrico en el cactus Opuntia quimilo. Para ello viaja a San Juan y toma muestras en la localidad de San Agustín de Valle Fértil, pero como encuentra pocos individuos, recorre algunos km. más y completa su muestreo en otra localidad vecina. Una vez en el laboratorio, secuencia todos los individuos para ambos genes y aplica la prueba de Tajima para ver si la variabilidad se ajusta a un modelo de equilibrio derivamutación. Entusiasmado, observa que ambos genes exhiben D T s significativamente menores a 0, con lo cual concluye que en ambos casos ha operado la selección natural. Luego, del total de individuos analizados, toma al azar dos y realiza la prueba Dn/Ds para cada gen. Obtiene valores menores a 1, con lo cual decide que esta información corrobora su resultado anterior. Finalmente, baja de Genbank secuencias de los genes alfa y beta en otras especies de plantas y, con la información de las diferencias entre pares de secuencias y el tiempo de divergencia entre las especies comparadas, obtiene el siguiente gráfico: D Gen beta Gen alfa D = porcentaje de diferencias entre pares de secuencias interespecíficas. T = tiempo de divergencia entre pares de secuencias interespecíficas. T Y concluye que el gen beta ha sufrido una mayor tasa de evolución molecular adaptativa que el gen alfa. Muy satisfecho con su análisis, decidió enviar a publicar sus resultados a la revista Journal of Molecular Evolution, pero para su sorpresa, los revisores objetaron 5 puntos a su manuscrito. Usted es uno de esos revisores. Cuáles son los errores (de metodología o interpretación de los resultados) cometidos por el estudiante? 147

148 TEORÍA NEUTRALISTA EVOLUCIÓN. FCEN. UBA 5) Se realizó un estudio sobre un grupo de saltamontes para establecer los patrones evolutivos de su coloración. Para ello se secuenció el gen que codifica para la deposición de pigmentos en la cutícula y se observaron los siguientes resultados: Diferencias nucleotidicas B A D C Millones de años desde la divergencia (pares de especies) Cuadrados sin relleno: sitios sinónimos; Cuadrados con relleno: sitios no sinónimos. a) Explique el patrón que se observa en el gráfico. b) El par de especies indicadas en la columna A corresponde a Tettigonia viridissima y Tettigonia cantans. Qué puede decir sobre patrón de divergencia observado entre las mismas? c) Sabiendo que el número total de sitios sinónimos es 200 y el de sitios no sinónimos 250, calcule el valor de Dn/Ds para A. d) Explique qué podría estar indicando este resultado. Utilice la información del gráfico: B: Tettigonia krugeri y Tettigonia lozanoi. C: Tettigonia orientalis y Tettigonia viridissima. D: Tettigonia hispanica y 1. Tettigonia cantans y 2. Tettigonia viridissima. 148

149 EJERCICIOS INTEGRADORES DE LOS MÓDULOS II Y III (GENÉTICA DE POBLACIONES Y TEORÍA NEUTRALISTA) 149

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151 Por Marcela Rodriguero Problema 1. Una población de escarabajos crisomélidos que habitaban en las praderas de la isla Tradición sufrió los efectos de una gran inundación que fragmentó el hábitat. Un equipo de biólogos interesados en los efectos de las fragmentaciones acude al lugar. Estudian un locus dialélico que codifica para una proteína que interviene en la coloración de los élitros, que pueden ser azules (RR), verdes (RS) o amarillos (SS). Al muestrear en los cinco demos (=subpoblaciones) que podrían haberse generado como consecuencia de la inundación, no se nota ajuste a las proporciones de Hardy-Weinberg (H- W). En cuatro demos (A-D) se observa que las frecuencias alélicas varían en forma errática con el correr de las generaciones. Por otra parte, en el demo E se observa constancia en las frecuencias alélicas con el correr de las generaciones. No obstante, las frecuencias genotípicas no ajustan a las esperadas por la ley de H-W ni en larvas, ni en juveniles, ni en adultos, observándose un exceso de heterocigotas más allá de lo esperado por azar, aunque el fitness medio de la población es máximo e igual a 1 ( = 1). Conteste: a- Qué fuerzas evolutivas rigen el destino de la variación alélica en cada demo? Qué relación tiene esto con la demografía de estos escarabajos? Justifique. b- Cómo cree que influirá el efecto de la fragmentación en la divergencia interdémica con el correr del tiempo? Justifique. c- Qué proceso produce la desviación de las proporciones de H-W en el demo E? Justifique. Transcurrido un enorme número de generaciones desde la catástrofe ambiental, la secuenciación de dos genes mitocondriales y dos genes nucleares produjo un resultado significativamente distinto de cero para la prueba D T en los demos A-D (el mismo signo en todos los casos), mientras que en el demo E el resultado de dicho estadístico no permitió rechazar la hipótesis nula para ningún gen. El relevamiento de la variabilidad genética de algunos loci isoenzimáticos asociados a diversas presiones de selección, señaló un aumento de los valores de la proporción de loci polimórficos (P) y la heterocigosis media observada (Ho) en los demos A-D con respecto a los valores calculados para estas mismas subpoblaciones cuando habían transcurrido algunas generaciones desde la fragmentación de la población. Responda: d- Qué fenómeno puede dar cuenta de los resultados de D T en los demos A-D? Justifique. e- Qué implican los resultados de Ho y P para los cuatro demos en consideración? Al cabo de un tiempo considerable, se notó un enorme adelgazamiento de la capa de ozono sobre la isla Tradición. En todos los casos se observó, a partir de un conjunto de adultos, la falta de ajuste a H-W y un valor de D T > 0 para el locus de la coloración de los élitros. Además, los investigadores observan que la siguiente curva describe la variación de las frecuencias alélicas (en el eje x se grafica el tiempo [generaciones transcurridas desde el adelgazamiento de la capa de ozono] y en el eje y la frecuencia del alelo R en el demo A, como ejemplo de lo que ocurre en cada uno de ellos [i.e. A-E]). 151

152 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0, Responda: f- Qué fuerza evolutiva está determinando el destino de la variación alélica del locus que interviene en la coloración de los élitros bajo estas nuevas condiciones? Justifique. Problema 2. Una población de pequeños mamíferos, panmíctica y de tamaño infinito, resultó fragmentada en cuatro demos luego de una gran inundación. Los desechos tóxicos provenientes de una fábrica cercana contaminaban el río, y también los riachos recientemente formados. Uno de los demos se comunica con otro por medio de un corredor que existía previamente al cataclismo ambiental (parches 1 y 3), pero los otros dos quedaron totalmente aislados (Figura 1). Un investigador que realizaba un estudio relacionado con la viabilidad de estos animales en ese ambiente perturbado, decide estudiar el efecto de la fragmentación del hábitat sobre la variabilidad genética en los nuevos ambientes. Para ello compara los valores de variabilidad del locus dialélico R51, que codifica para la síntesis de una enzima que participa en el proceso de detoxificación celular tomados antes del cataclismo (t 0 ), con los valores que obtuvo inmediatamente después en cada demo (t 1 ). Figura 1 Figura 2 corredor Gran inundación 1 3 Figura 2 t t 0 : p = 0.65; q = En su cuaderno de notas, puede verse el gráfico p vs. t (Figura 2). 152

153 a- Qué fuerza evolutiva le parece a Ud que podría haber actuado en este caso? Justifique su respuesta. b- Si el investigador hubiera comenzado el estudio del locus R51 en el momento equivalente a la generación 40 qué podría haber dicho sobre la evolución del locus en cuestión? c- A continuación, se reportan las frecuencias alélicas del locus en consideración en los cuatro demos, tomadas inmediatamente después de ocurrido el desastre (i.e. frecuencias iniciales de cada parche, t 1 ). Demo 1.- p = 0.7 q = 0.3 (N = 500) Demo 2.- p = 0.5 q = 0.5 (N = 10) Demo 3.- p = 0.2 q = 0.8 (N = 50) Demo 4.- p = 0.3 q = 0.7 (N = 8) Teniendo en cuenta que la presión de selección se mantiene constante (o sea, que los desechos tóxicos permanecen en el ambiente), prediga el destino de la variación alélica en cada caso y las frecuencias de equilibrio. Qué fuerza/s evolutivas predominan en cada caso? Justifique se respuesta. d- Al cabo de un tiempo, el nivel del río recupera su antiguo valor, los riachos desaparecen, y se implementa un plan de saneamiento ambiental. En función de ello indique: qué le parece que podría ocurrir con la variabilidad genética del locus R51? 153

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155 MÓDULO IV: ANÁLISIS FILOGENÉTICO 155

156 ANALISIS FILOGENÉTICO Por Abel Carcagno, Alexandra Gottlieb, Leandro Jones y Marcela Rodriguero OBJETIVOS 1) Familiarizarse con los conceptos y la terminología usados en el análisis filogenético. 2) Conocer las escuelas y metodologías para la elaboración de clasificaciones. 3) Aplicar los conocimientos adquiridos en la resolución de problemas simples y concretos. INTRODUCCIÓN Hasta el momento hemos visto que la Teoría de la Evolución por medio de la Selección Natural permite explicar, por un lado, el cambio evolutivo, y por el otro la adaptación de los organismos al ambiente. Este cambio evolutivo ha generado, mediante la ramificación sucesiva de linajes, una increíble diversidad de organismos a partir del ancestro de toda la vida, llamado cenancestro. La SISTEMATICA es el campo de la biología que tiene por objeto la reconstrucción de la historia cubriendo los eventos que han producido la diversidad y distribución de toda la vida. La sistemática entonces, hace a la comprensión de la historia de la vida y provee el esquema jerarquizado, o CLASIFICACIÓN, por la cual los biólogos comunican información acerca de los organismos. La diversidad es uno de los aspectos más asombrosos del mundo vivo, y ha generado desde la antigüedad una serie de preguntas que pueden resumirse en tres grupos básicos: la diversidad, la adaptación y las jerarquías biológicas. Cuando hablamos de jerarquía biológica, nos referimos a que las especies que nos rodean son ubicadas en una gradación de rango, desde lo general a lo particular, a menudo desde las más sencillas hasta las más complejas (los animales con esqueleto axial, los que además tienen cuatro patas, los que además tienen pelos y mamas, etc.). Pero cuál es la causa de esta jerarquía? Existe una relación de parentesco entre los niveles de organización, o su relación jerárquica es simplemente fruto de la casualidad? Para entender esta cuestión debemos abordar un punto importante: por qué las especies constituyen una jerarquía? Porque en el curso de la historia de la vida la combinación de herencia y cambio evolutivo habría producido un patrón divergente y jerárquico de similitud entre las especies. El llamado árbol de la vida, da cuenta de esto; la evolución es un proceso de diversificación (cladogénesis) de una rama (linaje) en dos o más ramas hijas, y a su vez de éstas, en sucesivas rondas de ramificación, produciendo un entramado parecido a un árbol, en el que el crecimiento de las ramas es desigual (por la acumulación de cambios evolutivo en cada linaje o anagénesis), así como el número de ramificaciones de cada linaje. El concepto de árbol de la vida está sustentado por el registro fósil, que da cuenta de esta ramificación, y ha constituido desde 1859 evidencia para la evolución. El mismo Darwin afirmó que el proceso evolutivo produce un patrón de grupos dentro de grupos. El esquema jerárquico de la vida es una idea secular. Aristóteles creía que todos los seres vivos podían distribuirse en un orden jerárquico conocido como Scala Naturae (escala natural), y se consideraba como una manifestación del orden natural, en la que cada organismo ocupaba un eslabón fijo, inamovible y perfectamente adaptado al entorno. Pero, mientras que para Aristóteles los organismos vivos habían existido siempre, los naturalistas posteriores (por lo menos los del mundo occidental) opinaban, de acuerdo a las enseñanzas del Viejo Testamento, que todos los seres vivos eran obra de una creación divina. El orden jerárquico entre todos los seres vivos se había impuesto como una prueba del fijismo de las especies y también como una justificación bíblica de la preeminencia de la especie humana sobre las demás especies. 156

157 Entre los partidarios de la creación divina estaba C. Linneo, quien desarrolló el sistema actual de nomenclatura binomial. A él debemos la idea de una clasificación sistemática de jerarquías inclusivas, que estableció en varios niveles, así como la descripción de numerosísimas especies vegetales y animales. Con el descubrimiento de nuevas especies y los avances de la anatomía comparada, lo que en principio parecía una sucesión discontinua de especies se transformó en una serie casi gradual, que en algunos casos experimentaba ramificaciones laterales, dejando su carácter de escala lineal para transformarse en un árbol. Gracias a Darwin, el concepto de escala natural fue desplazado y progresivamente sustituido por las ideas evolutivas. SOBRE PARECIDOS Y DIFERENCIAS La idea del árbol de la vida sugiere que todos los organismos guardan relaciones genealógicas, tal que dos organismos cualesquiera tienen un cierto grado de parentesco porque descienden de un antecesor común. Esta es la causa principal de que compartan estructuras denominadas HOMÓLOGAS. Aquellos organismos que tienen un antecesor común más reciente presentarán, en promedio, mayor número de estructuras compartidas que otros organismos que tienen un ancestro común más antiguo. Existen otras posibles explicaciones a las semejanzas entre los organismos aparte de la descendencia de un ancestro común (homologías). Dichas similitudes pueden ser el resultado de respuestas adaptativas independientes a causas comunes, generalmente ambientales (analogías u homoplasias). Hoy en día se considera más adecuada aquella metodología sistemática que distingue las semejanzas fruto de la historia (homologías) de las que derivan de circunstancias comunes de la vida (analogías). Estas últimas frecuentemente oscurecen las relaciones genealógicas o filogenéticas. ESCUELAS DE CLASIFICACIÓN Un objetivo perseguido por el biólogo estudioso de la diversidad es la representación del orden natural expresado en la genealogía de los grupos de organismos, lo que se llama una clasificación natural. Ahora bien cómo se construyen estas clasificaciones naturales? Las clasificaciones son elaboradas por los taxónomos que, a lo largo de la historia han seguido distintas filosofías, produciendo diversos sistemas. Durante buena parte del siglo XX, los taxónomos estuvieron divididos en tres ESCUELAS principales: la escuela evolutiva, la escuela fenética (o taxonomía numérica) y la escuela cladística (o sistemática filogenética). La clasificación evolutiva fue la escuela por excelencia desde la Síntesis Moderna (años 30-40) hasta los años 80. La taxonomía numérica tuvo su esplendor desde finales de los 50 hasta principios de los 70. Si bien su filosofía ha caído en desuso, la metodología proveniente de esta escuela sigue vigente a través de los métodos de distancia aplicados a la inferencia filogenética (ver más adelante). La sistemática filogenética, iniciada en los 60s, es el paradigma actual de clasificación. Para una visión más detallada de las tres escuelas, consultar el apunte Reconstruyendo la historia de la vida, disponible en ESCUELA CLADÍSTICA O SISTEMÁTICA FILOGENÉTICA Los fundamentos de la escuela cladística de clasificación fueron presentados por el entomólogo alemán W. Hennig en 1950 y traducidos al inglés en 1966, momento en el cual sus ideas comenzaron a popularizarse en la comunidad científica. Hennig consideraba que no había manera de representar todos los parámetros de la filogenia de un grupo en un sistema tan simple como la clasificación jerárquica. Se concentró entonces, en las relaciones de grupos monofiléticos (es decir, un grupo de taxones cualesquiera que están más cercanamente emparentados entre sí que con respecto a cualquier otro taxón y que comprende un antecesor común y a todos sus descendientes), enfatizando la ancestralidad común. Hennig formalizó sus ideas sosteniendo que la 157

158 inferencia de los puntos de ramificación (eventos cladogenéticos) deberían basarse en la identificación de sinapomorfías (caracteres derivados compartidos). Los grupos que comparten caracteres derivados (sinapomorfías) son los grupos monofiléticos anteriormente citados. La propuesta de la escuela cladística no se limita a la metodología para la reconstrucción filogenética; es también una postura filosófica para la clasificación de los organismos vivientes. La aplicación de esta filosofía y su metodología en sistemática produce clasificaciones distintas a las procedentes de la escuela evolutiva. Por ejemplo, para los cladistas la tradicional clase Reptilia debería ser eliminada ya que no constituye un grupo monofilético. La principal ventaja de la clasificación filogenética es teórica, ya que trata de reflejar un proceso natural; sin embargo, los problemas de índole práctica son varios. Uno de ellos es que en realidad no conocemos las relaciones filogenéticas. Sólo las podemos inferir a partir de una reconstrucción. Resumiendo, los principios fundamentales de la Sistemática Filogenética son tres: La naturaleza se ordena de manera jerárquica, y ese orden puede representarse mediante diagramas ramificados. Este orden puede descubrirse identificando novedades evolutivas compartidas por subgrupos dentro del grupo de organismos estudiado. Las hipótesis evolutivas y los diagramas clasificatorios deben basarse en estos ordenamientos jerárquicos. RECONSTRUCCIÓN FILOGENÉTICA: METODOLOGÍAS En los albores de la sistemática filogenética se utilizaban caracteres morfológicos; más recientemente se han incorporado datos genéticos (primero sitios de restricción, luego secuencias de nucleótidos y de aminoácidos). Esto ha enriquecido el legado de Hennig, ya que la aplicación de las teorías y modelos de evolución molecular ha propiciado la formulación de nuevas metodologías para la reconstrucción filogenética a partir de datos de secuencias, originando una subdisciplina conocida como Sistemática Molecular. A continuación se presentan brevemente las tres metodologías más empleadas para el análisis filogenético. 1. MÉTODOS DE DISTANCIA Esta familia de métodos se basa en la idea de generar un árbol a partir de una matriz de distancias calculadas entre pares de especies (distancias pareadas) que, en el caso de datos de secuencias son corregidas de acuerdo a algún modelo de evolución (que se detallan más adelante). Estas distancias corregidas son estimaciones de las distancias evolutivas, y reflejarían el número medio real de cambios por sitio (nucleotídico o aminoacídico) que ha ocurrido entre un par de secuencias desde la divergencia de su ancestro común. La mejor manera de interpretar las distancias es considerarlas como estimaciones de la suma de las longitudes de las ramas que separan a un par de especies dadas. Existen varios métodos para computar árboles de distancia. Podemos citar, por un lado, los métodos de agrupamiento o clustering (UPGMA, es el más popular) y el método de Neighbor- Joining, ambos carentes de criterio de optimalidad (ver más adelante). Por otro lado, los métodos de Mínima Evolución y de Mínimos Cuadrados de Fitch y Margoliash, aplican un criterio de optimalidad de cambio mínimo. En general, los métodos de distancia aplicados a datos de secuencia, poseen la desventaja de que al transformar las sustituciones nucleotídicas en distancias, pierden información. Varios conjuntos de secuencias pueden dar una misma matriz de distancias, pero a partir de estas matrices, no es posible recuperar los conjuntos de datos originales. Sin embargo, los métodos de distancia son muy rápidos en términos computacionales. 158

159 2. MÉTODO CLADÍSTICO La cladística ha desarrollado algoritmos para la reconstrucción filogenética basados en el principio de simplicidad o parsimonia. Los resultados se expresan gráficamente en diagramas arborescentes o cladogramas, que representan las relaciones cladísticas o de parentesco entre taxones debidas a la presencia de antecesores comunes en los puntos de bifurcación. Al aplicar el criterio de parsimonia a la inferencia filogenética, los sistemáticos cladistas consideran que la mejor aproximación a la filogenia real es aquella reconstrucción que requiera el menor número de cambios evolutivos. Es decir, que se preferirán aquellos cladogramas que requieran considerar como homoplásticas la menor cantidad posible de similitudes. De esta manera, el principio de parsimonia actúa como un criterio de optimalidad, ya que permite seleccionar entre varias hipótesis en competencia aquella que satisfaga dicha condición. 3. MÉTODOS PROBABILÍSTICOS El impresionante crecimiento de la informática ha favorecido el desarrollo de éstas metodologías cuyo resultado es una filogenia que maximiza la probabilidad de los datos observados bajo un modelo particular de evolución (en el caso del método de Máxima Verosimilitud), o de acuerdo a los propios datos (en el caso del Análisis Bayesiano). Es importante tener en cuenta que los métodos probabilísticos requieren proponer un modelo de evolución para las secuencias estudiadas, el cual puede ser elegido empleando programas bioinformáticos adicionales. Recientemente se ha comenzado a aplicar estos métodos en caracteres morfológicos, aunque a lo largo de esta guía nos referiremos principalmente al caso de los caracteres moleculares. 3.a. MÁXIMA VEROSIMILITUD Se basa en un concepto proveniente de la estadística general, la verosimilitud (likelihood), que se refiere a la probabilidad de obtener los datos observados de acuerdo a una hipótesis. La verosimilitud (L) de una hipótesis (H) para un grupo de datos (D), es proporcional a la probabilidad condicional de observar esos datos (D) dado que la hipótesis (H) es correcta: LαP(D/H). En la reconstrucción filogenética por máxima verosimilitud, la hipótesis incluye toda la información necesaria para calcular la probabilidad de los datos. En nuestro caso, los datos serían el conjunto de secuencias nucleotídicas (o aminoacídicas) y la hipótesis estaría representada por el árbol (su forma ó topología, y los largos de rama) y un modelo de evolución molecular para dichas secuencias. Es decir que para aplicar esta metodología es requisito elegir un modelo de evolución molecular (probabilístico) tomando en cuenta parámetros tales como tasas de sustitución nucleotídica y frecuencias de los distintos nucleótidos. Este método es computacionalmente muy intenso ya que la verosimilitud se evalúa en cada sitio nucleotídico y cada posible topología. La filogenia se estimará a partir de los árboles que tengan la mayor verosimilitud. Por lo tanto, estamos otra vez frente al uso de un criterio de optimalidad. Los métodos de máxima verosimilitud presuponen que para estudiar evolución, uno debe primero saber en detalle cómo opera la misma. Los seguidores de la cladística sugieren que el camino debería ser el inverso: el conocimiento que uno pueda tener sobre los mecanismos de evolución deberá basarse en nuestros conocimientos de filogenia, y éstos por lo tanto no deberán presuponer un mecanismo evolutivo dado, siempre que sea evitable, sino que deben estar basados solamente en observaciones que puedan efectivamente hacerse en el presente. No obstante, hay quienes consideran que también existe un modelo subyacente al implementar el criterio de máxima parsimonia. El método de máxima verosimilitud representa, en cierta forma, un enfoque filosófico distinto. 3.b. ANÁLISIS BAYESIANO Es la más reciente de las metodologías probabilísticas propuestas para la reconstrucción filogenética. Al igual que en el caso previo, requiere postular un modelo de evolución. Pero en lugar de buscar el árbol más probable de acuerdo a los datos observados, produce el mejor conjunto de 159

160 árboles, dados los datos y el modelo evolutivo especificado. Por lo tanto, este método postula la probabilidad de que la hipótesis evolutiva sea correcta dados los datos de secuencias (P(H/D)). El teorema enunciado por Thomas Bayes permite calcular la probabilidad de una hipótesis (o sea, la topología del árbol y el largo de cada rama) a partir de los resultados que se han producido (las secuencias). Este refinamiento del método de Máxima Verosimilitud permitió incrementar la velocidad de los análisis. CONSIDERACIONES IMPORTANTES Dado que no somos capaces de observar ningún evento histórico directamente, para comprender la historia evolutiva de un grupo de organismos debemos hacer inferencias a partir de la evidencia circunstancial, a menudo incompleta. Los algoritmos presentados, a pesar de su naturaleza determinística, no hacen más que proveernos de una serie de reglas para estimar una filogenia, que puede o no coincidir con la verdadera. La calidad de la estimación dependerá de la calidad de los supuestos que se hicieron para arribar a ella. Es imposible hacer estima alguna sin hacer supuestos!! Y tal vez más importante, dependerá de la cantidad y calidad de los datos mismos. Como los biólogos evolutivos y los sistemáticos infieren eventos históricos pasados, no tienen manera de determinar con certeza la efectividad de ninguna metodología (ya sea máxima parsimonia, máxima verosimilitud o cualquier otra) para recuperar la filogenia verdadera. De hecho, NUNCA la recuperaremos. O es que se puede viajar en el tiempo? Por lo tanto, la elección de una metodología por sobre otra es, en el fondo, una decisión filosófica. Desde la práctica científica podemos aspirar a que nuestras hipótesis filogenéticas, a medida que se agregan datos, converjan en una solución cada vez más estable y robusta. RECONSTRUCCIÓN FILOGENÉTICA: TERMINOLOGÍA y DEFINICIONES 1.- ÁRBOLES Los árboles ó dendrogramas son diagramas ramificados que representan las relaciones genealógicas entre las unidades en estudio o unidades taxonómicas operativas (OTUs) o terminales (especies, poblaciones, individuos, ó genes). Dependiendo de sus características y usos reciben distintos nombres. Los árboles pueden, o no, presentar una raíz (Fig. 1) (que representa el ancestro común más antiguo del grupo). El patrón de ramificación se conoce como topología; las ramas o internodos de un árbol (Fig. 2) pueden girar libremente en los nodos sin afectar la formación de los grupos (Fig. 3). Los nodos internos representan a los ancestros comunes hipotéticos. Si la raíz está abajo, el eje vertical es proporcional al tiempo (Fig. 4). 0 SP1 SP a) SP3 SP SP1 SP2 SP3 SP4 b) Figura 1: Árbol sin raíz, red o retículo (a) y el mismo árbol con raíz (b) interrelacionando los taxones sp1, sp2, sp3 y sp4. 160

161 Figura 3: Distintas formas de representar el mismo árbol. Figura 2. Componentes de un árbol (tomado de Arbiza & Dopazo 2007). A A A A A P grupo monofilético P P P tiempo Figura 4: Delimitación de un grupo monofilético sobre la base de un estado derivado común. Se indica el cambio desde el estado P al A en el tiempo (Jones 2002, p. 25). Fig. 5: Equivalencia entre representaciones de árboles: diagrama de Venn, árbol en V, árbol en T, árbol en notación parentética. Cuando el árbol o dendrograma fue construido a partir de una metodología fenética o de distancia se denomina fenograma. Estos árboles tienen la propiedad de ser aditivos (las longitudes de las ramas se suman) y, en algunos casos, pueden también ser ultramétricos (es decir, todas las ramas alcanzan la misma altura). Para los fenogramas, la longitud de ramas es proporcional al grado de semejanza fenotípica o similitud global (ya sea molecular o morfológica) entre las unidades estudiadas. Cuando las ramas tienen distintos largos, dicha medida es una estima de las distancias evolutivas entre los terminales. Cuando el árbol o dendrograma ha sido construido con la metodología cladística, lo denominamos cladograma. Este refleja la jerarquía de grupos hermanos entre los taxones en un diagrama ramificado. Un árbol filogenético combina la información cladística con los rangos estratigráficos de los taxones, reconstruyendo la evolución de los taxones en el tiempo; los nodos están calibrados en el tiempo geológico mediante el registro fósil. En cambio, si el árbol fue obtenido por un método probabilístico lo denominamos filograma, cuyas ramas llevan implícito el tiempo de divergencia (T) y la tasa de evolución molecular (k), siendo la longitud de las ramas k x T. Así, la longitud de las ramas es proporcional al grado de divergencia filogenético al igual que en los fenogramas con longitud de rama variable. Se solía distinguir entre árbol evolutivo (aquel donde las ramas tratan de reflejar literalmente la escala temporal y algunos terminales podrían ser ancestros reales) y cladograma, pero esta distinción ha perdido vigencia. Los árboles de genes son filogramas o cladogramas construidos a partir de la información de secuencias nucleotídicas. Pueden no coincidir con el árbol de especies cuando la divergencia de las secuencias elegidas se ha producido antes de la divergencia de las especies (polimorfismo 161

162 ancestral), cuando ciertas variantes persisten más allá de la divergencia de los linajes, o cuando la pérdida de alelos ha sido muy reciente (por ejemplo, por un cuello de botella). Ahora veamos en detalle cómo obtener una topología sencilla... Si se quieren unir tres taxones (A, B, C) mediante un diagrama dicotómicamente ramificado, existe sólo una manera de hacerlo: SP1 A Si se incorpora un cuarto taxón (o una raíz), éste podría agregarse a cualquiera de las ramas de la topología anterior generándose tres topologías distintas posibles: 2 SP2 B SP1 A 1 3 B SP2 C SP3 C SP3 1 2 A SP1 SP3 B ASP1 SP2 B ASP1 3 SP2 D SP2 SP4 SP3 SP4 SP4 SP3 D C C D B C Los diagramas 1, 2, y 3 son retículos! Ahora, intente dibujar los árboles correspondientes usando a D como raíz. Un quinto taxón (E) puede unirse a cualquiera de las cinco ramas de cada una de las topologías tipo reticulo, y así el número de topologías sin raíz posibles aumenta a 15. La siguiente tabla muestra cómo incrementa el número de topologías en función del número de taxones. Nº taxones Topologías sin raíz Topologías con raíz Fuente: Felsenstein (1978). En cada caso, sólo uno de esos múltiples árboles representa las verdaderas relaciones entre los organismos y por tanto, es muy difícil inferir el verdadero árbol filogenético cuando el número de taxones es elevado. Así, para n taxones el número de topologías posibles sin raíz (T sr ) es: T sr = (2n-5)!/(2 n-3 (n-3)!) donde n es el número de unidades taxonómicas y! es el factorial. 162

163 Mientras que el número de topologías posibles con raíz (T r ) es: T r = (2n-3)!/(2 n-2 (n-2)!) En síntesis, hay muchas topologías posibles para un grupo y es necesario utilizar algún criterio de optimalidad para elegir una (o unas pocas). Recordar que: si bien existen muchas hipótesis filogenéticas posibles para un grupo de taxones, la historia filogenética es única y el investigador sólo hace una reconstrucción de ella. Para elegir una topología entre todas las posibles, hay que utilizar algún criterio externo, objetivo y repetible. Así, aquel árbol que maximice el valor de la función de optimalidad será el seleccionado como hipótesis de la filogenia del grupo. 2. BÚSQUEDAS (para metodologías cladística y probabilísticas) La búsqueda del (o los) árbol(es) óptimo(s) puede ser manual (hoy en día sólo se emplea con fines didácticos) o computacional. Para las búsquedas manuales, se emplea el método de enumeración implícita cuando se requiere una solución exacta, mientras que el método de inclusión-exclusión brinda una solución aproximada. Las estrategias de búsqueda por computadora pueden ser: a) exacta por enumeración (o exhaustiva); b) exacta por branch-and-bound; c) heurística La primera (a), puede proveer de una solución exacta si la matriz de datos es pequeña (hasta 10 taxones), ya que consiste en la enumeración de todos los posibles árboles, garantizando hallar el árbol óptimo para los datos en consideración. La segunda (b) es una metodología exacta pero mucho más compleja, que encuentra el árbol óptimo sin necesidad de enumerar cada posibilidad, desechando familias completas de árboles subóptimos. Por su complejidad, es raro que se implemente para un conjunto de datos de más de 25 taxones. El método heurístico (c) es utilizado para procesar matrices de más de 25 taxones. Este método no evalúa todas las posibilidades, sino que encuentra una buena respuesta por prueba y error. Por ello no garantiza hallar el óptimo absoluto, aunque hay maneras de inferir cuán cerca del óptimo se ha llegado. 3. GRUPOS 3.a. Grupo Monofilético: grupo de organismos o de especies, que incluye a todos los descendientes de un único ancestro y a este último. Por definición, un grupo monofilético debe contener al menos dos entidades. La identificación de grupos monofiléticos es a través de las sinapomorfias de sus miembros, es el resultado de un estudio filogenético y posibilita realizar clasificaciones naturales basadas en la genealogía. 3.b. Grupos no monofiléticos: son grupos artificiales. 3.b.1. Grupo parafilético: grupo que incluye al ancestro común, pero sólo algunos de sus descendientes; se reconocen por caracteres plesiomórficos. Son ejemplos de grupos parafiléticos: Dicotyledonae, Vermes, Invertebrados, Pteridofitas, Pongidae, etc. 3.b.2. Grupo polifilético: la característica que define al grupo ha evolucionado convergentemente en grupos distantes; es decir que han sido definidos por caracteres surgidos independientemente uno de otro por convergencia, paralelismo, o reversión (o sea, empleando homoplasias). El ancestro común más reciente no es miembro del grupo, sino que se ubica en otro taxón. Ejemplo: Homeothermia (aves y mamíferos); bacterias gram negativas, etc. 163

164 3.c. Grupo externo: es un taxón, o un grupo de taxones, que no forman parte del grupo interno (grupo en estudio). Se usa para enraizar el árbol, establecer la polaridad, es decir el sentido en que un estado de carácter se transforma en otro, y fundamentalmente, para poner a prueba la monofilia del grupo interno. 3.d. Grupos hermanos: dos grupos monofiléticos (o dos taxones) que están más cercanamente emparentados entre sí que con cualquier otro taxón. En un árbol cada bifurcación sostiene dos grupos hermanos, originados en un mismo momento (especiación), y que según una clasificación natural deberían pertenecer a categorías taxonómicas del mismo rango. Cladogramas de humanos y grandes simios, ilustrando (a) el esquema taxonómico tradicional (parafilético) y (b) el esquema taxonómico basado en sistemática filogenética (monofilético). Tomado de Groves (2004). 4.- CARACTERES Las particularidades (o caracteres) estudiadas en los seres vivos constituyen variables y como tales pueden tomar distintos valores o modos, los cuales suelen llamarse estados. Existen numerosas fuentes de caracteres disponibles para su estudio, a saber: morfológicos (externos, internos, de estructuras especiales, embriológicos, citológicos, histológicos, etc.); fisiológicos (metabólicos, hormonales, etc.), cromosómicos (número, forma, tamaño, presencia de reordenamientos); moleculares (secuencias nucleotídicas o proteicas; de hibridación; de movilidad electroforética; análisis de fragmentos, etc.); ecológicos; etológicos; biogeográficos (zona de distribución, relaciones de simpatría-alopatría entre taxones); etc. Sin embargo, sólo aquellos que sean verticalmente heredables e independientes poseen interés para su estudio. Se pueden distinguir entre caracteres discretos y continuos. 4.a. Ejemplos de caracteres discretos o cualitativos: a) cualitativos doble estado: ojos convexos (0), aplanados (1); sitio de restricción presente (1); ausente (0); inversión cromosómica presente (1), ausente (0). b) Cualitativos multiestado: bases nitrogenadas del ADN; escamas lanceoladas (0); redondas (1), ovales (2). c) Merísticos: número cromosómico n= 11; n=22; n= 26. d) Continuos transformados a discretos. 4.b. Ejemplos de caracteres continuos: a) Datos morfométricos (medidas, proporciones, etc.). b) Datos expresados como distancias: inmunológicas, análisis de fragmentos de restricción, etc. 164

165 c) Datos expresados como frecuencias alélicas, isoenzimáticas, de reordenamientos cromosómicos, etc. Esta guía refiere principalmente a caracteres con estados discretos; los continuos son fundamentalmente derivados de datos morfológicos y para someterlos a una metodología cladística deben ser recodificados como discretos. En el contexto de la Sistemática Filogenética, los estados homólogos de un carácter pueden ordenarse crono1ógicamente en forma de serie, constituyendo lo que se denomina series de transformación. Las series hacen referencia a estructuras que exhiben distintos estados y que derivan de una estructura primigenia presente en el ancestro común del grupo en estudio. Por ejemplo, las extremidades anteriores de los tetrápodos. Algunos de los estados de dicha serie podrían ser: aletas, brazos, patas, alas. La filogenia de un grupo puede inferirse mediante el análisis de las series de transformación. Los estados que aparecen primero en el tiempo se denominan plesiomorfías; los estados derivados que aparecen como novedades evolutivas, a partir de las plesiomorfías, se denominan apomorfías. La posesión de apomorfías compartidas, denominada sinapomorfía, permite identificar grupos monofiléticos. Plesiomorfía y apomorfía están asociados a una rama específica del árbol, es decir, son términos RELATIVOS al grupo o nivel jerárquico que se esté examinando. Por ejemplo, las glándulas mamarias son una sinapomorfía de mamíferos, pero una plesiomorfía para los primates. Las alas son sinapomorfía de Apterygota (insectos alados), pero una plesiomorfía para las pulgas (de hecho, la pérdida de las alas sería una sinapomorfía de las pulgas!). Aquellas similitudes que pueden ser trazadas a un único nodo se dicen que son homólogas. El término homología ha tenido una historia tortuosa de cambios conceptuales que resultó en múltiples definiciones (evolutivas, fenéticas, cladísticas y utilitarias). La adquisición en dos linajes independientes de una característica similar, se conoce como convergencia o paralelismo. La pérdida secundaria de un carácter que debió ser heredado de un ancestro, se denomina reversión. Los paralelismos y las reversiones constituyen las llamadas homoplasias, y producen similitud no debida a ancestralidad común, por lo tanto sugieren agrupamientos equivocados (por ejemplo, que las pulgas no son apterigotas). Un ejemplo Supongamos que analizamos los taxones A, B, C y D para los cuales registramos el estado (0 ó 1) de los caracteres discretos 1, 2 y 3, resultando la siguiente matriz: A B C D Asumiendo que podemos utilizar a A como grupo externo, los caracteres 1 y 2 son sinapomorfías para (B C D) y (C D), respectivamente. El carácter 3 presenta un estado derivado únicamente en una unidad taxonómica (D), y es por tanto, una autapomorfía. Las autapomorfías son típicos ejemplos de caracteres no informativos para el análisis cladístico, ya que no permiten discriminar entre topologías alternativas. Así, los agrupamientos sugeridos por los caracteres serían, en notación parentética: Carácter 1 (A (B C D)) Carácter 2 (A B (C D)) Carácter 3 (A B C (D)) 165

166 Sumando 1 y 2 obtenemos (A (B (C D)), y diagramando la suma de los tres caracteres: Entonces, sumando la evidencia de cada carácter (serie de transformación) se puede inferir un árbol filogenético. Este tipo de análisis se denomina método de inclusión-exclusión o argumentación de Hennig. El método de inclusión-exclusión prácticamente carece de aplicaciones en datos reales debido a la complejidad de su implementación manual cuando se trabaja con muchos taxones y muchos caracteres, o cuando hay conflicto entre caracteres. Sin embargo, es una excelente herramienta para comprender la lógica del análisis filogenético. EMPLEO DE SECUENCIAS NUCLEOTIDICAS EN LA RECONSTRUCCION FILOGENETICA Nos enfocaremos en los caracteres de secuencias nucleotídicas teniendo en cuenta que la selección de los genes a estudiar es un paso fundamental y dependerá del objetivo del trabajo y del rango de los taxones cuyas relaciones filogenéticas se quieren analizar. En general, para taxones superiores al rango especie se recomienda elegir genes conservados (por ej.: ribosomales 18S, RUBISCO), mientras que para especies próximas lo conveniente serán secuencias con tasa de sustitución más rápida (es decir, mitocondrial, plastídico, ITS, otros nucleares). Si los genes forman parte de familias multigénicas, esto puede dificultar el reconocimiento de las secuencias como derivadas de un ancestro común, o de un evento de especiación (i.e: genes ortólogos) de aquellas derivadas de eventos de duplicación (i.e.: genes parálogos, por ej.: pseudogenes, globinas). Las secuencias ortólogas son homólogas y reflejan la filogenia de las especies; las parálogas coexisten en un mismo organismo y reflejan la historia de los genes. Las secuencias xenólogas son aquellas adquiridas por transferencia horizontal o transfección; mientras que las plerólogas se dan cuando la posición de los exones e intrones cambia dentro de un gen, o entre genes, originando nuevas configuraciones. Luego de la selección de los genes a estudiar y de la obtención de las secuencia nucleotídicas, el alineamiento de las mismas es otro paso fundamental. Consiste en transformar secuencias de longitudes diversas en líneas de igual longitud mediante la inserción de gaps (representados como - ). Esto permite el reconocimiento de homologías de posición (= homologías primarias). Los gaps indican que en algún lugar de la secuencia han ocurrido eventos de inserción o deleción posteriores a la divergencia del ancestro común. Los alineamientos de secuencias se realizan en general con programas que posibilitan minimizar el número de discrepancias (falta de coincidencia base a base) y de gaps de acuerdo a un criterio determinado. Por ejemplo: waus wstri wpap wfur wtag wmau wmel wwha CAAAAATTGA TGGTATTACA AATGTA GC AGGCAAAG-- CAAAAGTTGA TGGTATTACA AATGCAAC AGGTAAAG-- CAAAAGTTGA TGGTGCTACA GGTGCTAA-- -GAAGACTGC AGATACTGCT CAAAAGTTGA TGGTATTACA AATGCAAC AGGTAAAG-- CAAAGATTGA TGGTGTTACA TATAAATC AGGTAAGG-- CAAGAATTGA CGGCATTGAA TATAAAAA AGGAACCG-- CAAAAGTTGA TGGTATTACC TATAAGAA AGACAAGA-- CAAAAGTTGA TGGTGCTACA GGTGCTAAAA AGAAGACTGC GGATACTGAT 166

167 A continuación, se brinda una descripción muy breve de tres metodologías de reconstrucción filogenética, empleando datos de secuencias nucleotídicas: máxima parsimonia, máxima verosimilitud y distancias mínimas. A. MÉTODO DE MÁXIMA PARSIMONIA Este método trata de maximizar la similitud entre los taxones debida a ancestralidad común, infiriendo el árbol que mejor explique la distribución de los estados de los caracteres, para una dada matriz de datos, como homologías. La mejor explicación, si aceptamos que la evolución es responsable de la diversidad biológica, es que la presencia de estados de carácter similares se debe a que los mismos fueron heredados. Esto se logra obteniendo un árbol para el cual el número de pasos evolutivos (cambios de estado para los datos) es mínimo. Tratándose de datos moleculares, el método de parsimonia funciona como se explica a continuación. Supongamos que tenemos el siguiente alineamiento: La primera tarea es identificar los sitios informativos en la secuencia. Es decir, los sitios que nos sirven para diferenciar hipótesis evolutivas. En el ejemplo, los sitios 5, 7 y 9, son informativos. La segunda tarea es asignar estados a los nodos, de manera de calcular la cantidad de pasos mínima para cada sitio, sobre cada árbol posible. Recordemos que para 4 taxones existen 3 árboles posibles sin raíz. El sitio 1, no nos ayuda a discernir porque todos los estados del carácter son iguales (=> sitio constante, no informativo). El sitio 2 tiene una A en la secuencia uno y G en el resto de las secuencias (autapomorfía => sitio variable pero no informativo). El sitio 3, también es un sitio variable pero tampoco indica cuál de las tres hipótesis es la más parsimoniosa ya que todas requieren, al menos, dos mutaciones para ser explicadas. El sitio 4, al igual que el sitio 3, tampoco permite discernir entre hipótesis. En cambio, el sitio 5 sí permite elegir entre las tres hipótesis. En este caso el árbol 1 requiere como mínimo de una sola mutación, mientras que los árboles 2 y 3 requieren al menos dos mutaciones cada uno. Resumiendo, un sitio informativo debe tener dos bases diferentes en al menos dos secuencias (o taxones). 167

168 Finalmente, para calcular la optimalidad del árbol se calcula la cantidad total de transformaciones, o largo del árbol. Sumando sólo las transformaciones de los sitios informativos, el árbol 1 implica cuatro pasos, el árbol 2 cinco pasos, y el 3 también cinco pasos. En consecuencia, a partir de estas cuatro secuencias, el criterio de parsimonia permite seleccionar al árbol 1 como el óptimo (es decir, el árbol que posee el menor número de cambios totales ó menor número de transformaciones entre estados ó menor longitud). Asimismo, el árbol que es apoyado por el mayor número de sitios informativos del conjunto de datos en cuestión, es también el árbol más parsimonioso. Entonces, las hipótesis (o árboles) más parsimoniosas son aquellas que minimizan las homoplasias, o lo que es igual, aquellas que explican la distribución de caracteres empleando el menor número de eventos paralelos o de evolución convergente. B. MÉTODO DE MÁXIMA VEROSIMILITUD El método de Máxima Verosimilitud (Maximum Likelihood), es un método estadístico de búsqueda de árboles filogenéticos cuya topología posea la mayor probabilidad para explicar las secuencias observadas (OTUs) si hubieran evolucionado bajo un modelo determinado. La idea de máxima verosimilitud surge de una derivación estadística sencilla: si los sitios en una secuencia evolucionan de manera estocástica, y el número de estados posibles es finito (por ejemplo 4, ACGT), dado un tiempo suficiente dos secuencias tendrán una proporción de sitios cuyos estados coincidirán simplemente por azar (saturación o multiple hits), en vez de por ancestralidad común. Inicialmente, los algoritmos desarrollados presentaban el problema del elevado tiempo requerido en el análisis, porque para cada topología es necesario integrar el valor de verosimilitud para todas las combinaciones de largos de rama posibles. Sin embargo, la mejora en la velocidad de los procesadores permitió su difusión y empleo en sistemática molecular. Si se quiere obtener el árbol con la máxima verosimilitud, en primer lugar se debe especificar el modelo de cambio evolutivo para las secuencias. En segundo lugar, se calculan y se comparan los valores de la función de verosimilitud para cada una de las hipótesis (árboles y largo de ramas). En tercer lugar se selecciona aquella que maximiza el valor de la función. Así, a partir de cualquier sitio nucleotídico se calcula el árbol que tenga la mayor verosimilitud y, multiplicando la verosimilitud de todos los sitios involucrados (o sumando sus logaritmos) se obtiene aquel árbol que presenta la máxima verosimilitud. C. MÉTODOS DE DISTANCIAS Existen distintos algoritmos para la reconstrucción de árboles utilizando métodos de distancia. Entre los más populares y sencillos está el UPGMA (media aritmética pareada no ponderada) y el Neighbor-joining. En el caso particular del UPGMA, que supone constancia de la tasa de evolución entre los linajes, existiría una relación lineal entre la distancia evolutiva y el tiempo de divergencia. Si no hay constancia de tasas, la topología inferida será errónea. El algoritmo de Neighbor-joining no asume tasas evolutivas constantes. Estos métodos comienzan transformando los datos crudos en distancias entre pares de terminales, y luego generan una matriz simétrica de distancias. Básicamente, ambos algoritmos agrupan las unidades (especies, individuos, etc) que son más parecidas globalmente (es decir con la menor distancia). Existen muchas funciones, o modelos, que posibilitan correcciones debidas a las variaciones en las frecuencias de cada base y en las tasas de cambio entre pares de bases (transversiones transiciones) y por tanto corrigen el efecto de saturación (multiple hits). Este efecto es más probable cuando hablamos de taxones que han divergido hace mucho tiempo o cuando nos referimos a genes con tasas de evolución elevadas. Los dos modelos más sencillos 168

169 son Jukes & Cantor (1969) y Kimura dos parámetros (1980). Jukes & Cantor (JC): este modelo calcula el número medio de sustituciones nucleotídicas por sitio desde la divergencia, asumiendo que las sustituciones entre las cuatro bases (A, C, G, o T) son equiprobables; siendo p= la proporción de sitios en los que las secuencias difieren. K = -3/4 ln [1-4/3 p] Kimura dos parámetros (K2P): estima el número de sustituciones nucleotídicas por sitio desde la divergencia de dos secuencias X e Y en función de la proporción de diferencias observadas debidas a las transiciones (Ts) y transversiones (Tv). K = -(1/2) ln [(1-2Ts-Tv) (1-2Tv)] El principal problema de los métodos de distancia es que la similitud debida a estados primitivos compartidos (simplesiomorfías), no puede diferenciarse de la similitud verdadera (sinapomorfías). Actualmente las metodologías basadas en distancias se utilizan para la obtención de agrupamientos en Ecología, Genética de Poblaciones, Psicología, Medicina, etc., donde no se requiera una clasificación biológica. RELACIONES ENTRE LOS MODELOS DE EVOLUCIÓN MOLECULAR La figura de más abajo (tomada de Whelan et al., 2001) evidencia las relaciones entre seis modelos de evolución nucleotídica (JC, FEL, K2P, HKY, modelo reversible general REV y REV+Γ). Para cada modelo se muestra la matriz de tasas de sustitución nucleotídicas representada por círculos, cuya área indica el valor de la tasa, y una representación parcial de la filogenia de los hominoideos inferida por ese modelo aplicado a secuencias mitocondriales mediante el criterio de máxima verosimilitud. Para el modelo REV+Γ se muestra, además, la distribución de las tasas entre sitios (distribución gama) la cual indica que la mayoría de los sitios tienen bajas tasas de evolución, y algunos sitios poseen tasas altas. En la figura, los modelos se hacen más complejos hacia abajo al incrementar su flexibilidad en la estimación de las tasas de sustitución. Esto se ve reflejado en el aumento de los valores de verosimilitud. Notar como, a medida que los modelos son más complejos, las relaciones entre humanos, chimpancés y gorilas van cambiando, así como las longitudes de las ramas. 169

170 170

171 BIBLIOGRAFÍA CONSULTADA De Salle, R., Giribet, G. & Wheeler, W. (Eds.) Molecular Systematics and Evolution. Theory and Practice. Birkhäuser Verlag, Besel, Boston, Berlin. Felsenstein, J The Number of Evolutionary Trees. Systematic Zoology 27(1): Felsenstein, J PHYLIP (Phylogeny Inference Package) version 3.5. Department of Genetics, University of Washington, Seattle. Felsenstein, J Inferring Phylogenies. Sinauer Associates Inc. Publishers, Sunderland, MA. Fontdevilla, A. & Moya, A Evolución: Origen, Adaptación y Divergencia de las Especies. Editorial Síntesis, Madrid. Goloboff, P.A Principios Básicos de Cladística. Sociedad Argentina de Botánica, Buenos Aires. Graur, D. & Li, W.H Fundamentals of Molecular Evolution. Sinauer Associates, Sunderland, MA. Hall, B.G Phylogenetic Trees Made Easy. A How-To Manual for Molecular Biologists. Sinauer Associates, Inc. Publ., Sunderland, MA. Harvey, P.H., Leigh Brown, A.J., Maynard Smith, J. & Nee, S. (Eds.) New Uses for New Phylogenies. Oxford University Press, Oxford. Hasegawa, M., Kishino, H. & Yano, T Dating of the human-ape splitting by a molecular clock of mitochondrial DNA. Journal of Molecular Evolution 21: Hennig, W Grundzüge Einer Theorie der Phylogenetischen Systematik. Deutscher Zentralverlag, Berlin. Hennig, W Phylogenetic Systematics. University of Illinois Press, Urbana. Hennig, W Elementos de una sistemática Filogenética. EUDEBA. Bs. As. Hillis, D.M., Moritz, C. & Mable, B. (Eds.) Molecular Systematics. Second Edition. Sinauer Associates, Inc. Publ. Sunderland MA. Jones, L.R Estudios Evolutivos y Moleculares el Género Pestivirus. Tesis Doctoral. Disponible en Kitching, I.A., Forey, P.L., Humphries, C.J & Williams, D.M Cladistics: The Theory and Practice of Parsimony Analysis. Oxford University Press Inc., NY. Lanteri, A.A. y Cigliano, M.M. (Eds.) Sistemática Biológica: Fundamentos teóricos y ejercitaciones. Edulp. La Plata. Lewis PO Maximum likelihood as an alternative to parsimony for inferring phylogenies using nucleotide sequence data. Cap. 5. Molecular systematic of Plants II. Dna sequencing. Soltis, Soltis & Doyle. Kluwer Ac. Press. Li, W.S Molecular Evolution. Sinauer Associates, Inc., Sunderland, MA. Li W.S. & Graur, D Fundamentals of Molecular Evolution. Sinauer Associates Inc. Pub. Lipscomb, D Basics of Cladistic Analysis. George Washington University, Washington D.C. ( Morrone, J.J El lenguaje de la cladística. Universidad Autónoma de México. México. Nei, M., & Kumar, S Molecular Evolution and Phylogenetics. Oxford University Press, Oxford. Page. R.D.M TreeView: An Application to Display Phylogenetic Trees on Personal Computers. Bioinformatics 12(4): Page, R.D.M. & Holmes, E.C Molecular Evolution: A Phylogenetic Approach. Blackwell Science Ltd., London, Cambridge. Ridley, M Evolution. 3 rd Edition. Blackwell Publishing, Cambridge, MA. Salemi, M. & Vandamme, A.M. (Eds.) The Phylogenetic Handbook. A Practical Approach to DNA and Protein Phylogeny. Cambridge University Press, Cambridge. Swofford, D.L PAUP* (Phylogenetic Analysis UsingParsimony [* and other Methods]) v. 40b10. Sinauer Associates, Inc. Publishers, Sunderland, MA. Wiley, E.O., Siegel-Causey, D., Brooks, D.R. and Funk, V.A The Compleat Cladist.A Primer of Phylogenetic Procedures. The University of Kansas Museum of Natural History. Lawrence, Special Publication No19. Whelan S, P Lió and N Goldman Molecular phylogenetics: state-of-the art methods for looking into the past. Trends in Genetics 17:

172 GUÍA DE ESTUDIO 1. Qué significa que la Sistemática es una disciplina histórica? 2. Considera que una clasificación cladística es predictiva? Qué entiende por grupo natural? Y por clasificación natural? 3. Indique en los siguientes gráficos qué representan los círculos, las flechas y el triángulo. 4. Cree que una sinapomorfía derivada de un carácter morfológico tiene el mismo valor que una derivada de uno nucleotídico? 5. En una red qué implica la cercanía entre dos taxones? Qué debe incorporarse al análisis para poder realizar inferencias evolutivas? 6. Qué información contiene el largo de las ramas en: a) un cladograma, b) un filograma; c) un fenograma? 7. Si en las secuencias nucleotídicas que Ud. estudia las transiciones y transversiones ocurren a una tasa diferente, indique si el mejor en modelo evolutivo será el de Jukes & Cantor. 8. Indague en la bibliografía sobre las Escuelas de Clasificación y complete el siguiente cuadro comparativo: Clasificación Relaciones expresadas en los agrupamientos Taxones Diagramas Significado del largo de ramas para la clasificación Estatus ontológico de la especie Concepto de especie empleado Caracteres utilizados Tipo de similitud para formación de grupos Algoritmos Ancestros Taxonomía Fenética Evolutiva Sistemática Filogenético 172

173 GUÍA de PROBLEMAS 1.- En la siguiente figura indique: rama, nodo, internodo, raíz, un grupo monofilético, un grupo polifilético, un grupo parafilético, el grupo hermano de ((BC)(DE)); el grupo hermano de I. Interprete el grupo (KLM). 2.- Derive a partir del siguiente retículo el correspondiente árbol con raíz utilizando: a) el taxón terminal A como grupo externo; b) los taxones terminales N y P como grupo externo. c) Exprese ambas soluciones en notación parentética e indique las diferencias encontradas. 3.- A partir del siguiente alineamiento de secuencias nucleotídicas: Sp1 AACGTGGCCACAT Sp2 AAGGTCGCCACAC Sp3 CAGTTCGCCACAA Sp4 GAGATTTCCGCCT Sp5 GAGATCTCCGCCC a) Calcule la matriz de distancias pareadas empleando el número de sitios diferentes. b) Reconstruya la filogenia de los taxones siguiendo el método WPGMA. Nota: este método es una variante del método UPGMA cuyo algoritmo prevee que el tamaño de la matriz de distancia original se reduzca a medida que se conforman los grupos hermanos, debiendo recalcular las distancias entre grupos. Por el contrario, el método UPGMA no opera reduciendo dicha matriz. c) Un análisis posterior de la misma matriz pero utilizando el algoritmo de Neighbor-joining, produjo el mismo dendrograma (idéntico). Qué puede concluir respecto a la tasa de evolución de las secuencias empleadas? Si hubiesen resultado árboles diferentes, cuál tendría mayor credibilidad? 173

174 4.- Indique V ó F en base al análisis de la siguiente figura: a) Las relaciones filogenéticas entre los taxones A F se representan por medio de un cladograma. b) El árbol de la figura es la mejor estimación de la filogenia verdadera, ya que es el de máxima longitud de ramas. c) La longitud de la rama * indica el tiempo transcurrido desde la divergencia del ancestro común más reciente. d) El valor de L indica la probabilidad de obtener esa topología dado el modelo de evolución utilizado. Observación: todos los terminales son especies actuales. 5.- Utilizando los caracteres que se dan a continuación reconstruya las relaciones filogenéticas por medio del método de inclusión-exclusión. Caracteres: 1) amnios; 2) escamas; 3) dos ventanas temporales; 4) hemipenes; 5) molleja o estómago muscular; 6) dientes pedicelados; 7) plumas; 8) alas; 9) vértebras. Taxón Sapo (OG) Geko Loro Tortuga Caimán Serpiente A partir de la siguiente matriz obtenga todos los árboles posibles por enumeración implícita. Indique el número de árboles más parsimoniosos y su longitud. Además, indicar sobre los árboles los paralelismos (p) y las reversiones (r) (OG) X M N O La sistemática tradicional definió las clases Reptilia, Aves, Mammalia, Pisces y Amphibia. Utilizando la siguiente figura, indique por qué las clases Reptilia y Pisces no constituirían grupos naturales. 174

175 8. En el siguiente párrafo, descubra los 7 errores y justifique cada uno de ellos. Usted desea reconstruir las relaciones filogenéticas de 117 especies de escarabajos de la familia Curculionidae. Para ello utilizará caracteres morfológicos y moleculares (secuencias del gen mitocondrial COI). En el primer caso, resolverá las relaciones entre las especies mediante el método de máxima parsimonia utilizando una búsqueda exacta. El análisis de las secuencias lo realizará utilizando el criterio de máxima verosimilitud. Como la tasa de transición/transversión es distinta de 1, Ud. decide utilizar el modelo de evolución propuesto por Jukes y Cantor para corregir la matriz de distancias necesaria para encontrar el árbol de mayor verosimilitud. Al analizar todos los fenogramas resultantes Ud. observa que coinciden en el rechazo de la hipótesis de monofilia de varios géneros. Particularmente el género Teratopsis resulta parafilético. Su análisis morfológico le sugiere que el taxónomo que definió al género en 1915 lo hizo en base a 3 sinapomorfías y dos caracteres convergentes. En base a los resultados obtenidos, Ud. decide redefinir nuevos géneros basándose en la identificación de grupos monofiléticos, los que se reconocen por cantidad de cambio acumulado a partir de la divergencia del ancestro común más reciente, puesto que su criterio de clasificación se basa en el grado de similitud análoga de los organismos bajo estudio. 9. Un taxónomo especialista en plantas leguminosas quiere poner a prueba varias hipótesis filogenéticas utilizado los métodos de máxima parsimonia para caracteres morfológicos y de distancias para caracteres moleculares. Relacione cada uno de las figuras que se muestran más abajo, con una de las afirmaciones siguientes. Justifique cada elección. a) Al reconstruir las relaciones filogenéticas de las especies de dos géneros, el taxónomo concluyó que estos habían sido propuestos en base a caracteres morfológicos convergentes. b) Al estudiar la divergencia en un gen determinado, el taxónomo consideró adecuado reconstruir la filogenia de uno de esos géneros aplicando el modelo de evolución de Jukes & Cantor. c) Para reconstruir la filogenia del otro género en base a otro gen, el taxónomo podría utilizar tanto UPGMA como NJ. d) Al incorporar las especies de un tercer género al estudio, el taxónomo descubre que en realidad estaba trabajando con las especies de dos géneros. e) Para este gen, no puede utilizar cualquiera de los algoritmos de reconstrucción filogenética (NJ o UPGMA). Debería elegirlo cuidadosamente. 175

176 Nota: En las figuras 3 y 5, las letras representan los nombres de los géneros. D D D D K Fig La familia Abecedariaceae está compuesta por 10 especies agrupadas en dos géneros definidos en base a caracteres morfológicos. Una reciente y exhaustiva revisión taxonómica concluyó que la familia Abecedariaceae estaría compuesta por tres géneros, a saber: Parentesis (abarcando a las especies H, J e I), Diptonguis (con las especies A, B y C) y el nuevo género Consonantis, que reúne a las especies G, E, F y D. El árbol de la Figura 1 indica las relaciones de los 10 taxones en base al análisis de secuencias de varios genes. Nota: OG1 es el taxón usado como grupo externo. t E G F H J I C B A D Figura 1 OG1 176

177 a) Indique si la nueva clasificación es consistente con el cladograma de la Figura 1. Justifique su respuesta indicando qué tipo de grupo representa cada género y márquelos en el cladograma. b) Indique qué cambios deberían realizarse para obtener una clasificación basada en los grupos naturales. c) Partiendo de una matriz de 18 caracteres morfológicos (no utilizados para la obtención de la filogenia en cuestión), mapee sobre la figura 1 todos los caracteres, sabiendo que cada especie posee una autapomorfía (numeradas de 9 a 18). Indique aquellos caracteres que podrían haberse empleado para la delimitación de los tres géneros. Señale dos ejemplos de sinapomorfía y dos de simplesiomorfía. Matriz morfológica (sólo se muestran los caracteres 1 a 8) A B C D E F G H I J OG Al reanalizar las secuencias nucleotídicas aplicando un método de distancia (corrigiendo esas distancias con un modelo de evolución molecular) e incorporando un grupo externo adicional (taxón X), se obtuvo el árbol de la figura 2. OG1 C B A D G E F X J H Figura 2 I d) Podría asegurar que los taxones analizados evolucionan a una tasa constante? Explique brevemente. e) Encuentra diferencias entre esta hipótesis descripta en la Figura 2 y la anterior (Figura 1)? Explique. 177

178 178

179 TRABAJO PRÁCTICO EN COMPUTADORAS Antes de comenzar con las simulaciones en computadoras, resuelva el siguiente problema: Problema. Ud. desea investigar las relaciones filogenéticas entre los 3 géneros definidos de salamandras de la familia Plethodontidae (salamandras sin pulmones): el género Plethodon, el género Desmognathus, y el género Phaeognathus. Para ello, Ud. dispone de secuencias del gen mitocondrial citocromo b de 8 especies del género Plethodon; 3 especies del género Desmognathus, 3 especies del género Phaeognathus y 3 especies de salamandras lejanamente emparentadas que retienen los caracteres ancestrales. Al iniciar su tarea encuentra viejos apuntes sobre el protocolo para obtener un árbol filogenético, pero se da cuenta que los pasos a seguir se hallan desordenados e incluyen varios métodos de reconstrucción. Para cada uno de los métodos de análisis filogenético que se especifican a continuación, ordene los pasos de la lista que deberá seguir para poder completar su estudio. Listado de pasos: - selección, codificación y registro de caracteres, - confección de la matriz básica de datos, - construcción de una matriz de distancias genéticas, - selección de taxones pertenecientes al ingroup, - alineamiento de las secuencias, - búsqueda exacta de todas las topologías posibles, - selección de taxones pertenecientes al outgroup, - búsqueda exacta por branch and bound, - búsqueda heurística, - enraizamiento de la red óptima, - clasificación en base a caracteres derivados compartidos, - mapeo de caracteres y selección de hipótesis por criterio de optimalidad. A. Reconstrucción filogenética por métodos de distancia. B. Reconstrucción filogenética por métodos probabilísticos: máxima verosimilitud. C. Reconstrucción filogenética por métodos cladísticos: máxima parsimonia. 179

180 CONSTRUCCIÓN BÁSICA DE FILOGENIAS A. Obtención de una filogenia a partir de métodos de distancia Abra el archivo felinos.txt que contiene secuencias de citocromo B ya alineadas. Qué indican los números del primer renglón? A.1. Del paquete de programas PHYLIP (Felsenstein 1993) abra el subprograma DNAdist y: Escriba el nombre del archivo original (input): felinos.txt En la opción de distancias (D), teclee D hasta determinar la distancia de Jukes & Cantor (JC). Luego proceda en forma similar con la opción L hasta determinar una matriz triangular inferior. Responda afirmativamente la pregunta realizada por el programa tipeando y, luego presione enter. Esto habrá generado un archivo de salida u outfile que puede ser abierto con un procesador de texto. Explique qué indican los valores obtenidos. Por último, guardar este outfile con el nombre mdist A.2. Para obtener las relaciones entre los terminales usando el algoritmo UPGMA, abra el subprograma neighbor.exe y: Escriba el nombre del archivo correspondiente a la matriz de distancia (mdist) Seleccione la opción UPGMA, a continuación L para obtener datos desde una matriz triangular, responda afirmativamente la pregunta realizada por el programa tipeando y, y luego presione enter. Así generó un archivo outfile y un archivo outtree. Abra el archivo outfile generado con un procesador de texto. Observe que en este archivo no se incluye la leyenda remember: this is an unrooted tree!. Por qué? Abra el archivo outtree generado con un procesador de texto. Qué indican los paréntesis? y las comas? Guarde el archivo outtree con el nombre distintivo y extensión.tre: upgma.tre A continuación ábralo con el programa Treeview (Page, 1996) usando la opción rectangular cladogram. Qué clase de dendrograma obtuvo? A.3. Para obtener las relaciones entre los terminales usando el algoritmo de Neighborjoining (NJ): Abra nuevamente el subprograma neighbor.exe y escriba el nombre del archivo correspondiente a la matriz de distancia (mdist). Seleccione la opción NJ, a continuación L para obtener datos desde una matriz triangular, y luego presione enter. Así generó un archivo outfile y un archivo outtree. Abrir el archivo outtree generado con un procesador de texto. Interprete los valores del archivo. Qué implica que el árbol no tenga raíz? Guarde el archivo outtree con un nombre distintivo y extensión.tre: nj.tre A continuación ábralo con el programa Treeview usando la opción radial tree. Enraíce su árbol utilizando a Hyaena como grupo externo. Para ello en la opción Tree 180

181 seleccione define outgroup y luego elija el taxón mencionado. Por último, en la opción Tree seleccione root with outgroup. Visualice como filograma e interprételo. Qué puede decir acerca de la tasa de evolución del gen citocromo B? Observe detenidamente cada grupo monofilético. Compárelo con el obtenido en A.2. Son congruentes ambos resultados? Cómo puede explicar las discrepancias? B. Obtención de filogenias por máxima verosimilitud Abra el subprograma DNAml.exe Escriba el nombre de la matriz original: felinos.txt y presione enter. (Este subprograma utiliza por defecto el modelo de evolución de secuencias de HKY (Hasegawa et al., 1985)). Así generó un archivo outfile y un archivo outtree. Abrir los archivos generados con un procesador de texto. En el archivo outtree, qué indican los valores numéricos? Del archivo outfile, indique el valor de verosimilitud, si obtuvo un árbol con raíz y el significado del largo de las ramas. A continuación guarde el archivo outtree con un nombre distintivo y extensión.tre: ml.tre y ábralo con el programa TREEVIEW usando la opción radial tree. Enraíce su árbol utilizando a Hyaena como grupo externo. Para ello en la opción Tree seleccione define outgroup y luego elija el taxón mencionado. Por último, en la opción Tree seleccione root with outgroup. Visualice como filograma e interprételo. C. Obtención de una filogenia por parsimonia Abra el programa PAUP* (v.4.0b10*) cliqueando en el ícono PAUP.exe. En la ventana Abrir tipear o seleccionar el archivo felinos.nex y seleccionar la opción Edit. Observe el formato nexus de este archivo. Cerrar el editor de matrices y ejecutar con la opción execute. Para definir el grupo externo tipee outgroup Hyaena; en la línea de comandos. Obtenga el árbol óptimo mediante una búsqueda exhaustiva por branch-and-bound tipeando bandb;. Podría realizar una búsqueda exhaustiva por enumeración implícita? Y una búsqueda heurística?). Cuántos árboles obtuvo? De qué longitud? Indique cuál es el más parsimonioso. Tipee contree; para realizar un consenso estricto. Observa politomías? Cuáles? Para visualizar mejor el resultado tipee savetrees; ; guárdelo con un nombre distintivo y extensión.tre: mp.tre. Abra su archivo con el programa Treeview e interprete sus resultados. NOTA: Recuerde borrar todos los archivos generados durante este TP ( mdist ; upgma.tre ; nj.tre ; ml.tre ; mp.tre ) antes de retirarse de la sala. Muchas gracias. 181

182 ALGUNOS PROBLEMAS ASOCIADOS A LA RECONSTRUCCIÓN FILOGENÉTICA Gran parte de esta introducción se basa en el artículo The tree of eukaryotes de Keeling et al. (2005) y resalta algunos problemas y desafíos asociados a la reconstrucción filogenética. 1. Cómo pueden integrarse los resultados provenientes de distintos genes y árboles? Dado que cada filogenia individual es probablemente correcta en algunos aspectos pero incorrecta en otros, es necesario integrar diversos datos con el fin de obtener reconstrucciones confiables Árboles basados en un único gen Aunque deben interpretarse con cautela, los árboles filogenéticos basados en un gen son aún una herramienta muy valiosa, ya que, mientras que la filogenia basada en un gen puede fallar para inferir las relaciones entre distintos taxa (por ejemplo animales y hongos), las filogenias basadas en otros genes pueden resolverlas de manera robusta. Así, la interpretación criteriosa de varios árboles basados en genes individuales, incorporando además otras fuentes de información, puede permitir resolver las relaciones dentro de un grupo mediante un criterio de congruencia. Sin embargo, un problema de esta práctica es que las interpretaciones pueden ser muy variables dependiendo de las opiniones de cada investigador y no hay una forma objetiva de elegir entre distintos puntos de vista Árboles basados en varios genes El método más común para combinar datos en un análisis filogenético único es concatenar las secuencias de varios genes, lo cual genera una sola matriz con una gran cantidad de caracteres, a partir de la cual se infiere un único árbol. Los primeros estudios de filogenias multigénicas, trataban a los conjuntos de datos como si fueran un único supergen, estimando las filogenias por los métodos habituales. No obstante, esta metodología no tiene en cuenta que distintos genes pueden tener distintas propiedades, tales como distribuciones variables de tasas de sustitución entre sitios, diferentes modelos de sustitución nucleotídica y, principalmente, distintas tasas de evolución. Ignorar esta heterogeneidad en los genes, implica un alto riesgo de introducir un importante error sistemático (ver más abajo en la estimación de la filogenia). Actualmente, se están desarrollando nuevos enfoques, los cuales permiten incorporar algunos parámetros específicos para cada gen durante un análisis filogenético. Combinar datos en un análisis filogenético es ciertamente un desafío, aún con secuencias de genomas completos, donde muchos taxa carecen de ciertos genes, lo cual produce un gran número de datos ausentes (missing data). Además, la naturaleza de los datos concatenados sólo se conoce parcialmente y tiene algunas características problemáticas, ya que los conjuntos grandes de datos reducen el error estocástico pero aumentan el error sistemático (ver más abajo). Otra posibilidad es combinar los árboles estimados en un árbol mayor o superárbol (supertree). Diversos métodos se han desarrollado recientemente y se están volviendo muy populares, siendo muy útiles cuando la representación taxonómica de los distintos genes es heterogénea. No obstante, estos 182

183 métodos están todavía en una etapa de gran investigación y deben ser utilizados con cuidado, dado que no se conoce en detalle cómo la incertidumbre de las filogenias originales puede propagarse en este superárbol Árboles basados en caracteres moleculares discretos Otro tipo de caracteres que pueden ser de utilidad en la reconstrucción filogenética son las inserciones y deleciones conservadas en las secuencias génicas, la posición de los intrones, las fusiones y fisiones de genes y otros eventos moleculares complejos. Si estos caracteres están altamente conservados y compartidos entre dos o más organismos, podrían ser informativos, si bien cada uno posee sus fuentes de error propias (convergencia, recombinación y/o pérdida paralela) y deben ser interpretados con igual precaución que una filogenia basada en secuencias. 2. Tipos de errores que obstaculizan la reconstrucción filogenética Existen dos dificultades a la hora de obtener filogenias moleculares confiables, en particular cuando las mismas provienen de eventos de divergencia que ocurrieron hace millones o cientos de millones de años. Una es el error aleatorio y la otra el error sistemático Error aleatorio (random error) El error aleatorio (también llamado ruido aleatorio ) ocurre cuando los datos contienen muy poca información, dando como resultado una filogenia pobremente resuelta. Este problema es particularmente importante cuando las escalas temporales son muy largas (las llamadas filogenias de ramas profundas, como por ejemplo la de los eucariotas), ya que los sitios nucleotídicos o aminoacídicos de las moléculas analizadas se saturan con sustituciones múltiples, y por lo tanto borran la señal filogenética de los datos. Así, existen varios trabajos que demuestran que la información filogenética se pierde rápida y abruptamente si las moléculas evolucionan de manera simple, como por ejemplo bajo el modelo de Jukes y Cantor, el cual considera que todos los cambios son igualmente probables y que los nucleótidos o aminoácidos se encuentran en frecuencias iguales. Sin embargo, si las moléculas evolucionan de maneras más complejas, como por ejemplo con variación en las tasas de evolución entre sitios y/o entre el mismo sitio en distintas partes del árbol, entonces la información filogenética puede persistir por períodos de tiempo mucho más largos. Estos modelos más complejos, parecerían describir los datos reales significativamente mejor que los modelos más simples. Otro aspecto de importancia crucial en la reconstrucción filogenética es la tasa de evolución promedio de un determinado gen. Cuanto más lentamente evolucione una molécula (pero reteniendo variabilidad suficiente entre secuencias), es más probable que retenga su señal filogenética y permita inferir relaciones muy antiguas Error sistemático (systematic error) El error sistemático es el fallo de un método filogenético en recuperar el árbol correcto, seleccionando en lugar de éste otra topología, a menudo con un alto sustento estadístico aparente. Esto ocurre 183

184 típicamente cuando el método usado es demasiado simple, y es particularmente problemático para divergencias profundas, porque la mayor parte de los supuestos, aún de los modelos filogenéticos más complejos disponibles, son violados por el proceso evolutivo de las moléculas a lo largo de cientos de millones de años. Por ejemplo, la imposibilidad de modelar correctamente las distribuciones de tasas de cambio entre distintos sitios, tasas de cambio de un mismo sitio a lo largo de una topología, y cambios en el uso de nucleótidos o aminoácidos entre especies pueden llevar a un error sistemático en la estimación de un árbol filogenético. La manifestación más común de este error es el agrupamiento (erróneo) de las secuencias más divergentes, un fenómeno descripto inicialmente por Felsestein (1978) para el método de parsimonia y conocido como atracción de ramas largas o LBA (del inglés long branch attraction, Fig. 1). ATRACCION DE RAMAS LARGAS El árbol de la izquierda es la filogenia real. El de la derecha es una filogenia espuria producto de haber implementado el criterio de máxima parsimonia. Esto ocurrió porque: 1.- Estudiamos pocos caracteres (pocos nucleótidos); 2.- Estudiamos pocos estados de carácter (4: A, C, G y T); 3.- Consideramos igual probabilidad de cambio a lo largo de cada rama; 4.- En este caso particular la probabilidad de cambio a lo largo de C es muy baja; 5.- La probabilidad de cambio a lo largo de A y B es muy alta; La consecuencia es que A y B comparten muchos estados de carácter por azar, que el criterio de máxima parsimonia minimiza en aquellos árboles en los que las mapea como sinapomorfías, cuando en realidad serían homoplasias (pero no necesariamente por adaptación a ambientes similares, sino por simple azar, porque contamos con pocos caracteres y con pocos estados de carácter). Cuando pasa esto, conviene usar el criterio de máxima verosimilitud, que refleja el cambio real, en lugar de minimizar el cambio evolutivo. Otra alternativa es agregar más taxones, que rompan la atracción de las ramas largas (en este caso podríamos seguir usando el criterio de máxima parsimonia). Figura 1: Tomada de Marcela Rodriguero (2008). Reconstruyendo la historia de la vida. (disponible en 184

185 3. El problema de los genes ortólogos, parálogos y xenólogos Los genes ortólogos son genes presentes en diferentes especies que evolucionaron del mismo gen ancestral a partir de un evento de especiación. Los genes parálogos son genes que divergen después de un evento de duplicación genética dentro de un genoma. Los genes xenólogos son genes que divergen después de un evento de transferencia de material genético entre distintas especies, a veces lejanamente emparentadas. Este evento recibe el nombre de transferencia lateral u horizontal de genes (abreviados LGT y HGT por lateral gene transfer y horizontal gene transfer). Las tres categorías pueden observarse en la Figura 2. Figura 2. Genes ortólogos, parálogos y xenólogos. Se muestra la evolución idealizada de un gen (líneas negras) a partir de un ancestro común, descendiendo en 3 especies A, B y C (fondo amarillo claro). Hay dos eventos de especiación (Esp1 y Esp2) en los puntos donde se forman Y invertidas. También hay dos eventos de duplicación genética (Dp1 y Dp2) ilustrados como líneas horizontales. Dos genes cuyo ancestro común reside en la unión de una Y invertida son ortólogos (e.g B1 y C1). Dos genes cuyo ancestro común reside en una línea horizontal son parálogos (e.g. C2 y C3). La flecha denota la transferencia del gen B1 de la especie B hacia la especie A. Aunque estrictamente hablando AB1 es xenólogo de los otros 6 genes, algunos autores utilizan el termino xenólogo solo para el par de genes donado adquirido (en este caso AB1 y B1). Tomado de Medrano Soto 2005 y modificado a partir de Fitch

186 Los genes que permiten reconstruír las relaciones filogenéticas entre especies son los genes ortólogos. Si utilizamos una mezcla de genes parálogos y/o xenólogos con genes ortólogos, podríamos obtener una filogenia que no es la correcta. A continuación se muestran dos ejemplos desarrollados por Marcela Rodriguero. Ejemplo 1: reconstrucción de una filogenia con una mezcla de genes ortólogos y parálogos. John y George Murieron PARALOGIA/ORTOLOGIA A B C D Jubilamos a Keith y Charlie A B C D George Mick Ringo Keith Charlie Paul Jonh Ron Mick Ringo Paul Ron Dos grupos monofiléticos genes= grupos de rock) Beatles Rolling Stones Duplicación génica (anterior a la divergencia de las especies) Paul y Ringo son copias ortólogas del gen Beatle Mick y Ron son copias ortólogas del gen Rolling Stones Paul y Mick son copias parálogas, y así sucesivamente 186

187 Reconstruimos las relaciones filogenéticas con primers específicos para genes de grupos de rock ingleses A D C B Mick Ron Paul Ringo A B C D Esta es la filogenia verdadera de las especies (i.e. estimada a partir de otra fuente de caracteres) A D B C Esta es la filogenia de las especies estimada a partir de genes parálogos ESPURIA Arbol del gen vs. árbol de las especies!!! Porque al utilizar copias parálogas, reconstruimos la filogenia del gen, no la de las especies 187

188 Ejemplo 2. TRANSFERENCIA LATERAL Filogenia reconstruida en base a las subunidades pequeñas del ADNr de los dominios de la vida (Woese et al. 1978) Bacteria Archaea Eukarya Si utilizamos genes relacionados con la maquinaria energética de la célula (mitocondria) Bacteria Archaea Eukarya obtenemos la misma topología Si utilizamos genes relacionados con la maquinaria reproductiva de la célula Eukarya Bacteria Eukarya las relaciones cambian!!!! HUBO TRANSFERENCIA LATERAL DE LOS GENES DE LA MAQUINARIA REPRODUCTIVA ENTRE LOS DOMINIOS DE LA VIDA!! 188

189 Bibliografía consultada Keeling PJ, Burger G, Durnford DG, Lang BF, Lee RW, Pearlman RE, Roger AJ, Gray MW. The tree of eukaryotes. Trends Ecol Evol Dec. 20 (12): Felsenstein J. Cases in which parsimony or compatibility methods will be positively misleading. Syst. Zool Dec. 27: Fitch WM. Homology a personal view on some of the problems. Trends Genet May. 16(5): Medrano Soto LA. Uso de Codones, Traducibilidad, Niveles de Expresión y Transferencia Horizontal: Hemos Sobreinterpretado Nuestros Organismos Modelo? Tesis Doctoral Universidad Nacional Autónoma de México. Cuernavaca, México. 189

190 EJERCICIOS ADICIONALES: PROBLEMAS INTEGRADORES Por Marcela S. Rodriguero Problema 1 Ud. fue confinado a pasar el resto de su vida en un laberinto después de haber intentado robar el espejo que otorga la sabiduría absoluta. El monstruo guardián (el Minotauro) le concederá la libertad si le ayuda a cumplir con la tarea que le ha encomendado la diosa de la sabiduría: obtener la filogenia de las 18 especies de unicornio en base a 47 caracteres de la morfología externa, 23 caracteres osteológicos del cráneo, 700 pares de bases del gen mitocondrial citocromo b y 1400 pares de bases del gen nuclear enolasa I. Hasta el momento, el monstruo ha confeccionado la matriz básica de datos morfológicos por un lado, y por el otro ha obtenido dos filogenias moleculares que le despiertan algunas dudas. A partir de allí, el trabajo es todo suyo. a.- Indique y comente brevemente los pasos que siguió el Minotauro para construir las matrices básicas de datos. b.- El monstruo decidió utilizar dos grupos externos: el caballo alado Pegaso y el centauro (raza de seres con el torso y la cabeza de humano y el cuerpo de caballo). Cree adecuada su elección? (Sí/No Justifique). Cómo la modificaría? Mencione ventajas y desventajas de los grupos externos propuestos por Ud. y por el monstruo. c.- El Minotauro no sabe prácticamente nada sobre la tarea que le han encomendado, pero Ud. es partidario de la utilización de metodologías que aplican un criterio de optimalidad. Qué metodología le sugeriría para reconstruir la filogenia en base a las características morfológicas externas e internas y por qué? Explique brevemente en qué consiste el criterio de optimalidad elegido. Indíquele, además, el algoritmo de búsqueda más apropiado para este caso. Justifique su respuesta. d.- Para reconstruir las filogenias en base a cada uno de los genes mencionados, el monstruo utilizó el método UPGMA a partir de dos matrices de distancias expresadas como diferencias en pares de bases. Le espera una ardua tarea i) Ud. decide aplicar a las secuencias bajo estudio una prueba estadística, y descubre que la tasa evolutiva de los linajes no es constante. ii) Ud. sabe que la divergencia de los unicornios ocurrió hace unos 35 millones de años y recuerda cierta publicación con el siguiente gráfico: 190

191 Divergencia (diferencias entre pares de secuencias por sitio) Enolasa I Citocromo b 30 Tiempo (millones de años) iii) Ud. realiza un análisis preliminar de las secuencias, y encuentra una relación 2/1 tv/ts y 24% A : 25% C : 27% G : 24% T. En base a estos datos, critique constructivamente el análisis realizado por el Minotauro y sugiérale la manera más adecuada de llevar a cabo el análisis de ambos genes. Fundamente su respuesta. e.- Su libertad está cerca, pero Al comparar los resultados obtenidos en base a cada fuente de caracteres de acuerdo a las metodologías sugeridas en los pasos anteriores, el Minotauro y Ud. observan coincidencia entre el árbol derivado de los caracteres morfológicos y el árbol mitocondrial, aunque el árbol basado en los caracteres del ADN nuclear presenta algunas discrepancias respecto a los otros dos. Ud. considera probable que el problema radique en la construcción de la matriz básica del conjunto de datos en conflicto. Mencione alguno de los problemas que conoce para la reconstrucción filogenética que pueda afectar las relaciones entre las especies de unicornio reconstruidas en base a las secuencias del gen enolasa I. Fundamente su respuesta. 191

192 Problema 2 El príncipe Sigfrido se ha perdido en un oscuro bosque. Escondido detrás de un árbol observa un ave parecida a un cisne, que a orillas del lago, se transforma en una bella muchacha. El príncipe, impactado por su belleza, se acerca y le pregunta quién es. Odette, asustada al principio, le cuenta que es víctima de un hechizo. El mago Rothbart, en un rapto de furia, la convirtió en un ave, el coscoroba, y sólo por un breve lapso de tiempo puede recuperar su forma de muchacha, siempre al anochecer. Para alzarse con el dominio de las fuerzas de la naturaleza, Rothbart debe resolver el enigma evolutivo del coscoroba, pero la dificultad del problema hizo que descargara su furia sobre la pobre Odette. El hechizo no se romperá con el beso de un apuesto príncipe. Tampoco con un juramento de amor eterno, ni con la muerte del mago... El encantamiento sólo se quebrará cuando alguien descifre el enigma evolutivo que representa el coscoroba. El coscoroba es una especie que no tiene semejantes, un misterio de la evolución. Nadie ha podido definir si es un cisne, un ganso o sencillamente único de por sí. Si lo comparamos con sus parientes más cercanos, vemos que es muy grande y posee hábitos muy diferentes a los gansos. Tiene el cuerpo y el cuello muy pequeños para ser un cisne O tal vez sea un pato gigante?. Aquel que descifre este enigma, no sólo ayudará a Odette y Sigfrido, sino que impedirá que el malvado mago se convierta en el amo y señor del universo. Tiene poco tiempo! Ud. debe hallar la solución antes que Rothbart! Ante su escasa destreza en el arte de la magia, utilice los conocimientos obtenidos a lo largo del curso a) Mientras Rothbart inicia el sortilegio, Ud. decide reconstruir una filogenia incluyendo 8 especies de cisnes (género Cygnus), 31 especies de gansos (10 del género Anser, 12 del género Chen, 7 del género Branta y dos del género Cereopsis) y el coscoroba (Coscoroba coscoroba) como grupo interno, y el pato silvestre y el pato silbador como grupo externo. Como una primera aproximación, utiliza 86 caracteres del esqueleto y del tegumento definitivo. Aplica el criterio de máxima parsimonia y obtiene 15 árboles máximamente parsimoniosos. Se muestra el consenso estricto. a.1.- Indique la cantidad de terminales incluidos en el análisis y el tipo de búsqueda apropiado para este grupo de datos. Justifique. a.2.- Qué clase de grupo forman los cisnes? Y los gansos? Justifique. 192

193 a.3.- Qué cambios esperaría en la topología al reenraizar con el pato silbador? Justifique. a.4.- Qué puede decir hasta el momento de la posición filogenética de Coscoroba coscoroba en base a esta fuente de caracteres? Justifique. El futuro de Odette y de la humanidad está en sus manos! Su confusión lo lleva a incorporar a su estudio 1200 pares de bases del gen Lactato deshydrogenasa B (LDB). Al analizar sus datos por máxima parsimonia, obtiene el siguiente cladograma: ((((((Anser,Cereopsis),Branta),Chen),Cygnus + Coscoroba),pato silbador),pato silvestre) Cuando reconstruye la filogenia por el método de máxima verosimilitud, obtiene la siguiente topología (se muestran las longitudes de las ramas de los principales linajes). (((((((Anser:0.25,Cereopsis:0.15):0.21,Branta:0.12):0.08,Chen:0.17):0.10,Coscoroba:0.97):0.25, Cygnus*:0.36):0.25,pato silbador),pato silvestre) *Relaciones filogenéticas de Cygnus sp. (((Cygnus buccinator:0.27,(c. color:0.32,(c. columbianus:0.96, C. melanocoryphus:0.17):0.19):0.33),(c. bewickii:0.47, C. atratus:0.15):0.26),(c. cygnus:0.36, C. sumnerensis:0.45):0.38) b.1.- Proponga una hipótesis explicativa para las discrepancias de los resultados del gen LDB en base a las dos metodologías empleadas. Justifique su respuesta. No puede fallarle a Odette, ni a Sigfrido ni a sus semejantes. Debe ser riguroso en sus análisis. A fin de no tomar decisiones precipitadas, incorpora a su análisis 750 pares de bases del gen mitocondrial que codifica para el citocromo b (cyt b) y obtiene la misma topología que antes, tanto por máxima parsimonia como por máxima verosimilitud (sólo se diagrama el filograma). (((((((Anser:0.08,Cereopsis:0.12):0.21,Branta:0.31):0.09,Chen:0.12):0.11,Coscoroba:0.45):0.07,Cy gnus*:0.05):0.25,pato silbador),pato silvestre) *Relaciones filogenéticas de Cygnus sp. (((Cygnus buccinator:0.05,(c. color: 0.05,(C. columbianus: 0.05, C. melanocoryphus: 0.05): 0.05): 0.05),(C. bewickii: 0.05, C. atratus: 0.05): 0.05),(C. cygnus: 0.05, C. sumnerensis: 0.05): 0.05) b.2.- Qué puede decir de la tasa de evolución del gen cyt B en el linaje de los cisnes (Cygnus)? Y en el linaje de los gansos (Anser + Chen + Cereopsis + Branta)? Justifique. b.3.- Qué puede decir hasta el momento de la posición filogenética de Coscoroba coscoroba en base a estas dos fuentes de caracteres? Justifique. La arena cae en el reloj, pero Ud. trabaja rápidamente y obtiene 30 caracteres de la tráquea + siringe, 37 caracteres del canto y 26 caracteres del tegumento de los pichones. Obtiene el siguiente cladograma: 193

194 b.4.- Reconcilie los resultados de todas las fuentes de caracteres e indique la posición filogenética del coscoroba. Es un ganso, es un cisne, o algo diferente? Justifique su respuesta. Resuelva un enigma adicional y regale a Odette y a Sigfrido el viaje de regreso a su reino en alfombra mágica. Considerando que los cisnes exhiben diferencias en su coloración, mapee las diferencias de coloración de la forma más parsimoniosa sobre la filogenia de las ocho especies de cisnes reconstruida en base a los genes cyt b y LDH y conteste: c.1.- De qué manera evolucionó la coloración melánica en las especies Cygnus atratus y C. sumnerensis? 194

195 Cygnus buccinator C. melanocoryphus C. bewickii C. atratus C. cygnus C. sumnerensis cisne trompetero coscoroba ganso común 195

196 Problema 3 (opcional). Clara, la protagonista de la aventura onírica El Cascanueces, debe cumplir con una serie de tareas para conseguir el pasaporte desde el Reino de las Golosinas hasta su anhelado hogar. Para concederle su deseo, el Hada del Azúcar le planteará una serie de acertijos relacionados con las filogenias de las especies de vainilla, de cacao y de café. Sólo de esta manera Clara podrá regresar. Ayúdela a retornar desde esta tierra de ensueños hasta su casa a.- En cada caso, indique el algoritmo de búsqueda más apropiado para la obtención de los cladogramas de las especies de Vainilla (Figura 1), para el cladograma de las especies de cacao (Figura 2) y para el cladograma de las especies de café (Figura 3). Justifique su respuesta. Qué metodología para la inferencia filogenética se utilizó en cada caso? Comente brevemente el/los criterios de optimalidad aplicados si correspondiera. b.- Analice el fenograma reconstruido a partir de secuencias del gen cloroplástico rpl16 de las especies de café (Figura 4). Qué puede decir de la tasa de evolución de ese gen en dichas especies? El Hada del Azúcar le cuenta que los autores de esta filogenia utilizaron la corrección de Jukes & Cantor. Puede contarle con qué propósito lo hicieron, y por qué utilizaron este modelo en particular entre todos los existentes? 3.- Compare el grupo externo del cladograma de las vainillas con el cladograma de las plantas de café (ambos están señalados con un asterisco). De estas aproximaciones, cuál cree que resulta más conveniente en un análisis filogenético y por qué? 4.-Leroy (1980) y Bridson (1987) clasificaron a las plantas de café en dos géneros: Coffea sp. y Psilanthus sp. (reconózcalos como C. sp y P. sp en la Figura 3). Comente la naturaleza de dichos agrupamientos (natural/artificial). Justifique. Sugeriría algún cambio para adecuar la clasificación propuesta por los autores mencionados (i.e. taxonómica evolutiva) a la perspectiva filogenética, o cree que no es necesario? 5.- Observe las secciones Andropetalum y Glossopetalum en la filogenia de las especies de cacao (Figura 2). Señale los tipos de agrupamientos obtenidos a partir de la reconstrucción filogenética estudiada y su naturaleza para las dos secciones (Idem 4). Justifique su respuesta y proponga una alternativa para adecuarse al panorama clasificatorio actualmente en boga si fuera necesario. 196

197 Figura 1 * 197

198 Figura 2 * Figura 3 Figura

199 Problema 4 (opcional). Se cree que todos los parásitos habrían evolucionado a partir de sus ancestros de vida libre. Sin embargo, las condiciones que facilitaron el cambio a este estilo de vida son poco claras, particularmente en aquellas plantas en las que su posición filogenética es desconocida. A fin de estudiar la adquisición del modo de vida parasítico en algunas plantas holoparásitas endofíticas, un joven investigador reconstruyó la filogenia de las angiospermas utilizando 92 especies pertenecientes a 80 familias representativas de la diversidad del grupo, incluyendo especies de los géneros Rafflesia, Rhizantes y Mitrastema, tradicionalmente clasificadas dentro de la familia Rafflesiaceae (perteneciente al orden Malpighiales) en base a su estilo de vida parasítico. Utilizó tres especies de gimnospermas como grupo externo. Como primera aproximación, decide realizar un análisis filogenético en base a 900 pares de bases del gen cloroplástico trnl mediante el método de máxima parsimonia. Obtuvo 529 árboles igualmente parsimoniosos. Se muestra el consenso estricto, que tiene la siguiente topología (se indican las subclases [XXXidae], algunos órdenes [XXXales] y algunas familias [XXXceae]): ((((((((((((Rosidae,Asteridae),Caryophyllales),Santalales),Saxifragales),Vitaceae),Ceratophyllales), Ranunculales),Proteales),Magnolidae),ANITA*),(Amborellaceae,Rafflesia)),Gimnospermas) *Nombre con el que se designa a algunos grupos de angiospermas basales. A continuación, se indica la cantidad de especies que representan a cada grupo esbozado en el consenso estricto: Rosidae: 26 spp (incluyendo a Rhizantes) Asteridae: 20 spp (incluyendo a Mirastema) Caryophyllales: 3 spp Santalales: 2 spp Saxifragales: 1 sp Vitaceae: 2 spp Ceratophyllales: 2 spp Ranunculales: 2 spp Proteales: 2 spp Magnolidae: 24 spp ANITA: 7 spp (incluyendo a Amborellaceae) Rafflesia: 1 sp Gimnospermas: 3 spp a.1.- Indique el tipo de búsqueda apropiado para este grupo de datos y la cantidad de terminales incluidos en el análisis. Justifique. a.2.- Diagrame el consenso estricto. a.3.- Considerando que en el consenso estricto se vuelcan solamente aquellas relaciones que se observan en todos los cladogramas igual y máximamente parsimoniosos, comente brevemente cuáles son los taxones cuya ubicación varía entre los cladogramas de máxima parsimonia. Desconfiando de este análisis (ya que Amborellaceae formaría parte de ANITA), el joven investigador secuencia 1500 pares de bases del gen 18S rdna. Obtiene el cladograma de la figura 1. Las especies de interés se indican con una flecha. 199

200 b.1.- Comente la naturaleza de la familia Rafflesiaceae (natural/artificial). Justifique. b.2.- En base a qué tipo de caracteres fue definida esta familia? Mapee la transformación del modo de vida libre al parasítico en el cladograma de la figura 1. b.3.- Sugiera los cambios nomenclaturales (a nivel familia y orden) necesarios para que estas plantas parásitas formen grupos naturales. La duda lo carcome Por qué cuando utiliza un gen nuclear obtiene esa topología? Para responder a esta pregunta, reconstruye entonces la filogenia del grupo en estudio en base a las secuencias trnl utilizando el criterio de máxima verosimilitud, y obtiene la topología de la figura 2. c.1.- Explíquele a este investigador algún fenómeno que podría dar cuenta de la filogenia espuria detallada en a). Justifique. d.1.- Indique la naturaleza del grupo ANITA (natural/artificial) (ver Figura 1). Justifique. e.1.- Qué puede decir, a la luz de las conclusiones obtenidas en c) de la tasa de evolución en el linaje de las angiospermas? 200

201 Figura 1 201