CAPITULO 10 DERIVA GENÉTICA: EVOLUCIÓN AL AZAR
Una de las primeras y más importantes lecciones que un estudiante de ciencia aprende es que muchas palabras tienen significados muy diferentes en un contexto científico que en el habla cotidiana. La palabra "casualidad" es un buen ejemplo. Muchos no científicos piensan que la evolución ocurre "por casualidad". Lo que significan es que la evolución tiene lugar sin propósito ni objetivo. Pero por este motivo, todo en el mundo natural, las reacciones químicas, los movimientos planetarios, los terremotos, ocurren por casualidad, porque ninguno de estos fenómenos tiene propósitos. De hecho, los científicos consideran que los propósitos o metas son únicos para el pensamiento humano y no ven ningún fenómeno natural como un propósito. Pero los científicos tampoco ven las reacciones químicas o los movimientos planetarios como acontecimientos fortuitos, porque en la ciencia el "azar" tiene un significado muy diferente. Aunque el significado de "oportunidad" es una cuestión filosófica compleja, los científicos usan la casualidad, o aleatoriedad, para significar que cuando las causas físicas pueden resolverse en cualquiera de varios resultados, no podemos predecir cuál será el resultado en ningún caso particular. No obstante, podemos ser capaces de especificar. La probabilidad, y por tanto la frecuencia, de uno u otro resultado. Aunque no podemos predecir el sexo del próximo hijo de alguien, "podemos decir" con considerable certeza que hay una probabilidad de 0.5 que será una hija. Casi todos los fenómenos son afectados simultáneamente por los factores de azar (impredecibles) y no aleatorios, o deterministas (predecibles). Cualquiera de nosotros puede experimentar un accidente de coche debido al comportamiento lmpredecible de otros conductores, pero es previsiblemente más probable que lo hagamos si manejamos después de beber. Lo mismo ocurre con la evolución. Como veremos en el próximo capítulo, la selección natural es un proceso determinista y no aleatorio. Pero al mismo tiempo, hay procesos aleatorios en evolución, incluyendo la mutación (como se discutió en el capítulo 8) y fluctuaciones aleatorias en las frecuencias de alelos o haplotipos: el proceso de deriva genética aleatoria. La deriva genética y la selección natural son las dos causas más importantes de sustitución de alelos, es decir, de cambios evolutivos en las poblaciones. La deriva genética ocurre en todas las poblaciones naturales porque, al igual que las poblaciones ideales en el equilibrio de Hardy-Weinberg, las poblaciones naturales son de tamaño finito. Las fluctuaciones aleatorias en las frecuencias de los alelos pueden resultar en la sustitución de alelos antiguos por otros nuevos, resultando
en una evolución no adaptativa. Es decir, "mientras la selección natural da lugar a la adaptación, la deriva genética no lo hace, por lo que este proceso no es responsable de las características anatómicas, fisiológicas y conductuales de los organismos que los equipan para la reproducción y la supervivencia. Consecuencias, especialmente en el nivel genético molecular: parece explicar gran parte de la diferencia en las secuencias de ADN entre las especies. Debido a que todas las poblaciones son finitas, los alelos en todos los loci están potencialmente sujetos a la deriva genética aleatoria, pero no todos están necesariamente sujetos a la selección natural. Por esta razón, y debido a que los efectos esperados de la deriva genética pueden describirse matemáticamente con cierto grado de precisión, algunos genetistas evolucionistas sostienen que la deriva genética debería ser la "hipótesis nula" utilizada para explicar una observación evolutiva a menos que haya evidencia positiva de selección natural O algún otro factor. Esta perspectiva es análoga a la "hipótesis nula" de la estadística: la hipótesis de que los datos no se apartan de los esperados sólo por casualidad”. Según este punto de vista, no debemos asfixiar que una
característica o una diferencia entre poblaciones O especie, es adaptativo o ha evolucionado por selección natural a menos que haya evidencia para esta conclusión. La teoría de la deriva genética, gran parte de la cual fue desarrollada por el genetista estadounidense Sewall Wright a partir de la década de 1930 y por el genetista japonés Motoo Kimura a partir de la década de 1950, incluye algunos de los modelos matemáticos más refinados en biología. (¡Pero no tengáis miedo!) Debemos examinar casi todas las matemáticas. Primero exploraremos la teoría y luego veremos cómo explica los datos de los organismos reales. En nuestra discusión de la teoría de la deriva genética, describiremos las fluctuaciones aleatorias en las frecuencias (proporciones) de dos o más tipos de entidades autoreproductivas que no difieren de la media (o muy poco) en el éxito reproductivo. Para los propósitos de este capítulo, esas entidades son alelos. Pero la teoría se aplica a cualquier otra entidad autorreplicante, como los cromosomas, los genotipos que reproducen asexualmente o incluso las especies. LA TEORÍA DE LA DERIVA GENÉTICA
La deriva genética como error de muestreo por casualidad es fácilmente comprensible. Imaginemos, por ejemplo, que una sola mutación, A2, aparece en una gran población que es de otra manera AI. Si el tamaño de la población es estable, cada par de apareamiento deja un promedio de dos progenies que sobreviven hasta la edad reproductiva. Desde el único apareamiento A, A, x A, A2 (porque sólo hay una copia de A 2), la probabilidad de que un descendiente
sobreviviente sea A, A, es '/ 2; Por lo tanto, la probabilidad que dos progenie sobrevivientes serán ambos A, A, es '12 x '12 = 1/4, que es la probabilidad de que el alelo A2 sea inmediatamente perdido de la población. Podemos suponer que los pares de nudos varían al azar, alrededor de la media, en el número de descendientes supervivientes que abandonan (0,1,2,3 ...). En ese caso, como calculó el pionero genetista de poblaciones Ronald Fisher, la probabilidad de que A2 se pierda, promediada sobre la población, es de 0,368. Él pasó a calcular que después del paso de 127 generaciones, la probabilidad acumulativa de que el alelo se perderá es 0.985. Esta probabilidad, según él, no es muy diferente si la nueva mutación confiere una ligera ventaja: mientras sea rara, es probable que se pierda, por casualidad. En este ejemplo, la frecuencia de un alelo puede cambiar (en este caso, a cero franco una frecuencia muy cercana a cero) debido a que una o varias copias del alelo A2 pueden pasar a no ser incluidas en esos gametos que se limitan a zigotos, O puede suceder no ser llevado por los descendientes que sobreviven a la edad reproductiva. Los genes incluidos en cualquier generación, ya sea en zigotos recién formados o en descendientes que sobreviven para reproducirse, son una muestra de los genes llevados por la generación anterior. Cualquier muestra está sujeta a variación aleatoria o error de muestreo. En otras palabras, las proporciones de diferentes tipos de elementos (en este caso, los alelos AI y A2) en una muestra probablemente difieran, por casualidad, de las proporciones en el conjunto De los elementos de los que se extrae la muestra. Imaginemos, por ejemplo, una población de caracoles terrestres (Cepnen Ilell / omlis, véase la fotografía que abre este capítulo) en la que (por razones de argumentación) los descendientes heredan exactamente el color marrón o amarillo de sus madres. Supongamos que 50 caracoles de cada color habitan en un pasto de vaca. (La proporción de caracoles amarillos es de p = 0,50). Si 2 vacas y 4 caracoles amarillos y 4 marrones son pisados, p cambiará a 0,511. Puesto que es improbable que el color de un caracol afecte la posibilidad de que sea aplastado por las vacas, el cambio podría haber sido el mismo, y de hecho, bien puede ser el contrario en otro pasto o en este pastizal la próxima generación. En este proceso aleatorio, las posibilidades de aumento o disminución en la proporción de caracoles amarillos son iguales en cada generación, por lo que la proporción fluctúa. Pero un aumento de, digamos, el 1 por ciento en una generación no necesita ser compensado por una disminución igual en una generación posterior; de hecho, dado que este proceso es aleatorio, es muy improbable que lo sea. Por lo tanto, la proporción de caracoles amarillos vagará con el tiempo, eventualmente llegará cerca, y finalmente en uno de los posibles límites: 0 y 1,0. Parece razonable, también, que si la población comienza con, por ejemplo, 80 por ciento
de marrón y 20 por ciento de caracoles amarillos, es más probable que la proporción de amarillo vaya a cero que al 100 por ciento. De hecho, la probabilidad de que el amarillo se pierda de la población es exactamente 0.20. Por el contrario, la probabilidad de que el marrón alcance el 100 por ciento, es decir, que se fije, es de 0,80. FUSIÓN
El concepto de deriva genética al azar es tan importante que tomaremos tachuelas en el desarrollo de la idea. La figura 10.1 muestra una historia hipotética, pero realista, de los linajes génicos. En primer lugar, imagine que la figura representa linajes de organismos asexuales individuales, como bacterias, en lugar de genes. Sabemos por nuestra propia experiencia que no todos los miembros de las generaciones de nuestros padres o abuelos tenían igual número de descendientes; Algunos no tenían ninguno. La figura 10.1 muestra este hecho familiar. Observamos que los individuos de la generación t (a la derecha de la figura) son la progenie de una sola de las que existieron en la generación anterior (1 - 1): puramente por azar, algunos individuos en la generación -1 falló en dejar descendientes. De la misma manera, la población de la generación 1- 1 proviene sólo de algunos de los individuos que existieron en la generación 1- 2, y similarmente de vuelta a la población original en el tiempo O. Ahora piense en los objetos de la figura 10.1 como copias de genes en un locus, ya sea en una población sexual o asexual. La Figura 10.1 muestra que a medida que pasa el tiempo, más y más de los linajes de genes originales se extinguen, de modo que la población consiste en descendientes de forfewer y menos de las copias de genes originales. De hecho, si miramos hacia atrás en vez de avanzar en el tiempo, todas las copias de genes en la población en última instancia, son descendientes de una única copia génica ancestral porque dado el tiempo suficiente, todos los otros linajes de genes originales se extinguieron. La genealogía de los genes en la población actual se dice que se unen de nuevo a un único antepasado común. Debido a que ese antepasado representa uno de los varios genes originales de la población, descendidos enteramente de esa copia génica ancestral, debe eventualmente llegar a ser monomórfico: uno u otro de los alelos originales se fija (alcanza una frecuencia de 1.00). Cuanto más pequeña es la población, más rápidamente todas las copias genéticas de la población actual se fusionan de nuevo a una única copia ancestral, ya que tarda más tiempo en muchos, y para pocos linajes de genes se extinguen por casualidad. En nuestro ejemplo, todas las copias de genes han descendido de una copia de un alelo A2, pero debido a que éste es un proceso aleatorio, A1 podría ser el alelo "afortunado" si la secuencia de eventos aleatorios hubiera sido diferente. La
generación que incluyó el único antepasado común de todas las copias genéticas de hoy, A1 y A2 había sido igualmente frecuente (p = q = 0.5), entonces es igualmente probable que la copia del gen ancestral hubiera sido A1 o A2, pero si A1 Tenía una frecuencia de 0,9 en esa generación, entonces la probabilidad es de 0,9 que el gen ancestral habría sido un alelo A1. Nuestro análisis por lo tanto muestra que por casualidad, una población eventualmente se convertirá en monomórfica para un alelo u otro, y que el Probabilidad de que el alelo A1 sea fijo, más bien al mismo tiempo, es igual a la frecuencia inicial de A1. De acuerdo con este análisis, por ejemplo, toda la mitocondria de toda la población humana desciende de la mitocondria transportada por una sola mujer, que se ha denominado "Eva mitocondrial" en algún momento del pasado. (Las mitocondrias se transmiten sólo a través de los huevos.) Esto no significa, sin embargo, que la población sólo tenía una mujer en ese momento: "Eva mitocondrial" pasó a ser una de las muchas mujeres a las que todas las mitocondrias remontan sus ancestros Un patrón como el que se ve en la figura 10.1). Varios genes nucleares, como el cimiento, son descendientes de copias de un solo gen en el pasado que fueron transportadas por muchos miembros diferentes de la población humana ancestral. Si este proceso se produce en un gran número de poblaciones independientes, no interrelacionadas, cada una con el mismo número inicial de copias de cada uno de los dos alelos en, por ejemplo, el lugar A, entonces esperaríamos que una fracción p de las poblaciones se fijara para A, y una fracción 1 - p para fijarse para A2. Así, la composición genética de las poblaciones divergiría por casualidad. Si las poblaciones originales hubieran contado cada una tres o más alelos diferentes, en lugar de dos, cada uno de esos alelos se fijaría en algunas de las poblaciones con una probabilidad igual a su frecuencia inicial (digamos, p1) A medida que las frecuencias de los alelos en una población cambian por deriva genética, también lo hacen las frecuencias genotipo, que se ajustan al equilibrio de Hardy-VVeinberg entre los nuevos zigotos en cada generación. Si, por ejemplo, las frecuencias p y q (es decir, p y 1 - p) de los alelos A y A2 cambian de 0.5: 0.5 a 0.45: 0.55, entonces las frecuencias de los genotipos A1 A1 , A1 A 2 y A2 , A2, cambia de 0,25: 0,50: 0,25 a 0,2025: 0,4950: 0,3025 Como se describió en el capítulo 9, la frecuencia de los heterocigotos, H, disminuye cuando una de las frecuencias del alelo se desplaza más cerca de 1 (y la otra se mueve hacia 0) : H = 2p(1- p)
Tenga en cuenta que este modelo, tal como se ha desarrollado hasta ahora, sólo incluye los efectos de la deriva genética aleatoria. Supone que otros procesos evolutivos, a saber, la mutación, el flujo genético y la selección natural, no
funcionan. Así, el modelo no describe la evolución de los rasgos adaptativos -los que evolucionan por selección natural. Nosotros incorporaremos la selección natural en los siguientes capítulos. FLUCTUACIONES ALEATORIAS EN LAS FRECUENCIAS DE LOS ALELOS
Tomemos otro enfoque, más tradicional, del concepto de deriva genética aleatoria. Supongamos que las frecuencias de los alelos A1 y A2 son p y q en cada una de muchas poblaciones independientes, cada una con N individuos reproductores (que representan copias de genes 2N en una especie diploide). Las pequeñas poblaciones independientes a veces se llaman demes, y un conjunto de tales poblaciones puede denominarse una meta población. Como antes, se ha comprobado que los genotipos no difieren en la supervivencia o en el éxito reproductivo, es decir, que los alelos son neutrales con respecto a la aptitud física. En cada generación, el gran número de cigotos recién nacidos se reduce a N individuos en el momento en que la próxima generación se cría, por mortalidad que es aleatoria con respecto al genotipo. Por error de muestreo, la proporción de A I (p) entre los supervivientes puede cambiar. El nuevo p (llamarlo p ') podría asumir cualquier valor posible de 0 a 1,0, de la misma manera que la proporción de cabezas entre N monedas lanzadas podría, en principio, variar desde todas las cabezas hasta todas las colas. La probabilidad de cada posible valor, ya sea la proporción de cabezas o la proporción de alelos de Al, se calcula a partir del teorema binomial, generando una DISTRIBUCIÓN DE PROBABILIDAD. Entre un gran número de últimas, la nueva frecuencia de los alelos (p ') variará, por casualidad, alrededor de una media, es decir, la frecuencia original, p. Ahora bien, si rastreamos uno de los demes, en el que p ha cambiado de 0,5 a, digamos, 0,47, vemos que en la siguiente generación, volverá a cambiar de 0,47 a otro valor, mayor o menor con igual probabilidad. Este proceso de fluctuación aleatoria continúa con el tiempo. Dado que ninguna fuerza estabilizadora devuelve la frecuencia de los alelos hacia 0.5, p eventualmente vagará (deriva) a 0 ó 1: el alelo se pierde o se fija. (Una vez que la frecuencia de un alelo ha alcanzado a o 1, no puede cambiar a menos que se introduzca otro alelo en la población, ya sea por mutación o por flujo genético de otra población.) La frecuencia del alelo describe un paseo aleatorio, análogo a un Año Nuevo Eve se tambalea a lo largo de una plataforma de tren muy largo con una vía de ferrocarril a cada lado: si es tan cierto que no compensa pasos hacia un lado con pasos hacia el otro, eventualmente caerá el borde de la plataforma en uno De las dos pistas, si la plataforma es suficientemente larga (Figura 10.2).
Así como la frecuencia de un alelo puede aumentar por casualidad en algunos departamentos de una generación a la siguiente, puede disminuir en otros temas. Como resultado, las frecuencias de los alelos pueden variar entre los demes. La varianza en la frecuencia de los alelos entre los demes continúa aumentando de generación en generación (Figura 10.3). Algunos demes alcanzan p = 0 o p = 1 y ya no pueden cambiar. Entre aquellas en las que la fijación de uno u otro alelo todavía no se ha producido, las frecuencias de los alelos continúan extendiéndose, con todas las frecuencias entre a y 1 llegando a ser igualmente probable (Figura 10.4). Los que se aproximan a 0 o 1 tienden a "caer por el borde", por lo que el número de poblaciones fijadas para uno u otro alelo continúa aumentando, hasta que todos los valores en la metapoblación se han fijado. Por lo tanto, los denegaciones son ilegítimamente evolucionadas genéticamente por el cáliz para tener diferentes clasificaciones genéticas. (Recuerde, sin embargo, que estamos asumiendo que los alelos tienen idénticos efectos sobre la aptitud, es decir, que son neutros). LA EVOLUCIÓN POR DERIVA GENÉTICA
Los siguientes puntos, que siguen a partir de la discusión anterior, son algunos de los aspectos más importantes de la evolución por deriva genética: 1. El alelo (o haplotipo) frecuencias fluctúan al azar dentro de una población, y eventualmente uno u otro alelo se vuelve fija. 2. Por lo tanto, la variación genética en un locus descensos y es el tiempo perdido. Como la frecuencia de uno de los alelos se aproxima a 1,0, la frecuencia de heterocigotos, H = 2p (1 - p), disminuye. La tasa de disminución de la heterocigosidad se utiliza a menudo como una medida de la velocidad de deriva genética dentro de una población. 3. En cualquier momento, la probabilidad de un alelo de la fijación es igual a su frecuencia en ese momento, y no se ve afectado o predicha por su historia previa de cambio de frecuencia. 4. Por lo tanto, las poblaciones con la misma frecuencia de alelo inicial (p) divergen, y una proporción Se espera p de las poblaciones a ser fijo para ese alelo. Una proporción 1 - P de las poblaciones se vuelve fija para los alelos alternativos. 5. Si un alelo solo ha surgido por mutación, y está representada por sólo uno entre el 2N copias de genes en la población, su frecuencia es
y este es su probabilidad de alcanzar p = 1. Claramente, es Illore probable que se fije en
una pequeña que en una población grande. Por otra parte, si se presenta la misma mutación en cada uno de muchos demes, cada uno de tamaño N, la mutación debe finalmente ser fijado en una proporción 1 / (2N) de los demos. Del mismo modo, todas las nuevas mutaciones, (en todos los loci) que se presentan en una población, una proporción 1 / (2N) deben ser fijados con el tiempo. 6. La evolución por deriva genética procede más rápido en los pequeños que en grandes poblaciones. En una población diploide, el tiempo medio para la fijación de un alelo neutral recién surgido que no es fija becolne generaciones 4N, en promedio. Eso es mucho tiempo si el tamaño de la población (N) es grande. 7. Entre un numher de demos inicialmente idénticas en un meta-población, la frecuencia del alelo normal (p) no cambia, pero ya que la frecuencia de los alelos en cada demo cambia, llegando a ser 0 o 1, la frecuencia de heterocigotos (H) se abstiene de cero en cada Deme y en la metapoblación como un todo EL TAMAÑO EFECTIVO DE LA POBLACIÓN
La teoría presentada hasta ahora asume poblaciones altamente idealizadas de N adultos reproductores. si medimos el número real (N) de los adultos en poblaciones reales, sin embargo, el número contamos (el tamaño CENSO) puede ser mayor que el número que realmente contribuyen genes a la siguiente generación. Entre los elefantes marinos, por ejemplo, un par de machos dominantes se aparean con todas las hembras en una población, por lo que los alelos de los machos pasan a llevar a contribuir de manera desproporcionada a las generaciones siguientes; desde un punto de vista genético, los machos subdominantes exitosas de la ONU puede ser que también no existe (figura 10.5). Así, la tasa de deriva genética de frecuencias de los alelos, y de la pérdida de heterocigosidad, será mayor de lo esperado a partir del tamaño censo del popldation, que corresponde a lo que se espera de una población más pequeña. En otras palabras, la población es efectivamente más pequeño de lo que parece. El tamaño efectivo (denotado Ne) de una población reaI es el número de individuos en una población ideal (en el que cada adulto reproduce) en el que la tasa de deriva genética (medida por la tasa de disminución de la heterocigosidad) sería la misma que está en la población real. Por ejemplo, si contamos a 10.000 adultos en una población, pero sólo 1.000 de ellos se crían con éxito, el producto de la deriva genética al mismo ritmo que si el tamaño de la población eran 1000, y ese es el tamaño efectivo, Ne El tamaño efectivo de la población puede ser más pequeño que el tamaño del censo por varias razones: 1. La variación en el número de la progenie producida por las hembras, machos, o ambos reduce Neo El elefante marino representa un ejemplo extrelne.
2. Del mismo modo, una relación de sexo diferente de 1: 1 reduce el tamaño efectivo de la población. 3, la selección natural puede bajar Ne mediante el aumento de la variación en el número de la progenie; por ejemplo, si los individuos más grandes tienen más descendencia que los más pequeños, la tasa de deriva genética Inay ser incrementado en todos los loci neutral porque los individuos pequeños contribuyen menos copias de genes a las generaciones posteriores. 4, si se superponen generación, la descendencia puede aparearse con sus padres, y puesto que estos pares llevan copias idénticas de los mismos genes, el número efectivo de genes propagados se reduce, 5. Tal vez lo más importante, las fluctuaciones en el tamaño poblacional reducir Ne, que está más fuertemente afectado por el más pequeño que los tamaños más grandes. Por ejemplo, si el número de adultos breedulg en cinco generaciones sucesivas es de 100, 150, 25, 150, y 125, Ne es de aproximadamente 70 (la media armónica ') en lugar de la media aritmética, 110 EL EFECTO FUNDADOR
Las restricciones en el tamaño a través del cual pueden pasar las poblaciones son llamados cuellos de botella. Un cuello de botella particularmente interesante cuando se produce una nueva población se establece por un pequeño número de colonos, o fundadores, a veces tan pocos como un solo par de acoplamiento (o una sola hembra ineminated, como en los insectos en el que el esperma tienda de las mujeres). La deriva genética aleatoria que se produce a menudo se llama un efecto fundador. Si la nueva población crece rápidamente a un tamaño grande, las frecuencias de alelos (y por lo tanto heterocigosidad) probablemente no se alteran en gran medida de las de la población de origen, aunque algunos alelos raros no se han realizado por los fundadores. Si la colonia sigue siendo pequeño, sin embargo, la deriva genética va a alterar las frecuencias alélicas y erosionar la variación genética. si la colonia persiste y crece, nuevas mutaciones finalmente restaurar la heterocigosidad a niveles más altos (Figura 10.6). LA DERIVA GENÉTICA EN POBLACIONES REALES
Laboratorio poblaciones. Peter Buri (1956) describe la deriva genética en un experimento con Drosophila melanogaster, inició 107 poblaciones experimentales de moscas, cada uno con 8 hombres y 8 mujeres, todos heterocigotos para dos alelos (BW y B75) que afectan el color de ojos (por la cual toda thIee genotipos son reconocibles), Por lo tanto la frecuencia inicial de bw75; fue de 0,5 en todas las poblaciones, se propaga cada población durante 19 generaciones dibujando 8 moscas de cada sexo al azar y transferirlos a un vial de alimentos frescos. (Así,
cada generación se inició con 16 moscas copias x 2 genes; 32 copias de genes.) La frecuencia de bw7S extendió rápidamente hacia fuera entre las poblaciones (Figura 10.7); después de una generación, el número de copias BW73 varió de 7 (q = 7/32 = 0,22) a 22 (q; 0,69). Por la generación de 19,30 poblaciones habían perdido el alelo, y 28 habían convertido en fijo correspondiente; entre las poblaciones no fijadas, se distribuyeron uniformemente bastante intermedios frecuencias alélicas. Los resultados bien coincidían con las que se espera de la teoría de la deriva genética (véase la figura 10.4). Más recientemente, macCommas y Bryant (1990) establecieron cuatro poblaciones de laboratorio réplica, utilizando las moscas domésticas (Musca domestica) tomada de una población natural, en cada uno de tres tamaños de cuello de botella: 1,4, y 16 pares. Cada población creció rápidamente a un tamaño de equilibrio de alrededor de mil moscas, después de lo cual las poblaciones se redujeron de nuevo a los tamaños de cuello de botella SANLE. Este procedimiento se repitió hasta cinco veces. Después de cada recuperación de un cuello de botella, los investigadores calcularon las frecuencias de los alelos en los loci enzima cuatro polimorfo para cada población, mediante electroforesis (véase el capítulo 9). Encontraron tlhat heterocigosidad promedio (R) disminuyó de manera constante después de cada episodio de cuello de botella, y que cuanto menor sea el cuellos de botella eran, más rápidamente se redujo. En el, entero, H corresponde estrechamente los valores predichos por la teoría matemática de la deriva genética. Las poblaciones naturales. Cuando describimos las características genéticas de las poblaciones naturales, los datos por lo general no se basan en la manipulación experimental, ni tampoco por lo general tienen infonnation detallada sobre las historias de las poblaciones. Por lo tanto, intentamos inferir las causas de la evolución (como la deriva genética o la selección natural) mediante la interpretación de los patrones. Tales inferencias NRE posible sólo sobre la base de las teorías que nos dicen qué patrón para esperar si una u otra causa ha sido más irnportant. Pattenls de variación genética molecular en poblaciones naturales a menudo se corresponden con lo que cabría esperar si los loci se vieron afectadas por la deriva genética. Por ejemplo, Robert Selander (1970) estudió la variación allozyrne en dos loci en los ratones domésticos (Mus musculus) de graneros ampliamente dispersos en el centro de Texas. Selander considera cada ban1 para albergar una población independiente porque los ratones y no pocas veces se dispersan para Nevv graneros, y los que lo hacen a menudo son excluidos por los vecinos. Habiendo estimado el tamaño de la población en cada establo, Selander encontró que aunque las poblaciones pequeñas y grandes tenían más o menos las mismas frecuencias Menn de los alelos, la variación (varianza) en la frecuencia de alelos "vas mucho mayor entre las pequeñas poblaciones, como era de esperar por la deriva genética al azar (Tabla 10.1)
De vez en cuando, podemos comprobar la validez de nuestras inferencias utilizando información independiente, tales como datos históricos. Por ejemplo, un estudio de la variación electroforética en el elefante marino del norte (Mirollnga angustirostris; véase la Figura 10.5) no reveló ninguna variación en cualquiera de las 24 que codifica la enzima loci (Bonnell y Selander 1974) -a observación muy inusual, ya que la mayoría de las poblaciones naturales son altamente polimórficos (véase el capítulo 9). Sin embargo, aunque la población de las especies tlhis ahora cuenta con alrededor de 30.000, que se redujo en la caza a unos 20 animales en la década de 1890. por otra parte; el tamaño efectivo fue probablemente aún más baja, ya que menos del 20 por ciento de los varones suelen tener éxito en el apareamiento. la hipótesis de que la deriva genética fue responsable de la monomorfismo una hipótesis probable de acuerdo con el modelo que acabamos de describir, se apoya en los datos históricos. Los niveles reducidos de la variación genética en las poblaciones que han experimentado los cuellos de botella, tales como el elefante marino del norte, pueden tener consecuencias importantes. La fijación de alelos deletéreos, por ejemplo, puede reducir la supervivencia y la reproducción, aumentando el riesgo de extinción de la población. reducción de la viabilidad en una pequeña población de víboras europeas una instancia de la depresión endogámica-fue descrito en el capítulo 9. En casos raros, sin embargo, la reducción de la variación genética en realidad puede beneficiar a una población. La hormiga argentina (Linepithema humile) es relativamente poco común y coexiste con muchas otras especies de hormigas en su Argentina natal, pero es altamente invasiva en muchas partes del mundo a la que ha sido transportado accidentalmente por los seres humanos. En California, es muy abundante y ha desplazado a más hormigas nativas. En su área de distribución natural, pequeñas colonias de la hormiga argentina defienden su territorio contra las colonias de la misma especie. Las diferencias genéticas entre las colonias da lugar a las diferencias en "olor a colonia", que provocan la agresión. En California, sin embargo, las colonias se unen 'witll entre sí para formar grandes ampliamente distribuidas "supercolonias", que forma competitiva excluyen otras especies de hormigas por su superioridad numérica. colonias de California son genéticamente muy similares entre sí, debido a un efecto fowlder que reduce en gran medida la variación genética. Por lo tanto, las colonias se diferencian poco de olor, no son agresivos entre sí, y, por consiguiente se funden en supercolonias (Tsutsui et al 2000;. Figme 10.8) La teoría neutral de la evolución molecular Sea o no la deriva genética ha jugado un papel lmportante en la evolución de muchas de las características fenotípicas y morfológicas otros de organismos es un tema de considerable debate. No hay duda, sin embargo, que en los niveles de secuencias de ADN y de proteínas, la deriva genética es un factor importante en la evolución. A partir de la síntesis evolutiva de finales de 1930 hasta mediados de la década de 1960, la mayoría de los biólogos evolutivos creen que casi todos los alelos difieren en sus efectos sobre la aptitud organismos ', de modo que sus frecuencias se
vieron afectados principalmente por la selección natural. Esta creencia se basa en estudios nwnerous de genes con efectos morfológicos o fisiológicos. Pero en el 19605, la teoría de la evolución por deriva genética aleatoria de alelos selectivamente neutros se hizo importante a partir de dos tipos de datos 1l'lOlecular llegó a estar disponible. En 1966, Lewontin y Hubby mostraron que una alta proporción de loci enzimáticos son polimórficos. Ellos argumentaron que la selección natural no pudo mantener de forma activa tanto la variación genética, y sugirieron que gran parte de ella puede ser selectivamente neutral. Casi al mismo tiempo, Motoo Kimura (1968) calcula las tasas de evolución de las secuencias de aminoácidos de las proteínas Severa], utilizando el enfoque logenetic PHY se describe en el Capítulo 2 (ver Figura 2.14). Llegó a la conclusión de que una determinada proteína evolucionó a un ritmo similar en diferentes linajes. Sostuvo que no se esperaría que tal constancia que el resultado de la selección natural, pero sería el caso si la mayoría de los cambios evolutivos a nivel molecular son causados por lnutation y la deriva genética. Estos y otros autores (King y Jukes, 1969) inició un oversy CONH sobre polimorfismo molecular y evolución, como el "debate neutralista-seleccionista", es decir no se ha resuelto por completo. Aunque todo el mundo está de acuerdo en que algo de variación molecular y la evolución es neutro (es decir, un resultado de la deriva genética), "seleccionistas" pensar en una mayor fracción de los cambios evolutivos moleculares son debido a la selección natural que "neutralistas" hacer . La teoría neutral de la evolución molecular sostiene que aunque una pequeña minoría de las mutaciones en las secuencias de ADN o proteínas son ventajosas y están fijados por la selección natural, y aunque muchas mutaciones no son ventajosos y son eliminados por la selección natural, la gran mayoría de esas mutaciones que se fijan son efectivamente neutral con respecto a la aptitud y están fijados por la deriva genética. De acuerdo con esta teoría, la mayor variación genética en el nivel molecular, ya sea revelada mediante secuenciación de ADN o mediante la enzima de electroforesis es selectivamente neutral y carece de significado adaptativo. Esta teoría, por otra parte, sostiene que las sustituciones de evolución a nivel molecular avanzan a un ritmo más o menos constante, por lo que el grado de diferencia en la secuencia entre las especies puede servir como un reloj molecular, lo que nos permite determinar el tiempo de divergencia de las especies (véase el Capítulo 2) . Es importante reconocer que la teoría neutral no se sostiene que h, e morfológicas, fisiológicas, y las características de comportamiento de los organismos evolucionan por la deriva genética aleatoria. Muchos -tal vez más, estas características pueden evolucionar principalmente por la selección natural, y están basados en sustituciones de pares de bases que (de acuerdo con los neutralistas) constituyen una fracción muy pequeña de los cambios en la secuencia de ADN. Por otra parte, la teoría neutral reconoce que muchas mutaciones son perjudiciales y son eliminados por la selección natural, por lo que contribuyen poco a la variación que observamos. Así, la teoría neutral no niega la operación de selección natulral en algunos pares de bases o aminoácidos
diferencias. Se mantiene, sin embargo, que la mayor parte de la variación observamos a nivel molecular, tanto dentro como entre las especies, tiene un efecto ligero sobre la aptitud, ya sea porque las diferencias en la secuencia de pares de bases no se traducen en diferencias en el nivel de proteína, o porque la mayoría las variaciones en la secuencia de aminoácidos de una proteína tienen poco efecto sobre la fisiología del organismo La teoría neutral de la Evolución Que Sostiene molecular AUNQUE Una Pequeña Minoria De Las Mutaciones en Las Secuencias de ADN o Proteínas hijo ventajosas y estan fijados por La Selección natural, Y MUCHAS AUNQUE Mutaciones ningún hijo ventajosos y Son Eliminados por La Selección natural, La Gran Mayoría de los AEE Mutaciones Que se fijan hijo Efectivamente neutra con RESPECTO a la aptitud y estan fijados por la deriva genética. De Acuerdo con this teoría, la mayor Variación genética en, ya mar El Nivel molecular Revelada Mediante secuenciación de ADN o Mediante la enzima de electroforesis es selectivamente neutro y Carece de SIGNIFICADO adaptativo. teoría esta, por otra parte, Sostiene Que las sustituciones de Evolución de un avanzan molecular Nivel A de las Naciones Unidas ritmo mas o menos constante, por Lo Que El Grado de Diferencia En La Secuencia Entre las Especies PUEDE SERVIR Como un reloj molecular, Lo Que nos permite determinar S. El Tiempo de divergencia de las Especies (Véase el Capítulo 2). Es Importante Reconocer Que la teoría neutral no se Sostiene Que h, e morfológicas, fisiológicas, y Las Características de Comportamiento de los Organismos evolucionan por la deriva genética aleatoria. Muchos -tal Vez Más, Características Estas pueden evolucionar Principalmente por La Selección natural, y estan basados en sustituciones de pares de bases Que (de Acuerdo con los neutralistas) constituyen Una fracción muy Pequeña de los Cambios en la Secuencia de ADN. Por otra parte, la teoría neutral reconoce Que Muchas Mutaciones perjudiciales hijo y el hijo Eliminados por La Selección natural, por Lo Que contribuyen poco a la variation Que observamos. Así, la teoría neutral sin Niega la Operación de Selección natulral en algunos adj pares de bases o Aminoácidos: diferencias. Se mantiene, sin embargo, Que la mayor parte de la variation observamos una, del tanto dentro ¿Como Entre las Especies, de la ONU Tiene molecular Nivel efecto ligero Sobre la aptitud, ya mar Porque las Diferencias en la Secuencia de pares de bases no se traducen en differences en El Nivel de protein, o Porque la majority las Variaciones en la Secuencia de Aminoácidos de Una proteina Tienen poco efecto Sobre la fisiología del Organismo 2N. U o .1 / (2N E = U0
Dado que, en promedio, tomará generaciones 4NC para tales mutaciones para llegar a la fijación, aproximadamente el mismo número de neuh · al mutaciones deben fijarse de generación evely: la colocación tasa de mutaciones es teóricamente constante, anri es igual a la tasa de mutación neutra. esta es la base
teórica del reloj molecular (véase el capítulo 2). Observe que, sorprendentemente, la tasa de sustitución no depende del tamaño de la población: cada mutación deriva hacia una fijación más lentamente si la población es grande, pero esto es compensado por el mayor número de mutaciones que surgen. Si dos especies divergieron de su ancestro común hace t generaciones, y si cada especie ha experimentado sustituciones U0 por generación (en relación con el alelo en el ancestro común), entonces el número de diferencias de pares de bases (D) entre las dos especies debe ser D = 2Uot, porque cada uno de los dos linajes se ha acumulado sustituciones calientes. Por lo tanto, si tenemos una estimación del número de generaciones tllat han pasado (véase el recuadro A en el capítulo 8), la tasa de mutación neutral puede ser estimado como U O=D/2T
Esta fórmula requiere de clasificación, sin embargo. Durante un tiempo suficientemente largo, algunos sitios experiencia repetida sustituciones de bases: un sitio particular puede experimentar sustitución de, por ejemplo, de A a continuación, puede de C a T o incluso volver a A. Por lo tanto el número observado de diferencias entre las especies será menor que el número de sustituciones que han ocurrido. A medida que el tiempo transcurrido desde la divergencia se hace mayor, el número de diferencias comienza a estabilizarse, como es evidente por el número de diferencias por pares de bases behveen el ADN mitocondrial de diferentes taxones de mamíferos (Figura 10.10; véase también la Figura 2.15). En la figura 10.10, cada punto representa un par de taxones para los que la edad del ancestro común se ha estimado a partir del registro fósil. El número de diferencias de pares de bases se incrementa linealmente durante unos 5-10 millones de años, y luego comienza a estabilizarse; después de unos 40 millones de años, poco más divergencia es evidente debido "golpes múltiples", es decir, sustituciones sucesivas. A partir de la parte lineal de la curva, la tasa de mutación puede ser fácilmente calculada, suponiendo que todas las diferencias de pares de bases representan sustituciones neutras (en la figura 10.10, que es de unos 0,01 mutaciones por par de bases por linaje por millón de años, o aproximadamente por año). Como la curva comienza a nivelarse, sin embargo, la tasa puede estimarse solamente por hacer correcciones para múltiples sustituciones (Li 1997). Los datos de los taxones en la meseta no se pueden utilizar para estimar la tasa de sustitución. Dentro de una población, no hay rotación, o flujo, de alelos o haplotipos (véase la figura 10.9). Como uno u otro alelo se acerca fijación (aproximadamente cada 4N generaciones, en promedio), otros alelos se pierden. Pero los nuevos alelos neutros continuamente surgen por mutación, y aunque
muchos se pierden inmediatamente por la deriva genética, otros se desvían a una mayor frecuencia y persisten durante algún tiempo en un estado polimórfico antes de que se pierdan o fijos. Aunque la identidad de los varios o muchos alelos presentes en la población cambia con el tiempo, el nivel de variación alcanza un equilibrio cuando la velocidad a la que surgen alelos por mutación está equilibrada por la velocidad a la que se pierden por la deriva genética. Este nivel de equilibrio de la variación, representada por la frecuencia de heterocigotos, H, es mayor en una población grande que en una pequeña. Se puede demostrar matemáticamente que en el equilibrio,
LA VARIACIÓN DENTRO Y ENTRE LAS ESPECIES
Según la teoría neutral, la tasa de sustitución de alelos con el tiempo y el nivel de equilibrio de heterocigosidad son tanto proporcional a la tasa de mutación neutral. Si, debido a las diferencias en la restricción u otros factores, distintos tipos de secuencias de ADN o de los sitios de pares de bases difieren en su tasa de mutación neutra, esas secuencias o sitios que difieren más entre especies relacionadas también deben mostrar mayores niveles de variación dentro de las especies. Es decir, no debe haber una correlación positiva entre la heterocigosidad en un locus y su tasa de evolución. John McDonald y Kreitman Martin (1991) aplicaron este principio en su análisis de secuencias de ADN de 6 a 12 copias de la región de codificación de la Adh (Alcohol deshidrogenasa) de genes (véase la figura 9.14) en cada uno de tres estrechamente especies de Drosophila relacionados. Sitios polimórficos (diferencias dentro de las especies) y sustituciones (diferencias entre especies) fueron clasificados como sinónimo o amino ácido-sustitución. Si la tasa de mutación neutral es UR para los cambios de recambio y Estados Unidos para el sinónimo cambios y, a continuación, de acuerdo con la teoría neutral, la relación de sustitución a las diferencias sinónimo debe ser la mismaUR: nosotros En ambos polimorfismos y sustituciones, si es que los cambios de recambio están sujetos únicamente a la deriva genética. Los datos (Tabla 10.2) mostraron, sin embargo, que sólo el 5 por ciento de los polimorfismos, pero plenamente el 29 por ciento de las sustituciones que distinguen a las especies, son cambios de recambio. McDonald y Kreitman consideran este resultado a ser
evidencia de que la evolución de las sustituciones de aminoácidos de sustitución de amino es un proceso adaptativo regulado por la selección natural. Si la mayoría de las sustituciones de recambio son ventajosas en lugar de neutral, aumentarán en frecuencia y fijarse más rápidamente que por la deriva genética por sí sola. por lo tanto, van a pasar menos tiempo en un estado polimórficos que los cambios sinónimos selectivamente neutros hacen, y así contribuirán menos a la variación dentro de las especies polimórficas. QUÉ COMPARACIONES ENTRE ESPECIES APOYAN LA TEORÍA NEUTRAL?
Recuerde que en la nuestra discusión sobre los usos de los datos moleculares en la inferencia filogenética (ver Capítulo 2) que la tasa de nu cleótidos o la sustitución de aminoácidos puede estimarse a partir de los números de secuencia de las diferencias entre las especies de dos maneras. En primer lugar, una tasa absoluta se puede estimar mediante una calibración basada en la evidencia fósil del tiempo desde dos o más taxones divergieron de su ancestro común (véase la figura 2.13). En segundo lugar, las tasas relativas de evolución entre los diferentes linajes pueden estimarse simplemente de la serie de diferencias que se han acumulado en cada miembro de un grupo monofilético, en relación con un grupo afuera (véase la Figura 2.14). La secuenciación de ADN ha proporcionado una gran cantidad de datos sobre las tasas de evolución molecular. Estos datos se han presentado pruebas de que la mayoría, aunque no todas ADN-secuencia de la evolución ha sido neutral. En primer lugar, la tasa de sustituciones sinónimas es generalmente mayor que la tasa de sustituciones de repuesto, como en diversos genes de los seres humanos frente a los roedores (Tabla 10.3). Es decir, las sustituciones se producen con mayor frecuencia en las posiciones de tercera base de los codones y menos frecuentemente en las posiciones segunda base. En segundo lugar, las tasas de sustitución son más altos en los intrones que en las regiones del mismo gen de codificación, e incluso más en pseudogenes, los genes no funcionales relacionados en secuencia a los genes funcionales (Figura 10.12). En tercer lugar, algunos genes, como los genes de las histonas, evolucionan mucho más lentamente que otras (Tabla 10.3). Los genes que evolucionan más lentamente son aquellos que se consideran más fuertemente limitado por su función precisa. La secuenciación de ADN ha proporcionado una gran cantidad de datos sobre las tasas de evolución molecular. Estos datos se han presentado pruebas de que la mayoría, aunque no todas ADN-secuencia de la evolución ha sido neutral. En primer lugar, la tasa de sustituciones sinónimas es generalmente mayor que la tasa de sustituciones de repuesto, como en diversos genes de los seres humanos frente a los roedores (Tabla 10.3). Es decir, las sustituciones se producen con mayor frecuencia en las posiciones de tercera base de los codones y menos frecuentemente en las posiciones segunda base. En segundo lugar, las tasas de sustitución son más altos en los intrones que en las regiones del mismo gen de codificación, e incluso más en pseudogenes, los genes no funcionales relacionadas en secuencia a los genes funcionales (Figura 10.12). En tercer lugar,
algunos genes, como los genes de las histonas, evolucionan mucho más lentamente que otras (Tabla 10.3). Los genes que evolucionan más lentamente son aquellos que se consideran más fuertemente limitado por su función precisa. Un ejemplo notable es la de la insulina de la hormona de péptido, que está formada por el empalme de dos segmentos de una cadena de proinsulina, el tercer segmento de los cuales (el péptido C) se elimina, al parecer juega ningún papel distinto en la formación de la madura cadena de la insulina. Entre los mamíferos, la tasa media de sustitución de ácido antino ha sido 6 veces mayor en el locus péptido C que en la codificación loci para las otras partes de la proinsulina (Kimura 1983). Estas clases de pruebas todas indican que la tasa de evolución es mayor en las posiciones de ADN que, cuando se altera, tienen menos probabilidades de afectar la función y por lo tanto menos probable que altere la aptitud del organismo. Esta conclusión proporciona un fuerte apoyo para la teoría neutral. El apoyo a la predicción de la teoría neutraI que las tasas de evolución de secuencias deben ser constantes entre los linajes fileticos es más ambiguo: algunas tasas han sido constantes, y otros no. Por ejemplo, las tasas de sustitución sinónimo de haber sido casi el mismo en el, linajes principales de roedores, primates y artiodáctilos (incluso con punta de mamíferos ungulados, como ovejas y cerdos), basado en la prueba de velocidad relativa (Figura 10.BA). Sin embargo, las sustituciones no sinónimas se han producido a una tasa significativamente más baja en los primates que en los otros dos órdenes, y los roedores han mostrado la tasa más alta (figura 10.13B) La constancia de sustituciones sinónimo, que son presumiblemente neutral, implica que la tasa total de mutación (UT) ha sido la misma, por unidad de tiempo, en estos linajes. Si es así, entonces la tasa más alta de sustituciones no sinónimas en roedores podría deberse a una selección positiva de las mutaciones ventajosas o menor tamaño de las poblaciones eficaces, que harían que algunas mutaciones deletéreas ligeramente efectivamente neutros. Esto es solo de los muchos ejemplos de las diferencias en la tasa de evolución de secuencias entre los taxones superiores. Por ejemplo, las secuencias de ADN mitocondrial han evolucionado más lentamente en las tortugas que en otros vertebrados (Avise et al., 1992). Las causas de la variación en las tasas de evolución de secuencias todavía no se entienden completamente. EL FLUJO DE GENES Y LA DERIVA GENÉTICA
Una medida de la variación de la frecuencia de los alelos entre poblaciones es FST (véase el capítulo 9). El destino a la que las poblaciones de la deriva hacia la fijación de un alelo o de otra es inversamente proporcional al tamaño efectivo de la población, Ne (o N, por simplicidad). Sin embargo, la tendencia hacia la fijación es contrarrestada por el flujo de genes de otras poblaciones, a una velocidad m. Estos factores un equilibrio, o de equilibrio, en el que el índice de fijación (FST) es de aproximadamente:
La cantidad Nm es el número de inmigrantes por generación. Si m = 1 / (N) (es decir, sólo un individuo reproductor por población es inmigrante, por generación), entonces Nm = 1, y Fst = 0.20. Es decir, incluso un poco el flujo de genes mantiene todos los demos bastante similar en la frecuencia de alelos, y heterocigosidad sigue siendo alta. La refundición de esta ecuación como
nos permite estimar indirectamente las tasas de flujo de genes entre poblaciones naturales, ya FST puede estimarse a partir de la variación de frecuencias de los alelos. De hecho, este tipo de estimaciones indirectas pueden ser mejores que las estimaciones directas del flujo de genes tales como los descritos en el capítulo 9, porque las observaciones directas suelen ser insuficiente para detectar la migración de larga distancia, raros episodios de flujo masivo de genes, y la quizás rara (pero sin embargo importantes) los procesos de extinción de la población y la recolonización (Slatkin 1985). Debemos asumir que los alelos para el cual calculamos FST son selectivamente neutro (FST sería subestimar el flujo de genes, si la selección natural favoreció diferentes alelos en diferentes áreas, y sería sobreestimar el flujo de genes si la selección favoreció el mismo alelo en todas partes.) Este supuesto se puede evaluar por el grado de coherencia entre los diferentes loci para los cuales se estima FST. La deriva genética y el flujo de genes afectan a todos los loci de la misma manera, mientras que la selección natural afecta a diferentes loci más o menos independiente. Por lo tanto, si cada uno, de un número de los rendimientos de loci polimórficos sobre el mismo valor de Fst es probable que la selección no es fuerte. También es necesario asumir que las frecuencias alélicas han alcanzado un equilibrio entre el flujo de genes y la genética d grieta. Esto podría no ser es, por ejemplo, los sitios muestreados haber sólo recientemente ha colonizado el caso y las poblaciones aún no han tenido tiempo de diferenciarse por la deriva genética. Su similitud genética sería entonces nos lleva a sobreestimar la tasa de flujo de genes. La tuza Thomomys bottae es un roedor de madriguera que rara vez emerge del suelo. Esta especie es famosa por su variación localizada en la coloración y otras características morfológicas, lo que ha llevado a los taxonomistas nombrar más de 50 subespecies]. Por otra parte, las poblaciones locales difieren más en la
configuración cromosómica de enfermos cualquier otra especie de mamíferos conocida. Dicha variación geográfica sugiere que el flujo de genes podría ser relativamente bajo. De hecho, 21 loci polimórficos enzima en 825 muestras procedentes de 50 localidades en el suroeste de Estados Unidos y México mostró diferenciación geográfica extrema (Figura 10.14). Entre todas las 150 poblaciones, el promedio era de 0,412 FST (que podría implicar Nm = 0,36); entre localidades en Arizona, fue 0,198 (lo que implica Nm = 1.01). Las genéticamente más diversas poblaciones eran más geográficamente distantes o segregados por extensiones de hábitat inadecuados-ambos factores que reducirían el flujo de genes; Sin embargo, incluso las poblaciones encuentran muy juntos diferían considerablemente (Patton y Yang, 1977).
ÁRBOLES DE GENES Y LA HISTORIA DE LA POBLACIÓN
Al principio de este capítulo, se introdujo el principio de la deriva genética al demostrar que debido a linajes de genes dentro de una población se extinguen por casualidad en el transcurso del tiempo, todas las copias de genes en una población hoy en día son descendientes de una copia del gen que existió en algún momento del pasado. La historia genealógica de los genes en las poblaciones es la base de la teoría de la coalescencia. Esta teoría se aplica a los datos de secuencia de ADN, proporciona inferencias sobre la estructura y el tamaño efectivo (N,) de las poblaciones de especies (Hudson 1990). Recordemos que si el número de individuos reproductores cambios en el tiempo, Ne es aproximadamente igual a la media armónica, que es mucho más cerca del número más pequeño de la población se ha experimentado que a la media aritmética. Si, por ejemplo, la población ha crecido rápidamente a su gran tamaño presente de un tamaño mucho más pequeña históricamente, Ne está cerca de este último tamaño, y este valor puede ser estimado a partir de la teoría coalescente. Debido a que el más pequeño es el tamaño efectivo (N,) de una población, la deriva más rápidamente genética transpira, las copias de genes existentes en una pequeña población deben provenir de un ancestro común más reciente que las copias de genes en una población grande (comparación de las partes A y B en la figura 10.15). Es decir, si miramos hacia atrás en el tiempo desde el presente, se necesita más tiempo para los presentes genes en la población en general a unirse a su ancestro común. Los modelos matemáticos muestran que en una población de individuos haploides Ne, el tiempo medio de vuelta al ancestro común de todas las copias de genes (TCA) es 2N, generaciones, y en una población diploide, TCA generaciones = 4NC. En una población diploide, el ancestro común de un par de copias de genes al azar ocurrió hace 2NE generaciones. (Para los genes
mitocondriales, realizadas en un estado efectivamente haploides y transmitidos únicamente por mujeres, TCA = N, generaciones). Si dos copias de genes seleccionados al azar tuvieron un ancestro común hace generaciones, y cada uno experimenta mutaciones del linaje en promedio U por generación, entonces cada uno se han acumulado mutaciones UX T ya que el ancestro común. Por lo tanto, será 2UT el número esperado de las diferencias de pares de bases entre ellas (3,1416), porque hay dos linajes de genes. Desde T = 2Ne, PI = 4NeU. Por lo tanto, esperamos que el número medio de pares de bases entre diferentes copias de genes a ser mayor en grandes que en las poblaciones pequeñas. (Esta diferencia se ilustra en las marcas de graduación, lo que representa mutaciones, en los árboles de genes en la figura 10.15.) De hecho, si tenemos una estimación de la tasa de mutación por par de bases (T), y si medimos la proporción promedio de los sitios que difieren entre pares aleatorios de copias de genes (PI), se puede estimar el tamaño efectivo de la población como
EL ORIGEN DEL HOMO SAPIENS MODERNO REVISITED
El árbol de genes de ADN mitocondrial humano, la muestra de las poblaciones de todo el mundo, tiene sus raíces entre la mayoría de los linajes de ADN mitocondrial africanos y un clado de los linajes que incluye algunos haplotipos africanos y todos los haplotipos no africanos (ver Figura 6.17). Por otra parte, hay muchas menos diferencias de nucleótidos entre los haplotipos no africanos, en promedio, que entre los haplotipos africanos. Hemos observado en el capítulo 6 que estos y otros datos similares tienden a apoyar la "sustitución" o hipótesis de "fuera de África", según la cual la población humana del mundo fuera de África es descendiente de una población relativamente pequeña que se extendió desde África en vez recientemente, en sustitución de las poblaciones euroasiáticas de Homo sapiens arcaico sin cruzarse con ellos en un grado significativo. La teoría descrita anteriormente se ha aplicado a los datos humanos de este tipo. Varios estudios de ADN mitocondrial han llegado a la conclusión de que todos los genes mitocondriales humanos, tanto africanos y no africanos, son descendientes de un gen ancestral común que existía en FCA hace = 156.000 a 250.000 años
(Vigilant y 1991;. Horai et al 1995;. Ingman et al. 2000). Se llegó a conclusiones similares en los análisis de secuencias (cromosoma y llevados por los hombres) y loci microsatélites autosómica (Hammer 1995; Goldstein et al., 1995). Por supuesto, esto no quiere decir que la población humana en ese momento consistía en una mujer y un hombre; sólo quiere decir que el resto de las mitocondrias y los cromosomas Y en la población en ese momento no han podido dejar descendientes. El antepasado común más reciente de todos los genes mitocondriales o Y atribuible ya existía antes de las diversas poblaciones modernas divergieron entre sí. El número de mutaciones que distinguen no africano a partir de secuencias de África proporciona una estimación de cuándo esas poblaciones divergieron. Tales estimaciones, a partir de ADNmt, varían de hace entre 40.000 y 143.000 años. Estas estimaciones son mucho más reciente de lo que serían las principales poblaciones se regionales de los seres humanos descienden de los Homo sapiens arcaicos que habitaban en esas regiones, pero que se ajusten a evidencia fósil y arqueológico que anatómicamente moderno H. sapiens ocurrió por primera vez fuera de África unos 100.000 años hace (Figura 10.16). A partir de datos sobre la variación en las secuencias (PI), junto con las estimaciones de las tasas de mutación, varios estudios han estimado que el tamaño efectivo de la histórica de la población humana (ver Hammer 1995; Rogers 1995) y llegó a la conclusión de que la población humana del mundo es descendiente de un cultivo adecuado población de sólo 4.600 a 11.200 personas! Estos ancestros deben haber formado una población bastante localizada en África, por si fueran distribuidos a través de Europa y Asia como welt la densidad de población, habría sido tan baja que los demos no podrían haberse formado una especie de cohesión. El menor nivel de variación entre los no africanos que entre las secuencias africanas, por otra parte, indica que la población no africana ha crecido a partir de un tamaño efectivo más pequeño que tiene la población africana (Rogers y Harpending 1992). La hipótesis de sustitución parece estar apoyado por la mayoría de los datos genéticos. TÉRMINOS Y CONCEPTOS
Embotellamiento Fusión El tamaño efectivo de la población Mutación efectivamente neutral Fijación
Efecto fundador Limitación funcional La deriva genética (= deriva genética al azar) Metapoblación Alelo neutral (mutación neutra) Tasa de mutación neutra Teoría neutral de la evolución molecular Evolución no adaptativa Caminata aleatoria Aleatoriedad Error de muestreo
