21: Introducción a la evolución
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La teoría de la evolución es la teoría unificadora de la biología, es decir, es el marco dentro del cual los biólogos hacen preguntas sobre el mundo viviente. Su poder es que proporciona dirección para las predicciones sobre los seres vivos que se sustentan en experimento tras experimento. El genetista estadounidense nacido en ucraniano Theodosio Dobzhansky escribió que “nada tiene sentido en biología excepto a la luz de la evolución” (Dobzhansky, 1964). Quiso decir que el principio de que toda la vida ha evolucionado y diversificado a partir de un ancestro común es la base desde la que abordamos todas las cuestiones de la biología.
La evolución por selección natural describe un mecanismo de cómo las especies cambian con el tiempo. Ese cambio de especie había sido sugerido y debatido mucho antes de que Darwin comenzara a explorar esta idea. La visión de que las especies eran estáticas e inmutables se basaba en los escritos de Platón, sin embargo, también había antiguos griegos que expresaban ideas evolutivas. En el siglo XVIII, las ideas sobre la evolución de los animales fueron reintroducidas por el naturalista Georges-Louis Leclerc Comte de Buffon quien observó que diversas regiones geográficas tienen diferentes poblaciones vegetales y animales, aun cuando los ambientes son similares. También se aceptó que había especies extintas.
Durante este tiempo, James Hutton, naturalista escocés, propuso que el cambio geológico se produjo gradualmente por la acumulación de pequeños cambios de procesos que operan como lo son hoy en día durante largos periodos de tiempo. Esto contrastaba con la visión predominante de que la geología del planeta era consecuencia de eventos catastróficos ocurridos durante un pasado relativamente breve. La visión de Hutton fue popularizada en el siglo XIX por el geólogo Charles Lyell quien se hizo amigo de Darwin. Las ideas de Lyell influyeron en el pensamiento de Darwin: la noción de Lyell de la mayor edad de la Tierra dio más tiempo para el cambio gradual en las especies, y el proceso de cambio proporcionó una analogía para el cambio gradual en las especies. A principios del siglo XIX, Jean-Baptiste Lamarck publicó un libro que detallaba un mecanismo para el cambio evolutivo. Este mecanismo se conoce ahora como una herencia de características adquiridas por la cual las modificaciones en un individuo son causadas por su entorno, o el uso o desuso de una estructura durante su vida, podría ser heredada por su descendencia y así provocar cambios en una especie. Si bien este mecanismo para el cambio evolutivo fue desacreditado, las ideas de Lamarck fueron una influencia importante en el pensamiento evolutivo.
Charles Darwin y la selección natural
A mediados del siglo XIX, el mecanismo real de evolución fue concebido y descrito independientemente por dos naturalistas: Charles Darwin y Alfred Russel Wallace. Es importante destacar que cada naturalista dedicó tiempo a explorar el mundo natural en expediciones a los trópicos. De 1831 a 1836, Darwin viajó por todo el mundo en H.M.S. Beagle, incluyendo paradas en Sudamérica, Australia y el extremo sur de África. Wallace viajó a Brasil para recolectar insectos en la selva amazónica de 1848 a 1852 y al archipiélago malayo de 1854 a 1862. El viaje de Darwin, como los viajes posteriores de Wallace al archipiélago malayo, incluyó paradas en varias cadenas de islas, siendo la última las Islas Galápagos al oeste de Ecuador. En estas islas, Darwin observó especies de organismos en diferentes islas que eran claramente similares, pero que tenían diferencias distintas. Por ejemplo, los pinzones terrestres que habitaban las Islas Galápagos comprendían varias especies con una forma de pico única (Figura\(\PageIndex{1}\)). Las especies en las islas tenían una serie graduada de tamaños y formas de pico con diferencias muy pequeñas entre las más similares. Observó que estos pinzones se parecían mucho a otra especie de pinzón en el continente de América del Sur. Darwin imaginó que las especies de la isla podrían ser especies modificadas de una de las especies originales del continente. Al seguir estudiando, se dio cuenta de que los variados picos de cada pinzón ayudaban a las aves a adquirir un tipo específico de alimento. Por ejemplo, los pinzones comedores de semillas tenían picos más fuertes y gruesos para romper las semillas, y los pinzones devoradores de insectos tenían picos en forma de lanza para apuñalar a sus presas.
Wallace y Darwin observaron patrones similares en otros organismos y desarrollaron independientemente la misma explicación de cómo y por qué podrían ocurrir tales cambios. Darwin llamó a este mecanismo de selección natural. La selección natural, también conocida como “supervivencia del más apto”, es la reproducción más prolífica de individuos con rasgos favorables que sobreviven al cambio ambiental debido a esos rasgos; esto conduce al cambio evolutivo.
Por ejemplo, Darwin observó que una población de tortugas gigantes encontradas en el archipiélago de Galápagos tenía cuellos más largos que los que vivían en otras islas con tierras bajas secas. Estas tortugas fueron “seleccionadas” porque podían llegar a más hojas y acceder a más alimentos que las de cuellos cortos. En tiempos de sequía en los que habría menos hojas disponibles, las que podían llegar a más hojas tenían más posibilidades de comer y sobrevivir que las que no podían llegar a la fuente de alimento. En consecuencia, las tortugas de cuello largo tendrían más probabilidades de tener éxito reproductivo y pasar el rasgo de cuello largo a sus crías. Con el tiempo, solo las tortugas de cuello largo estarían presentes en la población.
La selección natural, argumentó Darwin, fue un resultado inevitable de tres principios que operaban en la naturaleza. Primero, la mayoría de las características de los organismos se heredan, o se transmiten de padres a hijos. Aunque nadie, entre ellos Darwin y Wallace, sabía cómo sucedía esto en ese momento, era un entendimiento común. Segundo, se producen más crías de las que son capaces de sobrevivir, por lo que los recursos para la supervivencia y reproducción son limitados. La capacidad de reproducción en todos los organismos supera la disponibilidad de recursos para apoyar su número. Así, hay competencia por esos recursos en cada generación. Tanto la comprensión de Darwin como Wallace de este principio provino de la lectura de un ensayo del economista Thomas Malthus quien discutió este principio en relación con las poblaciones humanas. Tercero, las crías varían entre sí en cuanto a sus características y esas variaciones se heredan. Darwin y Wallace razonaron que las crías con características heredadas que les permitan competir mejor por recursos limitados sobrevivirán y tendrán más descendencia que aquellos individuos con variaciones que son menos capaces de competir. Debido a que las características son heredadas, estos rasgos estarán mejor representados en la próxima generación. Esto conducirá a un cambio en las poblaciones a lo largo de generaciones en un proceso que Darwin llamó descendencia con modificación. En última instancia, la selección natural conduce a una mayor adaptación de la población a su entorno local; es el único mecanismo conocido para la evolución adaptativa.
Los trabajos de Darwin y Wallace que presentaban la idea de la selección natural se leyeron juntos en 1858 antes de la Linnean Society de Londres. Al año siguiente se publicó el libro de Darwin, Sobre el origen de las especies. Su libro esbozó con considerable detalle sus argumentos a favor de la evolución por selección natural. Es importante señalar que Darwin es una figura profundamente problemática y que muchas de sus contribuciones a la ciencia son recordadas por su privilegio y poder. Darwin tenía muchas creencias racistas y ofensivas, y el hecho de que a menudo se le celebre en las clases de biología es un ejemplo de racismo sistemático en el aula. Los científicos y educadores necesitan estar haciendo un mejor trabajo para reconocer los prejuicios en nuestros materiales y resaltar formas de promover la equidad racial.
Las demostraciones de evolución por selección natural requieren mucho tiempo y son difíciles de obtener. Uno de los mejores ejemplos se ha demostrado en las mismas aves que ayudaron a inspirar la teoría de Darwin: los pinzones de Galápagos. Peter y Rosemary Grant y sus colegas han estudiado poblaciones de pinzones de Galápagos todos los años desde 1976 y han brindado importantes demostraciones de selección natural. Los Grants encontraron cambios de una generación a otra en la distribución de formas de pico con el pinzón de tierra mediana en la isla Galápagos de Daphne Major. Las aves han heredado variación en la forma del pico con algunas aves que tienen pico ancho profundo y otros tienen pico más delgado. Durante un periodo en el que las precipitaciones fueron superiores a lo normal debido a un El Niño, las grandes semillas duras que comieron las aves de pico grande se redujeron en número; sin embargo, hubo abundancia de las pequeñas semillas blandas que comieron las aves de pico pequeño. Por lo tanto, la supervivencia y reproducción fueron mucho mejores en los años siguientes para las aves de pico pequeño. En los años siguientes a este El Niño, los Subvenciones midieron tamaños de pico en la población y encontraron que el tamaño promedio de los billetes era menor. Dado que el tamaño del pico es un rasgo heredado, los padres con billetes más pequeños tenían más descendencia y el tamaño de los billetes había evolucionado para ser más pequeño. A medida que las condiciones mejoraron en 1987 y las semillas más grandes se hicieron más disponibles, cesó la tendencia hacia un tamaño promedio de pico más
El libro El pico del pinzón: una historia de evolución en nuestro tiempo de Jonathan Weiner es una maravillosa exploración de la obra de Peter y Rosemary Grant. Si quieres aprender más, te recomiendo encarecidamente que lo revises.
Procesos y Patrones de Evolución
La selección natural sólo puede realizarse si hay variación, o diferencias, entre los individuos de una población. Es importante destacar que estas diferencias deben tener alguna base genética; de lo contrario, la selección no conducirá a cambios en la próxima generación. Esto es crítico porque la variación entre los individuos puede ser causada por razones no genéticas como que un individuo sea más alto debido a una mejor nutrición que a diferentes genes.
La diversidad genética en una población proviene de dos mecanismos principales: la mutación y la reproducción sexual. La mutación, un cambio en el ADN, es la fuente definitiva de nuevos alelos, o nueva variación genética en cualquier población. Los cambios genéticos causados por la mutación pueden tener uno de tres resultados en el fenotipo. Una mutación afecta el fenotipo del organismo de una manera que le da una menor aptitud, menor probabilidad de supervivencia o menor descendencia. Una mutación puede producir un fenotipo con un efecto beneficioso sobre la condición física. Y, muchas mutaciones tampoco tendrán ningún efecto sobre la aptitud del fenotipo; estas se denominan mutaciones neutras. Las mutaciones también pueden tener toda una gama de tamaños de efecto sobre la aptitud del organismo que las expresa en su fenotipo, desde un pequeño efecto hasta un gran efecto. La reproducción sexual también conduce a la diversidad genética: cuando dos padres se reproducen, se ensamblan combinaciones únicas de alelos para producir los genotipos únicos y, por lo tanto, los fenotipos en cada una de las crías.
Un rasgo heredable que ayuda a la supervivencia y reproducción de un organismo en su entorno actual se llama adaptación. Los científicos describen grupos de organismos que se adaptan a su entorno cuando se produce un cambio en el rango de variación genética con el tiempo que aumenta o mantiene el “ajuste” de la población a su entorno. Los pies palmeados de ornitorrinco son una adaptación para nadar. El grueso pelaje de los leopardos de las nieves es una adaptación para vivir en el frío. La rápida velocidad de los guepardos es una adaptación para atrapar presas.
Que un rasgo sea favorable o no depende de las condiciones ambientales en ese momento. No siempre se seleccionan los mismos rasgos porque las condiciones ambientales pueden cambiar. Por ejemplo, considere una especie de planta que creció en un clima húmedo y no necesitó conservar agua. Se seleccionaron hojas grandes porque permitieron que la planta obtuviera más energía del sol. Las hojas grandes requieren más agua para mantener que las hojas pequeñas, y el ambiente húmedo proporcionó condiciones favorables para soportar hojas grandes. Después de miles de años, el clima cambió, y la zona ya no tenía exceso de agua. La dirección de la selección natural cambió de manera que se seleccionaron plantas con hojas pequeñas debido a que esas poblaciones pudieron conservar el agua para sobrevivir a las nuevas condiciones ambientales.
La evolución de las especies ha dado lugar a una enorme variación en forma y función. En ocasiones, la evolución da lugar a grupos de organismos que se vuelven tremendamente diferentes entre sí. Cuando dos especies evolucionan en diversas direcciones desde un punto común, se llama evolución divergente.
En otros casos, fenotipos similares evolucionan independientemente en especies distantes relacionadas. Por ejemplo, el vuelo ha evolucionado tanto en murciélagos como en insectos, y ambos tienen estructuras a las que nos referimos como alas, que son adaptaciones al vuelo. Sin embargo, las alas de murciélagos e insectos han evolucionado a partir de estructuras originales muy diferentes. Este fenómeno se denomina evolución convergente, donde rasgos similares evolucionan independientemente en especies que no comparten una ascendencia común. Las dos especies llegaron a la misma función, volando, pero lo hicieron por separado una de la otra.
Estos cambios físicos ocurren a lo largo de enormes períodos de tiempo y ayudan a explicar cómo ocurre la evolución. La selección natural actúa sobre organismos individuales, que a su vez pueden dar forma a una especie entera. Aunque la selección natural puede funcionar en una sola generación en un individuo, puede tomar miles o incluso millones de años para que el genotipo de una especie entera evolucione. Es a lo largo de estos grandes períodos de tiempo que la vida en la tierra ha cambiado y sigue cambiando.
Referencias
Dobzhansky, T. 1964. “Biología, Molecular y Orgánico”. Zoólogo Americano 4, núm. 4:449.
OpenStax, Biología. OpenStax CNX. 23 de junio de 2020. https://cnx.org/contents/GFy_h8cu@10.137:noBcfThl@7/Understanding-Evolution.
Miniatura: Una silueta de la evolución humana. (CC BY-SA 3.0; Tkgd2007 vía Wikimedia Commons).