20.2: Determinar las relaciones evolutivas

Habilidades para Desarrollar

• Comparar rasgos homólogos y análogos
• Discutir el propósito de la cladística
• Describir la parsimonia máxima

Los científicos deben recopilar información precisa que les permita establecer conexiones evolutivas entre organismos. Similar al trabajo de detectives, los científicos deben usar pruebas para descubrir los hechos. En el caso de la filogenia, las investigaciones evolutivas se centran en dos tipos de evidencia: morfológica (forma y función) y genética.

Dos opciones para similitudes

En general, los organismos que comparten características físicas y genomas similares tienden a estar más estrechamente relacionados que los que no. Tales características que se superponen tanto morfológicamente (en forma) como genéticamente se denominan estructuras homólogas; provienen de similitudes de desarrollo que se basan en la evolución. Por ejemplo, los huesos en las alas de murciélagos y aves tienen estructuras homólogas (Figura\(\PageIndex{1}\)).

Figura\(\PageIndex{1}\): Las alas de murciélago y pájaro son estructuras homólogas, lo que indica que murciélagos y aves comparten un pasado evolutivo común (crédito a: modificación de obra de Steve Hillebrand, USFWS; crédito b: modificación de obra por parte del DOI BLM de Estados Unidos)

Observe que no es simplemente un solo hueso, sino más bien una agrupación de varios huesos dispuestos de manera similar. Cuanto más compleja es la característica, más probable es que cualquier tipo de superposición se deba a un pasado evolutivo común. Imagínese a dos personas de diferentes países ambas inventando un automóvil con todas las mismas piezas y exactamente en el mismo arreglo sin ningún conocimiento previo o compartido. Ese resultado sería altamente improbable. No obstante, si dos personas inventaran un martillo, sería razonable concluir que ambas podrían tener la idea original sin la ayuda del otro. La misma relación entre la complejidad y la historia evolutiva compartida es cierta para las estructuras homólogas en organismos.

Apariciones engañosas

Algunos organismos pueden estar muy estrechamente relacionados, a pesar de que un cambio genético menor provocó una gran diferencia morfológica para que se vieran bastante diferentes. Del mismo modo, los organismos no relacionados pueden estar relacionados de manera lejana, pero parecen muy parecidos. Esto suele suceder porque ambos organismos estaban en adaptaciones comunes que evolucionaron dentro de condiciones ambientales similares. Cuando se presentan características similares por limitaciones ambientales y no por una estrecha relación evolutiva, se denomina analogía u homoplasía. Por ejemplo, los insectos usan alas para volar como murciélagos y aves, pero la estructura del ala y el origen embrionario es completamente diferente. A estas se les llama estructuras análogas (Figura\(\PageIndex{2}\)).

Rasgos similares pueden ser homólogos o análogos. Las estructuras homólogas comparten un origen embrionario similar; órganos análogos tienen una función similar. Por ejemplo, los huesos en la aleta frontal de una ballena son homólogos a los huesos del brazo humano. Estas estructuras no son análogas. Las alas de una mariposa y las de un ave son análogas pero no homólogas. Algunas estructuras son tanto análogas como homólogas: las alas de un ave y las alas de un murciélago son homólogas y análogas. Los científicos deben determinar qué tipo de similitud exhibe una característica para descifrar la filogenia de los organismos estudiados.

Figura\(\PageIndex{2}\): El ala (c) de una abeja es similar en forma a una (b) ala de ave y (a) ala de murciélago, y cumple la misma función. Sin embargo, el ala de abeja no está compuesta por huesos y tiene una estructura y origen embrionario claramente diferentes. Estos tipos de alas (insecto versus murciélago y ave) ilustran una analogía: estructuras similares que no comparten una historia evolutiva. (crédito a: modificación de obra de Steve Hillebrand, USFWS; crédito b: modificación de obra por parte del DOI BLM estadounidense; crédito c: modificación de obra de Jon Sullivan)

Comparaciones Moleculares

Con el avance de la tecnología del ADN, ha florecido el área de la sistemática molecular, que describe el uso de información a nivel molecular incluyendo el análisis de ADN. Los nuevos programas informáticos no sólo confirman muchos organismos clasificados anteriormente, sino que también descubren errores cometidos anteriormente. Al igual que con las características físicas, incluso la secuencia de ADN puede ser difícil de leer en algunos casos. Para algunas situaciones, dos organismos muy estrechamente relacionados pueden aparecer sin relación si se produjo una mutación que provocó un cambio en el código genético. Una mutación de inserción o deleción movería cada base nucleotídica sobre un lugar, provocando que dos códigos similares aparecieran no relacionados.

En ocasiones, dos segmentos de código de ADN en organismos distantemente relacionados comparten aleatoriamente un alto porcentaje de bases en las mismas localizaciones, lo que hace que estos organismos aparezcan estrechamente relacionados cuando no lo están. Para ambas situaciones, se han desarrollado tecnologías informáticas para ayudar a identificar las relaciones reales y, en última instancia, el uso acoplado de información tanto morfológica como molecular es más efectivo para determinar la filogenia.

Conexión Evolutiva: ¿Por qué Importa la Filogenia?

Los biólogos evolutivos podrían enumerar muchas razones por las que entender la filogenia es importante para la vida cotidiana en la sociedad humana. Para los botánicos, la filogenia actúa como guía para descubrir nuevas plantas que puedan ser utilizadas para beneficiar a las personas. Piense en todas las formas en que los humanos usan las plantas: los alimentos, los medicamentos y la ropa son algunos ejemplos. Si una planta contiene un compuesto que es eficaz en el tratamiento del cáncer, los científicos podrían querer examinar a todos los parientes de esa planta en busca de otros medicamentos útiles.

Un equipo de investigación en China identificó un segmento de ADN que se cree que es común a algunas plantas medicinales de la familia Fabaceae (la familia de las leguminosas) y trabajó para identificar qué especies tenían este segmento (Figura\(\PageIndex{3}\)). Después de probar especies de plantas de esta familia, el equipo encontró un marcador de ADN (una ubicación conocida en un cromosoma que les permitió identificar la especie) presente. Luego, utilizando el ADN para descubrir relaciones filogenéticas, el equipo pudo identificar si una planta recién descubierta estaba en esta familia y evaluar sus posibles propiedades medicinales.

Figura\(\PageIndex{3}\): Dalbergia sissoo (D. sissoo) se encuentra en la familia Fabaceae, o leguminosas. Los científicos encontraron que D. sissoo comparte un marcador de ADN con especies dentro de la familia Fabaceae que tienen propiedades antifúngicas. Posteriormente, se demostró que D. sissoo tenía actividad fungicida, apoyando la idea de que los marcadores de ADN pueden ser utilizados para tamizar plantas con propiedades medicinales potenciales.

Construyendo árboles filogenéticos

¿Cómo construyen los científicos árboles filogenéticos? Después de clasificar los rasgos homólogos y análogos, los científicos suelen organizar los rasgos homólogos utilizando un sistema llamado cladística. Este sistema clasifica los organismos en clados: grupos de organismos que descienden de un solo ancestro. Por ejemplo, en la Figura\(\PageIndex{4}\), todos los organismos de la región naranja evolucionaron a partir de un solo ancestro que tenía huevos amnióticos. En consecuencia, todos estos organismos también tienen huevos amnióticos y forman un solo clado, también llamado grupo monofilético. Los clados deben incluir a todos los descendientes de un punto de ramificación.

Conexión de arte

Figura\(\PageIndex{4}\): Lagartos, conejos y humanos descienden de un ancestro común que tenía un óvulo amniótico. Así, lagartos, conejos y humanos pertenecen todos al clado Amniota. Vertebrata es un clado más grande que también incluye peces y lamprea.

¿Qué animales en esta figura pertenecen a un clado que incluye animales con pelo? ¿Cuál evolucionó primero, el pelo o el óvulo amniótico?

Los clados pueden variar en tamaño dependiendo del punto de ramificación al que se haga referencia. El factor importante es que todos los organismos del clado o grupo monofilético provienen de un solo punto en el árbol. Esto se puede recordar porque el monofilético se descompone en “mono”, es decir, uno, y “filético”, que significa relación evolutiva. La figura\(\PageIndex{5}\) muestra diversos ejemplos de clados. Observe cómo cada clado proviene de un solo punto, mientras que los grupos que no son clados muestran ramas que no comparten un solo punto.

Conexión de arte

Figura\(\PageIndex{5}\): Todos los organismos dentro de un clado provienen de un solo punto del árbol. Un clado puede contener múltiples grupos, como en el caso de animales, hongos y plantas, o un solo grupo, como en el caso de los flagelados. Los grupos que divergen en un punto de ramificación diferente, o que no incluyen todos los grupos en un solo punto de ramificación, no se consideran clados.

¿Cuál es el clado más grande en este diagrama?

Características compartidas

Los organismos evolucionan de ancestros comunes y luego se diversifican. Los científicos utilizan la frase “descenso con modificación” porque a pesar de que los organismos relacionados tienen muchas de las mismas características y códigos genéticos, se producen cambios. Este patrón se repite una y otra vez a medida que uno atraviesa el árbol filogenético de la vida:

1. Un cambio en la composición genética de un organismo conduce a un nuevo rasgo que se vuelve prevalente en el grupo.
2. Muchos organismos descienden de este punto y tienen este rasgo.
3. Siguen surgiendo nuevas variaciones: algunas son adaptativas y persisten, dando lugar a nuevos rasgos.
4. Con nuevos rasgos, se determina un nuevo punto de ramificación (volver al paso 1 y repetir).

Si una característica se encuentra en el antepasado de un grupo, se considera un carácter ancestral compartido porque todos los organismos del taxón o clado tienen ese rasgo. El vertebrado en la Figura\(\PageIndex{4}\) es un carácter ancestral compartido. Consideremos ahora el óvulo amniótico característico en la misma figura. Sólo algunos de los organismos de la Figura\(\PageIndex{4}\) tienen este rasgo, y a los que sí lo hacen, se le llama carácter derivado compartido porque este rasgo derivó en algún momento pero no incluye a todos los antepasados en el árbol.

El aspecto complicado de los personajes ancestrales compartidos y derivados compartidos es el hecho de que estos términos son relativos. El mismo rasgo puede considerarse uno u otro dependiendo del diagrama particular que se esté utilizando. Volviendo a Figura\(\PageIndex{5}\), señalar que el óvulo amniótico es un personaje ancestral compartido para el clado Amniota, mientras que tener pelo es un carácter derivado compartido para algunos organismos de este grupo. Estos términos ayudan a los científicos a distinguir entre clados en la construcción de árboles filogenéticos.

Elegir las relaciones adecuadas

Imagínese ser la persona responsable de organizar todos los artículos en una tienda departamental correctamente, una tarea abrumadora. Organizar las relaciones evolutivas de toda la vida en la Tierra resulta mucho más difícil: los científicos deben abarcar enormes bloques de tiempo y trabajar con información de organismos extintos hace mucho tiempo. Tratar de descifrar las conexiones adecuadas, sobre todo dada la presencia de homologías y analogías, hace extraordinariamente difícil la tarea de construir un árbol preciso de la vida. A eso se suma el avance de la tecnología del ADN, que ahora proporciona grandes cantidades de secuencias genéticas para ser utilizadas y analizadas. La taxonomía es una disciplina subjetiva: muchos organismos tienen más de una conexión entre sí, por lo que cada taxonomista decidirá el orden de las conexiones.

Para ayudar en la tremenda tarea de describir las filogenias con precisión, los científicos suelen utilizar un concepto llamado parsimonia máxima, lo que significa que los eventos ocurrieron de la manera más simple, más obvia. Por ejemplo, si un grupo de personas ingresaba a una reserva forestal para hacer senderismo, basado en el principio de máxima parsimonia, se podría predecir que la mayoría de la gente caminaría por senderos establecidos en lugar de forjar otros nuevos.

Para los científicos que descifran las vías evolutivas, se utiliza la misma idea: la vía de la evolución probablemente incluye la menor cantidad de eventos importantes que coinciden con la evidencia en cuestión. Comenzando con todos los rasgos homólogos en un grupo de organismos, los científicos buscan el orden más obvio y simple de eventos evolutivos que llevaron a la ocurrencia de esos rasgos.

Estas herramientas y conceptos son solo algunas de las estrategias que los científicos utilizan para abordar la tarea de revelar la historia evolutiva de la vida en la Tierra. Recientemente, las nuevas tecnologías han descubierto descubrimientos sorprendentes con relaciones inesperadas, como el hecho de que las personas parecen estar más estrechamente relacionadas con los hongos que los hongos con las plantas. ¿Suena increíble? A medida que crece la información sobre las secuencias de ADN, los científicos se acercarán más a mapear la historia evolutiva de toda la vida en la Tierra

Resumen

Para construir árboles filogenéticos, los científicos deben recopilar información precisa que les permita establecer conexiones evolutivas entre organismos. Utilizando datos morfológicos y moleculares, los científicos trabajan para identificar características homólogas y genes. Las similitudes entre organismos pueden provenir de la historia evolutiva compartida (homologías) o de caminos evolutivos separados (analogías). Las tecnologías más nuevas se pueden utilizar para ayudar a distinguir homologías de analogías. Después de identificar la información homóloga, los científicos utilizan la cladística para organizar estos eventos como un medio para determinar una línea de tiempo evolutiva. Los científicos aplican el concepto de máxima parsimonia, que establece que el orden de los eventos probablemente ocurrió de la manera más obvia y sencilla con la menor cantidad de pasos. Para los eventos evolutivos, este sería el camino con el menor número de divergencias mayores que se correlacionan con la evidencia.

Conexiones de arte

Figura\(\PageIndex{4}\): ¿Qué animales en esta figura pertenecen a un clado que incluye animales con pelo? ¿Cuál evolucionó primero, el pelo o el óvulo amniótico?

Contestar

Conejos y humanos pertenecen al clado que incluye animales con pelo. El óvulo amniótico evolucionó antes del pelo porque el clado Amniota es más grande que el clado que engloba a los animales con pelo.

Figura\(\PageIndex{5}\): ¿Cuál es el clado más grande en este diagrama?

Contestar

El clado más grande abarca todo el árbol.

Glosario

analogía

(también, homoplasía) característica que es similar entre organismos por evolución convergente, no por el mismo camino evolutivo

cladística

sistema utilizado para organizar rasgos homólogos para describir filogenias

parsimonia máxima

aplicando la forma más simple y obvia con el menor número de pasos

sistemática molecular

técnica usando evidencia molecular para identificar relaciones filogenéticas

grupo monofilético

(también, clado) organismos que comparten un solo ancestro

carácter ancestral compartido

describe una característica en un árbol filogenético que es compartida por todos los organismos del árbol

carácter derivado compartido

describe una característica en un árbol filogenético que es compartida solo por cierto clado de organismos