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Entendiendo la evolución VII: Kimura y el neutralismo

17 julio, 2010

Tanto la transferencia horizontal de genes como la endosimbiosis describen sistemas para producir variabilidad complementariamente a las mutaciones al azar. Por otro lado, el equilibrio puntuado transforma el gradualismo tradicional en un ritmo evolutivo discontinuo y la existencia de genes reguladores de diferentes categorías explica como una mutación simple en uno de ellos puede producir grandes efectos fenotípicos.

Sin embargo, analizando en profundidad esta nuevas aportaciones, no podemos decir que alguna de ellas ofrezca una alternativa al principal mecanismo selector de la variabilidad, la selección natural. Independientemente de como se generen las nuevas formas, ¿que es lo que hace un genoma vírico incorporado al ADN huesped se propague por la población? ¿que marca el éxito evolutivo de una u otra simbiosis? ¿que selecciona, entre la multitud de nuevas formas que produce una inestabilidad evolutiva o entre las múltiples expresiones provocadas por la mutación en un pequeño número de genes reguladores?

Quizá la propuesta más seria para desbancar a la selección natural como filtro principal de la variabilidad producida, aunque exclusivamente a nivel molecular, sea el neutralismo del biomatemático japonés Motoo Kimura. Sin embargo, la novedad del neutralismo no consiste en la formulación de un nuevo proceso selectivo, sino de la justificación matemática de la deriva genética como motor principal de la evolución molecular, frente a una selección natural que solo actuaría de forma secundaria.

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Deriva genética

La deriva genética consiste en un cambio aleatorio de la frecuencia de alelos en una población, producida por la reproducción diferencial. Una mutación que produzca un alelo inocuo (ni dañino ni beneficioso) no se verá seleccionada ni positiva ni negativamente. Por lo tanto, la frecuencia del alelo en la población dependerá únicamente del azar, es decir, de que los individuos que lo portan tengan mayor o menor descendencia, lo cual será independiente del propio alelo.

Por cuestión meramente estadística, la deriva genética tiende a perder los alelos menos frecuentes, inclinando a la población hacia la homogeneidad genética. Sin embargo, en poblaciones pequeñas -por ejemplo poblaciones fundadoras o en períodos de cuello de botella– , los efectos son mucho más marcados y puede conducir a la fijación de caracteres que no sean adaptativos.

La existencia de este fenómeno se conoce desde los inicios de la genética de poblaciones, y fue incorporado por la teoría sintética como un mecanismo evolutivo complementario, mucho menos importante que la selección natural.

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La teoría del neutralismo

De forma independiente, Kimura (1968) y KIng & Jukes (1969), formularon la teoría del neutralismo en evolución molecular. Esta teoría viene a decir que la inmensa mayoría del cambio molecular es adaptativamente neutro. Es decir, que la mayor parte de variaciones producen proteínas que no funcionan ni peor ni mejor que sus predecesoras, por lo que no comportan una mayor o menor adaptación del organismo.

Consecuentemente, la selección natural no puede trabajar sobre estas variantes, por lo que sería la deriva genética el único fenómeno que supondría una fuerza de cambio a nivel molecular. De esta forma, el aumento o disminución de determinados alelos en la población se debería exclusivamente al azar, en forma de deriva genética, y no a la presión selectiva.

En este punto, es importante señalar que la teoría únicamente postula este fenómeno a nivel molecular, es decir, no lo amplía a nivel macroscópico (por ejemplo en variación morfológica), donde sigue asumiendo que la selección natural es el principal motor evolutivo. Por otro lado, el neutralismo tampoco niega la intervención de la selección natural a nivel molecular, dado que ésta actuaría como filtro a las variaciones dañinas, eliminándolas rápidamente. El único punto en el que discrepa del seleccionismo es en que la fijación de variantes moleculares beneficiosas sería un evento extremadamente poco frecuente.

A pesar de sus 40 años de existencia, y a la dura controversia a la que ha sido sometida por los defensores del seleccionismo a nivel molecular, la teoría sigue teniendo consideración en el ámbito científico debido a que a lo largo de estos años diversas pruebas parecen sustentarla.

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El polimorfismo protéico

Según se han ido mejorando las técnicas analíticas, especialmente las electroforéticas, se ha descubierto que muchas proteínas -si no todas- son polimórficas, es decir, se presentan en distintas formas debido a diferencias en su secuencia de aminoácidos. Lo curioso no es tanto la existencia de diversas secuencias proteicas, algo normal si pensamos que cualquier mutación en un gen codificante se traduce en una proteína «anómala», sino que muchas de esas formas son funcionalmente indistinguibles entre sí. Es decir, que muy posibliemente, gran parte de nuestras proteínas son en realidad un conjunto de variantes estructurales, con total funcionalidad.

La comparación de 73 secuencias de aminoácidos de la proteínas secuencias mexicanas NP de distintas cepas del virus permite obtener una secuencia consenso en donde se observan sitios conservados (representados con por X) y sitios variables.

Comparación de 73 secuencias de aminoácidos de la proteínas secuencias mexicanas NP de distintas cepas del virus H1N1 (los sitios conservados se representan con X). (Tomado de Becerra et. al)

Evidentemente, el origen de esta variabilidad a veces limitada a un único aminoácido, son las mutaciones puntuales y aleatorias que, al producir una variante sin pérdida de funcionalidad, deberán ser consideradas como inocuas. Siguiendo el razonamiento, las distintas formas de una misma proteína que mantengan intacta su función no sufrirán presión selectiva alguna, por lo que su frecuencia en la población se deberá únicamente al azar o, lo que es lo mismo, a la deriva genética.

Todos estos datos apoyan indudablemente la teoría del neutralismo a nivel molecular, habida cuenta de que la selección natural no puede fijar o eliminar ninguna de las variantes que presentan la misma funcionalidad. Las críticas a estos aspectos vienen dirigidas a que el hecho de que haya polimorfismo proteico no adaptativo no invalida la existencia de otras mutaciones adaptativas, sujetas a selección natural.

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Propagación y fijación de variantes en la poblaciones

Según Kimura, si llamamos v a la tasa de mutación por gameto y generación, en una población de N individuos diploides tendremos, por lo tanto, 2Nv mutaciones nuevas en cada generación. Si u es la probabilidad de que una mutación se fije en la población, la tasa evolutiva (tasa de mutaciones fijadas) será k = 2Nvu (lógicamente, en una población de N individuos haploides, k = Nvu ).

En el caso de que la mutación sea neutra, la probabilidad de fijación en la población u es similar a la frecuencia inicial, dado que todos los alelos tienen la misma posibilidad, concretamente 1/2N. Si sustituimos en la ecuación anterior, obtendremos que en el caso de mutaciones neutras, k = v, es decir, la tasa evolutiva es igual a la tasa de mutación y además es independiente del tamaño de la población N.

En el caso de que la fijación de mutaciones fuera por su valor adaptativo, la mutación presentaría una ventaja selectiva s, con lo que la probabilidad de fijación u en poblaciones diploides se conviertiría en 2s, y la tasa evolutiva obedecería a la ecuación k = 4Nsv. Aunque no conozcamos el valor de s, es evidente que en este caso la tasa evolutiva depende, además de la tasa de mutación, del tamaño de la población y del valor adaptativo.

Dado que la tasa evolutiva aparece prácticamente constante en distintos lineajes, los partidarios del neutralismo afirman que esto se explica de manera más satisfactoria si ésta solo depende de la tasa de mutación (k = v) que si dependiera también del tamaño de la población y de la ventaja selectiva (k = 4Nsv), valores mucho más variables en los distintos grupos de seres vivos. El propio Kimura señala (1994) que esta apreciación deberá contrastarse mediante experimentos diseñados para tal fin.

Por el contrario, los partidarios de la selección natural a nivel molecular mantienen que la teoría sintética no obliga a una tasa evolutiva patentemente irregular, dado de que los diferentes cambios en esta tasa tenderían a compensarse, dando como resultado unas tasas evolutivas globales prácticamente constantes. El debate, como puede deducirse de lo dicho, sigue aún vigente.

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¿Teoría alternativa o complementaria?

De nuevo, y a la vuelta de casi medio siglo desde su formulación, surge el dilema de si en realidad nos encontramos con una teoría alternativa sobre la selección de variaciones moleculares o más bien nos hallamos ante un mecanismo que sirve para explicar unos fenómenos determinados más o menos frecuentes.

Si, como postulan sus defensores, las mutaciones génicas son en su práctica totalidad de carácter neutro, difícilmente puede explicarse la aparición de nuevos caracteres mediante mutaciones aleatorias -dado que en cuanto apareciera una mutación adaptativa, automáticamente sería favorecida por la selección natural-, por lo que resulta necesario recurrir a otro tipo de mecanismo de adquisición -como la incorporación de genoma vírico o la recombinación cromosómica-. Sin embargo, esto no haría más que trasladar el problema un paso más atrás, ya que habría que explicar como surgieron esos nuevos genes en los organismos o procesos que aportaron la variabilidad funcional; explicaciones que hoy por hoy solo son ofrecidas por algunos autores mediante procesos cercanos al neolamarckismo, con bases experimentales muy cuestionadas.

Si, por el contrario y como afirman sus detractores, la aparición de mutaciones adaptativas no es algo tan improbable, la deriva genética solamente tendría importancia precisamente en aquellos casos en los que pueden darse formas distintas con la misma funcionalidad, o en poblaciones con un número de individuos muy reducido, algo que siempre ha asumido la teoría sintética. No hay que olvidar además que en los tiempos de la formulación de la teoría neutralista poco se conocía sobre mutaciones de genes reguladores, que como ya hemos comentado en un artículo anterior, pueden producir efectos muy patentes a partir de pequeñas mutaciones.

En cualquier caso, existen la evidencias suficientes como para asegurar que la deriva genética representa el mecanismo de selección principal en determinadas situaciones, al igual que la selección positiva también es algo demostrado en numerosas ocasiones. Las futuras investigaciones deberán determinar cual es el peso relativo de ambos mecanismos y cuáles son los escenarios en los que se desenvuelve cada uno de ellos.

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Entradas relacionadas

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Referencias

  • Alvarez-Valín, F. 2000. Evolución molecular: neutralismo y seleccionismo. in El prisma de la Evolución., C. Altuna y M. Ubilla Eds. . Facultad de Ciencias, UdelaR. pp: 243-263.
  • Becerra, Arturo, Amanda Castillo, César Hernández, María Eugenia Jiménez, Antonio Lazcano Araujo, Yolanda López Vidal, Alejandro F. Macías, Susana Magallón, Layla Michán, Adolfo Navarro, Daniel Piñero, Samuel Ponce de León, Lorenzo Segovia, Ana María Velasco y Pablo Vinuesa. Análisis evolutivo del virus de la influenza A (H1N1): Un reporte preliminar [Informe online]
  • Dickerson (1972): The structure and history of an ancient protein, Scientific American, 226(4) april.
  • Hartl, D.L. 1988. A Primer of Population Genetics. Second Edition. Sinauer Associates, Inc.
  • Kimura, M. 1983. The neutral theory of molecular evolution, Cambridge University Press, Cambridge.
  • Kimura, M., Takahata, N., Crow, J.F. 1994. Population Genetics, Molecular Evolution, and the Neutral Theory. University of Chicago Press.
  • Zuckerkandl E & Pauling L. 1965. Evolutionary divergence and convergence in proteins, in Bryson V & Hogel J. (eds.): Evolving genes and proteins, Academic Press, New York. pp. 97-166

(Artículo publicado originalmente en el blog del autor ¿Qué me estás contando?)


  1. 17 julio, 2010 en 16:32

    Está quedando muy guapo este repaso a las distintas teorías evolutivas, JM. 🙂

    Hoy día casi todos los neutralistas trabajan ya dentro del marco de la Síntesis, y el debate prácticamente se ciñe a una cuestión de detalle. Pero habría sido divertido si las evidencias hubieran dado la razón a aquellos neutralistas más radicales que reducían la SN a la más mínima expresión (o incluso la negaban). En un mundo así toda la evolución estaría dirigida por el más puro azar, y habría que haber oído los gritos de queja de creatas y similares… 😆

    No, ya en serio. A los argumentos que das para explicar (desde un punto de vista neutralista) por qué un numero escaso de mutaciones adaptativas a nivel molecular podría ser suficiente para explicar las numerosas adaptaciones que vemos en la naturaleza a nivel de poblaciones, yo añadiría otro más: la exaptación.

    Las mutaciones neutras pueden crear una variabilidad significativa en los genotipos de una población que vive en un entorno estable. Si el medio cambia, los individuos de esa población que presenten unos determinados rasgos (que hasta entonces habían sido neutros) de repente pasan a ver seleccionado su genotipo y la SN actúa hasta que ese rasgo se fija en toda la población.

    Por poner un ejemplo, supongo que el color blanco de algunas palomas es un rasgo neutro, casi neutro, o incluso negativo (de cara a la supervivencia en el medio actual, y al margen de la selección artificial por domesticación). Sin embargo sería un rasgo rápidamente seleccionado en el caso que hubiera una glaciación. Y a nivel molecular en ese caso el origen del rasgo no estaría en una mutación adaptativa, sino en una neutra (o incluso un poco negativa) que deja de serlo al cambiar el medio.

    Saludos.

  2. 17 julio, 2010 en 16:53

    Ummm, no se Rano. Lo de la exaptación es algo asumido dentro de la teoría sintética desde sus comienzos. El neutralismo estricto aboga por una fijación debida al resultado de la propia deriva, no a que en un momento una mutación neutra se convierta en adaptativa y comience a ser seleccionada; esto último sería un proceso típico de la TS.

  3. 17 julio, 2010 en 16:57

    Mmmm… creo que he puesto un ejemplo muy malo con las palomas. Es dudoso que las palomas blancas pudieran sobrevivir fuera del medio artificial en el que viven. Tachad paloma y poned cualquier otro pájaro blanco en su lugar. :-/

  4. 17 julio, 2010 en 17:08

    J.M. Hernández :

    El neutralismo estricto aboga por una fijación debida al resultado de la propia deriva, no a que en un momento una mutación neutra se convierta en adaptativa y comience a ser seleccionada; esto último sería un proceso típico de la TS.

    Sí, pero lo de las fijaciones masivas por deriva no se lo cree ya nadie. 😀 Yo diría que hoy la mayoría de los neutralistas optan por una versión más “light” y se conforman con que se reconozca su hipótesis de que casi todas las mutaciones son neutras (o casi neutras) a nivel molecular.

    Y sí, la exaptación es algo asumido por la TS desde hace mucho tiempo. De hecho en el fondo una exaptación es selección natural actuando en diferido. El matiz es que es un mecanismo que contribuiría a explicar por qué unas pocas mutaciones adaptativas a nivel molecular se corresponden con un gran número de adaptaciones observables a simple vista en la Naturaleza. 😉

  5. 17 julio, 2010 en 18:37

    Cierto, cierto. ahí estamos de acuerdo (así no se puede discutir, oiga)

  6. 17 julio, 2010 en 19:15

    😀

  7. Uno
    17 julio, 2010 en 20:23

    Muy interesante. A pesar de lo que digan algunos, la evolución no es un dogma. Cuando aparece una teoría nueva seria (el neutralismo en este caso), se analiza y se ve si realmente entra en contradicción con la síntesis. Tras discusiones científicas, una parte del neutralismo (la mayoría de las mutaciones a nivel molecular son neutras) se ve aceptada en la síntesis.

  8. icvav
    18 julio, 2010 en 9:45

    En la sección de entradas relacionadas, los enlaces a”Entendiendo la evolución” I y III, están puestos al revés. Ocurre lo mismo en todas las entradas de la serie.

  9. 18 julio, 2010 en 10:03

    icvav :

    En la sección de entradas relacionadas, los enlaces a”Entendiendo la evolución” I y III, están puestos al revés. Ocurre lo mismo en todas las entradas de la serie.

    Arreglado. Gracias! 😉

  10. Herbert West
    20 julio, 2010 en 9:18

    Muy buena la serie, sobre todo para gente a la que nos interesa el tema pero no sabemos por donde atacarlo.

    Es bueno saber todo lo que se ha postulado en evolución desde Darwin (que es mucho digan lo que digan los creatas).

    Por otro lado me gustaría proponer algún artículo sobre Lamarck, Lysenko y similares. A fin de cuentas también algo que aprender de ellos (aunque sea por engañar a todo un gigante politico como Lysenko).

    Si no os parece apropiado, me gustaría que me dijerais donde puedo encontrar algo de información sobre las tesis de Lysenko (me tiene intrigado que es lo que proponía este tío).

    Gracias

  11. 20 julio, 2010 en 13:40

    Herbert West :
    Si no os parece apropiado, me gustaría que me dijerais donde puedo encontrar algo de información sobre las tesis de Lysenko (me tiene intrigado que es lo que proponía este tío).
    Gracias

    En este artículo del blog, referencia 14 😉

  12. jc
    20 julio, 2010 en 17:06

    Hola a todos.
    He estado fuera 15 dias y me teneis ocupadísimo con todas las entradas de este periodo vacacional. Haceis un gran trabajo cooperativo.
    J.M., simplemente genial el artículo como toda la serie. No me explayo más que tengo mucho que leer.

    JC

  13. 20 julio, 2010 en 17:53

    Gracias, majete 😉

    Herbert West :

    Por otro lado me gustaría proponer algún artículo sobre Lamarck, Lysenko y similares. A fin de cuentas también algo que aprender de ellos (aunque sea por engañar a todo un gigante politico como Lysenko).

    Tomando nota! Gracias por la sugerencia.

  14. Herbert West
    22 julio, 2010 en 9:54

    Gracias Cnidus por el artículo.

    En mi defensa alegaré que conozco el blog desde hace poco y no he podido leer todo lo publicado.

    JM, me alegra que mi sugerencia sea buena.

  15. 22 julio, 2010 en 10:18

    Herbert West :

    Gracias Cnidus por el artículo.

    En mi defensa alegaré que conozco el blog desde hace poco y no he podido leer todo lo publicado.

    JM, me alegra que mi sugerencia sea buena.

    Desde luego Lysenko fue todo un pieza. Además de dar un fuerte abrazo a la pseudociencia arruinó la vida de un buen número de grandes científicos de la antigua URSS. Algún día que tenga tiempo contaré alguna cosa más de lo que ya nos comenta Cnidus en su artículo.

  1. 10 agosto, 2010 en 11:55
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