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Instituto Universitario de Sistemas Inteligentes y Aplicaciones Numéricas en Ingeniería

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La evolución

Mario Hernández


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Introducción

• El hombre ha precisado siempre explicaciones para los fenómenos del mundo.– Religión/Mitología – Filosofía– Ciencia. Explicación Causal


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Durante muchos años, la tesis más aceptada sobre el origen de las especies (para prácticamente todas las culturas con religiones teístas) fue el creacionismo: Dios(*) creó a todas las especies del planeta de forma separada.

(*) sustitúyase por el que corresponda a cada cultura en cada caso


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• Todas las culturas humanas tienen mitos sobre el origen del mundo, el hombre y las demás “criaturas”

Mitos Primitivos


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Grecia

• Los filósofos griegos propusieron mitos sobre la creación.

• Algunos tienen reminiscencias evolucionistas:– Anaximandro propuso que los animales

pueden ser transformados de un tipo en otro– Empedocles especuló que los animales se

forman como un rompecabezas, poniendo juntas partes preexistentes que se ajustan unas con otras en combinaciones funcionales: una cabeza + cuatro patas + un tronco, etc...


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Iglesia Cristiana Primitiva

• Propuestas por algunos de los denominados “padres” de la iglesia cristiana y más cercanas a las ideas evolucionistas modernas que las anteriores.

• San Gregorio Nacianceno (330-390 dc) y San Agustín (345-430 dc): no todas las especies de plantas y animales fueron creadas desde el principio por Dios, sino que algunas se han desarrollado en tiempos más recientes a partir de especies o semillas creadas por él.


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Razonamiento

• La Biblia describe el Diluvio Universal y que Noé incluyó en el Arca una pareja de cada una de las especies vivientes

• Como no hubiese sido posible en aquella época construir una embarcación suficientemente grande para contener y mantener a todas las especies conocidas, San Gregorio y San Agustín concluyeron en sus comentarios bíblicos que no todas las especies existían en la época de Noé y por tanto, muchas de ellas aparecieron después del Diluvio.


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La traición judeo-cristiana atribuye el origen de los seres vivos a su creación por un Dios omnipotente:Que proveyó a los pájaros de alas para que pudieran volar, a los peces de agallas y aletas para vivir en el agua y al hombre de inteligencia para dar culto a su Creador.

Según el creacionismo cristiano las especies estaban jerarquizadas por Dios de tal manera que el hombre ocupaba el rango superior, al lado del Creador.


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Importante

• Todos estos planteamientos no tenían una motivación relacionada con el planteamiento de una teoría científica, sino avanzar una explicación posible de un hecho religioso


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Edad Media

• Interés científico virtualmente nulo• La posibilidad de que los organismos

puedan cambiar por procesos naturales aparece de forma incidental en los escritos de dos teólogos cristianos: San Alberto Magno (1200-1280 dc) y su discípulo Santo Tomás de Aquino (1224-1274 c).


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Razonamiento de Santo Tomás

• Si es posible que larvas y moscas aparezcan “de forma espontánea” en la carne putrefacta y otras materias en descomposición, tal y como se creía generalmente en su época, razona y llega a la conclusión de que no existen objeciones ni racionales ni te´lógicas en contra de la proposición de que ciertos animalitos puedan aparecer por generación espontánea de la materia muerta.

• Afirma al final de su argumentación que el ni propone ni niega que ocurra tal cosa, pues no es un hecho que deban decidir ni teólogos ni filósofos, sino los científicos


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Siglo de las Luces (XVIII)

• Creencia en el progreso humano ilimitado pero no conciben ni defienden nada relativo a la teoría de la evolución, es decir, la transformación de unas especies en otras por medios o causas naturales

• Pierre Louis Moreau de Malpertius (matemático (1698-1759) admite la generación espontánea y la extinción de las especies.


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Georges Louis Leclerc (Conde de Buffon) fue tal vez el primero en especular (100 años antes que Darwin) que las especies se originaron entre sí, en una abierta oposición al "creacionismo”:

Buffon

• Los organismos aparecen por generación espontánea gracias a la asociación de moléculas orgánicas

• Puede haber tantos animales o plantas como combinaciones viables de moléculas orgánicas


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Leclerc no sólo notó las similitudes entre el hombre y los simios, sino que incluso especuló sobre la existencia de un posible ancestro común entre estas 2 especies.

Leclerc creía en los cambios orgánicos, pero no describió un mecanismo coherente que fuera responsable por efectuarlos, sino que especuló que era el ambiente el que influía directamente sobre los organismos.

Buffon (II)


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• Erasmus Darwin (1731-1802) abuelo de Charles Darwin especula sobre la transmutación de las especies vivientes, pero no desarrolla en detalle una teoría evolutiva. Sus teorías no tuvieron ninguna influencia real en las teorías evolutivas posteriores

• Carolus Linnaeus (1707-1778) botánico sueco es autor del sistema jerárquico de clasificación de plantas y animales, que aún se usa aunque modernizado– Linnaeus mantiene la fijeza de las especies, que es una

idea central en sus sistemas de clasificación– Pero su organización jerárquica influye en la aceptación

de los conceptos de descendencia común y divergencia gradual, ya que estos implican relaciones jerárquicas de parentesco y de diferenciación

Otros iluministas


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• El naturalista francés Jean-Baptiste de Monet, caballero de Lamarck (1744-1829) aceptaba la teoría iluminista de su tiempo, es decir, que los organismos vivientes representan una progresión creciente de avance, con los humanos en la cumbre del proceso.

• A partir de esta idea Lamarck enunció una teoría sobre la evolución biológica a principios del siglo XIX, la primera que es detallada, extensa y consistente, aunque después se demostrara errónea.

Lamarck


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Su teoría propone:• Los organismos evolucionan necesariamente

a través del tiempo en un proceso que pasa de manera continua de formas más simples a formas más complejas. El proceso se repite sin cesar, de manera que los gusanos de hoy tendrán en eras posteriores como descendientes a los seres humanos, al igual que los seres humanos de hoy descienden de gusanos del pasado (evolución gradual ascendente).

• Superpuestas a ese proceso se dan modificaciones en los individuos por su adaptación al ambiente, debido al cambio en sus hábitos. El uso de un miembro lo refuerza. Su desuso conduce a su eliminación gradual (herencia de caracteres adquiridos): las características (físicas) adquiridas por uso o desuso por un organismo durante su vida podían ser transmitidas a sus descendientes.

Lamarck (II)


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• El naturalista inglés Charles Darwin (1809-1882) enunció su teoría sobre el origen de las especies en 1858, después de su viaje a las islas Galápagos en el Beagle. El descubrimiento en Argentina de huesos de grandes mamíferos extintos y la observación de numerosas especies de pinzones en las islas Galápagos se incluyen entre los sucesos que llevaron a Darwin a interesarse en cómo se originan las especies.

• Su teoría la expone por primera vez en el libro “Sobre el Origen de las Especies por medio de la Selección Natural”. Es una descripción incompleta de la evolución pero derrumbó las tesis del Lamarckismo

Darwin


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• Darwin, además de un gran científico debe ser considerado como un revolucionario intelectual que inaugura una nueva era en la historia cultural de la humanidad.

• Darwin completa la revolución Copernicana (que consistió en la sustitución de una concepción animista del universo por una concepción causal, es decir, en el reemplazo de las explicaciones teológicas de los fenómenos naturales por las explicaciones científicas) que empezó en los siglos XVI y XVII con los descubrimientos de Copérnico, Galileo y Newton y que marcan los principios de la ciencia moderna.

Darwin (II)

Revolución Copernicana: consistió en la sustitución de una concepción animista del universo por una concepción causal, es decir, en el reemplazo de las explicaciones teológicas de los fenómenos naturales por las explicaciones científicas


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• Demostró que los organismos evolucionan: que los seres vivos incluido el hombre, descienden de antepasados muy diferentes de ellos

• Las especies están relacionadas entre si porque tienen antepasados comunes

• Proporciona una explicación causal del origen de los organismos que constituye la teoría de la selección natural, distinta de la idea de la presencia de un “diseñador” que define las características de las criaturas vivientes, frente a la cultura dominante y las evidencias razonables de primer orden (la mano se diseña para asir, el ojo para ver, los riñones para purificar la sangre, etc ...)

• Darwin extiende al mundo orgánico el concepto de naturaleza derivado de la astronomía, la física y la geología; la noción de que los fenómenos naturales pueden ser explicados como consecuencia de leyes inmanentes, sin necesidad de postular agentes sobrenaturales

Darwin (III)


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La Hipótesis de Darwin, presentada conjuntamente con Wallace, que llegó a las mismas conclusiones independientemente, es que la evolución se origina:

– A través de pequeños cambios aleatorios de características hereditarias

– Combinados con un proceso de selección natural.

Darwin (IV)


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De “El Origen de las Especies”:

“Dado que se producen más individuos que los que pueden sobrevivir, tiene que haber en cada caso una lucha por la existencia, ya sea de un individuo con otro de su propia especie o con individuos de especies distintas, ya sea con las condiciones físicas de la vida [..]. Viendo que indudablemente se han presentado variaciones útiles al hombre, ¿puede acaso dudarse de que de la misma manera aparezcan otras que sean útiles a los organismos mismos, en su grande y compleja batalla por la vida, en el transcurso de las generaciones?. Si esto ocurre, ¿podemos dudar –recordando que nacen muchos más individuos de los que acaso pueden sobrevivir – que los individuos que tienen ventaja, por ligera que sea, sobre otros tendrán más probabilidades de sobrevivir y reproducir su especie?. Y al contrario, podemos estar seguros de que toda variación perjudicial, por poco que lo sea, será rigurosamente eliminada. Esta conservación de las diferencias favorables de los individuos y la destrucción de las que son perjudiciales es lo que yo he llamado selección natural”

Darwin (V)


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• Sin embargo, Darwin pensaba que los rasgos de un ser vivo eran como un fluido, y que los fluidos de los dos padres se mezclaban en la descendencia

• Hipótesis de Darwin: al cabo de un cierto tiempo, una población tendría los mismos rasgos intermedios.

Darwin (VI)


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El científico alemán August Weismann formuló en el siglo XIX una teoría denominada del germoplasma, según la cual la información hereditaria se transmite a través de ciertas células (llamadas germinales), mientras que otras células (llamadas somáticas) no pueden transmitir nada.

Weismann


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August Weismann realizó un experimento en el que cortó las colas de un grupo de ratas durante 22 generaciones (1,592 ratas), sin que las nuevas generaciones de ratas perdieran dicha extremidad, demostrando entonces la falsedad de la hipótesis fundamental del Lamarckismo.

Weismann (II)


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• El monje austriaco Johann Gregor Mendel realizó una serie de experimentos con guisantes durante una buena parte de su vida

• Enunció a partir de ellos las leyes básicas que gobiernan la herencia en un artículo publicado en 1866 en los Procs. de la Sociedad de Historia Natural de Berlín.

• La teoría da cuenta de la herencia biológica a través de pares de factores (genes) heredados cada uno de un progenitor, que no se mezclan, sino que se separan uno del otro en la formación de las células sexuales o gametos.

Mendel


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Mendel descubrió que:• Los caracteres se heredan de manera discreta• Los caracteres se toman del padre o la madre,

dependiendo de su carácter dominante o regresivo

A los caracteres que podrían tomar diferentes valores se les llamó genes y a los valores que podían tomar se les llamó alelos.

Mendel (II)


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• Mendel trabajó absolutamente aislado y sus teorías se olvidaron y no se volvieron a redescubrir hasta principios del siglo XX.

• Hasta 1930 el genetista inglés Robert Aylmer no relacionó ambas teorías, demostrando que los genes mendelianos eran los que proporcionaban el mecanismo necesario para la evolución.

Mendel (III)


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ción James Mark Baldwin propuso en 1896 que si el

aprendizaje ayuda a la supervivencia, entonces los organismos con mayor capacidad de aprendizaje tendrán más descendientes, incrementando de esa manera la frecuencia de los genes responsables del aprendizaje.

Baldwin


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Baldwin planteó un impacto indirecto del aprendizaje sobre el proceso evolutivo (un individuo con mayor capacidad de aprendizaje será más apto), y no uno directo como Lamarck.

A su propuesta se le conoce hoy en día como el "efecto Baldwin".

Baldwin (II)


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Hacia los años 30 Walter Flemming describió los cromosomas como ciertos filamentos en los que se agregaba la cromatina del núcleo celular durante la división; poco más adelante se descubrió que las células de cada especie viviente tenía un número fijo y característico de cromosomas.

Walter Flemming


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Watson y Crick

• No fue hasta los años 50, cuando Watson y Crick descubrieron que la base molecular de los genes está en el ADN, ácido desoxirribonucleico,

• Los cromosomas están compuestos de ADN, y por tanto los genes están en los cromosomas.


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La macromolécula de ADN está compuesta por bases púricas y pirimídínicas, la adenina, citosina, guanina y timina.

La combinación y la secuencia de estas bases forma el código genético, único para cada ser vivo.

Grupos de 3 bases forman un codón, y cada codón codifica una proteina;

El código genético codifica todas las proteinas que forman parte de un ser vivo.


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Mientras que al código genético se le llama genotipo, al cuerpo que construyen esas proteinas, modificado por la presión ambiental y la historia vital, se llama fenotipo.


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No toda la cadena de ADN codifican proteinas; las zonas que codifican proteinas se llaman intrones, las zonas que no lo hacen, exones. Un gen comienza con el sitio 3’ o aceptor y termina con el sitio 5’ o donante.

Proyectos como el del Genoma Humano tratan de identificar cuáles son estos genes, sus posiciones, y sus posibles alteraciones, que habitualmente conducen a enfermedades.


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Neodarwinismo

Todos estos hechos forman hoy en día la teoría del neo-darwinismo, que afirma que:

• La historia de la mayoría de la vida está causada por una serie de procesos que actúan en y dentro de las poblaciones: reproducción, mutación, competición y selección.

• La evolución se puede definir entonces como cambios en el pool o conjunto genético de una población.


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Neo-Darwinismo

Neodarwinismo (II)


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ción • El pensamiento evolutivo actual gira en torno al

Neo-Darwinismo, el cual establece que toda la vida en el planeta puede ser explicada a través de:

a) Reproducción

b) Mutación

c) Competencia

d) Selección

Neodarwinismo (III)


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¿La evolución optimiza?

• Visión del Informático Evolutivo:La evolución optimiza, puesto que va creando seres cada vez más perfectos, cuya culminación es el hombre

Además, indicios de esta optimización se encuentran en los organismos de los animales, desde el tamaño y tasa de ramificación de las arterias, diseñada para maximizar flujo, hasta el metabolismo, que optimiza la cantidad de energía extraida de los alimentos.


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¿La evolución optimiza? (II)

• Visión del genetista y del biólogo evolutivo:La evolución no optimiza, sino que cambia y optimiza localmente en el espacio y el tiempo; evolución no significa progreso. Un organismo más evolucionado puede estar en desventaja competitiva con uno de sus ancestros, si se colocan en el ambiente del último.


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Mecanismos de cambio en la evolución


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Mecanismos de cambio en la evolución

Los describiremos para intentar entender los algoritmos evolutivos, ya que se trata de imitarlos para resolver problemas en diversos campos


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Los mecanismos de cambio alteran la proporción de alelos de un tipo determinado en una población, y se dividen en dos tipos: – Los que disminuyen la variabilidad– Los que la aumentan

Mecanismos de cambio en la evolución (II)


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Mecanismos que disminuyen la variabilidad

1. Selección Natural: los individuos que tengan algún rasgo que los haga menos válidos para realizar su tarea de seres vivos, no llegarán a reproducirse, y por tanto su patrimonio genético desaparecerá del pool; algunos no llegarán ni siquiera a nacer.

Sucede a muchos niveles: • Competición intraespecífica (entre elementos de la misma

especie)• Competición entre diferentes especies (pe predador-presa)• Selección sexual: las hembras eligen al mejor individuo

disponible de su especie para reproducirse


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Mecanismos que disminuyen la variabilidad

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2. Deriva Génica: el simple hecho de que un alelo sea más común en la población que otro, causará que la proporción de alelos de esa población vaya aumentando en una población aislada, lo cual a veces da lugar a fenómenos de especiación.


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Mecanismos que aumentan la diversidad

Generalmente suceden a nivel molecular. Los más importantes son:

1. Mutación2. Poliploidía3. Recombinación4. Flujo Genético


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Mecanismos que aumentan la diversidad (II)1. Mutación: alteración del código genético, que puede

suceder por múltiples razones. – En muchos casos, las mutaciones las elimina la ADN-

polimerasa, la navaja del ejército suizo del ADN, que igual duplica, que corrige, que desinvierte un trozo genético mal colocado, también puede suceder que ocurran en zonas no codificadoras.

– En muchos otros casos, las mutaciones, que cambian un nucleótido por otro, son letales y los individuos ni siquiera llegan a desarrollarse

– Pero a veces se da lugar a la producción de una proteína que aumenta la supervivencia del individuo, y que por tanto es pasada a la descencencia. Las mutaciones son totalmente aleatorias, y son el mecanismo básico de generación de variedad genética. A pesar de lo que se piensa habitualmente, la mayoría de las mutaciones ocurren de forma natural, aunque existen sustancias mutagénicas que aumentan su frecuencia.


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(III)2. Poliploidía: mientras que las células normales

poseen dos copias de cada cromosoma (diploides), y las células reproductivas 1 (haploides), puede suceder por accidente que alguna célula reproductiva tenga 2 copias; si se logra combinar con otra celula diploide o haploide dará lugar a un ser vivo con varias copias de cada cromosoma.

– La mayoría de las veces, la poliploidía da lugar a individuos con algún defecto, pero en algunos casos se crean individuos viables.

– (por ejemplo, el tener 3 copias del cromosoma 21 da lugar al mongolismo)

– Un caso conocido de mutación fue el que sufrió (o disfrutó) el mosquito Culex pipiens, en el cual se duplicó un gen que generaba una enzima que rompía los organofosfatos, componentes habituales de los insecticidas


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(IV)

3. Recombinación: cuando las dos células sexuales, o gametos, una masculina y otra femenina se combinan, los cromosomas de cada una también lo hacen, intercambiándose genes, que a partir de ese momento pertenecerán a un cromosoma diferente. A veces también se produce translocación dentro de un cromosoma; una secuencia de código se elimina de un sitio y aparece en otro sitio del cromosoma, o en otro cromosoma.


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Mecanismos que aumentan la diversidad (y

V)

4. Flujo Genético: o intercambio de material genético entre seres vivos de diferentes especies. Normalmente se produce a través de un vector, que suelen ser virus o bacterias; estas incorporan a su material genético genes procedentes de una especie a la que han infectado, y cuando infectan a un individuo de otra especie pueden transmitirle esos genes a los tejidos generativos de gametos.


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FIN

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