II Hablemos de biología Andrés Moreira Departamento de Informática UTFSM.

IIHablemos de biología

IIHablemos de biología

Andrés MoreiraDepartamento de Informática UTFSM

Historia de la vidaHistoria de la vidaHistoria de la vidaHistoria de la vida

Nuestro lugar en la diversidad de lo vivo:


O más en detalle...

Aunque, por supuesto, la mayor parte de la diversidad genética de la biosfera está en los virus... que ni siquiera figuran aquí!


Otros eventos importantes:

•Reproducción sexual, ~1200 m.a.

•“Explosión cámbrica”, entre 580 y 500 m.a.

•Peces, 500 m.a.

•Anfibios, 360 m.a.

•Evolución de lenguaje simbólico, menos de 1 m.a.


John Maynard Smith y Eörs Szathmáry, “Major Transitions in Evolution” (1995), destacan las transiciones:

Moléculas replicadoras Población compartimentada

Replicadores independientes

Cromosomas

RNA como gen y enzima RNA+DNA+proteínas

Procariotas Eucariotas

Linajes clonales Poblaciones sexuadas

Células aisladas Organismos multicelulares

Individuos solitarios Colonias (superorganismos)

Grupos de primates Comunidades lingüísticas


[ E. Jablonka (2006) agrega –razonablemente- entre las transiciones la aparición del sistema nervioso. ]

Temas que se repiten:

•Partes antes independientes forman una unidad mayor

•Las partes se especializan, dentro de esa unidad mayor

•Partes menores dejan de poder replicarse por si mismas

•Nuevas formas de almacenar o procesar información

Cambio en niveles de organizaciónCambio en niveles de organizaciónCambio en niveles de organizaciónCambio en niveles de organización

Varias de estas transiciones corresponden a nuevos niveles de organización biológica.

En general, para entender muchos fenómenos en biología hay que pensar en más de un nivel.

Y es un tema, la integración de información proveniente de niveles distintos “Systems biology”

EvoluciónEvoluciónEvoluciónEvolución

Evolución: variación de las características heredables de una población, a lo largo de sucesivas generaciones.

Ojo : no se habla ahí de creación de especies, ni siquiera de aparición de genes nuevos. Sólo del cambio de frecuencia de las características.

[ Usando el lenguaje mendeliano, lo que cambia es la frecuencia de los “alelos” (variantes de un gen). ]

Ojo también: la evolución es el cambio, no el mecanismo que provoca ese cambio.


Microevolución: el cambio en frecuencia de alelos dentro de una especie.

Macroevolución: la evolución a niveles más allá de la especie; aparición de nuevas clases, phylums, etc.

La aparición de especies nuevas (“especiación”) cae en la frontera entre micro y macro.

La opinión mayoritaria es que la “macro” es producto de “micro” acumulada a través del tiempo.


La evolución es un hecho (tanto micro como macro). Hay:•Fósiles•Genomas•Observaciones•Experimentos

También lo es la idea de “descendencia común” (es decir, el parentezco de todo lo vivo).

Sobre la teoría de la evolución, y sobre la historia exacta de ese parentezco, cabe discutir. Aunque muchas cosas están también bastante claras.


Entender los mecanismos de la evolución es importante:

•Porque “Nothing in biology makes sense except in the light of evolution” (Theodosius Dobzhansky): como ya se debe haber notado, la evolución es la que le da sentido a la diversidad y también a las similaridades; es casi imposible encontrar la lógica de los mecanismos vivos sin referencia a su evolución.

•Porque importa en epidemiología: los patógenos están en permanente evolución; el nivel de virulencia es un rasgo clave, y eminentemente adaptativo.


•También importa para luchar contra bacterias: resistencia a los antibióticos! (Y a todo lo que inventemos).

•Importa para tratar el cáncer (ver ppt anterior).

•Importa para entender las diferencias entre humanos (hay variaciones entre poblaciones, que derivan de nuestra historia evolutiva).

Etc, etc

“Nothing in biology makes sense except in the light of evolution”

Evolución : DarwinEvolución : DarwinEvolución : DarwinEvolución : Darwin

Darwin, 1859:“On the Origin of Species by Means of Natural Selection”. •Las especies varían a través del tiempo.

•Diferentes especies dependen de antepasados comunes.

•La evolución se produce por cambios graduales en las poblaciones.

•Las especies se multiplican en el tiempo.

•El mecanismo principal de evolución es la competencia por recursos limitados (sel. nat.)


Hoy hay consenso en que el mecanismo principal de evolución (y ciertamente, el más explicativo) es la selección natural.

Reproducción + Variación heredable + Límites a la población

selección natural de rasgos favorables por sobre los no favorables.

Ojo: esto es universal. Cuando las cosas se difunden, algunas se difunden más que otras. Y en el camino, pueden variar. Ideas, agentes de software, etc...


Los principales problemas (reales) de la teoría se debían a:

•la ignorancia sobre la base física de la herencia

•...y por lo tanto, ignorancia sobre el origen de la variación

•...e ignorancia sobre la forma en que las características se combinan en la reproducción.

Hubo que esperar el redescubrimiento de Mendel (1900), y para algunas cosas, al DNA (1953 ).

Evolución : síntesis modernaEvolución : síntesis modernaEvolución : síntesis modernaEvolución : síntesis moderna

¿Cómo se llegó al consenso darwiniano?

A principios de siglo, los “mendelianos” eran mayoritarios:

se descartaba la idea de “cambio gradual” que había en Darwin (pues los “genes” parecían ser demasiado discretos).

•Un líder de los “biometristas” (los contrarios a los “mendelianos”) fue Karl Pearson, padre de la estadística.


Pearson y sus sucesores fundan la genética de poblaciones (y la biología matemática, en general):

•1930, R. Fisher muestra que cambios continuos pueden ser consecuencia de combinaciones de genes discretos, bajo selección natural.

•J. Haldane (~1925) aplica el análisis estadístico a casos reales de selección.

•S. Wright introduce el concepto de “paisaje adaptativo”, y de “deriva genética”. Enfatiza también la distinción entre genotipo y fenotipo.


Paisaje adaptativo:Es una gráfica de la función genotipofitness

Hoy se suele pensar en el dominio como el espacio de secuencias (las palabras escritas en alfabeto ACGT).

La evolución consistiría en el movimiento de una especie por el paisaje.La selección natural es movimiento siguiendo el gradiente de crecimiento.Deriva genética es movimiento al azar.


Síntesis moderna:

•1937, Genetics and the origin of species de T. Dobzhansky, populariza la genética de poblaciones y muestra la diversidad genética en la naturaleza.

•1942, Systematics and the origin of species de E. Mayr. Acuña el concepto de especie (usado hasta hoy), y discute las formas de especiación (enfatizando la especiación “alopátrica”, vía barreras físicas).


Especiación: formación de especies.

Pese al título de su libro, Darwin casi no tocó el tema (habló del cambio de las especies).

Se piensa hoy que la mayor parte de la especiación es alopátrica, aunque hay casos de especiación simpátrica (sin separación física).


Síntesis moderna:

•1944, Mode and tempo in evolution de G. G. Simpson “cuadra” el registro fósil con la teoría.

•1942, Evolution: the modern synthesis de J. Huxley, sintetiza los nuevos desarrollos y le da nombre a la versión moderna del darwinismo.


El matrimonio Mendel-Darwin se logró gracias a:

•trabajo experimental,

•un aumento y mejor comprensión del registro fósil

•y sobretodo, a un gran avance de la teoría estadística.

La “síntesis moderna” es hasta el día de hoy “la” teoría de la evolución; otras ideas posteriores se explican en relación a ella (dentro, o fuera).


Puntos centrales:

•La herencia es a través de genes en la línea germinal; los genes son unidades discretas ubicadas en los cromosomas, y portan información sobre características del organismo.

•La variación es consecuencia de recombinación durante la reproducción, y de mutaciones. Las mutaciones son aleatoria y tienen efectos pequeños.

•La selección ocurre a nivel de individuos (a través de sus fenotipos), y hace que las frecuencia de los alelos cambie.


Tras el descubrimiento de la estructura del DNA:

•El gen pasó a ser un segmento de DNA.

•La herencia corresponde a la duplicación y cruzamiento del DNA.

•Las mutaciones son cambios en la secuencia de DNA: cambios de letras, duplicaciones, traslaciones, eliminaciones.


Origen de la variabilidadgenética

Transformación de la variabilidad genética

•Mutaciones•Recombinación genética•Flujo de genes

•Selección natural•Deriva génica

PROCESO EVOLUTIVO

Evolución : neutralismoEvolución : neutralismoEvolución : neutralismoEvolución : neutralismo

Las principales novedades una vez que se pasó al nivel molecular fueron la enorme diversidad, y la gran cantidad de mutaciones “neutrales”.

M. Kimura teoría neutral de la evolución (1968).

Enfatiza el rol de la deriva genética, y fue vista por algunos como un desafío al darwinismo.[Lenguaje: se dice que un alelo se “fija” en una población si llega a tener frecuencia de 100% ]

La mayoría de las mutaciones se fijan por deriva!

Evolución : neutralismoEvolución : neutralismoEvolución : neutralismoEvolución : neutralismo

A nivel molecular, la evolución sigue un ritmo constante (dado por la tasa de mutación).

Eso provee un “reloj molecular”.

Volveremos sobre eso más adelante.

Hoy se acepta que la deriva (aleatoria) y la selección (en parte determinista) actúan en conjunto, con distintas intensidades.

El tamaño de la población y la intensidad de la selección son las principales variables.

Evolución : neutralismo y selecciónEvolución : neutralismo y selecciónEvolución : neutralismo y selecciónEvolución : neutralismo y selección

Si r mide el fitness de un alelo mutante, y N es el tamaño de la población, la probabilidad de que se fije es

0

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

0.3

0.35

0.4

0.45

0.5

0.1

0.3

0.5

0.7

0.9

1.1

1.3

1.5

1.7

1.9

Nr

r11

11

Para N=100: Si r = 2 (100% ventaja), la prob. es 0.5.Si r = 1.01 (1% de ventaja), es 0.016.Si r = 1 (neutral), es 0.01 (=1/N).Si r = 0.9 (10% desventaja), es 0.000003.

Para tener probabilidad ½ de fijarse, un mutante con r = 1.01 tendría que aparecer 44 veces. Con r = 0.9, requiere 234861 veces!

Evolución : neutralismo y selecciónEvolución : neutralismo y selecciónEvolución : neutralismo y selecciónEvolución : neutralismo y selección

La tasa de cambio a nivel molecular varía entre especies y clados mayores.

En general NO coincide con tasa de cambio del fenotipo.

El record conocido lo tiene (desde hace algunas semanas) el Tuatara (un lagarto malgache)...

Su fenotipo no ha cambiado mucho en 200 millones de años!

Últimas décadas: nivel de selecciónÚltimas décadas: nivel de selecciónÚltimas décadas: nivel de selecciónÚltimas décadas: nivel de selección

Un tema de debate en los 60 y 70 fue la unidad de selección.

Se critica la idea de “por el bien del grupo” o “por el bien de la especie”. La selección es miope; tiene que haber beneficio de corto alcance.

•Selección desde el punto de vista de los genes: George Williams, Richard Dawkins (“El gen egoísta”, 1976).


•Selección por parentezco, William Hamilton, 1964. Mostró como el parentezco puede promover la cooperación.•Si ser altruista cuesta x de fitness, pero le aporta y a un pariente, conviene cooperar si x < yc, donde c mide el nivel de parentezco (% promedio de genes compartidos).

•En los himenópteros una hembra comparte el 75% de sus genes con una hermana, pero sólo el 50% con un hijo.

Eso explicaría que al menos 11 veces haya evolucionado ahí la vida en eusocialidad (los “superorganismos”).

•Selección a nivel de poblaciones: sociobiología (Edward Wilson).

•El comportamiento es parte del fenotipo, y potencial objeto de evolución genética.

•Lo aplica a comportamientos en animales sociales.


•Saca conclusiones (polémicas) para el caso del ser humano.

•Derivada más reciente: psicología evolucionaria.

•Stephen Jay Gould: teoría del “equilibrio puntuado”:

breves períodos de especiación se alternarían con largos períodos de microevolución (contradice el “gradualismo”).

Últimas décadas: equilibrio puntuadoÚltimas décadas: equilibrio puntuadoÚltimas décadas: equilibrio puntuadoÚltimas décadas: equilibrio puntuado

En general hoy en día se acepta (con distintos grados de convicción o generalidad), aunque combinado con casos de gradualismo.

Últimas décadas: equilibrio puntuadoÚltimas décadas: equilibrio puntuadoÚltimas décadas: equilibrio puntuadoÚltimas décadas: equilibrio puntuado

Gould proponía que la aislación de una población podía gatillar la especiación rápida (se combina con lo de Mayr).

Efecto “Reina Roja” (L. Van Valen, Hamilton): permanente evolución se requiere para mantener equilibrios, ya que hay coevolución.

“En este lugar, hay que correr rápido sólo para poder mantenerse en el mismo lugar!”de “Alicia detrás del espejo”, Lewis Carrol

Provee una explicación de ventaja de corto plazo para el sexo: al evitar la clonación, la presa evita que los parásitos se adapten demasiado a ella.

Últimas décadas: Coevolución y Reina Últimas décadas: Coevolución y Reina RojaRoja

Últimas décadas: Coevolución y Reina Últimas décadas: Coevolución y Reina RojaRoja

•Teoría de juegos aplicada a la evolución, John Maynard Smith, 1973.

Estrategias evolucionariamente estables : la estrategia alternativa, si aparece por mutación, no logra fijarse.

Se ha desarrollado mucho como área de estudio, incluyendo efectos de distribución espacial.Líderes del tema por estos días: Martin Nowak, K. Sigmund

Applets interesantes en http://www.univie.ac.at/virtuallabs/

Últimas décadas: teoría de juegos Últimas décadas: teoría de juegos evolutivaevolutiva

Últimas décadas: teoría de juegos Últimas décadas: teoría de juegos evolutivaevolutiva

•Cuasiespecies, Manfred Eigen & Peter Schuster (1979).

Últimas décadas: cuasiespeciesÚltimas décadas: cuasiespeciesÚltimas décadas: cuasiespeciesÚltimas décadas: cuasiespecies

•Debido a las mutaciones, un genoma no es una “especie” molecular, sino un conjunto de variantes en torno a una secuencia de consenso.

•Lo que se mueve por el paisaje adaptativo es una nube de mutantes.•Si la tasa de mutación es muy alta, la nube no logra centrarse en peaks adaptativos.

El modelo ha sido muy útil, sobre todo para estudiar la evolución en virus.

Tópicos actuales: evolucionabilidadTópicos actuales: evolucionabilidadTópicos actuales: evolucionabilidadTópicos actuales: evolucionabilidad

“Evolucionabilidad”: ¿qué tan flexibles son los organismos ante el cambio?

Los sistemas diseñados por humanos, cuando se complejizan mucho, se ponen inestables. Sensibles a perturbaciones.

Los sistemas producto de la evolución, tienden a ser mucho más robustos.

¿Por qué?


1. ¿Cómo? Identificar los mecanismos. Modularidad? redundancia?

2. ¿Qué tanto? Si son demasiado resistentes al cambio, no

podrían adaptarse. Hay un compromiso.

3. ¿Y ese compromiso, es adaptativo? ¿Flexible? Causas evolutivas, selección a nivel de especies,

posibles mecanismos de retroalimentación.


La robustez aparece a distintos niveles, con distintos mecanismos, a través de:

•El código genético•La tasa de mutación•La estructura del genoma•Mecanismos de regulación•Topología de redes de interacción•Comunidades ecológicas•...

¿Están esas cosas sujetas a selección, pro-robustez?

Probablemente sí, pero no sería a nivel del individuo, sino de la población, o del clado.


Algunas partes del genoma humano son más variables que otras. En particular, existe la hipermutación somática, que le da al sistema inmune su diversidad de anticuerpos.

Algunos virus tienen regiones altamente mutantes en las proteínas que los cubren, para evadir mejor al sistema inmune. Por ejemplo, el HIV.


Pero, ¿puede variar la tasa de mutación de la línea germinal como consecuencia del entorno?

Al menos en bacterias, sí: “mutación adaptativa”.

Bajo stress ambiental, E. coli cambia la enzima que usa para reproducir su DNA, y la reemplaza por una versión peor !

Así se inducen más mutaciones, y es más probable que en la población emerja una variante favorable.

Ojo: sigue siendo mutación ciega.

Tópicos actuales: evo/devoTópicos actuales: evo/devoTópicos actuales: evo/devoTópicos actuales: evo/devo

Evo/Devo (término de moda):

•Combina evo(lución) y devo (development, desarrollo).

•La selección natural actúa sobre el organismo completo, durante todo su desarrollo, no sólo el adulto “ya construido”.

•Crítica (de nuevo) al genocentrismo. Esta vez se pone de por medio al organismo, con su compleja construcción.


La relación genotipofenotipo es compleja, y afectada por el entorno (e incluso el azar). Se critica la simplificación de “el gen para...”.

Importancia de la arquitectura del fenotipo y su plan de desarrollo.


...Los caballos de 6 patas son poco probables, pero los de 5 patas son menos probables aún. Por arquitectura.

Genes Hox, controlan el “plan”.


•Puede duplicarse alguna estructura.

•Puede mantenerse un esquema, pero cambiar la tasa de crecimiento durante el desarrollo.

•Pueden cambiar los tiempos.

•Etc, etc.


Palabras claves:

•Regulación (de niveles de expresión)

•Modularidad

Se propone una “nueva síntesis”.

(del libro A Companion to Developmental Biology, S. F. Gilbert, http://8e.devbio.com/ )

Tópicos actuales: epigenesis y otras Tópicos actuales: epigenesis y otras yerbasyerbas

Tópicos actuales: epigenesis y otras Tópicos actuales: epigenesis y otras yerbasyerbas

Niveles de herencia más allá de la genética:

•Nivel epigenético: metilación del DNA•Herencia vía RNA (puede que exista!)•Herencia ambiental: construcción de nichos•Herencia cultural (no somos los únicos con eso)•Herencia simbólica (en humanos, vía lenguaje)

En esos niveles es posible (y en algunos casos, un hecho) que haya variación no aleatoria, y/o tal vez herencia de caracteres adquiridos (lamarckismo!).


Y recuerden...

“Nothing in biology makes sense except in the light of evolution”

Theodosius Dobzhansky

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