Deriva génica

La deriva génica o deriva genética, es otra fuerza evolutiva que cambia el acervo genético entre generaciones sucesivas de una población. La deriva genética puede disminuir la frecuencia o eliminar cualquier alelo de la población, porque puede trabajar a favor o en contra de la selección natural.

  Cuando actúa en favor de la selección puede disminuir la frecuencia de alelos perjudiciales y alelos neutros que no le dan ventaja ni desventaja a la población. Pero cuando actúa en contra de la selección puede disminuir la frecuencia de un gene favorable que esté presente en una frecuencia baja.

Ya sabemos que la fuerza de la selección natural actúa sobre la variación genética, facilitando las combinaciones de alelos más favorables y eliminando aquellas que no lo son. El resultado de ello es el desarrollo de una relación adaptativa más eficiente entre la población y su ambiente.

 Como la selección natural juega un papel tan importante en la evolución y su impacto sobre las poblaciones naturales es enorme, muchos evolucionistas llegaron a pensar que todos los cambios microevolutivos eran atribuibles a la interacción entre la variación genética y la selección natural. En consecuencia, también suponían que todos los cambios eran adaptativos.

Es cierto que al interactuar con la variación genética, la selección natural es responsable del cambio en las frecuencias alélicas y de una gran parte del cambio evolutivo; pero ciertos estudios indican que no es la única fuerza que actúa sobre la variación para producir cambio. En este sentido, hay evidencias que sugieren que los cambios en las frecuencias de alelos entre poblaciones de algunas especies no se pudieron establecer por selección natural. En estas poblaciones varios caracteres genéticos muestran cambio en la frecuencia de los alelos a través de las generaciones debido al azar, sin ninguna correlación aparente con cambios en los factores ambientales.

Esto significa que existe una tercera fuerza evolutiva básica, que es la deriva génica, la cual juega un papel muy importante en la evolución. La deriva génica modifica las frecuencias alélicas y produce cambios evolutivos por acontecimientos al azar, lo que da por resultado cambios en el acervo genético entre generaciones sucesivas de una población. http://preparate.enlinea.org.mx/moodle/file.php/16/CVT_II/Unidad_4/a12u4t03p23v01.html

Cuando actúa esta fuerza evolutiva un alelo puede eliminarse de la población por azar, independientemente de si es beneficioso, perjudicial o carente de ventaja o desventaja

adaptativa. De este modo, la deriva génica reduce la variación genética dentro de una población. 

Se ha demostrado experimentalmente que a pesar de la presión selectiva, en algunas poblaciones ciertas características genéticas neutras persisten. También se tienen pruebas de que algunos caracteres hereditarios no adaptativos se han fijado en determinadas poblaciones.

Estudios de genética de las poblaciones, especialmente los realizados por Sewall Wright, llevaron al reconocimiento de que la deriva génica es responsable de la fijación de características hereditarias neutras o no adaptativas en las poblaciones.

La fijación de un alelo es lo contrario de su eliminación, y significa que el alelo de una característica hereditaria dada permanece en determinado locus de un cromosoma en la población, y que todos los individuos son homocigotos para él. Una vez que los alelos heredados de la población original se fijan, su frecuencia no cambia a menos que se introduzcan nuevos alelos en su acervo genético.

¿Recuerdas cómo se pueden introducir nuevos alelos en el acervo genético de una población?

¿Cómo actúa la deriva génica?

La deriva génica funciona como una fuerza evolutiva al interactuar con la variación genética y la selección natural para producir cambios al azar en la frecuencia de los alelos de una generación a la siguiente. Pero la deriva génica no se presenta en poblaciones de tamaño grande o mediano, influye únicamente en el cambio evolutivo de poblaciones pequeñas, en las que produce un efecto evolutivo de importancia. 

El tamaño de una población tiene efectos importantes en las frecuencias alélicas, porque los acontecimientos aleatorios tienden a causar cambios de magnitud relativamente mayor en una población pequeña. Si una población consta de sólo unos pocos individuos, un alelo que presente baja frecuencia en ella puede perderse por simple azar. Pero un acontecimiento de este tipo sería más improbable en una población grande.

Por ejemplo, considera dos poblaciones, una con 20  individuos y otra con 10 000. Si un alelo recesivo poco común tiene frecuencia de 10%, entonces en la población grande habrá 1000 individuos que posean este alelo.

¿Qué ocurrirá en la población pequeña con este alelo si está presente en la misma frecuencia (10%)?

  A partir de este ejercicio puedes ver que hay mayor probabilidad de que el alelo poco común se pierda en la población pequeña que en la grande; ya que podría suceder, por ejemplo, que los depredadores mataran a uno o ambos individuos que poseen el alelo no común en la población pequeña simplemente por casualidad. En cambio, si algunos individuos de la población grande son eliminados al azar antes de que dejen descendientes, el efecto en la frecuencia del alelo recesivo poco común será muy diferente. De hecho, no habrá ningún efecto.

Muchos genetistas y biólogos evolucionistas coinciden en que el cambio de frecuencias alélicas que se producen al azar por deriva génica juega un papel muy importante en la evolución de las poblaciones pequeñas. Su importancia se ha demostrado en dos situaciones: el efecto fundador y el efecto cuello de botella en una población.

El efecto fundador es la forma de deriva génica que surge cuando una población pequeña se separa de una población mayor y unos pocos fundadores colonizan una nueva región. Por ejemplo, si unas cuantas tortugas se separaran del resto pueden perderse durante la migración o ser arrastradas por una corriente, y este pequeño grupo llegaría a una nueva región en la que se establecerían.

 

 

 

Cuando uno o pocos individuos de una población grande establecen o fundan una colonia, llevarán consigo sólo una pequeña parte de la variación genética presente en la población original; de manera que los únicos alelos presentes entre sus descendientes serán los pocos que los colonizadores poseían. Como consecuencia de esto, las frecuencias alélicas en la población recién fundada suelen ser muy distintas de las que se observan en la población original, y conforme aumente de tamaño continuará teniendo una composición genética diferente del grupo originario.

 

 

 

En la siguiente imagen se representa el efecto fundador que ocurre cuando una pequeña muestra de una población funda una nueva colonia en una isla inhabitada. Obsérvala con atención, ¿que diferencias encuentras entre las dos poblaciones? http://preparate.enlinea.org.mx/moodle/file.php/16/CVT_II/Unidad_4/a12u4t03p25v01.html

     

Otro ejemplo de efecto fundador. http://preparate.enlinea.org.mx/moodle/file.php/16/CVT_II/Unidad_4/a12u4t03p25v02.html

 

El efecto cuello de botella es la forma de deriva génica que se produce cuando una población queda reducida en muy pocos individuos por causas ajenas a la propia población, que tiene poco que ver con la selección natural. Por ejemplo, una población puede experimentar en forma periódica un rápido y considerable descenso en la cantidad de individuos debido a fluctuaciones ambientales, como agotamiento del alimento, el brote de alguna enfermedad o la cacería excesiva.

En estos casos se dice que la población pasa por un cuello de botella en el cual puede ocurrir deriva genética en la pequeña población de sobrevivientes. Cuando la población vuelve a aumentar de tamaño, es muy posible encontrar una disminución en la variación genética de la población de sobrevivientes, y que las frecuencias de muchos alelos sean muy distintas de las que había en la población previa a la declinación.

Un caso de deriva génica por efecto de cuello de botella es el que se presentó en el elefante marino de las costas de Baja California, que entre 1820 y 1880 fue cazado hasta casi la completa extinción. Se calcula que en 1890 quedaron tan solo unos 20 ejemplares. Esta población se protegió y posteriormente se recuperó. Actualmente la población sobrepasa los 30 000 individuos, descendientes de aquel pequeño grupo. Los estudios de sangre practicados en más de 100 cachorros demostraron que ha habido una drástica pérdida de variabilidad en estos animales. Varios alelos se perdieron durante el cuello de botella.

 

También se plantea la hipótesis de que la variación genética de los guepardos se redujo de manera considerable por un cuello de botella que se presentó a finales de la última glaciación, hace unos 10 000 años. En ese tiempo, el guepardo casi se extinguió, debido quizá la cacería excesiva por el ser humano. Los pocos sobrevivientes quedaron con variabilidad genética muy reducida, y como resultado la población de guepardos actual presenta poca variación genética debido a la pérdida de alelos durante el cuello de botella.

Por otro lado, un cuello de botella no sólo puede hacer desaparecer ciertos alelos en una población, sino que puede hacer aumentar la frecuencia de otros en la misma. Por ejemplo, se cree que la gran frecuencia de enfermos con Tay-Sachs entre los descendientes judíos de Europa Oriental proviene de un cuello de botella sufrido por esta población durante la edad media. http://preparate.enlinea.org.mx/moodle/file.php/16/CVT_II/Unidad_4/a12u4t03p26v01.html

Ya hemos visto qué es la deriva génica y en qué situaciones se presenta (efecto fundador y efecto cuello de botella). Piensa por un momento en cómo actúa esta fuerza evolutiva y qué es lo que produce en una población. Reflexiona también sobre cual fue la forma de deriva génica que intervino en el caso de los ancestros de los pinzones observados por Darwin en las Islas Galápagos y por qué. Cuando estés listo presiona ¡Ya! para continuar con el papel de la deriva génica en la evolución molecular. 

Uno de los avances más significativos que han ocurrido en la Biología desde el tiempo de Darwin ha sido el esclarecimiento de la base genética de la evolución. Como vimos en la unidad anterior, un gen es una secuencia de DNA; un ácido nucleico que se encuentra en los cromosomas y a su vez está compuesto por una cadena de nucleótidos.

La función de cada gen es controlar la producción de un polipéptido específico, que estará formado por una cadena de diversos aminoácidos, para finalmente conformar las distintas proteínas que determinan la vida de un organismo. Los ácidos nucleicos, los nucleótidos, los aminoácidos y las proteínas; son las moléculas de interés para los biólogos dedicados al estudio de la evolución molecular.

Los ácidos nucleicos evolucionan por medio de la sustitución de las bases de sus nucleótidos, lo que a su vez determina cambios en los aminoácidos que codifican para la producción de polipéptidos de una proteína. Las modificaciones en la estructura y el funcionamiento de las proteínas, por tanto, se producen a partir de cambios en el ordenamiento de los aminoácidos que las componen. Los evolucionistas moleculares investigan la evolución de estas macromoléculas para determinar con qué rapidez han cambiado y por qué lo han hecho.

¿Recuerdas cómo han denominado los genetistas a los cambios permanentes en la estructura química del DNA de los genes?

¿Cuáles son los tres tipos de mutaciones puntuales?

¿En qué se puede traducir la alteración en la secuencia del DNA debida a una mutación?La alteración en la estructura del DNA puede traducirse en la síntesis de una proteína sin actividad debido a que cambió alguno de sus aminoácidos. Esto puede ser dañino en unos casos, pero en otros puede proporcionar una ventaja adaptativa. Pero si la mutación es neutra o silenciosa, la alteración en la secuencia del DNA puede producir sólo cambios ligeros en la secuencia de aminoácidos de una proteína sin ningún efecto, o bien, no producir ningún cambio de aminoácido en el polipéptido.

 Muchas mutaciones por sustitución de bases nucleotídicas en la secuencia del DNA son neutrales y no se modifican los aminoácidos de las proteínas codificadas por esos genes. La razón es que la mayoría de los aminoácidos son especificados en el código genético por más de una combinación de tripletes de bases del RNA mensajero (copiado a partir del DNA), que especifica los aminoácidos y el orden de los mismos en una cadena polipeptídica.

 

 

 

Como un ejemplo de lo anterior, puedes ver en la siguiente imagen del código genético que el aminoácido leucina (leu) está especificado por seis tripletes de bases diferentes del RNA mensajero: UUA, UUG, CUU, CUC, CUA y CUG.

     

Cuando en una población ocurre la sustitución de un nucleótido que no cambia el aminoácido especificado, ésta es conocida como sustitución silenciosa. Por ejemplo la sustitución del triplete UUA por el triplete UUG, en donde ambos codifican el aminoácido leucina.

Es poco probable que las sustituciones silenciosas afecten al funcionamiento de la proteína y por lo tanto al organismo. En consecuencia es poco probable que resulten influidas por la selección natural y se acumulan libremente en una población en el transcurso del tiempo, por ser selectivamente neutrales.

Si por el contrario, en una población ocurre la sustitución de un nucleótido que sí cambia el aminoácido que es especificado, ésta es conocida como sustitución no silenciosa. Esto sucede, por ejemplo, cuando ocurre la sustitución del triplete UUA por UCA.

¿Qué determinará la sustitución del triplete UUA por el triplete UCA al traducirse en el polipéptido?

En general, es probable que las sustituciones no silenciosas sean nocivas para el organismo individual por afectar el funcionamiento de la proteína. Pero aunque ocurra un cambio en un aminoácido, no siempre cambia la forma de la proteína y por lo tanto sus propiedades funcionales. En consecuencia, una sustitución no silenciosa también puede ser selectivamente neutral o cercana a eso.

 La mayoría de las poblaciones naturales de los organismos albergan mucha más variación genética que la que podría esperarse si la variación genética fuera influida principalmente por la selección natural. Este descubrimiento y el conocimiento de que muchas mutaciones

producen sustituciones en el DNA que no cambian la función molecular de las proteínas, estimuló el desarrollo de la teoría neutralista de la evolución molecular.

http://preparate.enlinea.org.mx/moodle/file.php/16/CVT_II/Unidad_4/a12u4t03p29v01.html

La teoría neutralista fue articulada por el genetista japonés Motoo Kimura. Esta teoría postula que la mayoría de las mutaciones son selectivamente neutrales y no confieren ventajas ni desventajas a sus portadores. Según ésta teoría, la selección natural no es el factor más importante para explicar la evolución en el nivel del DNA, ya que en ella se afirma que la mayoría de los cambios evolutivos son producto de la deriva génica.

Si es así, la mayoría de los cambios evolutivos en las macromoléculas y gran parte de la variación genética dentro de las especies no es el resultado de la selección positiva de los alelos ventajosos ni de la selección estabilizadora de los tipos intermedios; sino que es el producto de la deriva génica, es decir, de cambios en las frecuencias de los genes de una generación a la otra en una población pequeña, como resultado de procesos aleatorios.

Evidencias de la variación genética en macromoléculas

En 1980, dos genes de la hemoglobina fueron secuenciados. Aunque ambos codificaban el mismo producto, sus secuencias de nucleótidos diferían en el 0.8% en las sustituciones de un aminoácido por otro. Otros genes secuenciados posteriormente en otros organismos llevaron a resultados similares.

En cuanto a la variabilidad dentro de la especie, se vio que en la mayor parte de sus proteínas existían diferentes formas (eran polimórficas), y en muchos casos sin efectos fenotípicos visibles ni una correlación con el ambiente. La gran variación revelada por estos estudios constituye uno de los fundamentos de la teoría neutralista. En opinión de Kimura:

 Además, según Kimura, sólo un porcentaje menor de las variantes genéticas de las poblaciones tienen un valor adaptativo; y estas variantes pasan inadvertidas en un océano de variantes mayoritariamente neutras que se encuentran en un estado transitorio en el proceso de fluctuación por deriva génica.

 

 

De acuerdo con la teoría neutralista de la evolución molecular, las mutaciones ventajosas son rápidamente fijadas en una población y las nocivas se pierden rápidamente, porque sus poseedores tienen menos descendientes y por tanto no llegan a prosperar. En cambio, si las mutaciones son neutras, es decir, si los individuos que las tienen funcionan tan bien como los que no la tienen; entonces su éxito en la población depende del azar de la deriva génica.

Según esta hipótesis, la frecuencia de los alelos neutrales en una población debe cambiar lentamente en el tiempo, a diferencia de los alelos de las mutaciones ventajosas y las nocivas. Esto te lo mostramos en las siguientes gráficas.

 

 

En este apartado hemos visto que el cambio que ocurre en el acervo genético, causado por el azar, se llama deriva génica o genética. Esta fuerza evolutiva puede hacer que ciertos alelos aumenten o disminuyan de frecuencia, y a veces desaparecen por acontecimientos aleatorios.

 

La deriva genética puede trabajar a favor o en contra de la selección natural; por lo tanto, puede disminuir la frecuencia o eliminar cualquier alelo de la población. Situaciones que pueden conducir a la deriva génica, que siempre afectará a las poblaciones muy pequeñas, son el efecto fundador y los cuellos de botella.

Según la teoría neutralista, en el nivel molecular la mayoría de los cambios evolutivos se deben a la deriva de genes mutantes selectivamente equivalentes; es decir, al cambio puramente aleatorio en las frecuencias génicas, o deriva genética.

Las mutaciones son la fuente de la variación genética. Aunque las frecuencias alélicas pueden ser modificadas por mutación, es típico que estos cambios sean de magnitudes menores que los cambios causados por otras fuerzas evolutivas, como la selección natural y la deriva génica. Para que conozcas más acerca de la evolución, en el siguiente tema estudiaremos el efecto de: