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Predictibilidad de la evolución y población

Área: Biología — Lunes, 14 de Enero de 2013

La evolución es más o menos predecible dependiendo del tamaño de la población de la especie de la que se trate.

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La evolución es contingente porque depende en parte de sucesos que se dan al azar, como las mutaciones, pero también de eventos que ocurran en el entorno. En realidad la evolución es excitante porque nunca sabemos lo que va a ocurrir. No hay apuesta segura sobre qué rasgo va a aparecer o a tener éxito evolutivo. Sin embargo, hay aspectos que parece que sí pueden ser predichos, al menos a corto plazo. Difícilmente una planta desarrollará resistencia frente a las heladas en medio de una selva tropical, por ejemplo. Y visto retrospectivamente, se podía haber predicho que el cuello de las jirafas se haría cada vez más largo.
Pero los individuos no evolucionan, no se hacen mutantes, nacen como talles. Son las especies dentro de sus poblaciones las que evolucionan generación tras generación. ¿Tiene algún efecto sobre la predictibilidad de la evolución el tamaño de la población a la que cada una de ellas pertenece? Pues, al parecer sí.
Es sabido que para pequeñas poblaciones el curso de la evolución es bastante impredecible. Pero uno esperaría que según aumenta el tamaño de la misma sea más predecible. Resulta que no es así.
Según un estudio realizado físicos de la Universidad de Colonia y biólogos de la Universidad de Wageningen, si una población es muy grande su evolución puede ser predicha de una manera más difícil de lo que uno se imaginaría a priori.
Este grupo de investigadores ha usado la información genética de un hongo en un modelo computacional para simular el curso de su evolución. Concluyen que tanto para grandes como para pequeñas poblaciones la evolución es bastante impredecible, pero que hay un tamaño de población óptimo para el cual se puede predecir mejor su curso.
Se puede considerar que esta predictibilidad es a nivel teórico, usando cierto modelo o más experimental si usamos un laboratorio o el medio natural. Aquí ya hemos visto algunos experimentos muy bonitos en los se dejan evolucionar microorganismos (cuyas generaciones se suceden muy rápidamente) a lo largo de los años. Cuando más frecuentemente coincidan la ruta seguida y el resultado final, más predecible consideraremos la evolución.
En este caso han usado ambas técnicas. Los investigadores de Wageningen proporcionaron conocimiento acerca del perfil adaptativo del hongo. Había 256 posibles combinaciones de 8 mutaciones en varios lugares del genoma del hongo, así que los investigadores calcularon el efecto que tendrían sobre el ritmo de crecimiento del hongo cada una de esas combinaciones. El ritmo de crecimiento es importante a la hora de determinar la adaptabilidad del hongo, pues las mutaciones con efecto positivo sobre este ritmo tienen mayores posibilidades de establecerse definitivamente.
En pequeñas poblaciones es probable que una mutación positiva ocurrida accidentalmente contribuya a la evolución del organismo. El azar tendrá un peso muy elevado en este caso, así que la evolución es más bien impredecible.
Por otro lado, en poblaciones grandes es posible que sucedan un mayor número de mutaciones positivas y habrá mayores posibilidades de dar con la mutación óptima. Uno esperaría que en este caso será más fácil predecir qué pasará. Pero resulta que este estudio indica que no es así.
Los investigadores de la Universidad de Colonia metieron los datos sobre este hongo en su modelo para ver qué pasaba. Descubrieron que la predicción del curso de la evolución es más difícil para grandes poblaciones. Esto se debe al hecho de que una población grande contiene más individuos con más de una mutación. Como el número de combinaciones de mutaciones beneficiosas es mucho mayor que el número mutaciones beneficiosas, la predictibilidad de la evolución es peor para grandes poblaciones.
Es decir, la evolución es más predecible para poblaciones que no son ni muy grandes ni pequeñas.

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Fuentes y referencias:
Universidad Wageningen
Artículo original.
Foto: NeoFronteras.

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5 Comentarios

  1. danielperes:

    Muy buenas, Neo.

    Me gustaría plantearte una duda que me surge al respecto del texto. La predicción de la evolución, ya sea a través de simulaciones computacionales o experimentos en medios naturales, ¿implica aceptar alguna tesis respecto a la cuestiój de la unidad de selección?. Es decir, ¿se suscribe, en el artículo, que el ritmo de la evolución es gradual (Dawkins)? ¿O es compatible también con la teoría del equilibrio puntuado (Gould)?

    Te pregunto porque en una concepción de la evolución donde se dan grandes cambios en breves espacios de tiempo parece que no tiene mucho sentido hablar de predicción. Asimismo, me gustaría saber tu opinión respecto de las teorías complejas de la evolución, en las que se defiende la tesis de que los sistemas vivos son igual de “caóticos” que los sistemas microfísicos. No habría, por tanto, predicción en sentido estricto.

    Gracias de antemano.
    Un saludo muy cordial.

  2. NeoFronteras:

    Pues ojalá se pudiera aclarar el debate entre el equilibrio puntuado y la evolución progresiva así de fácil. Se ha hablado de los dos por aquí de vez en cuando.
    Este resultado no va de eso, pero si se tiene que acercar a uno de ellos es al segundo. Al fin y al cabo se basa en el “reparto” de un conjunto fijo de mutaciones. No considera que pueda aparecer una mutación muy novedosa que cree algo realmente nuevo, aunque tal cosa tampoco la niega.

    Sobre el “caos” se necesitaría saber a qué caos nos referimos, ¿se trata del caos determinista típico o de un caos estocástico? Tenemos modelos matemáticos para ambos, pero sólo pueden aportar algo en sistemas simples (a veces ni así), por lo que intentar aplicarlos a los sistemas biológicos en evolución es muy arriesgado.

    Imaginemos un problema muy simple. Queremos llenar una mochila con todo o parte de un conjunto de objetos cada uno con un peso y valor específicos. La mochila soporta un peso máximo determinado. Se desea maximizar el valor total de los objetos sin que la mochila exceda el peso máximo.
    Este es un problema de optiminación combinatoria de tipo NP-completo. Hay otros problemas similares que se enuncian fácilmente y cuya solución no se puede obtener en un tiempo razonable. A partir de cierto número de objetos son problemas incomputables.
    Ahora nos centramos en los sistemas biológicos fruto de combinaciones de genes y de especies en ecosistemas complejos. Aunque en este caso hay restricciones, ¿podemos pensar que en este caso sí podemos computar el problema mejor que en el problema de la mochila?
    En evolución sólo podemos aspirar a predecir determinadas cosas a corto plazo en poblaciones de una especia que esté relativamente aislada. No mucho más.

    La Física, la Química y gran parte de la Biología cuentan con una gran ventaja en el laboratorio y es la de la aislabilidad de sus experimentos. Para el estudio de la evolución en el medio natural no. Es otra fuente de dificultad.

  3. danielperes:

    Excelente comentario, Neo.

    Estoy totalmente de acuerdo, y a pesar de las limitaciones en la predicción evolutiva, sigue siendo un tema igual de fascinante. El añadido del medio natural frente a la aislabilidad del laboratorio supone un grado más de dificultad, pero de todos modos ahí estamos.

    Justamente hoy hemos tenido en clase de filosofía de la ciencia una discusión sobre el papel que juega la ciencia en la educación. Creo que podrías dar una lección al respecto.

    Un saludo muy cordial.

  4. Miguel Ángel:

    La noticia ha despertado mi curiosidad, pero me han gustado aún más las preguntas de danielperes y la respuesta de Neo con la que estoy plenamente de acuerdo. Si a veces ya es complicado hacer cálculos en sistemas caóticos cerrados, en los seres vivos se añade la dificultad de la aislabilidad ya que se trata de sistemas abiertos en los que influyen muchísimos factores (tantos factores que resulta imposible mensurarlos, además sabemos que es muy posible que haya variables que aún desconozcamos).

    Es muy interesante hablar sobre el papel del caos en la biología y la evolución. Podemos hablar de la fractalidad en la naturaleza, un ejemplo clásico son las hojas de los helechos, pero podemos ver fractales en muchas otras estructuras.
    También se ha postulado la posibilidad de que la evolución tenga “efecto mariposa”, pero es algo imposible de comprobar.

    En cuanto a la cuestión del gradualismo versus equilibrio puntuado, me gustaría hacer una aclaración a lo que ha comentado Neo: es cierto que el estudio del que estamos hablando podría encuadrarse en el gradualismo, pero no implica que sea la teoría correcta: el registro fócil parece apoyar claramente al equilibrio puntuado.
    Tampoco debemos olvidar que las mutaciones son sólo uno de los múltiples mecanismos de innovación genética que hay, pero existen otros muchos (pérdida de material genético, inversiones, recombinación genética, endosimbiosis…): De hecho hay científicos como Lynn Margulis que afirman que las mutaciones no son el motor principal que hace avanzar la evolución sino las endosimbiosis.

  5. tomás:

    Pues sí, amigos Miguel Ángel y “danielperes”, una abrumadora intuición me lleva a considerar que la evolución participa del “efecto mariposa”, aunque prefiero llamarle caótica, inconcebiblemente compleja, dependiente de grandes y mínimos factores, contingente, y cuantos adjetivos podamos emplear para calificar su impredecibilidad.
    Y respecto a la pregunta del segundo párrafo del 1 de “danielperes”, diría que se dan esos periodos de estasis durante los cuales la evolución es lenta y gradual; se dan esos rápidos cambios que ocupan una delgada capa en algún nivel motivados quizá por un suceso extraordinario, que no tiene por qué ser la caída de un meteorito sino, por ejemplo también por algún cambio mínimo aunque de importantes consecuencias, durante el cual igualmente prosigue una constante y lenta evolución. Y así vuelta a comenzar. Esto haría compatibles dos fenómenos que no tienen por qué ser excluyentes y que hemos podido corroborar: el gradual en el laboratorio y el equilibrio interrumpido en el registro fósil.
    Un fuerte abrazo para ambos y mi enhorabuena a Neo por su magistral y didáctica respuesta en 2.

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