Evolución experimental

A evolución experimental ou evolución biolóxica experimental é a comprobación de hipóteses e teorías da evolución biolóxica por medio de experimentos controlados. Coas ferramentas moleculares modernas, é posible identificar as mutacións sobre as que actúa a selección natural, saber o que provocou as adaptacións, e coñecer exactamente como funcionan estas mutacións. Debido ao gran número de xeracións necesarias para que se produza a adaptación e poida observarse, os experimentos de evolución biolóxica adoitan levarse a cabo con microorganismos tales como bacterias, lévedos ou virus. Porén, tamén se realizaron estudos con animais tales como raposos e roedores, que demostraron que poden igualmente ocorrer adaptacións notables dentro de só de 10 a 20 xeracións; en experimentos cos peixes silvestres Poecilia reticulata oberváronse tamén adaptacións nun número de xeracións comparable. En conxunto, a evolución experimental foi realizada en organismos multicelulares e unicelulares eucariotas, procariotas, e virus. Realizáronse tamén traballos similares de evolución dirixida de determinados encimas, ribozimas e xenes replicadores Selección artificial
A selección artificial é calquera proceso polo cal os criadores elixen que características desexan nunha especie animal ou vexetal determinada, permitindo a reprodución de individuos coas características desexadas e impedíndoa nos que non as teñen, o cal ten como resultado que tras sucesivas xeracións, as poboacións suxeitas a dita presión vaian cambiando. No medio natural o papel que fai o "criador" faríao a competencia pola supervivencia (relacións cazador-presa, fenómenos climáticos, preservación da especie, enfermidades etc. ), é dicir, a selección natural. Este poder dos criadores humanos de crear variedades con extremas diferenzas a partir dunha soa especie xa foi recoñecido por Charles Darwin no capítulo co que comeza o seu libro The Origin of Species, no que discute o caso das pombas: Exemplos de poboacións de organismos que evolucionaron por medio de selección artificial son: O can (Canis lupus familiaris) orixinouse mediante selección artificial a partir de poboacións de lobo (Canis lupus); todas as variedades actuais de can doméstico son produto da selección artificial. A evidencia fósil máis antiga dun can domesticado encontrouse en 2008 na cova Goyet en Bélxica, e data de hai uns 31. 700 anos e parece asociado á cultura auriñaciense.
O millo doméstico (Zea mays) descende do teocintle (unha gramínea que xera moi poucos grans, como o Zea perennis), a súa evolución levárona a cabo os agricultores do México prehispánico.
O canario doméstico (Serinus canaria domestica) é outro organismo que existe grazas á selección artificial levada a cabo durante séculos, a partir de exemplares de Serinus canaria.
O cobaia (Cavia porcellus) é unha especie de roedor orixinaria de América do Sur; a súa evolución debeuse á hibridación de diferentes poboacións do xénero Cavia e a súa posterior selección durante séculos.
O plátano doméstico (Musa × paradisiaca), que ten un froito carnoso e de sementes pequenas, descende da hibridación e posterior selección entre especies da familia Musaceae, orixinaria de Indonesia. O froito desta planta silvestre non é tan carnoso, e as súas sementes son enormes en comparación coas dos seus descendentes artificiais.
Outras especies e subespecies animais que existen grazas á selección artificial son Bos primigenius taurus, Felis silvestris catus, Carassius auratus, Equus ferus caballus, entre moitas outras. Todos estes exemplos son probas de que a propia variación xenética, sometida a presións reprodutivas, xera a longo prazo cambios nas poboacións.
Experimento de Dmitry K. Belyaev
En 1950 o xenetista ruso Dmitry K. Belyaev (1917-1985) estaba moi interesado nos procesos evolutivos que levaron á aparición do can. A súa hipótese era que as condutas dóciles nos cans ían acompañadas de cambios morfolóxicos, o cal suxeriría que a docilidade foi fundamental na evolución destes animais. Levou a cabo un experimento de selección xenética para o cal utilizou outro cánido, o raposo, empezando con 30 machos e 100 femias da especie de raposo Vulpes vulpes. O procedemento consistiu en conservar aos individuos máis dóciles de cada xeración (sen amaestralos); para determinar a docilidade, os raposos eran agarimados, dábaselles de comer da man etc. durante diferentes períodos das súas vidas. Conforme progresou a selección as novas xeracións presentaron cambios na súa morfoloxía con respecto aos seus predecesores, os seus rabos fixéronse máis curtos, aparecéronlles manchas brancas na pelaxe, as súas orellas colgaban, os seus rabos enrolábanse cara a arriba, volvéronse máis prolíficos, a pelaxe fíxose ondulada; todas estas son características morfolóxicas comúns en varias razas de can. O experimento non só proporcionou información para entender como evolucionou o can, senón que tamén mostrou a maneira na que os cambios na conduta van acompañados de cambios morfolóxicos ao longo das xeracións, e viceversa. Primeiras investigacións sobre evolución experimental
Un dos primeiros en levar a cabo un experimento de evolución controlada foi William Dallinger. A finais do século XIX, cultivou organismos unicelulares nun incubador feito ex profeso durante un período de sete anos (1880–1886). Dallinger foi incrementando lentamente a temperatura do incubador desde 60 °F ata 158 °F. Os cultivos iniciais mostraron claros signos de distorsión á temperatura de 73 °F, e xa non podían sobrevivir a 158 °F. Ao contrario, os organismos que Dallinger tiña no seu incubador ao final do experimento estaban perfectamente ben a 158 °F. Porén, estes organismos xa non podían crecer á temperatura inicial de 60 °F. Dallinger concluíu que atopara unha evidencia da adaptación darwinista no seu incubador, e que os organismos se adaptaran a vivir nun ambiente de altas temperaturas. Desafortunadamente, o incubador de Dallinger foi destruído accidentalmente en 1886, e Dallinger non puido continuar esta liña de investigación.
Desde a década de 1880 á de 1980, a evolución experimental foi intermitente posta en práctica por unha variedade de biólogos evolutivos, incluíndo os moi influentes realizados por Theodosius Dobzhansky. Como outras investigacións experimentais en bioloxía evolutiva durante este período, moito deste traballo non foi replicado moi intensamente e foi levado a cabo só por tempos relativamente curtos con respecto aos tempos necesarios para a evolución. Experimentos en animais vertebrados
Experimentación en ratos
En 1998, Theodore Garland, Jr. e os seus colegas iniciaron un experimento a longo prazo en ratos de laboratorio, que consistía en seleccionar os ratos que corran máis rápido en rodas de exercicio. Os ratos seleccionados evolucionaron e despois xa corrían a velocidades de ata tres revolucións por minuto máis que os ratos que non foron sometidos a cría selectiva (liñas de control); aos ratos baixo presión selectiva chamóuselles High Runners (grandes corredores). Cando se probaron nunha fita rodante motorizada, os ratos HR exhibiron unha capacidade aeróbica máxima moi elevada, e unha variedade doturos trazos que parecen ser adaptacións que lles proporcionan altos niveis de resistencia (por exemplo, corazóns máis grandes, ósos das extremidades posteriores máis simétricos). Tamén mostran alteracións na motivación e o sistema de recompensa do cerebro. Os estudos farmacolóxicos apuntan a alteracións na función da dopamina e o sistema endocannabinoide.
Experimentos en moscas do vinagre
Un dos primeiros experimentos con enfoque moderno foi a "radiación evolutiva" no laboratorio de poboacións de Drosophila melanogaster que Michael R. Rose empezou en febreiro de 1980. Este sistema empezou con dez poboacións, cinco cultivadas a idades avanzadas, e cinco cultivadas a idades temperás. Desde entón foron creadas máis de 200 poboacións diferentes nesta radiación de laboratorio, con selección dirixida a múltiples caracteres. Algunhas destas poboacións altamente diferenciadas foron tamén seleccionadas "á inversa" ou "marcha atrás", pero volvendo as poboacións experimentais ao seu antigo réxime de cultivo. Centos de persoas traballaron con estas poboacións durante as últimas tres décadas e gran parte do seu traballo está resumido en artigos recollidos no libro Methuselah Flies.
Os experimentos iniciais sobre moscas estaban limitados a estudar os fenotipos pero os mecanismos moleculares, é dicir, os cambios no ADN que facilitaban eses cambios, non podían ser identificados. Isto cambiou coa tecnoloxía xenómica. Seguidamente, Thomas Turner acuñou o termo Evolve and Resequence (E&R, Evolucionar e Resecuenciar) e varios estudos utilizaron o enfoque E&R cun éxito variado (revisados en e ). Un dos estudos evolutivos experimentais máis interesantes foi o realizado polo grupo de Gabriel Haddad na Universidade de California, San Diego, onde Haddad e os seus colegas fixeron evolucionar moscas para que se adaptasen a ambientes baixos en oxíxeno ou hipóxicos. Despois de 200 xeracións, usaron o enfoque E&R para identificar rexións xenómicas que eran seleccionadas por selección natural nas moscas adaptadas á hipoxia. Experimentos máis recentes empezaron seguindo as predicións E&R con RNAseq e cruzamentos xenéticos. Tales esforzos combinando a E&R con validacións experimentais deberían ser moi potentes para identificar xenes que regulan a adaptación nas moscas.
Experimentos en peixes
Os peixes Poecilia reticulata son peixes de auga doce nativos de Centroamérica, moi populares como peixes de acuario. A súa rápida reprodución fainos excelentes para realizar experimentos de bioloxía evolutiva. Jonh Endler levou a cabo en 1980 un dos primeiros experimentos deste tipo. Colocou en estanques a varios exemplares de Poecilia reticulata, machos e femias; os estanques eran de catro tipos: con grava fina no fondo e con depredadores, con grava grosa no fondo e con depredadores, sen depredadores e con grava fina, sen depredadores e con grava grosa. Os peixes que habitaron os estanques con depredadores mostraron, despois dalgunhas xeracións, cambios nos seus patróns de coloración; aqueles que nadaban en auga con grava fina desenvolveron unha coloración pouco rechamante e manchas pequenas, mentres que os que nadaban en auga con grava grosa desenvolveron manchas grandes, ditas adaptacións servían para confundir aos depredadores. Nos estanques sen depredadores, os peixes machos desenvolveron coloracións rechamantes para atraer ás femias, independentemente do tipo de grava. Este experimento e outros similares son probas en favor da selección natural, da selección sexual, e axudan a comprender os mecanismos do mimetismo.
O grupo de peixes gasterosteidos (entre os que están os espiñentos ou Gasterosteus aculeatus) comprende tanto especies mariñas coma de auga doce; as especies de auga doce levan evolucionando desde a última era glacial. As especies de auga doce poden sobrevivir a temperaturas máis frías. Os científicos fixeron probas para ver se podían reproducir esta evolución da tolerancia ao frío mantendo gasterosteidos mariños en augas doces frías. Estas especies mariñas tardaron só tres xeracións en evolucionar para igualar a mellora de 2, 5 graos na tolerancia ao frío que se encontra nas especies de gasterosteidos de auga doce.
Lagartas de Pod Mrcaru
Na illa de Pod Mrcaru do mar Adriático, liberouse unha poboación de lagartas da especie Podarcis sicula en 1971. As lagartas proviñan da illa Pod Kopiste, na que abundaban os insectos (que é o que comían aquelas lagartas); porén, na illa de Pod Mrcaru non existe a mesma diversidadde de insectos, abundan máis os arbustos. 36 anos despois, os investigadores da Universidade de Massachusetts, Amherst visitaron a illa para estudar ás lagartas introducidas; descubriron que ante a carencia de insectos, os descendentes das primeiras lagartas se adaptaran a comer follas: desenvolveron unha cabeza máis grande para trabar mellor nas plantas (as plantas requiren de maior forza para mastigar), o seu temperamento volveuse máis dócil en comparación co dos seus irmáns de Pod Kopiste (porque en Pod Mrcaru o alimento é abondoso, e non é necesario ser territorial para conservalo), as súas patas fixéronse máis curtas ao non haber necesidade de correr para cazar. Outro cambio salientable foi que comezaban a desenvolver no seu tracto dixestivo novas estruturas (compartimentos para a fermentación de alimento vexetal) comúns en animais herbívoros. As análises xenéticas confirmaron que estas lagartas eran descendentes das introducidas desde Pod Kopiste. Experimentos con microorganismos
Os organismos microscópicos, bacterias, arqueas, protistas e mesmo virus, son os organismos nos que mellor se viron os fenómenos evolutivos, grazas á velocidade coa que se reproducen, e á relativa sinxeleza dos seus xenomas e fisioloxía. O curto tempo que cómpre para que se produzan novas xeracións converte aos organismos microscópicos (principalmente bacterias) en excelentes candidatos para realizar experimentos evolutivos e poder observar en poucos anos grandes cambios xenéticos (cousa máis complicada en organismos macroscópicos, como os animais).
Evolución experimental en lévedos
Os lévedos son fungos unicelulares, usados na industria alimentaria para a fermentación de cervexas, viños, lácteos, pans e demais produtos. En 2012 publicouse un estudo levado a cabo en anos anteriores polos investigadores William C. Ratcliff, Ford Denison, Mark Borrello e Michael Travisano, da Universidade de Minnesota. O experimento consistiu en illar en tubos de ensaio cepas de Saccharomyces cerevisiae. Mediante centrifugación, os organismos quedaban estratificados, os que formaban colonias quedaban na parte inferior do tubo, estes eran transferidos a un novo tubo de ensaio. Conforme foron pasando as xeracións (logo de 60 ciclos), as colonias volvéronse cada vez máis cooperativas, ata o punto de que xa non eran só un cúmulo de células flotando xuntas, senón que permanecían interconectadas aínda despois da división celular, e traballando como un único organismo; tamén cambiou a súa morfoloxía, parecéndose agora a folerpas de neve esféricas. Este experimento é un paso importante para entender como se desenvolveu a multicelularidade.
Experimentos en bacterias
O estudo da evolución en bacterias é de grande importancia para moitas áreas do coñecemento biolóxico. En investigacións biomédicas é unha parte fundamental a análise da xenómica evolutiva das cepas patóxenas, para así desenvolver antibióticos máis eficaces contra bacterias resistentes. Un dos experimentos máis importantes en evolución experimental levárono a cabo o microbiólogo Richard E. Lenski e o seu equipo, desde o ano 1988 (continuado ao longo dos anos seguintes). O experimento consistiu en illar cepas de Escherichia coli en placas de Petri (comezando con 12 cultivos idénticos); cada certo tempo analizábanse as cepas e unha parte da poboación de cada caixa era transferida a un novo medio de cultivo, a xeración anterior era conxelada para poder comparala tempo despois coas cepas descendentes. No ano 2009 xa se contaba con aproximadamente 40. 000 xeracións (equivalente a un millón de anos de evolución humana). As análise xenéticas das cepas mostraron que en todas se producían mutacións constantes, algunhas proporcionaban vantaxes significativas para a obtención de nutrientes e/ou acelerar o ritmo de reprodución e crecemento, e mesmo a taxa de mutación; os organismos que tiñan estas mutacións gañaban terreo no medio de cultivo por encima dos que non as tiñan (ou que non tiñan mutacións tan eficaces). Un achado salientable foi o dunha cepa que evolucionara para nutrirse de amidón, un tipo de glícido que E. coli non pode consumir.
En 2013, Joao Xavier publicou un experimento no cal Pseudomonas aeruginosa, cando estaba suxeita a repetidas roldas de condicións nas cales necesitaba enxamiarse (agrupárense as células) para adquirir comida, desenvolveron a capacidade de "hiper-enxamiamento" a velocidades un 25% máis rápidas que os organismos da liña base, desenvolvendo moitos flaxelos, cando os organismos da liña base tiñan un só flaxelo. Un dato importante foi que este desenvolvemento era extraordinariamente repetible.
Experimentos en protozoos
Bussotti e colaboradores illaron amastigotes de Leishmania donovani e cultiváronos in vitro durante 3. 800 xeracións (36 semanas). O cultivo destes parasitos permitiu comprobar como se adaptaron ás condicións in vitro compensando a perda dunha quinasa relacionada con NIMA, importante para a correcta progresión da mitose, ao aumentar a expresión doutra quinasa ortóloga segundo avanzaban as xeracións do cultivo. Ademais, observouse como L. donovani adaptouse ao cultivo in vitro ao reducirse a expresión de 23 transcritos relacionados coa bioxénese flaxelar e aumentarse a expresión de clústeres de proteínas ribosomais e RNA non codificantes como os RNA pequenos nucleolares. Os flaxelos son considerados menos necesarios polo parasito no cultivo in vitro e por tanto o paso das xeracións leva cara á súa eliminación, provocando un aforro de enerxía pola menor motilidade para que a proliferación e velocidade de crecemento no cultivo sexa maior. Os snoRNA amplificados producen tamén unha maior biosíntese ribosomal, maior biosíntese proteica e por tanto maior velocidade de crecemento do cultivo. Estas adaptacións que se observaron ao longo das xeracións de parasitos están gobernadas por variacións no número de copias (CNV) e interaccións epistáticas entre os xenes afectados, e permiten xustificar a inestabilidade xenómica que presenta Leishmania grazas á súa regulación postranscripcional da expresión xénica.