Durante mucho tiempo, la cuestión de cómo, como resultado de cambios aleatorios (mutaciones) en el genoma de los seres vivos, aparece nueva información, permaneció abierta. Sin embargo, los científicos aún pudieron descubrir cómo ocurre la expansión y reposición del genoma. Uno de los mecanismos más importantes para obtener nueva información es el proceso de duplicación de genes
En la foto: águila calva. Ve el mundo en una gama de colores más amplia que una persona.
Alexander Markov, Doctor en Ciencias Biológicas, Investigador Principal del Instituto Paleontológico de la Academia de Ciencias de Rusia, habla de él.
¿Cómo los nuevos descubrimientos en el campo de la genética nos permiten comprender el mecanismo de aparición de nuevos genes y nuevas propiedades en el organismo?
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- Uno de los argumentos más típicos de las personas que niegan la evolución suena así: no podemos imaginar cómo puede surgir nueva información como resultado de mutaciones aleatorias en el genoma. A muchos les parece intuitivamente que los cambios aleatorios realizados, por ejemplo, en algún texto, no pueden crear nueva información. Solo pueden traer ruido o caos. Mientras tanto, la ciencia de hoy ya es muy consciente de cómo, en el curso de la evolución, aparece nueva información en el genoma, nuevos genes, nuevas funciones, nuevas características en un organismo, etc. Y uno de los mecanismos más importantes para la aparición de nueva información genética es la duplicación de genes y la posterior división de funciones entre ellos. La idea es muy simple: había un gen, ahora hay dos como resultado de una mutación aleatoria. Al principio, los genes son los mismos. Y luego, como resultado de la acumulación de mutaciones aleatorias en dos copias de este gen, se vuelven ligeramente diferentes y existe la posibilidad de que compartan funciones entre ellos.
Dar un ejemplo de la aparición de un nuevo gen
- Ahora hay muchos ejemplos bien estudiados. En general, esta idea en sí es bastante antigua, allá por la década de 1930, el gran biólogo y genetista John Haldwin sugirió que la duplicación, es decir, la duplicación de genes, juega un papel importante en el surgimiento de innovaciones evolutivas. Y en los últimos años, en relación con el desarrollo de la genética molecular, la lectura de genomas, han aparecido muchos ejemplos convincentes, buenas ilustraciones de cómo esto sucede realmente. Uno de los más brillantes, está asociado con la evolución de la visión del color en los mamíferos, o más bien, de manera más amplia, en los vertebrados terrestres. Cuando aparecieron por primera vez los vertebrados terrestres, que llegaron a tierra en el período Devónico, todavía tenían la llamada visión tetrocromática, que surgía a nivel de los peces. Qué significa eso? La visión del color está determinada por proteínas sensibles a la luz de la retina; existen tales células cónicas,que son responsables de la visión del color y en estos conos hay proteínas sensibles a la luz llamadas opsinas. El pez del que evolucionaron los vertebrados y los primeros vertebrados terrestres tenían cuatro opsinas de este tipo. Cada opsina está sintonizada en una longitud de onda específica.
¿Podemos decir que los peces ven exactamente cuatro colores?
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- Esto no significa que una opsina dada solo reacciona a una onda dada, significa que una longitud de onda dada excita más esta opsina, y cuanto más difiere la longitud de onda, más débil reacciona. El sistema de visión de color tetracromático es un muy buen sistema, da una distinción muy clara de las tonalidades de todo el espectro, y en muchos vertebrados modernos se ha conservado, por ejemplo, en aves. Las aves son excelentes para distinguir colores, aparentemente mejores que nosotros. Muchos pueden ver en el rango ultravioleta, algunas especies tienen patrones de rayos UV en su plumaje. Y tal vez los pájaros encontraron extremadamente pobre el sistema de transmisión de color de nuestros televisores y monitores. Debido a que usamos un sistema tricromático, mezclando tres colores, nuestra visión está organizada de la misma manera. El pájaro tiene cuatro, no tres.
Es decir, las personas en comparación con los pájaros ven el mundo más primitivo
- Desde el punto de vista de las aves, somos un poco daltónicos. En los humanos, como dije, el sistema tricromático es de tres opsinas, sintonizadas en tres ondas diferentes. Uno para el azul, otro para el verde y el tercero, cambió hacia el amarillo. Pero lo más interesante es que otros mamíferos, además de humanos y monos, tienen visión dicromática, solo tienen dos opsinas. No tienen un tercio, que está más cerca del extremo rojo del espectro y, por lo tanto, distinguen el azul del verde, pero no distinguen el verde del rojo. ¿Cómo ocurrió? ¿Por qué los mamíferos perdieron dos opsinas?
Se sabe que los antepasados tenían cuatro y los mamíferos tienen dos opsinas. Al parecer, la pérdida de dos opsinas se asoció con el hecho de que los mamíferos cambiaron a un estilo de vida nocturno en los albores de su historia. ¿Por qué cambiaron a un estilo de vida nocturno? Esto se debió a las vicisitudes de una larga competencia entre las dos principales líneas evolutivas de vertebrados terrestres. Estas líneas, se denominan sinápsido y diápsido. La línea sinápsida son lagartos con apariencia de animales, reptiles con apariencia de animales. Y este grupo fue dominante entre los vertebrados terrestres en la antigüedad, en el período Pérmico, hace más de 250 millones de años. Luego, en el período Triásico, tenían fuertes competidores, representantes de la línea diápsida. En los animales modernos, todos los reptiles, cocodrilos, lagartos y pájaros pertenecen a la línea diápsida. En el período Triásico, aparecieron depredadores activos, corriendo rápido, incluso en dos patas. Reptiles diápsidos, los cocodrilos comenzaron a desplazar a nuestros antepasados de reptiles sinápsidos o con dientes de animales. Y esta competencia terminó al principio no a favor de nuestros antepasados. Al final del período Triásico, aparecieron reptiles diápsidos que corrían rápido, dieron lugar a un nuevo grupo, un nuevo grupo surgió de ellos: los dinosaurios, que se convirtieron durante mucho tiempo en los depredadores y herbívoros diurnos dominantes en todo el planeta. Ocupaban todos los nichos diurnos, nichos de animales en la clase de gran tamaño. Al final del período Triásico, aparecieron reptiles diápsidos que corrían rápido, dieron lugar a un nuevo grupo, un nuevo grupo surgió de ellos: los dinosaurios, que se convirtieron durante mucho tiempo en los depredadores y herbívoros diurnos dominantes en todo el planeta. Ocupaban todos los nichos diurnos, nichos de animales en la clase de gran tamaño. Al final del período Triásico, aparecieron los reptiles diápsidos que corrían rápidamente, dieron lugar a un nuevo grupo, un nuevo grupo surgió de ellos: los dinosaurios, que se convirtieron durante mucho tiempo en los depredadores y herbívoros diurnos dominantes en todo el planeta. Ocupaban todos los nichos diurnos, nichos de animales en la clase de gran tamaño.
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La línea sinápsida se vio obligada a internarse en la noche, bajo tierra, la aplastaron. En el período Pérmico hubo reptiles sinápsidos gigantes, al final del período Triásico quedaba una pequeña cosa. Al mismo tiempo, al final del período Triásico, se completó el proceso de la llamada mamifarización de los reptiles sinápsidos, es decir, a grandes rasgos, aparecieron los primeros mamíferos. Todos los demás reptiles sinápsidos se extinguieron y un grupo se convirtió en mamíferos y sobrevivieron. Pero sobrevivieron, volviéndose pequeños y nocturnos. Durante los períodos Jurásico y Cretácico, los mamíferos eran nocturnos: parecían una especie de musarañas, ratones. Como eran nocturnos, la visión del color se volvió casi inútil para ellos. Debido a que los conos todavía no funcionan por la noche, la selección natural no podría soportar cuatro visiones descriptivas tetrocromáticas,porque esa visión no era necesaria.
La selección natural no puede mirar hacia el futuro, funciona así: o usas el gen o lo pierdes. Si el gen no es necesario aquí y ahora, entonces las mutaciones que surgen y lo estropean no se eliminan por selección, y el gen tarde o temprano falla.
La pérdida de genes probablemente tenga como objetivo preservar cualquier fuerza en el cuerpo, a máxima economía, máxima eficiencia, es decir, nada debería funcionar inactivo en nuestro cuerpo
- En principio, sí, por supuesto, esto es economía: el exceso de proteína no se sintetiza. Debo decir que por lo general se sintetizan en el organismo mucho exceso de proteínas, que se han vuelto innecesarias, pero aún no se han extinguido, esto no pasa tan rápido, pero al final pasa. En un principio, se pensó que los antepasados de los mamíferos o los primeros mamíferos habían perdido ambos genes de opsina de forma muy rápida y prácticamente al mismo tiempo. Ahora, en el genoma del ornitorrinco, y este es un representante de los mamíferos más primitivos, hay uno de los genes perdidos. Es decir, el ornitorrinco tiene tres opsinas más, mientras que los mamíferos más avanzados tienen solo dos. Los genes se perdieron, por lo tanto, a su vez. El antepasado común de los mamíferos todavía tenía tres opsinas, y placentarios y marsupiales, excluyendo el ornitorrinco ovíparo y el equidna, solo dos opsinas.
¿Cómo, entonces, nuestros antepasados, los monos, recuperaron su visión tricromática? Y aquí el mecanismo de duplicación de genes simplemente funcionó. Cuando terminó la era de los dinosaurios y los mamíferos volvieron a tener la oportunidad de volverse diurnos, se quedaron con su visión dicromática, porque no había a donde llevar los genes perdidos.
Y esto continúa en la mayoría de los grupos de mamíferos, aunque sería útil para ellos distinguir colores, pero no hay ningún lugar donde llevar el gen. Pero los antepasados de los monos del Viejo Mundo tuvieron suerte. Tenían uno de los dos genes de opsina restantes sometidos a duplicación, duplicación y la selección natural sintonizó rápidamente dos copias del gen resultante en diferentes longitudes de onda. Solo se necesitaron tres mutaciones para hacer eso: reemplazar tres aminoácidos en una proteína, un cambio bastante menor. Una pequeña operación, debido a que la longitud de onda a la que reacciona una de las opsinas se ha desplazado al lado rojo. Esto es suficiente para que podamos distinguir entre rojo y verde. Esto hizo posible que los antepasados de los primeros monos del Viejo Mundo pasaran a comer frutas y follaje fresco en los bosques tropicales: es muy importante distinguir el rojo del verde,frutos maduros de hojas inmaduras y hojas jóvenes de hojas viejas.
Pero esto solo les pasó a los monos del Viejo Mundo. Este es un evento feliz: la duplicación del gen ocurrió en los antepasados de los monos del Viejo Mundo después de que América se separó de África y nadó, entre ellos estaba el Océano Atlántico. Los monos estadounidenses tuvieron mala suerte y la mayoría de ellos se quedaron con visión dicromática. Y todavía viven así. Por supuesto, también sería útil para ellos distinguir las frutas rojas de las verdes, pero ¿qué se puede hacer si no hay un gen?
¿Resulta que los monos del Nuevo Mundo no distinguen entre rojo y verde, se equivocan, comen algo?
- Resulta así. Quizás por eso los monos del Viejo Mundo se convirtieron en personas y los del Nuevo Mundo no.
Autor: Olga Orlova
