Variación genética

En una población existen muchas fuentes de variabilidad genética:

• La recombinación homóloga es una fuente importante de variabilidad. Durante la meiosis en organismos sexuales ( reproducción sexual ), dos cromosomas homólogos se entrecruzan e intercambian material genético. Este proceso aleatorio de intercambio de material genético se conoce como recombinación y está regulado por su propio conjunto de genes. ^{[ 19 ]} Al estar controlada por genes, la frecuencia de la recombinación es variable. Generalmente, es más común en las regiones del cromosoma con mayor número de genes, lo que genera más combinaciones genéticas. ^{[ 19 ]} Tras este proceso, los cromosomas se separan y quedan listos para contribuir a la formación de la descendencia.
• Inmigración , emigración y translocación : cada una de ellas es el movimiento de un individuo hacia dentro o fuera de una población. Cuando un individuo ingresa a una nueva población después de provenir de una genéticamente aislada, aumentará la variabilidad genética de la siguiente generación, siempre que se reproduzca. ^{[ 20 ]}
• Poliploidía : tener más de dos cromosomas homólogos. Esto permite una mayor recombinación durante la meiosis y una mayor variabilidad genética en la descendencia. Sin embargo, este fenómeno también puede dificultar la división celular . ^{[ 21 ]}
• Centrómeros difusos: en organismos asexuales donde la descendencia es una copia genética exacta del progenitor, las fuentes de variabilidad genética son limitadas. Sin embargo, un factor que aumenta la variabilidad es la presencia de centrómeros difusos en lugar de localizados . La difusión permite que las cromátidas se separen de diversas maneras, lo que produce fragmentación cromosómica y poliploidía. ^{[ 22 ]}
• Las mutaciones genéticas contribuyen a la variabilidad genética dentro de una población y pueden tener efectos positivos, negativos o neutros sobre la aptitud. ^{[ 23 ]} Esta variabilidad puede propagarse fácilmente por toda la población mediante selección natural si la mutación aumenta la aptitud del individuo afectado , y sus efectos se minimizarán u ocultarán si la mutación es perjudicial. Si el individuo puede sobrevivir con las mutaciones que posee, es probable que estas se transmitan a la descendencia. Sin embargo, cuanto menor sea una población y su variabilidad genética, mayor será la probabilidad de que aparezcan mutaciones recesivas u ocultas perjudiciales, causando deriva genética . ^{[ 23 ]}

Los daños en el ADN son muy frecuentes, produciéndose en promedio más de 60 000 veces al día por célula en los seres humanos. Esto se debe a procesos metabólicos o hidrolíticos , como se resume en el apartado sobre daños en el ADN (de origen natural) . La mayoría de estos daños se reparan correctamente mediante diversos mecanismos naturales de reparación del ADN . Sin embargo, algunos daños persisten y dan lugar a mutaciones.

Además, no todos los tipos de mutaciones ocurren con la misma frecuencia. Algunas mutaciones pueden tener un gran impacto en el cuerpo humano, y otras no. Depende de la combinación de pares de bases que se modifique. ^{[ 24 ]}

La mayoría de las mutaciones que surgen espontáneamente resultan de una replicación propensa a errores (síntesis translesional) que pasa por un daño en el ADN de la cadena molde. Por ejemplo, en la levadura, más del 60 % de las sustituciones y deleciones espontáneas de pares de bases son probablemente causadas por la síntesis translesional . ^{[ 25 ]} Otra fuente importante de mutación es un proceso de reparación del ADN impreciso, la unión de extremos no homólogos, que se emplea a menudo en la reparación de roturas de doble cadena del ADN. ^{[ 26 ]} (Véase también Mutación ). Por lo tanto, parece que los daños en el ADN son la causa subyacente de la mayoría de las mutaciones espontáneas, ya sea debido a una replicación propensa a errores que pasa por los daños o a una reparación propensa a errores de los daños.

A mediados del siglo XVIII, Pierre Louis Maupertuis , un erudito francés conocido principalmente por su trabajo en matemáticas y física, postuló que, si bien las especies poseen una forma original y verdadera, los accidentes durante el desarrollo de la descendencia naciente podrían introducir variaciones que se acumularían con el tiempo. ^{[ 27 ]} En su Ensayo de Cosmología de 1750 , propuso que las especies que vemos hoy son solo una pequeña fracción de las muchas variaciones producidas por un «destino ciego», y que muchas de estas variaciones no se «conformaron» a sus necesidades, por lo que no sobrevivieron. ^{[ 28 ]} De hecho, algunos historiadores incluso sugieren que sus ideas anticiparon las leyes de la herencia desarrolladas posteriormente por Gregor Mendel . ^{[ 29 ]}

Simultáneamente, el filósofo francés Denis Diderot propuso un marco diferente para la generación de variación hereditaria. Diderot tomó prestada la idea de Maupertuis de que la variación podía introducirse durante la reproducción y el posterior crecimiento de la descendencia, ^{[ 30 ]} y pensó que la producción de un organismo "normal" no era más probable que la producción de uno "monstruoso". ^{[ 31 ]} Sin embargo, Diderot también creía que la materia misma tenía propiedades similares a las de la vida y podía autoensamblarse en estructuras con potencial para la vida. ^{[ 30 ]} Las ideas de Diderot sobre la transformación biológica, introducidas en su obra de 1749, Carta a los ciegos , se centraban, por lo tanto, en la variabilidad de las formas generadas espontáneamente, no en la variabilidad dentro de las especies existentes. ^{[ 32 ]}

Tanto Maupertuis como Diderot se basaron en las ideas del poeta y filósofo romano Lucrecio , quien escribió en De rerum natura que todo el universo fue creado por azar, y que solo sobrevivieron los seres que no eran contradictorios en sí mismos. ^{[ 33 ]} La obra de Maupertuis se distingue de la de Lucrecio y Diderot por su uso del concepto de conformidad para explicar la supervivencia diferencial de los seres, una idea novedosa entre quienes creían que la vida cambiaba con el tiempo. ^{[ 33 ]}

Al igual que Diderot, otras dos mentes influyentes del siglo XVIII —Erasmus Darwin y Jean-Baptiste Lamarck— creían que solo los organismos muy simples podían generarse por generación espontánea, por lo que era necesario otro mecanismo para generar la gran variabilidad de la vida compleja observada en la Tierra. ^{[ 27 ]} Erasmus Darwin propuso que los cambios adquiridos durante la vida de un animal podían transmitirse a su descendencia, y que estos cambios parecían ser producidos por los esfuerzos del animal para satisfacer sus necesidades básicas. ^{[ 34 ]} De manera similar, la teoría de Lamarck sobre la variabilidad entre los seres vivos se basaba en patrones de uso y desuso, que él creía que conducían a cambios fisiológicos hereditarios. ^{[ 27 ]} Tanto Erasmus Darwin como Lamarck creían que la variación, ya fuera que surgiera durante el desarrollo o durante la vida del animal, era hereditaria, un paso clave en las teorías del cambio a lo largo del tiempo que se extienden desde los individuos hasta las poblaciones.

En el siglo siguiente, las observaciones telescópicas de William Herschel de diversas nebulosas en el cielo nocturno le sugirieron que diferentes nebulosas podrían encontrarse en distintas etapas del proceso de condensación. Esta idea, que llegó a conocerse como la hipótesis nebular , planteaba que los procesos naturales podían tanto crear orden a partir de la materia como introducir variación, y que estos procesos podían observarse a lo largo del tiempo. ^{[ 27 ]}  Si bien al lector moderno le puede parecer que las teorías astronómicas son irrelevantes para las teorías de la variación orgánica, estas ideas se fusionaron significativamente con las ideas de transformación biológica —lo que hoy conocemos como evolución— a mediados del siglo XIX, sentando las bases para el trabajo de pensadores posteriores como Charles Darwin. ^{[ 35 ]}

Las ideas de Charles Darwin sobre la variación hereditaria fueron moldeadas tanto por su propio trabajo científico como por las ideas de sus contemporáneos y predecesores. ^{[ 36 ]} Darwin atribuyó la variación hereditaria a muchos factores, pero en particular enfatizó las fuerzas ambientales que actúan sobre el cuerpo. Su teoría de la herencia se basaba en la idea (ahora refutada) de las gémulas : pequeñas partículas hipotéticas que capturan la esencia de un organismo y viajan por todo el cuerpo hasta los órganos reproductores, desde donde se transmiten a la descendencia. ^{[ 37 ]} Darwin creía que la relación causal entre el ambiente y el cuerpo era tan compleja que la variación que producía esta relación era inherentemente impredecible. ^{[ 38 ]} Sin embargo, al igual que Lamarck, reconoció que la variabilidad también podía ser introducida por patrones de uso y desuso de los órganos. ^{[ 39 ]} Darwin estaba fascinado por la variación tanto en poblaciones naturales como domesticadas, y su comprensión de que los individuos en una población exhibían una variación aparentemente sin propósito se debió en gran medida a sus experiencias trabajando con criadores de animales. ^{[ 40 ]} Darwin creía que las especies cambiaban gradualmente, a través de la acumulación de pequeñas y continuas variaciones, un concepto que seguiría siendo objeto de acalorados debates hasta bien entrado el siglo XX. ^{[ 41 ]}

En el siglo XX se desarrolló un campo conocido como genética de poblaciones . Este campo busca comprender y cuantificar la variación genética. ^{[ 41 ]} La siguiente sección presenta una cronología de algunos avances en genética de poblaciones, con especial énfasis en los métodos para cuantificar la variación genética.

• 1866 - Heterocigosidad : Los experimentos de hibridación de Gregor Mendel introdujeron el concepto que en la década de 1950 llegó a ser reconocido como heterocigosidad . ^{[ 39 ]} En una especie diploide , una que contiene dos copias de ADN dentro de cada célula (una de cada progenitor), se dice que un individuo es heterocigoto en una ubicación particular del genoma si sus dos copias de ADN difieren en ese sitio. La heterocigosidad, la frecuencia promedio de heterocigotos en una población, se convirtió en una medida fundamental de la variación genética en una población a mediados del siglo XX. ^{[ 42 ]} Si la heterocigosidad de una población es cero, cada individuo es homocigoto; es decir, cada individuo tiene dos copias del mismo alelo en el locus de interés y no existe variación genética.
• 1918 - Varianza : En un artículo fundamental titulado "La correlación entre parientes bajo la suposición de herencia mendeliana", RA Fisher introdujo el concepto estadístico de varianza ; el promedio de las desviaciones al cuadrado de una colección de observaciones con respecto a su media (${\textstyle \sigma ^{2}={\frac {1}{I}}\sum _{i=1}^{I}(x_{i}-\mu )^{2}}$), dónde${\displaystyle \sigma ^{2}}$es la varianza y${\displaystyle \mu }$es la media de la población de la cual se obtienen las observaciones${\displaystyle x_{i}}$se dibujan). ^{[ 43 ]} El trabajo de RA Fisher en genética de poblaciones no solo fue importante para la genética de poblaciones; estas ideas también formarían los fundamentos de la estadística moderna.
• 1918, 1921 - Varianza genética aditiva y dominante : R. A. Fisher posteriormente subdividió su definición general de varianza en dos componentes relevantes para la genética de poblaciones: varianza genética aditiva y dominante. ^{[ 44 ]} Un modelo genético aditivo supone que los genes no interactúan si el número de genes que afectan al fenotipo es pequeño y que el valor de un rasgo puede estimarse simplemente sumando el efecto de cada gen sobre el rasgo. Según el modelo de Fisher, la varianza genética total es la suma de la varianza genética aditiva (la varianza en un rasgo debida a estos efectos aditivos) y la varianza genética dominante (que explica las interacciones entre genes). ^{[ 43 ]}
• 1948 - Entropía : A diferencia de la varianza, que se desarrolló con el propósito de cuantificar la varianza genética, la medida de diversidad de Claude Shannon , ahora conocida como entropía de Shannon , se desarrolló como parte de su trabajo en teoría de la comunicación para cuantificar la cantidad de información contenida en un mensaje. Sin embargo, el método pronto se utilizó en genética de poblaciones y fue el método central empleado para cuantificar la diversidad genética en un artículo fundamental de Richard Lewontin, "La distribución de la diversidad genética humana". ^{[ 45 ]}
• 1951 - Estadísticas F : Las estadísticas F , también conocidas como índices de fijación, fueron desarrolladas por el genetista de poblaciones Sewall Wright para cuantificar las diferencias en la variación genética dentro y entre poblaciones. La estadística más común, FST _, considera en su definición más simple dos versiones diferentes de un gen, o alelos, y dos poblaciones que contienen uno o ambos de estos dos alelos. FST _cuantifica la variabilidad genética entre estas dos poblaciones calculando la frecuencia promedio de heterocigotos en las dos poblaciones en relación con la frecuencia de heterocigotos si las dos poblaciones se agruparan. ^{[ 46 ]} Las estadísticas F introdujeron la idea de cuantificar conceptos jerárquicos de varianza y se convertirían en la base de muchos métodos importantes de genética de poblaciones, incluyendo un conjunto de métodos que buscan evidencia de selección natural en el genoma. ^{[ 47 ]}