Filogenia

Resumen: El estudio de las relaciones que pueden existir entre los organismos, ha sido objeto de interes, por parte de cientificos evolucionistas, dichas relaciones de similitud y diferencias se han establecido mediante comparaciones a traves de distintas tecnicas y procedimientos. A pesar de que existe una gran diversidad de organismos en la naturaleza con caracteristicas diferentes, pueden encontrarse muchos aspectos comunes entre ellos, por ejemplo, el oxigeno, el hidrogeno y el carbono son elementos quimicos presentes en la totalidad de los seres vivos, asi como tambien lo son cuatro tipos de macromoleculas como proteinas, carbohidratos, lipidos y acidos grasos.(V)

Indice

1. Introducción

2. Marco Teórico

3. Conclusiones

4. Bibliografía

1. Introducción
El estudio de las relaciones que pueden existir entre los organismos, ha sido objeto de interés, por parte de científicos evolucionistas, dichas relaciones de similitud y diferencias se han establecido mediante comparaciones a través de distintas técnicas y procedimientos.

A pesar de que existe una gran diversidad de organismos en la naturaleza con características diferentes, pueden encontrarse muchos aspectos comunes entre ellos, por ejemplo, el oxígeno, el hidrógeno y el carbono son elementos químicos presentes en la totalidad de los seres vivos, así como también lo son cuatro tipos de macromoléculas como proteínas, carbohidratos, lípidos y ácidos grasos.

La información genética de todos los organismos se encuentran en la estructura de doble hélice del ADN, y los procesos de transcripción y traducción, así como el código genético, son en esencia uniformes en los mismos. Todas estas similitudes compartidas pueden ser útiles en la clasificación y caracterización de algunos grupos de individuos y a su vez distinguirlos de otros, este argumento lo refiere Dobzhansky y colb.

Las diferencias y similitudes presentes en los organismos supone, que los mismos comparten un ancestro común del que han heredado sus características y a partir del cual se ha generado la diversidad de formas de vida con diferentes modificaciones adaptativas, las cuales han radiado y ramificado en el transcurso del tiempo, en tal sentido, el estudio ha sido orientado al descubrimiento de las líneas de origen de los organismos mediante la filogenia, con el objeto de reconstruir las relaciones antepasados – descendientes entre los grupos de seres vivos y extinguidos. Este planteamiento lo refieren autores como Ayala y Valentine y Berovides y Alfonso.

Dada la dificultad que implica establecer relaciones de parentesco entre los diversos organismos, Las líneas de origen pueden ser reconstruidas en árboles filogénicos, cladogramas y dendogramas, mediante la aplicación de múltiples pruebas que comprenden técnicas y métodos experimentales y anatómicas.

Un método directo para la determinación de filogenias, es la reconstrucción de series fósiles que muestran semejanzas entre ellos y que "indican una secuencia de cambios desde una forma ancestral a una descendencia" de esta manera se establecen relaciones morfológicas entre fósiles por sus edades relativas, sin embargo este método sería verdaderamente efectivo si se contara con una gran cantidad de evidencia fósil en registro continuo, lamentablemente son muy pocos los organismos que se conservan fosilizados, es por ello que deben utilizarse métodos indirectos de reconstrucción filogenética, este planteamiento es expuesto por Ayala y Valentine.

Existen métodos indirectos en la determinación filogenetica, como los aportados por la anatomía comparada, embriología comparada y fisiología comparada, tales métodos consisten en contrastar estructuras existentes en organismos vivos, así como también su funcionamiento orgánico y embriones, con la finalidad de establecer posibles relaciones entre ellos, lo que permite inferir que muchos de ellos provienen de una ancestro común. (Berovides y Alfonso, 1995)

Sin embargo los métodos anatómicos, embriológicos, etológicos y ecológicos, no son los únicos métodos indirectos aplicados en la determinación filogénica, los mismos pueden ser complementados con los aportes de otras ciencias, como la genética, la citología y la biología molecular, las cuales permiten establecer relaciones entre especies a través de comparaciones cromosómicas, semejanzas entre las hélices de ADN nuclear, estimadas por hibridación de ADN, proteínas codificadas por el mismo locus en diferentes especies, mediante técnicas de electroforesis, inmunología, determinación de secuencias de aminoácidos en las proteínas y determinación de secuencias de ADN mitocondrial la cual también permite realizar comparaciones.

El presente trabajo tiene como objetivo analizar la aplicación y resultados de dos técnicas citológicas y moleculares en la determinación de filogenia de animales y del hombre, mediante la utilización de investigaciones realizadas en el área.


2. Marco Teórico


Las nuevas tecnologías en la determinación de filogenias en los seres vivos, permiten la construcción de dendogramas y genealogías, incorporando aportes importantes que permiten la comparación entre especies relacionadas o no, las técnicas citológias y moleculares se han utilizado para tales fines en las últimas décadas. A continuación se realizará una breve descripción de algunas y posteriormente se profundizará en dos de ellas.

Las técnicas inmunológicas, entre las cuales se pueden mencionar, inmunoelectroforesis, inmunodifusión, fijación del microcomplemento y precipitación cuantitativa, consisten en inyectar sangre de una especie en otra especie y ante la presencia de antígenos se crean anticuerpos, un ejemplo clásico podría ser el conejo al cual se le inyecta sangre humana y el mismo genera anticuerpos antihumanos, a partir de allí se estimará un porcentaje de relación entre mamíferos, tal técnica es descrita por autores como Berovides y Alfonso, Ayala y Valentine y Dobzhansky y colb.

El análisis de secuencias de aminoácidos de algunas proteínas, permite comparar y establecer semejanzas y diferencias entre moléculas homólogas de dos especies, entre los compuestos más utilizados se encuentran el citocromo c hemocianina, compuestos blancos y amarillos relacionados con el ácido úrico, enzimas y pigmentos (antocianinas). Por ejemplo, el citocromo c humano solo difiere de citocromo c del macaco en la posición 66, posición, en que el hombre posee isoleucina y el macaco treonina. (Dobzhansky y colb, 1983 y Berovides y Alfonso, 1995).

Las secuencias del ADN mitocondrial, son analizadas para establecer comparaciones entre especies, dicho ADN tiene ventajas sobre el ADN nuclear, ya que sólo codifica 37 genes y el ADN nuclear codifica al menos 100.000. Importantes estudios se han empleado para la determinación de filogenias en el hombre y han permitido comparar secuencias de ADN mitocondrial del hombre y chimpancé. Estos trabajos han sido realizados y reseñados por investigadores como Thorne A. y Wolpoff y Wilson A. y Cann R. en 1992, publicados en la revista Investigación y Ciencia.

Una de las técnicas más utilizadas para la determinación de filogenias en animales es la electroforesis sobre diversos soportes al respecto Berovides y Alfonso, (1995), plantean que la técnica "consiste en someter una muestra de algún fluido corporal (plasma principalmente) a una diferencia de potencial eléctrico, sobre un soporte adecuado. Como las proteínas del fluido que están diferenciadas, poseen diferentes cargas, se mueven en este campo según sea la naturaleza de la carga", de manera tal, que podrán compararse proteínas pertenecientes a especies emparentadas o no y establecer relaciones filogenéticas.

Los mismos autores, refieren que esta técnica depende tanto del soporte utilizado como de la naturaleza de la proteína, su carga y su tamaño lo que permite que, "sólo las proteínas que difieren en su carga eléctrica neta pueden separarse mediante técnicas de electroforesis en gel. No todos los cambios de aminoácidos en la estructura primaria pueden ser detectados por electroforesis, sólo los que dan lugar a diferencias de cargas y ocasionalmente los que cambian de conformación" (estructuras secundarias y tercearias). (Dobzhansky y colb, 1983, p. 284).

Las especies pueden ser comparadas a través de electroforesis, asumiendo que el grado de similitud que muestran sus patrones de bandas es proporcional a su semejanza genética, a partir de este respecto las especies se pueden agrupar en un patrón de semejanza electroforética que debe estar muy próximo a su patrón filogenético, este planteamiento lo expone Ayala y Valentine y Berovides y Alfonso.

Las diferencias genéticas que pueden ser detectadas mediante técnicas electroforéticas son independientes de las diferencias morfológicas entre especies. En los últimos años se ha utilizado esta técnica para medir la diferenciación genética de especies morfológicamente similares y que se encuentran íntimamente emparentadas en diversos grupos de individuos, plantas, invertebrados y vertebrados como reptiles, peces, anfibios y mamíferos, estos estudios han aportado datos valiosos a cerca de relaciones filogenéticas. Dobzhansky y colb. refieren este planteamiento.

El mismo autor explica que la electroforesis se utiliza para realizar estimaciones sobre diferenciación genética en dos poblaciones naturales, realizando un estudio de cierto número de proteínas que se eligen sin conocer si son o no distintas en ambas poblaciones, de manera que el grado de diferenciación genética observada en las proteínas estudiadas indicará el grado de diferenciación en las poblaciones, esto se podrá ser extrapolado a todo el genoma.

Por otra parte, la obtención de datos por electrofoeresis son frecuencias genotípicas y génicas de los alelos las cuales pueden ser comprobadas mediante la utilización de los diversos métodos estadísticos disponibles, los estadísticos más utilizados son: la identidad genética (I) y la distancia genética (D), sin embargo muchos otros métodos estadísticos pueden ser empleados para tales fines, por ejemplo análisis de varianzas y diversos software.

En una investigación realizada por Arranz, Poli, Bayon, San Primitivo y Holgado, en la Universidad de León, España, Instituto de Genética "Ewald Favret", Argentina y CER leales, establece las relaciones genéticas mediante el análisis de componentes principales entre razas bovinas españolas (Avileña Negra Ibérica, Morucha y Sayaguesa y el bovino criollo argentino), utilizando como raza de referencia la Brown Swiss.

El estudio se efectuó a partir de la variación genética detectada en nueve sistemas polimórficos proteicos. La diferenciación se estableció mediante el análisis de componentes utilizando varias técnicas electroforéticas para cada marcador genético, tales son HBB (Braend, 1971) CA (Monge et al, 1975), ALB, GC, TF y PTF2 (Gahne et al, 1972) y utilizando como soporte geles de agarosa y almidón.

La metodología estadística se llevó a cabo mediante el módulo "Factor Analysis" del programa estadístico Statistica for Windows, versión 4.5

El estudio se realizó a través del análisis de las proteínas de la leche y muestras de sangre (plasma) en cada una de las especies, sometiéndolas a diferentes pruebas electroforéticas. Los resultados de la investigación, según la evidencia experimental, separa de forma muy contundente en un 90% a la raza Brown Swiss del resto de los grupos, tanto del bovino español como criollo argentino, los cuales se observaron claramente diferenciados genéticamente con un 5% de variabilidad.

La investigación también permitió establecer relaciones filogénicas, encontrándose una clara proximidad entre bovinos criollos argentinos y bovinos españoles (Avileña Negra Ibérica, Morucha y Sayaguesa), los cuales habitan simpátricamente sin cruzarse, concluyéndose que los bovinos españoles, dieron origen a los criollos argentinos, asimismo se determinó que el bovino Brown Swiss se encuentra separado en su totalidad del resto de las especies, lo que indica que filogenéticamente no está íntimamente relacionado con los mismos, lo que es lógico porque este último es una especie europea pero no española.

Otra técnica utilizada para la determinación filogénica, es la hibridación del ADN, la cual permite medir el grado de diferenciación genética entre dos especies, con base en la proporción de pares de nucleótidos que difieren en el ADN de las mismas (Dobzhansky y colb, 1980, p. 276).

Según Ayala y Valentine (1983), esto puede ser posible porque a medida que dos especies sufren evolución diferencial, las secuencias de ADN de ambas se hacen menos similares.

En 1960, Doty y sus colegas descubrieron que filamentos de ADN de distintos organismos pueden, disociarse y reasociarse in vitro con el fin de obtener moléculas híbridas formadas por filamentos de dos especies distintas. Posteriormente se utilizó dicho procedimiento para determinar el grado de relación filogenética entre especies.

La técnica consiste en el marcaje con un radioisótopo, como el tritio, del ADN de una de las especies para finalmente medir la radioactividad del apareamiento obtenido y estimar el número de segmentos de ADN que son similares en las dos especies. Este procedimiento lo plantean Ayala y Valentine 1983.

Berovides y Alfonso (1995), describen la técnica, tomando en cuenta que cuando el ADN de simple cadena de dos especies diferentes se combina e incuba a 60°C se formará el ADN híbrido de doble cadena solamente entre las secuencias de bases homólogas: secuencias heredadas de un ancestro común de las dos especies. Sólo las secuencias homólogas tienen suficientes pares complementarios para formar dobles cadenas (dúplex) técnicamente estables a 60°C.

Un dúplex híbrido de ADN de diferentes especies presentará bases no apareadas, debido a que las dos líneas han incorporado distintos grupos de mutaciones, desde la última diversificación a partir de un común antecesor.

Debido a que la temperatura de disociación del dúplex es proporcional al número de enlaces de hidrógeno entre las dos cadenas, las regiones de no apareamiento provocaran un descenso en la temperatura de disociación de ADN híbrido, con respecto a la temperatura requerida para la disociación de una doble cadena de bases perfectamente apareadas.

Posteriormente se realizará una curva a diferentes temperaturas y grado de disociación de ADN híbrido, que muestra que cantidad de híbrido se disoció, de tal manera que la diferencia media entre la curva de similitudes y diferencias de ADN, es la medida de similitud genética entre especies. (Berovides y Alfonso, 1995).

En los últimos años, la técnica de hibridación del ADN, se ha perfeccionado con el fin de obtener información más precisa sobre filogénias, apareando filamentos sencillos de ADN aunque los mismos no sean exactamente iguales, si se disocian de nuevo, se medirá la taza de separación que será inversamente proporcional a su similaridad, este planteamiento es expuesto por Ayala y Valentine.

Cabe destacar también, que las secuencias de ADN son extraídas del núcleo de la célula y separados de otros componentes nucleares, se cortan en pequeños fragmentos de aproximadamente 500 nucleótidos y se proyectan a todo el genoma.

Este método molecular es uno de los más efectivos, ya que compara directamente el genoma de dos especies, a través del análisis de nucleotidos que constituyen las unidades genéticas funcionales básicas, además permite la comparación entre especies lejanas y entre las cuales no puede existir hibridación, estas ideas son consideradas por Berovides y colb.

En contraposición, según Ayala y Valentine (1983), esta técnica presenta inconvenientes derivados sobre todo, de la enorme cantidad de secuencias presentes en casi todos los organismos y la imposibilidad de revisar globalmente todas las secuencias, sólo se utilizan fragmentos de ADN de cada una de las especies y luego se realizaran proyecciones de todo el genoma.

Sin embargo algunos científicos confieren a la técnica una importante confiabilidad en la determinación de filogénias del hombre, tal es caso de Charles Sibley y Jon Ahlquist los cuales publicaron un trabajo realizado en la Universidad de Yale en 1984, en donde se utilizó la técnica de hibridación del ADN, para comparar en genoma del hombre y el chimpancé, los resultados sorprendieron a la comunidad científica. (R. Leuvin, 1989).

Los análisis comparativos indicaron que el chimpancé está, más relacionado con los humanos que con los gorilas, así mismo concluyen que los gorilas evolucionan desde un antecesor común entre los humanos y los monos africanos.

Los autores del trabajo plantean que el método de hibridación del ADN, efectivamente permite comparar todo el genoma de una especie con el genoma de la otra y sus interacciones y que el análisis de una secuencia puede ser trasladada dentro de una distancia genética, los mismos proponen también que la técnica tiene una fuerza potencial elevada, pero que sin embargo no puede medir cuánto exactamente a cambiado el ADN de las dos especies bajo la comparación.

En 1987, cuatro años después, estos investigadores triplican la cantidad de pares de bases de ambas especies y determinan que los resultados eran prácticamente idénticos a los anteriores e incluso confirmaban más los mismos, ya que las diferencias no eran significativas entre un análisis y otro. Sin embargo algunos investigadores, anatomistas y morfologistas cuestionan los datos obtenidos con la técnica, porque a su criterio, no representa un análisis global de ambos genomas.

A pasar de los cuestionamientos, también Jeffrey Powell en la Universidad de Yale y en el mismo año, presenta resultados de un análisis comparativo entre humanos y chimpancé, en el que utilizó la técnica de hibridación de ADN, que confirman el trabajo de Sibley y Ahlquist.

Con respecto a la estrecha relación que guardan el chimpancé y el hombre, los anatomistas consideran que es poco probable que un mono africano que realice caminata con nudillos, y el humano con marcha bípeda, compartan un mismo antecesor común. Una respuesta de quienes presentan evidencia molecular, puede ser, que la caminata con nudillos es una adaptación que pudo haberse perdido en la línea de los hominidos (homo), por lo tanto los resultados moleculares son contundentes.

Por otra parte, los trabajos realizados con análisis de ADN híbrido, por estos años, conjuntamente con resultados estadísticos, sugieren que existe una relación de 2:1 entre el hombre y el chimpancé y de 3:1 entre el chimpancé y el gorila, lo que indica que el chimpancé esta más relacionado con el hombre que con el gorila, sin embargo en la reconstrucción del árbol filogenético los tres pueden ubicarse muy cercanos compartiendo un mismo ancestro común.

Al respecto, Ayala y Valentine, (1983), indican que en un análisis realizado utilizando la técnica de hibridación del ADN, se concluyó que el chimpancé y el hombre, difieren sólo en un 2,4 % de sus nucleotidos, lo que los ubica muy cercanos y que el gibón y el hombre difieren únicamente en un 10% de sus nucleótidos.

La evidencia molecular e intensos análisis anatómicos y morfológicos, permitió la elaboración de un árbol filogenético o dendograma de las relaciones de primates y se concluyó que el hombre, chimpancé y gorila, éste último un poco más lejano, forman un grupo natural con la familia de los homínidos, mientras que el orangután podría pertenecer a la familia de los pongidae. (Leuvin, 1989, p. 28).

Igualmente, existe una relación entre el humano y los monos africanos, el hombre, el chimpancé y el gorila pueden ser una subfamilia de los homininae y el orangután pertenece a la familia de los ponginae, las dos subfamilias forman entonces la familia de los hominidae.

El tiempo de divergencia entre dos o más linages, esta relacionado con el reloj molecular, el cual puede ser interpretado como el momento en un espacio de tiempo en el que dos especies pueden haberse separado tomando vías distintas en la evolución. Con respecto a esto ha habido diferencias entre científicos, paleontólogos y anatomístas sin embargo la evidencia molecular plantea que el árbol de los hominidos, habla de la primera separación de los gibones 20 millones de años atrás, luego los orangutanes a 15 millones de años, dejando a los humanos, chimpancé y gorila en una solo vía entre 5 y 7 millones de años atrás.

En un trabajo experimental realizado por Peter J. Waddell y David Penny, en la Universidad de Chicago en 1995 y en donde se utilizó la técnica de hibridación del ADN con análisis de secuencias apareadas, se puso en evidencia la fuerte relación chimpancé, hombre y gorila y en menor grado el orangután. La importancia de esta investigación se centra precisamente, en que se logró estimar el tiempo de divergencia de linages entre el chimpancé y el humano en 6.5 millones de años, con un error estándar de 1 millón de años.

Durante muchos años también se había pensado que el fósil Rhamapithecus, estaba estrechamente relacionado con los humanos, dejando a los monos africanos y asiáticos en otra vía y que el tiempo de divergencia entre Rhamapithecus y humanos era cercano a los 15 millones de años.

Posteriormente, la evidencia molecular, a través de varias técnicas concluye que Rhamapithecus está más relacionado con monos asiáticos que con los humanos y monos africanos, los cuales sí esta estrechamente relacionados como se mencionó con anterioridad. La evidencia se ve fortalecida con el hallazgo de caras fósiles de sivapithecus, el cual relaciona más aún a Rhamapithecus con los monos asiáticos, es entonces cuando la comunidad científica viene a aceptar los 5 millones de años como tiempo de divergencia entre monos africanos y hombre, el planteamiento es expuesto por Leuvin, 1989.

Las evidencias moleculares proporcionan un aporte importante en la determinación de filogenias de todos los organismos y complementan hallazgos del registro fósil, proporcionando información genética detallada, útil para establecer relaciones génicas de parentesco, diferencias y similitudes entre ellos.


3. Conclusiones


A pasar de que existe una gran diversidad de organismos, éstos tienen muchas cosas en común desde los elementos químicos esenciales, hasta grandes macromoléculas, como proteínas, carbohidratos, lípidos y ácidos nucleicos. La similitud de la conformación del ADN se encuentra en todos los organismos en doble hélice y los procesos de transcripción, traducción y el código genético son básicamente los mismos en todos los seres vivos.

La filogenia de los organismos vivos esta guardada en sus genes, es por ello que el análisis del genoma, a través de sus secuencias y proteínas puede aclarar dudas en cuanto al origen de los mismos. El registro fósil no puede reconstruir con claridad y certeza los árboles genealógicos y dendogramas, ya que son muchos los organismos que probablemente no se mantuvieron fosilizados por millones de años.

Es por ello, que las nuevas tecnologías conjuntamente con los avances científicos incorporan elementos que puedan ser útiles en la determinación filogenética de los seres vivos, ya que el estudio de moléculas y del propio genoma no puede llevarse a cabo a simple vista.

Para el análisis filogenético de especies, se requiere la aplicación de técnicas moleculares o citológicas experimentales que sean útiles en la determinación de relaciones entre ellas, a través de las comparaciones, similitudes y diferencias, dichas técnicas se han utilizado en las últimas décadas y son principalmente, métodos electroforéticos, inmunológicos, secuenciación de ADN y proteínas, hibridación del ADN, comparaciones cromosómicas, entre otras.

Todas las técnicas empleadas, requieren un procedimiento experimental detallado, donde, deben ser aislados elementos moleculares como proteínas y ADN nuclear o mitocondrial con el uso de materiales, soportes, reactivos adecuados y equipos especializados, así mismo se deben tomar en cuenta los aportes de la anatomía comparada y paleontología debido a que las decisiones acerca de filogenias requiere de toda la información de la que se disponga.

Las similitudes y diferencias entre especies, tomando en cuenta la evidencia molecular, permiten reconocer si todas ellas provienen de un mismo antecesor común, las relaciones e interacciones entre ellas y también pueden establecerse tiempos de divergencia entre una especie y otra.

El tiempo de divergencia se relaciona con el reloj molecular, uno de los principales factores que son tomados en cuenta por la teoría neutralista de la evolución, la cual establece que existe una tasa de mutación en las especies y en función de esto y con base en la evidencia molecular se puede determinar un tiempo estimado de separación de dos especies en el tiempo.

Los aportes de las nuevas tecnología citológicas y moleculares han permitido realizar importantes hallazgos en filogenia de animales y las características que los ubican cercanos o lejanos con base en la similitud de sus genomas y proteínas. Con respecto a filogenias en el hombre han facilitado la elaboración de árboles genealógicos y la corrección de conceptos errados de sus vías evolutivas.

En tiempos pasados no podía concebirse la relación cercana, por ejemplo, del chimpancé con el hombre, lo único que podía establecerse eran comparaciones óseas, anatómicas y morfológicas. Actualmente, aún cuando existe gran resistencia, no cabe duda que el chimpancé conforma una familia muy cercana con el hombre, esto puede ser posible gracias a importantes pruebas moleculares que indican que el hombre difiere del chimpancé sólo en 2,4 % de la totalidad de su genoma.


4. Bibliografía


Ayala, F, G. Valentine J, W, (1983). La Evolución en Acción. Alhambra Universidad. Edición Española.

Arranz, J.J y otros (1998). Estudio de las Relaciones Genéticas Mediante el Análisis de Componentes Principales entre las Razas Bovinas Españolas Avileña Negra Ibérica, Morucha y Sayaguesa y el Bovino Criollo Argentino. http//C: /Mis documentos/bovino.htm.

Berovides, V y Alfonso, M (1995). Biología Evolutiva. Editorial Pueblo y Educación, Ciudad de la Habana, Cuba

Dobzhansky, T, Ayala F, Stebbins, L, Valentine (1980). Evolución. Universidad de California Ediciones Omega S.A.

Leuvin, R. (1989) Human Evolution. Second Edition Blackwel Scientific Publicatios. Boston Oxford London.

Waddell, P y Penny, D(1998) Evolutionary tree of apes and humans fron DNA Sequences, Paleonanthropology. http://www.massey.ac.nz./Alock/hbook/section1.htm.

Wilson, A y Cann, R (1992), "Origen Africano Reciente en los Humanos". Revista Investigación y Ciencia.