El estudio del zooplancton desafía las visiones tradicionales de la evolución

En una nueva investigación, científicos de la Universidad Estatal de Arizona y sus colegas investigaron los cambios genéticos que ocurren en poblaciones naturalmente aisladas de la pulga de agua Daphnia pulex. Este diminuto crustáceo, invisible a simple vista, desempeña un papel fundamental en los ecosistemas de agua dulce y ofrece una ventana única a la selección natural y la evolución.

Sus hallazgos, publicados en la edición actual de la revista procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias, se basa en una década de investigación. Utilizando técnicas genómicas avanzadas, el equipo de investigación analizó muestras de ADN de casi 1.000 Daphnia.

Descubrieron que la fuerza de la selección natural en genes individuales varía significativamente de un año a otro, manteniendo la variación y potencialmente aumentando la capacidad de adaptarse a futuras condiciones ambientales cambiantes al proporcionar materia prima sobre la que actúa la selección natural.

En un entorno aparentemente estable, hay una fluctuación significativa en la frecuencia de mutaciones genéticas, llamadas alelos, en regiones cromosómicas específicas, y la fuerza general de selección se mantiene en promedio cerca de cero durante muchos años. Esto sugiere que dicha variación genética permite que las poblaciones se adapten a los cambios ambientales.

«Este estudio, por primera vez, nos dio una idea del tipo de cambios temporales en las frecuencias genéticas que ocurren incluso en entornos estables, una especie de agitación continua de la variación genética distribuida por todo el genoma», dice Michael Lynch. autor del nuevo estudio.

Lynch es directora del Centro de Biodiseño para Mecanismos de Evolución y profesora en la Facultad de Ciencias de la Vida de ASU. Otros investigadores del estudio incluyen colegas de ASU, la Universidad Normal Central de China y la Universidad de Notre Dame.

El poder de elección

La dafnia, una forma de zooplancton, ha fascinado a los biólogos durante siglos debido a su papel fundamental en los ecosistemas acuáticos y su capacidad para adaptarse a las tensiones ambientales. Además de su valor para la investigación poligénica, las Daphnia son organismos modelo ampliamente utilizados para pruebas de toxicidad en agua dulce porque tienen un ciclo reproductivo asexual rápido y son sensibles a una variedad de contaminantes ambientales.

Los organismos pequeños son una importante fuente de alimento para los peces y ayudan a controlar el crecimiento de algas. Su capacidad para adaptarse rápidamente a los cambios ambientales ofrece pistas sobre cómo otras especies (incluidas aquellas importantes para el suministro de alimentos humanos) podrían responder a la contaminación, el cambio climático y otros factores estresantes inducidos por el hombre.

Se demostró que la mayoría de los sitios examinados en el genoma de Daphnia experimentaron presiones de selección cambiantes a lo largo del estudio. En promedio, estas presiones se equilibran para tener poco efecto general, lo que significa que ninguna dirección de selección domina consistentemente a lo largo del tiempo. En cambio, las ventajas o desventajas genéticas de rasgos particulares cambian de un período a otro.

Estos hallazgos desafían la creencia tradicional de que medir la diversidad genética (la gama de diferentes rasgos en una población) y la variación genética (diferencias entre poblaciones) puede mostrar fácilmente cuán consistente está actuando la selección natural. En cambio, la selección natural opera con mayor sutileza y complejidad de lo que se pensaba anteriormente.

Repensar la variación genética

El estudio abre nuevos caminos al identificar cuándo y dónde ocurren las presiones de selección en el genoma. Excepto por los rasgos fuertemente influenciados por la selección natural, se sabe poco sobre cómo las frecuencias alélicas cambian con el tiempo en las poblaciones naturales.

Un análisis de varios años de todo el genoma de casi 1.000 muestras genéticas de una población de Daphnia pulex encontró que la mayoría de los sitios genéticos experimentan una selección divergente, con un efecto promedio cercano a cero, lo que indica una presión de selección menos consistente en diferentes momentos y distribuida en muchas regiones genómicas.

Estos hallazgos desafían la comprensión común de la diversidad y divergencia genética como indicadores de deriva genética aleatoria e intensidad de selección.

Cambio y supervivencia

Los patrones de selección observados en diferentes sitios genéticos proporcionan un mecanismo para mantener la diversidad genética, que es esencial para una rápida adaptación. El estudio reveló que los genes situados cerca unos de otros en los cromosomas evolucionan de forma coordinada. Este vínculo permite que combinaciones beneficiosas de mutaciones genéticas se hereden juntas, lo que potencialmente acelera el proceso de mutación.

Este efecto ayuda a explicar cómo las especies a veces pueden adaptarse más rápido de lo que los científicos suelen esperar. Por otro lado, el mismo fenómeno puede hacer que los alelos perjudiciales cambien de alelos beneficiosos vinculados a frecuencias más altas, lo que en algunos casos reduce la eficiencia general de la selección.

El estudio muestra que la evolución es más dinámica y compleja de lo que se pensaba anteriormente. Las influencias ambientales sobre los genes a menudo cambian, lo que ayuda a las especies a conservar la diversidad genética necesaria para adaptarse a condiciones futuras. Esta nueva comprensión puede llevar a los científicos a repensar cómo estudian la evolución en la naturaleza.

Aunque el estudio se centró en Daphnia pulex, los hallazgos pueden tener implicaciones para comprender cómo otras especies pueden responder a los rápidos cambios ambientales, incluidos los inducidos por actividades humanas como la contaminación y el cambio climático. Evaluar la estabilidad de las frecuencias alélicas en un entorno más estable es un paso preliminar importante. Estos estudios son fundamentales porque los experimentos de laboratorio por sí solos no pueden replicar la complejidad de las influencias ambientales que actúan sobre las poblaciones silvestres.

Además, comprender cómo evoluciona Daphnia puede proporcionar información sobre la resiliencia de ecosistemas enteros. Este conocimiento puede ayudar a los investigadores a predecir y potencialmente mitigar los efectos de los cambios ambientales en la biodiversidad y las redes alimentarias.

Mientras el mundo se enfrenta a una crisis ambiental cada vez más acelerada, estudios como estos proporcionan información crítica sobre la resiliencia y la capacidad de adaptación de la naturaleza. Al continuar estudiando estas diminutas criaturas, los científicos esperan comprender mejor los mecanismos fundamentales de la evolución y aplicar estas lecciones a esfuerzos ambientales y de conservación más amplios.