Semana 9
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Indicadores de logro:
2.13. Reconoce la heterogeneidad de una población a través de sus frecuencias genotípicas.
2.14. Identifica las fuerzas que incrementan y disminuyen la variabilidad genética.
2.15. Describe un proceso de resistencia bacteriana ante un antibiótico.
En la semana previa comprendimos que las mutaciones pueden crear alelos nuevos, duplicar cromosomas completos o partes de ellos, o bien eliminarlos. Además, aprendimos que para un organismo diploide los alelos de un solo locus pueden ser iguales o distintos, es decir, homocigotos o heterocigotos, respectivamente. Esta condición es muy importante para determinar cómo los alelos serán transmitidos a la descendencia. Finalmente, como lo describió Mendel, sabemos que algunos alelos son dominantes sobre otros; es decir, ciertos alelos enmascaran la presencia de otros. Ante ello, surge la pregunta: ¿será siempre el alelo dominante el más común en una población? Averigüémoslo con la siguiente actividad.
A. Heterogeneidad de una población
Ahora desarrollaremos un ejercicio para explorar cuáles son los alelos más comunes en una población, pero lo haremos con nuestro salón de clases. Para ello, observaremos algunos rasgos físicos que pueden estar presentes en nuestros compañeros.
Procedimiento:
Sigue las indicaciones de tu docente para formar parejas de trabajo.
Observa en tu pareja los rasgos que se detallan en la tabla. Puedes auxiliarte de las figuras que se muestran a continuación.
Fenotipos
3. Completa las columnas E y F de la tabla con la información de tu compañero.
4. Calcula el porcentaje de la clase que presenta cada fenotipo y completa la columna G. Si no recuerdas cómo calcular el porcentaje, auxíliate de la siguiente ecuación.
Porcentaje del fenotipo = [(Estudiantes que presentan el fenotipo)/(Total de estudiantes en la clase)] x 100
5. Responde basándote en la población del salón de clase:
a. ¿Es siempre el fenotipo dominante el más frecuente en una población? ¿Por qué pasa esto?
b. ¿Crees que estos porcentajes son constantes a través de las generaciones? Justifica tu respuesta.
La diversidad fenotípica del maíz se manifiesta, por ejemplo, en los múltiples colores que pueden tomar los granos, incluso en una misma mazorca.
Si observamos en detalle los individuos que componen una población, independientemente de la especie, es común encontrar diferencias entre ellos. Estas diferencias en los rasgos se deben a la expresión de distintos alelos. Para la actividad A asumimos que cada rasgo de nuestros compañeros estaba controlado exactamente por dos alelos de un mismo locus, uno dominante y otro recesivo. De esta forma, podíamos inferir los posibles genotipos y calcular las proporciones de los fenotipos. Nota que solo podíamos estar seguros del genotipo cuando estábamos frente a un fenotipo recesivo.
Representación de cómo se ubican las parejas de alelos en sus respectivos loci. Nota que cada cromosoma suele tener varios loci.
Observando los fenotipos recesivos de nuestros compañeros notamos que no necesariamente el alelo dominante es el más abundante en una población; entonces, ¿qué hace que un alelo sea más abundante que otro? En términos generales, los alelos más abundantes tienden a ser los que de alguna manera contribuyen a la supervivencia y al éxito reproductivo de los individuos.
Usamos el término frecuencia alélica para referirnos a qué tan común es un alelo dentro de una población, lo cual podemos medir fácilmente. Como ya habrás deducido, la frecuencia de los alelos puede cambiar de una generación a otra; por ejemplo, si un alelo resulta perjudicial a la supervivencia. Esto nos lleva a un concepto clave: la evolución.
Definimos la evolución biológica como un «cambio en las frecuencias alélicas de las poblaciones a través de sucesivas generaciones». Es importante reconocer que las frecuencias alélicas de las poblaciones se ven alteradas por varios factores naturales, usualmente de manera simultánea; pero es más fácil si se estudian como mecanismos individuales. Durante la presente semana descubriremos estos mecanismos, que son los impulsores de la evolución.
Así como las personas pertenecen a una misma especie, todos los chiles dulces conforman una sola especie, Capsicum annum, y aun así no hay dos chiles iguales en el mundo. La diversidad de formas y tamaños de las diferentes especies agrícolas es en gran medida el resultado de un proceso selectivo realizado por los agricultores, denominado selección artificial. Este proceso altera la proporción de alelos presentes en un mismo cultivo con cada generación.
Nico: ¿Crees que podrías determinar los genotipos de tus compañeros a simple vista? Esto solo es posible para los rasgos recesivos, pues los dominantes bien podían ser homocigotos o heterocigotos.
En la clase anterior descubrimos que dentro de una población los alelos más comunes no siempre son los que se comportan como dominantes. Pero entonces, ¿cómo un alelo se vuelve más frecuente que otro? ¿Esta situación se puede revertir o es permanente? Durante esta clase analizaremos algunos fenómenos comunes que ocurren entre las poblaciones para verificar si estos pueden producir cambios en las frecuencias alélicas, es decir, si son factores o fuerzas de evolución.
B. La importancia de una muestra
Para comenzar nos centraremos en averiguar las razones por las cuales los alelos dominantes no son necesariamente los más comunes en las poblaciones. Para ello estudiaremos un fenómeno llamado «efecto fundador». Forma una pareja de trabajo con un compañero y desarrolla el siguiente ejercicio práctico.
Materiales: 450 g de frijoles rojos, aproximadamente, 450 g de frijoles negros, aproximadamente, 4 plumones indelebles, 12 vasos de entre 250 y 350 mL.
Procedimiento:
Coloca tus muestras de frijoles de colores en dos vasos distintos.
2. Considera que los colores de los frijoles representan dos diferentes alelos de un mismo locus, los cuales se expresan como presencia o ausencia de camanances. Un alelo es dominante «C» y otro es recesivo «c». Cada tipo de frijol representa entonces a personas con camanances y sin camanances.
3. Toma 200 frijoles de cada color (400 en total), viértelos en un mismo vaso y mézclalos bien. Tómate el tiempo que necesites para contarlos.
Los 400 frijoles mezclados representan una población de personas; la mitad de ellas tienen alelos para camanances. Las cantidades iguales de frijoles implican que ambos alelos (con camanances y sin camanances) se distribuyen por igual en la población; es decir, la frecuencia de personas con alelos para camanances es de 0.5 (50%).
Si todas las personas se reprodujeran por igual, sin importar sus camanances, esta frecuencia de 0.5 (50%) no tiene por qué cambiar para la siguiente generación. Es decir, aunque la población llegue a 800 personas, 400 tendrán alelos para camanances y 400 no.
4. Comprueba las afirmaciones del paso 3 calculando las frecuencias alélicas del total de cruces genéticos posibles que aparecen enseguida:
Para calcular las frecuencias, cuenta el número de alelos C y el de alelos c. Divide cada uno entre el total de ambos alelos.
Total de alelos en los cruces:
Frecuencia de alelos C:
Frecuencia de alelos c:
5. Supón ahora que un grupo de individuos cualquiera se ha enojado con el resto, así que ha decidido independizarse; por lo tanto, abandonará la población y formará un asentamiento nuevo en cualquier otro sitio. Mientras más lejos, mejor.
6. Para simular esta separación, cierra los ojos y toma una muestra aleatoria de 100 frijoles que se encuentran dentro del vaso combinado. Considera esta selección como una muestra 1 de 100 frijoles, lo que equivale a un 25% de la población original (400 frijoles).
7. Separa y cuenta el número de frijoles de cada color que obtuviste en la muestra 1.
8. Calcula las frecuencias de ambos alelos en la muestra; para ello, nuevamente divide el número de frijoles de cada tipo entre el total de frijoles de la muestra. Anota los datos dentro de los espacios asignados en la tabla siguiente:
9. Regresa los frijoles de la muestra 1 al vaso de la población original y mézclalos nuevamente.
10. Repite los pasos del 6 al 9 para obtener cinco muestras distintas más y registra tus resultados. Sin embargo, esta vez la cantidad de frijoles variará con cada muestra de la siguiente manera:
La muestra 2 consistirá en 100 frijoles.
La muestra 3 será de 50 frijoles.
Las muestras 4, 5 y 6 tendrán nada más 25 frijoles.
11. Con base en los resultados, responde:
a. ¿Por qué las frecuencias alélicas no son las mismas en cada muestra?
b. ¿Cómo se puede relacionar esto con los cambios en las frecuencias alélicas en una población a través del tiempo?
La actividad B nos ha mostrado que a partir de una población inicial se pueden generar nuevas poblaciones con frecuencias alélicas distintas a la original. Ahora bien, recuerda que este tipo de cambios son, por definición, eventos evolutivos, pero ¿qué lo causó? Curiosamente el único factor de cambio en las poblaciones fue el azar, lo cual representamos cuando seleccionamos muestras con los ojos cerrados.
La fluctuación en las frecuencias alélicas debido a factores de azar se denomina deriva genética, y se considera una fuerza evolutiva muy común. La intensidad de la deriva genética depende del tamaño de la muestra (o de la población); como pudimos evidenciar, mientras más pequeña era la muestra de individuos que formaban una nueva población, más diferencias cabía esperar en las frecuencias alélicas respecto de la población original. Este hecho particular se conoce como efecto fundador.
Sin embargo, si los individuos de las nuevas poblaciones se reprodujeran por igual, las frecuencias alélicas se conservarían a través de las generaciones. Es acá donde entran en juego los otros mecanismos o fuerzas de evolución que estudiaremos en adelante. Estos mecanismos tienen por característica común que pueden influir en la composición de la diversidad genética de una población. Así, los dividimos en dos grupos:
La primera fuerza de evolución descrita fue la selección natural. Propuesta por Charles Darwin y Alfred Wallace, establece que el ambiente presiona a los individuos de tal forma que solo los más aptos se reproducen con éxito, transmitiendo sus alelos a la siguiente generación. Por tanto, este mecanismo reduce la diversidad genética.
En la etapa previa comprendimos que existen mecanismos que provocan cambio en las frecuencias alélicas en una población, es decir, fuerzas de evolución. Más adelante nos centraremos en ellas, pero antes veremos cómo todo tipo de organismos están sujetos a ellas. Por eso estudiaremos un importante experimento que relacionó las fuerzas de evolución con la adaptación de los patógenos a sus hospederos.
C. Evolución en patógenos
Las enfermedades causadas por bacterias son comunes, y no solo afectan humanos. De hecho, hay bacterias que son capaces de infectar diferentes especies. Ahora estudiaremos un caso experimental en el que el fenómeno evolutivo genera una adaptación favorable a las poblaciones bacterianas.
Procedimiento:
Forma equipos de trabajo siguiendo las indicaciones de tu docente.
Analicen en equipo la siguiente lectura, con apoyo de la figura.
En el decenio de 1920 se descubrió que algunas bacterias pueden formar dos clases de colonias distinguibles: S y R. Las colonias S estaban rodeadas por una capa de consistencia gelatinosa, de la cual carecían las colonias R. Esta diferencia se debía a la cápsula bacteriana. La cápsula protege a las bacterias de las defensas del hospedero, lo que explica por qué las células R, sin cápsula, no provocan infección en animales de laboratorio.
Por su gran efecto sobre la salud, las bacterias Streptococcus pneumoniae, o simplemente neumococos, causantes de neumonía, son desde hace mucho tiempo foco de atención entre los microbiólogos. En 1923, Frederick Griffith demostró que los neumococos también crecen como S o R y que sus formas son interconvertibles, es decir, en ocasiones una bacteria R podía convertirse en una bacteria S, o viceversa. Por ejemplo, Griffith observó que si inyectaba un número considerable de bacterias R a un ratón el animal casi siempre desarrollaba neumonía y producía bacterias que formaban colonias de morfología S. Por otro lado, antes se había demostrado que el neumococo se presentaba en tres tipos distintos: I, II y III, los cuales son reconocibles usando anticuerpos; además, una bacteria de un tipo nunca daba lugar a otro tipo, pero todos los neumococos podían ocurrir en las formas S o R.
En 1928, Griffith hizo un descubrimiento sorprendente cuando inyectó varias preparaciones bacterianas en un ratón. La inyección de numerosas bacterias S muertas por calor o de un pequeño número de bacterias R vivas no causó daño al ratón. Sin embargo, cuando inyectó ambas preparaciones juntas al mismo ratón, este desarrolló neumonía y murió.
Se pudieron aislar y cultivar bacterias virulentas (causantes de enfermedad) del ratón. Para ampliar sus datos, inyectó combinaciones de bacterias de diferentes tipos. De manera inicial inyectó a ocho ratones con bacterias S de tipo I muertas por calor junto con un pequeño inóculo de bacterias R de tipo II vivas. Dos de los ocho animales contrajeron neumonía y, a partir de ellos, Griffith pudo aislar y cultivar las bacterias virulentas. Sorprendentemente, estas eran bacterias S de tipo I. Puesto que era imposible que las bacterias muertas por calor volvieran a la vida, Griffith concluyó que las células muertas de tipo I habían suministrado algo a las bacterias no encapsuladas de tipo II que las transformó en la forma encapsulada de tipo I. Cuando creció en cultivo, la bacteria transformada continuó su producción de células de tipo I y en consecuencia el cambio era estable y permanente.
3. Desarrolla las interrogantes que aparecen enseguida, tomando en cuenta esto que ahora sabemos que las bacterias pueden donar parte de su ADN a otras bacterias afines.
a. ¿Cuál o cuáles de los rasgos mencionados para las poblaciones de neumococos deberían estar controlados por alelos?
b. Considerando que las bacterias viven por tiempos muy cortos, ¿qué permite que las formas R y S sean «interconvertibles»?
c. Al combinar las cepas, ¿se incrementó la biodiversidad en la población final de bacterias? ¿Por qué?
d. Considera la siguiente situación:
En una subpoblación de las bacterias patógenas ocurre una mutación que les confiere resistencia a la penicilina, pero a su vez disminuye su virulencia, volviéndolas R. Ante estas bacterias, un paciente ingiere penicilina, lo que da como resultado una nueva población de bacterias R. ¿Incrementó o disminuyó la biodiversidad de bacterias? ¿Por qué?
e. ¿Qué crees que tuvo que pasar para que los neumococos tipo II se volvieran virulentos al final del experimento?
Podemos concluir que todas las poblaciones cuentan naturalmente con cierta diversidad genética que consiste en el conjunto de alelos de sus individuos. Las proporciones de estos alelos puede variar de generación en generación por la acción de diferentes mecanismos, lo cual puede ser medido. Este fenómeno de cambio en las frecuencias alélicas se llama evolución. Nota que la evolución no significa mejora, y tampoco es sinónimo de nuevas especies. Ese fenómeno se denomina especiación y lo abordaremos más adelante.
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