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¿Por qué las longitudes de los telómeros no predicen las diferencias en la esperanza de vida entre las especies?

¿Por qué las longitudes de los telómeros no predicen las diferencias en la esperanza de vida entre las especies?


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Leemos que el envejecimiento está relacionado con la muerte celular cuando nos quedamos sin telómeros al final de nuestras moléculas de ADN. Los seres humanos viven aproximadamente durante 70 años, los tradicionales tres y diez años. Esto se compara con los grandes simios, como los chimpancés y los gorilas, que viven unos 40 años. Así que esperaríamos que los grandes simios tuvieran menos telómeros que los humanos. De hecho, ocurre lo contrario. Los seres humanos tienen telómeros de aproximadamente 10 kilobases de longitud, mientras que la longitud equivalente en los chimpancés y otros grandes simios es de aproximadamente 23 kilobases. ¿Entonces qué está pasando? ¿Por qué vivimos más?


La respuesta debería ser obvia: los telómeros no determinan la longevidad de un organismo.

Solo existe una vaga correlación entre la longitud de los telómeros y la vida útil de una especie. Véase Biología comparativa de los telómeros de mamíferos: hipótesis sobre estados ancestrales y el papel de los telómeros en la determinación de la longevidad como punto de partida. Los telómeros son parte de la historia de la longevidad, pero probablemente una parte bastante pequeña.

El límite de Hayflick generalmente se asocia con la longitud de los telómeros. Los telómeros humanos son un poco largos para las especies, pero no son extraordinarios. Muchas especies de ratones y otros roedores tienen telómeros mucho más largos que los humanos, por ejemplo, y obviamente tienen una esperanza de vida mucho más corta. También existe el "mega-telómero", que se encuentra en varias especies de aves, que puede ser cientos de veces más largo que los telómeros humanos.


No hay una causa simple del envejecimiento, como los telómeros cortos, y el hecho es que ni siquiera se ha establecido si el envejecimiento es causado por la evolución que no logra desarrollar mecanismos de reparación suficientemente buenos, o si evolucionó con un propósito, podría ser que los genes de un organismo se propagan mejor si ese organismo no vive demasiado tiempo, por ejemplo. Para obtener más detalles sobre este último debate, consulte este número anterior de Current Aging Science (todos los artículos son gratuitos).


Las plantas invasoras no nativas tienen un mayor efecto sobre los nativos vecinos que otras no nativas

La actividad humana está creando una huella global al cambiar el clima, alterar los hábitats y reorganizar la distribución de especies. El movimiento de especies alrededor del mundo ha llevado a la naturalización y acumulación de múltiples especies no nativas dentro de los ecosistemas, lo que frecuentemente se asocia con la alteración del hábitat y las condiciones ambientales cambiantes. Sin embargo, las interacciones entre especies también influirán en la composición de la comunidad, pero se sabe poco sobre la gama completa de interacciones directas e indirectas entre especies nativas y no nativas. Aquí, mostramos a través de un metanálisis de 1.215 interacciones de plantas por pares entre 274 especies de plantas vasculares en 21 tipos de hábitats principales que las interacciones entre plantas no nativas son asimétricas con interacciones entre plantas no nativas y nativas. Las plantas no nativas siempre fueron malas vecinas, pero el efecto negativo de las no nativas sobre las nativas fue aproximadamente dos veces mayor que el efecto de las no nativas sobre otras no nativas. En contraste, el rendimiento de las plantas no nativas fue cinco veces mayor en presencia de una especie de planta nativa vecina que en presencia de una especie de planta no nativa vecina. Juntos, estos resultados demuestran que las comunidades de plantas invadidas pueden acumular especies no nativas adicionales incluso si las interacciones directas entre especies no nativas son negativas. Dicho de otra manera, es más probable que las invasiones conduzcan a más invasiones, lo que requiere una gestión más activa de los ecosistemas al promover la restauración de especies nativas para socavar la retroalimentación positiva invasora y ayudar a la recuperación de especies nativas en ecosistemas invadidos.

Una segunda posibilidad, poco explorada, es que las interacciones entre especies no nativas son asimétricas con las interacciones entre especies nativas y no nativas naturalizadas. Es decir, las plantas no nativas no necesitan necesariamente tener interacciones positivas por pares con otras no nativas (requisito en la definición tradicional de fusión invasiva) para promover la propagación de otras no nativas en una comunidad 10-12. Cuando las plantas no nativas compiten con las nativas coexistentes y las no nativas, entonces la fuerza relativa de las interacciones positivas y negativas debería predecir la abundancia y presencia de vecinos coexistentes 11,13. La evidencia empírica muestra que la eliminación de una planta no nativa dominante con frecuencia conduce a la liberación competitiva de otras especies no nativas 14,15, lo que sugiere que la competencia entre no nativos es común. Por lo tanto, podemos esperar ver "resistencia biótica no nativa" en comunidades donde las interacciones negativas son más fuertes entre dos especies no nativas que entre especies no nativas y nativas (Fig. 1d) 16. Por el contrario, la fuerza de las interacciones no nativas-no nativas negativas puede ser débil en relación con las interacciones no nativas-nativas, promoviendo así indirectamente la acumulación de especies no nativas en esa comunidad sobre la retención o acumulación de especies nativas (Fig. 1e) 10,11. Alternativamente, la acumulación de especies no nativas podría surgir cuando la presencia de especies nativas mejora el rendimiento de las especies no nativas 17,18, mejorando las condiciones abióticas estresantes 19-21 o reduciendo la depredación o la herbivoría (Fig. 1f) 12.


1. La evolución molecular es un rasgo de la historia de vida de los mamíferos.

Si me da un mamífero en una caja, pero no me dice cuál es la especie, puedo adivinar muchas de sus características según el tamaño de la caja. Un mamífero en una caja pequeña probablemente tendrá una tasa metabólica alta, un tiempo de generación corto, una producción reproductiva relativamente alta y probablemente viva en poblaciones razonablemente grandes en la naturaleza. No solo eso, también puedo adivinar la tasa relativa de evolución molecular: es probable que un gen en un mamífero en una caja pequeña evolucione más rápido que el mismo gen en un mamífero más grande.

Esta escala predecible de las características de las especies con el tamaño corporal se ha denominado & # x02018fast & # x02013slow continuum & # x02019 de la historia de vida de los mamíferos [1]. En un extremo del continuo está la estrategia de muchos pequeños mamíferos para vivir rápido, morir jóvenes y tener muchos bebés (por ejemplo, ratones), en el otro extremo está la estrategia de muchos mamíferos grandes de vivir mucho tiempo, madurar tarde y tener pocos bebés. (por ejemplo, elefantes). El tamaño corporal no es un predictor perfecto de la historia de vida [2,3], y el continuo rápido y lento es una categorización demasiado simplificada de la variación de la historia de vida [4]. Pero, en general, muchas características de los mamíferos tienden a variar con el tamaño corporal.

Curiosamente, uno de los factores que escala con el tamaño corporal en los mamíferos es la tasa de evolución molecular (el número de cambios en la secuencia de nucleótidos del genoma por unidad de tiempo). ¿Por qué la tasa de evolución molecular aumentaría con el tamaño? Para responder a esta pregunta, debemos considerar muchos aspectos de la biología de los mamíferos que influyen en la evolución molecular, afectando la tasa de mutación o la tasa a la que estas mutaciones se fijan en la población.

Los biólogos a veces tratan la mutación como si fuera un proceso abiótico, lo que contribuye a una variación aleatoria a un ritmo uniforme en todo el genoma, entre individuos, entre linajes o en el tiempo. Pero la tasa de mutación por base del ADN está modulada por características biológicas del organismo. Las mutaciones puntuales surgen cuando un cambio en una secuencia de nucleótidos, causado por daño o error de replicación, se repara imperfectamente, de modo que la secuencia de bases cambia de forma permanente y hereditaria. Entonces, la tasa de mutación depende de la precisión de la replicación del ADN y la eficiencia de la reparación del ADN. Tanto la precisión de la replicación como la eficiencia de la reparación están controladas por mecanismos celulares, que pueden variar en eficiencia con el tiempo o entre especies. Por ejemplo, la tasa de mutación puede variar durante la vida de un individuo, aumentando con la edad [5] o con el mal estado [6]. La tasa de mutación también puede variar de manera heredable entre individuos o linajes y, por lo tanto, puede evolucionar [7 & # x020139]. La variación en la tasa de mutación entre las especies de mamíferos se puede estudiar directamente, por ejemplo, mediante la secuenciación directa de genomas dentro de las genealogías conocidas [10] o mediante el seguimiento de los subproductos de la reparación del ADN [11]. Pero la mayoría de las estimaciones de las tasas de mutación de los mamíferos se realizan a partir de comparaciones de secuencias de ADN homólogas de diferentes especies.

El análisis comparativo de secuencias de ADN tiene una serie de ventajas, entre las que destaca la practicidad de poder comparar las tasas de evolución molecular en la amplia gama de especies para las que se dispone de datos de secuencia [12]. El análisis comparativo también permite, hasta cierto punto, analizar las diferentes fuerzas que actúan sobre la tasa de evolución molecular, porque la tasa de mutación y la tasa de sustitución se pueden estimar por separado comparando diferentes clases de sustituciones que se espera que difieran en su exposición a selección.

Una mutación que altera la secuencia de ADN en un genoma individual se convierte en una sustitución cuando aumenta en frecuencia en la población hasta que reemplaza a todos los demás alelos alternativos. Las mutaciones neutrales que no tienen ningún efecto sobre la aptitud se pueden corregir por deriva. La velocidad a la que las mutaciones neutrales se fijan en la población depende únicamente de la tasa de mutación [13]. En los mamíferos, los cambios de nucleótidos sinónimos en las secuencias codificantes de proteínas (aquellos que no alteran la secuencia de aminoácidos de la proteína) generalmente se asume que son neutrales, por lo que la tasa de mutación se mide comúnmente estimando la tasa de sustitución sinónima. Análisis recientes han sugerido que la selección puede operar en algunos sitios sinónimos en mamíferos [14, 15], poniendo en duda esta suposición de neutralidad. Sin embargo, si los coeficientes selectivos de los sitios sinónimos son generalmente cercanos a cero, y si la mayoría de las especies de mamíferos tienen tamaños de población efectivos relativamente pequeños, entonces parece razonable suponer que la mayoría de las mutaciones sinónimas se comportarán como si fueran neutrales, de modo que las diferencias en la mutación sinónima La tasa entre especies reflejará predominantemente las diferencias en la tasa de mutación. Sería valioso investigar más a fondo las tasas y patrones de sustitución en sitios comúnmente considerados neutrales, particularmente si se comparan entre especies.

Mientras que la tasa de sustituciones neutrales depende de la tasa de mutación, la tasa de sustituciones no neutrales está determinada por la interacción entre la tasa de mutación, la selección y la deriva. Las mutaciones fuertemente deletéreas no se convertirán en sustituciones porque, por definición, tienden a no transmitirse a la descendencia exitosa, por lo que generalmente no se observarán en los análisis comparativos. Pero la velocidad a la que se fijan las mutaciones levemente perjudiciales está determinada tanto por su impacto en la aptitud como por el tamaño efectivo de la población. Las especies de mamíferos tienen poblaciones efectivas comparativamente pequeñas, por lo que los efectos de muestreo aleatorio (deriva genética) pueden abrumar la selección de mutaciones no sinónimas que son sólo levemente perjudiciales o ligeramente ventajosas [16]. Dado que las mutaciones fuertemente perjudiciales se eliminan por selección, y la fijación de alelos ventajosos se considera relativamente rara en todo el genoma, la mayoría de las sustituciones no sinónimas caerán en esta categoría & # x02018casi neutra & # x02019. Por tanto, se espera que la tasa de sustitución no sinónima aumente, en relación con la tasa de mutación, en poblaciones más pequeñas [17, 18]. Por lo tanto, la comparación de las tasas de sustitución sinónimos y no sinónimos puede decirnos algo sobre las causas de las diferencias específicas de las especies en la tasa de evolución molecular, al permitirnos distinguir los cambios en la tasa de mutación de los cambios en el tamaño de la población o la selección.

Muchos aspectos de la biología de una especie pueden influir en su tasa de evolución molecular al afectar la tasa de mutación o la tasa de sustitución. Una de las tendencias más notables en la tasa de evolución molecular es el efecto del tamaño del cuerpo en la evolución molecular de los vertebrados: las especies de cuerpos pequeños generalmente tienen tasas de evolución molecular más rápidas que sus parientes de cuerpos grandes [19]. Este patrón se ha detectado en la distancia genética total y las tasas de sustitución sinónima tanto en secuencias mitocondriales como nucleares [20, 21] y en sustituciones no sinónimas en secuencias nucleares [22]. Pero la causa de este patrón de tamaño corporal en la evolución molecular de los mamíferos sigue siendo debatida, porque existen muchos mecanismos posibles. En los mamíferos, muchos rasgos de la historia de la vida tienden a escalar con el tamaño del cuerpo, por lo que las diversas hipótesis son difíciles de desentrañar y pueden operar en conjunto para producir tasas características de evolución molecular [23].

(a) Tiempo de generación y efecto de error de copia

Una de las hipótesis más ampliamente aceptadas es que el patrón de tamaño corporal en la tasa de evolución molecular en los mamíferos está impulsado por diferencias en el tiempo de generación. Muchos estudios diferentes han proporcionado evidencia de una correlación entre el tiempo de generación y las tasas de evolución molecular para un gran número de especies de mamíferos en una amplia gama de órdenes [20, 21, 24 & # x0201326]. Este patrón es evidente cuando se comparan linajes de mamíferos muy divergentes [27], pero también se observa en comparaciones entre especies más estrechamente relacionadas [20,28].

Se asume comúnmente que la correlación observada entre las tasas moleculares y el tiempo de generación en los mamíferos se debe a que las especies con tiempos de generación más cortos copian sus genomas con más frecuencia por unidad de tiempo, acumulando así más errores de replicación del ADN. De acuerdo con esta hipótesis, se ha observado el efecto del tiempo de generación para las tasas de sustitución sinónima, que deberían reflejar la tasa de mutación, tanto en las secuencias mitocondriales como nucleares en los mamíferos [20, 22, 29]. El efecto del tiempo de generación también se ha detectado para cambios no sinónimos de secuencias nucleares [22], lo que puede ser un reflejo de la influencia de las tasas de mutación en la tasa de sustituciones casi neutrales en poblaciones pequeñas.

Pero aunque existe una clara correlación entre el tiempo de generación y la tasa de evolución molecular, la explicación de este patrón en términos de número de replicaciones del genoma es algo problemática. Las tasas claramente no se escalan linealmente con las diferencias en el tiempo de generación. Por ejemplo, los ratones pueden pasar por 50 generaciones por cada generación humana, sin embargo, sus tasas de evolución molecular son solo varias veces más rápidas [27,30]. En el otro extremo del espectro de tamaños, las ballenas barbadas tienen tasas de evolución molecular más lentas que los homínidos a pesar de tiempos de generación aproximadamente similares [31]. Si las diferencias en la tasa de mutación se debieran únicamente a diferencias en el número de generaciones por unidad de tiempo, y si todas las especies tuvieran el mismo número de copias del genoma por generación y la misma tasa de error por replicación, entonces esperaríamos una relación logarítmica lineal entre tiempo de generación y tasa de mutación, con una pendiente de aproximadamente uno (JJ Welch 2010, comunicación personal). La relación negativa entre las tasas de registro y el tiempo de generación de registros es aproximadamente lineal, pero la pendiente estimada es mucho menor que uno, habiendo sido estimada en aproximadamente & # x022120.15 [22], o entre & # x022120.34 y & # x022120. 44 [29]. Hay muchas razones posibles por las que la pendiente observada es menor que uno.

El error de medición podría influir en la confusión del efecto del tiempo de generación. Por ejemplo, puede ser que las estimaciones de la tasa de mutación, típicamente basadas en la estimación de la tasa de sustitución sinónima, subestimen sistemáticamente la tasa de mutación verdadera, o que las mediciones del tiempo de generación, generalmente basadas en la edad de la primera cría en lugar de la edad promedio en la reproducción, están significativamente sesgados. Además, las tasas moleculares se estiman de manera efectiva en todo el linaje, pero los valores de tiempo de generación se toman en los extremos de la filogenia de las especies existentes [12,29]. Si el tiempo de generación varía entre las especies existentes, entonces debe haber cambiado a lo largo de al menos algunos linajes, por lo que el valor en las puntas no representa el tiempo de generación en todos los puntos del linaje [32]. Sin embargo, parece más probable que estos sesgos de medición agreguen imprecisión a la detección de una relación entre el tiempo de generación y las tasas en lugar de tener un efecto amortiguador sistemático.

Una explicación alternativa es que la ausencia de una escala simple entre la tasa de evolución molecular y la duración de la generación puede deberse a una serie de factores de complicación que debilitan la conexión entre la duración de la generación de las especies y el número de copias de ADN por unidad de tiempo. Un factor de complicación es que el número de divisiones de células de la línea germinal por generación varía entre las especies de mamíferos. Por ejemplo, se ha estimado que hay un promedio de 31 generaciones de células en la línea germinal femenina humana, en comparación con solo 25 en ratones [33], por lo que debería haber más oportunidades de que ocurran errores de copia por generación en humanos que en ratones. Las diferencias para la línea germinal masculina son más sorprendentes: 401 en humanos a 62 en ratones. Esto actúa para amortiguar la diferencia entre estas especies en el número esperado de copias de ADN de la línea germinal por año: si los ratones y los humanos tuvieran la misma tasa de error de copia por replicación, entonces esperaríamos alrededor de siete veces más mutaciones de error de copia por año en ratones que en humanos en la línea germinal masculina (la diferencia es mucho mayor para la línea germinal femenina, pero se espera que la mayoría de las mutaciones de la línea germinal en mamíferos ocurran en machos [34]). Pero esto es aún mayor que las estimaciones típicas de la diferencia en la tasa de sustitución de sinónimos entre roedores y primates, por lo que no explica por qué el efecto del tiempo de generación es de una magnitud mucho menor de lo esperado sobre la base de un efecto de error de copia solo.

Aunque no proporciona una explicación completa del efecto del tiempo de generación en los mamíferos, el efecto del error de copia influye en la evolución molecular de los mamíferos de otras formas, más notablemente el impacto de la & # x02018 evolución impulsada por el hombre & # x02019 [34 & # x0201336]. La diferencia en el número de copias de la línea germinal entre machos y hembras surge de la forma en que se producen los gametos: en los mamíferos, los óvulos se producen temprano en el desarrollo mediante divisiones simétricas (cada célula de la línea germinal se divide para producir dos células de la línea germinal más) mientras que los espermatozoides se producen a lo largo de la vida adulta. por divisiones asimétricas (cada célula de la línea germinal da lugar a una célula productora de gametos y una célula de la línea germinal que luego se dividirá nuevamente: ver [37]). Las células de la línea germinal masculina se dividen una y otra vez para seguir produciendo una gran cantidad de espermatozoides, por lo que el número promedio de divisiones celulares para producir gametos es mucho mayor que en las mujeres y aumenta con la edad de los hombres. Debido a esto, el potencial de mutación debido a errores de copia es mucho mayor en la línea germinal de los machos que en las hembras. Los estudios comparativos han demostrado que las secuencias de ADN que pasan más tiempo en los hombres (como las del cromosoma Y) tienen una tasa de mutación más alta que las que pasan más tiempo en las mujeres (como los cromosomas X) [34].

Además de los efectos de copia con sesgo sexual en el genoma nuclear, el número de copias por generación difiere entre las secuencias mitocondriales y nucleares. Se espera que las secuencias nucleares se copien una vez por generación celular, pero es probable que las secuencias mitocondriales se copien más de una vez por generación celular, y el número de replicaciones dependerá en cierto grado de la actividad de la célula. De acuerdo con un efecto de error de copia, los genomas mitocondriales en mamíferos tienen tasas de mutación más altas que el genoma nuclear. Esto puede deberse a que las mitocondrias, copiadas varias veces por división celular (y con menor fidelidad de replicación), acumulan más errores de copia por generación que el genoma nuclear. Sin embargo, el efecto de error de copia puede no influir en la evolución molecular mitocondrial en la misma medida que la nuclear si operan mecanismos adicionales, particularmente en la división celular, para purgar las mitocondrias con una alta carga mutacional [38], reduciendo la tasa general de mutación de la línea germinal por generación. También es poco probable que las secuencias mitocondriales estén sujetas a la evolución impulsada por los machos en los mamíferos, ya que las mitocondrias de los espermatozoides suelen descartarse del cigoto fertilizado [39]. Existen otras posibles explicaciones de la alta tasa de mutación en las mitocondrias, como un mayor daño por subproductos metabólicos o una menor eficiencia de la reparación del ADN.

Entonces, si bien el tiempo de generación se correlaciona con las tasas de sustitución en los mamíferos, no proporciona un factor de escala simple para las tasas de evolución molecular. Puede ser que factores adicionales moderen la diferencia en el número de errores de copia de ADN por unidad de tiempo: por ejemplo, si el número de divisiones de células de la línea germinal por unidad de tiempo está influenciado por la duración de la generación, o si las tasas de error de copia están determinadas por la historia de vida ( vea abajo). O puede ser que el efecto de copia de ADN no sea la única o principal causa del efecto de tiempo de generación, que en cambio puede ser un reflejo de algún otro factor causal que escala con el tiempo de generación. Por ejemplo, se ha informado de un efecto del tiempo de generación para las secuencias mitocondriales en mamíferos [20], pero análisis posteriores sugieren que esta asociación se debe a la covariación entre el tiempo de generación y la longevidad [22,29].

(b) Daño del ADN derivado del metabolismo o la energía ambiental.

Una explicación alternativa del efecto del tamaño corporal en las tasas de evolución molecular es que los mamíferos más pequeños tienen tasas metabólicas específicas de masa más altas. Esto significa que cada célula de un mamífero de cuerpo pequeño produce más subproductos del metabolismo, lo que podría generar mayores tasas de mutación a través del daño del ADN. El apoyo a esta hipótesis se ha extraído de una serie de observaciones. En primer lugar, los animales endotérmicos y de sangre caliente que utilizan el metabolismo para mantener una temperatura corporal constante (aves y mamíferos) tienen tasas absolutas de evolución molecular más altas que los vertebrados poiquiotérmicos, como reptiles y peces, con temperaturas corporales determinadas por el medio ambiente [19, 40,41]. En segundo lugar, las comparaciones entre algunas especies de mamíferos han indicado que aquellas con tasas metabólicas específicas de masa más altas tienen tasas más altas de reparación del ADN, lo que se interpreta como un signo de mayores tasas de daño oxidativo en su ADN [11,42,43]. En tercer lugar, la tasa mucho más alta de mutación en las mitocondrias en comparación con el genoma nuclear se ha atribuido, al menos en parte, a que el genoma mitocondrial se encuentra en el sitio de la fosforilación oxidativa, además de estar relativamente desprotegido, en comparación con el genoma nuclear [41 ]. En cuarto lugar, se ha considerado que la disminución de la función mitocondrial con la edad es una consecuencia del daño metabólico acumulativo [44].

Algunos estudios comparativos han utilizado una correlación entre el tamaño corporal y la tasa de evolución molecular como evidencia a favor de la hipótesis de la tasa metabólica [45]. Pero dado que muchos rasgos de la historia de la vida escalan con el tamaño corporal en los mamíferos, la correlación entre el tamaño y las tasas de sustitución no puede, por sí misma, considerarse evidencia de un papel causal de los subproductos del metabolismo en la tasa de evolución molecular de los mamíferos. De hecho, los estudios que han comparado específicamente el poder explicativo de la tasa metabólica con el tamaño corporal u otros rasgos de la historia de vida en mamíferos no han encontrado ningún papel significativo de la tasa metabólica como factor de variación en la tasa de evolución molecular, más allá de su covariación con otras formas de vida. -Características de la historia [20,28,46]. Esto no niega la hipótesis del envejecimiento mitocondrial en general: la descomposición de las macromoléculas mitocondriales con actividad acumulada (y, por lo tanto, la edad) ha sido bien documentada. Pero actualmente hay una falta de evidencia convincente de que la tasa metabólica específica de la masa sea un factor clave de la variación específica del linaje en la tasa de evolución molecular en los mamíferos.

Una idea relacionada con la hipótesis de la tasa metabólica es que la energía ambiental influye en la tasa de mutación [47]. Esta hipótesis ha sido promovida por Rohde [48,49], quien sugirió que temperaturas más altas y niveles más altos de radiación solar podrían tener un efecto mutagénico directo sobre el ADN, y que esto aceleraría la tasa de acumulación de diferencias genéticas entre poblaciones, acelerando la especiación. . Rohde también sugirió un vínculo indirecto entre el clima y la tasa de evolución molecular: temperaturas más altas podrían conducir a generaciones más cortas, lo que podría aumentar la tasa de sustitución a través de la selección (también se esperaría que las generaciones más cortas conduzcan directamente a una mayor tasa de mutación [50]). La acción directa del clima sobre las tasas de mutación, o el efecto indirecto a través de las tasas de crecimiento elevadas, es más plausible para los productores primarios [51], pero se ha planteado la hipótesis de que tiene efectos & # x02018knock-on & # x02019 en los consumidores, incluidos los mamíferos [49,52 ]. Un gran estudio de parejas de especies de mamíferos que difieren en sus rangos geográficos encontró tasas de sustitución más altas en el gen del citocromo b de especies en latitudes o altitudes más bajas [52]. La causa de la relación no está clara: este estudio no estimó la tasa de sinónimos, lo que permitiría detectar los efectos de la tasa de mutación, y no hubo diferencias significativas en la proporción de cambios no sinónimos y sinónimos (dnorte/DS) en todo el conjunto de datos, lo que se esperaría si el patrón se debiera a la selección o la reducción del tamaño de la población. Para aclarar tanto la generalidad como la causa de este patrón, se debe investigar más a fondo el efecto del clima o la distribución en las tasas de evolución molecular en los mamíferos.

Además de la posibilidad de un impacto directo del clima en la tasa de mutación, podría haber causas indirectas de la relación entre la latitud o altitud y las tasas de evolución molecular. Por ejemplo, el tamaño corporal en los mamíferos varía con la latitud [53, 54], por lo que, dado que las tasas de evolución molecular se escalan con el tamaño corporal en los mamíferos, esto podría causar un patrón indirecto en las tasas moleculares con la latitud (aunque Gillman et al. [52] encontraron que el tamaño del cuerpo no explicaba el patrón en su conjunto de datos). De manera similar, si la tasa de diversificación está vinculada a la tasa de evolución molecular (ver más abajo), entonces las tasas de evolución molecular podrían mostrar un gradiente latitudinal, ya que se ha demostrado que las tasas de diversificación aumentan con la latitud decreciente en algunos taxones [55]. Esta área merece más investigación, preferiblemente con un gran conjunto de datos que permita una estimación precisa de las tasas de sustitución sinónimos y no sinónimos.

(c) El tamaño del cuerpo, la longevidad y el papel de la selección en la configuración de las tasas de evolución molecular.

La correlación entre el tamaño corporal y la tasa de evolución molecular en los mamíferos se ha interpretado típicamente como un efecto indirecto de la covariación del tamaño con otros rasgos del ciclo de vida que se cree que influyen en la tasa de evolución molecular, como el tiempo de generación o la tasa metabólica. Sin embargo, es posible que el propio tamaño corporal influya en las tasas de mutación, al otorgarle importancia a la reducción de la mutación tanto en las células somáticas como en las de la línea germinal. Para examinar esta posibilidad, debemos considerar el posible papel de la selección en la configuración de las diferencias en la tasa de mutación entre especies.

En los microbios asexuales, las tasas de mutación pueden definirse claramente por selección. En una población sometida a una fuerte presión selectiva, una mutación que aumenta la tasa de mutación puede generar nuevos rasgos que se seleccionan, promoviendo indirectamente el alelo & # x02018mutator & # x02019 ligado [56]. Sin embargo, parece poco probable que los beneficios de aptitud de la mutación ventajosa ocasional jueguen un papel significativo en la evolución de las tasas de mutación en los mamíferos, porque el pequeño tamaño de su población hace que las mutaciones ventajosas sean raras y cualquier alelo mutante se desvinculará de las mutaciones beneficiosas que generan a través de la reproducción sexual. [7]. Parece más probable que la evolución de las tasas de mutación en los mamíferos se deba principalmente a los costos competitivos de la mutación y la reparación. La mutación impone un costo significativo a los mamíferos en términos de reducción de la aptitud, ya sea al causar daño somático al individuo o al producir descendencia con mutaciones dañinas [57]. La reparación del ADN, ya sea por daños incidentales o errores de copia, debe imponer un costo en términos de recursos utilizados que de otro modo podrían haberse destinado al crecimiento u otras funciones. Por lo tanto, la selección puede actuar sobre el equilibrio entre el costo de reparación y el costo de la mutación, y el equilibrio óptimo puede diferir entre especies dependiendo de los costos relativos.

Los costos relativos de mutación y reparación pueden variar con el ciclo de vida de los mamíferos. Un mamífero de cuerpo grande debe producir más células durante su vida que un mamífero más pequeño, lo que significa que debe producir más copias del genoma por generación. Entonces, para el mismo nivel de fidelidad de replicación del ADN, se esperaría que un animal de cuerpo grande acumulara más errores de copia de ADN, tanto en la línea germinal como en las células somáticas. Además de la mayor oportunidad de errores de replicación, un mamífero grande tiene más copias del genoma en su cuerpo que deben mantenerse contra el daño del ADN. Una mutación en una célula somática, adquirida ya sea por daño o por error de replicación, podría conducir a falla celular o, mucho peor, a la formación de una célula tumoral que se replica a expensas del organismo [58]. En resumen, el tamaño grande brinda más oportunidades para que las cosas salgan mal: más generaciones de células que crean oportunidades para errores de replicación del ADN y más células que son blanco de mutaciones incidentales debido a daños. Por lo tanto, para lograr la misma posibilidad de mutaciones dañinas de por vida que un organismo de cuerpo pequeño, los organismos de cuerpo grande deben tener una tasa de mutación por genoma más baja, pagada por una mayor inversión en la reparación del ADN [59].

De acuerdo con esta hipótesis, los mamíferos de cuerpo grande y longevos parecen tener adaptaciones para mantener más copias del genoma durante una vida útil más larga. Existe alguna evidencia de que los mamíferos de gran tamaño pueden tener mecanismos más efectivos para suprimir la formación de tumores, como una reducción en la actividad de la telomerasa. La actividad de la telomerasa repara los telómeros erosionados por las divisiones celulares: sin ella, las células sufren senescencia replicativa de modo que no pueden dividirse indefinidamente. Se ha demostrado que la actividad de la telomerasa disminuye con el aumento del tamaño corporal en los roedores, de acuerdo con la predicción de que los animales más grandes deberían invertir más en la prevención de cánceres [60]. Las especies de vida más larga también pueden reducir el daño debido al metabolismo al producir menos especies reactivas de oxígeno (ROS) que las especies de vida más corta [61]. Por ejemplo, los murciélagos tienen una esperanza de vida inusualmente larga para el tamaño de su cuerpo, y al menos algunas especies parecen sufrir menos daño por ROS [62]. Además, se ha descubierto que las mediciones de los subproductos de la reparación por escisión del ADN son más bajas en algunos mamíferos de larga duración y cuerpo grande que en los mamíferos más pequeños [11,42]. Pero si bien hay evidencia de que los mamíferos más grandes y de vida más larga sufren relativamente menos daño en el ADN, está menos claro el papel que desempeñan las tasas variables de reparación del ADN en este patrón. Las tasas de reparación del ADN varían entre las especies de mamíferos, al menos a gran escala: por ejemplo, las ratas y los ratones carecen de algunos de los mecanismos de reparación por escisión que se encuentran en los primates. Pero actualmente no se conoce hasta qué punto las tasas de reparación se ajustan en diferentes especies en respuesta a los diferentes costos de mutación y reparación.

Si bien las tasas de reparación del ADN son difíciles de comparar directamente entre especies, los análisis comparativos han revelado patrones específicos de especies de tasas de mutación mitocondrial que proporcionan evidencia indirecta de la influencia de la selección en las tasas de mutación. Existe una creciente evidencia de que las tasas de mutación mitocondrial están correlacionadas con la longevidad [22,29]. El genoma mitocondrial es más vulnerable al daño del ADN relacionado con el metabolismo que el genoma nuclear, porque está ubicado en el sitio de fosforilación oxidativa y carece de las estructuras protectoras del genoma nuclear [41]. Las tasas de sustitución de sinónimos en las secuencias mitocondriales se correlacionan significativamente con la longevidad en los mamíferos, y la longevidad proporciona un poder explicativo mucho mayor para la variación en las tasas de sinónimos mitocondriales que el tamaño corporal o el tiempo de generación [22,29]. Si bien la longevidad escala con la tasa de evolución molecular en el genoma nuclear, esta relación no es significativa cuando se tienen en cuenta otros factores de la historia de vida, en particular el tiempo de generación y la fecundidad [22]. Este patrón es consistente con la evolución de los mecanismos que reducen la tasa de mutación en las mitocondrias para mantener la función durante una vida útil más larga. Sin embargo, se desconoce el mecanismo de esta hipotética reducción.

(d) Fecundidad y tasa de evolución molecular en mamíferos: un patrón en busca de una explicación

La asociación observada entre la fecundidad (número promedio de descendientes por año) y las tasas de evolución molecular en las secuencias nucleares de los mamíferos sigue sin explicarse. Welch et al. [22] encontró que la fecundidad estaba fuertemente correlacionada positivamente con las tasas de sinónimos y no sinónimos para seis genes nucleares, más allá de su correlación con el tamaño corporal, el tiempo de generación y la vida útil máxima. Una posible explicación para este patrón es que el número de copias del genoma por generación escala con la fecundidad, generando así más oportunidades para mutaciones de error de copia en especies con mayor fecundidad.

Britten [63] sugirió que el número de gametos producidos por generación podría influir en la tasa de evolución molecular. Esta predicción no ha sido ampliamente probada, aunque se ha demostrado que los himenópteros sociales tienen una mayor tasa de evolución molecular que sus parientes no sociales, posiblemente debido al aumento masivo de la producción de gametos en las reinas sociales [64]. En los mamíferos, la producción de gametos femeninos parece poco probable que tenga un gran impacto en las tasas de evolución molecular específicas de la especie, ya que las hembras de mamíferos producen un exceso de óvulos por división simétrica antes del inicio de la reproducción. Pero si la fecundidad escala con el número promedio de generaciones de células en la producción de esperma, entonces es posible que el efecto de fecundidad sea una medida indirecta del número de gametos masculinos producidos por año en especies con poliandria, o donde los padres mayores contribuyen de manera desproporcionada a la producción de espermatozoides. grupo de descendencia. Por ejemplo, recientemente se ha demostrado experimentalmente que la poliandria conduce a la evolución de una mayor producción de esperma en ratones y a un mayor éxito de fertilización en múltiples apareamientos [65]. Sin embargo, no está claro si habría una relación más general entre la fecundidad y un mayor número promedio de generaciones de células en los espermatozoides de los mamíferos, en comparación con muchas especies.

Alternativamente, la asociación entre fecundidad y tasa de mutación puede surgir como consecuencia de la variación en la inversión de los padres. & # x02018Lento & # x02019 Las historias de vida de los mamíferos se caracterizan típicamente por tener menos descendencia durante toda la vida, pero invierten más recursos por descendencia para aumentar la probabilidad media de supervivencia de cada descendencia, intercambiando así la cantidad de descendencia por la calidad [66,67] . La inversión de los padres generalmente incluye protección y aprovisionamiento, pero ¿podría la inversión en la descendencia también extenderse a la reparación del ADN? La tasa de mutación reducida a través de una mayor inversión en la fidelidad y reparación de la replicación del ADN reduciría la posibilidad de producir descendencia de baja aptitud debido a mutaciones deletéreas de novo. El beneficio relativo de la reducción de la tasa de mutación puede ser mayor para un mamífero de baja fecundidad.

La correlación entre la fecundidad y la tasa de evolución molecular en los mamíferos podría ser el resultado indirecto de la correlación con otros rasgos de la historia de vida que escalan con la tasa de sustitución. Por ejemplo, el tamaño más grande de la camada en los mamíferos se ha asociado con tasas de diversificación más altas [68,69]. Se ha sugerido que las tasas de evolución molecular en los mamíferos están relacionadas con la diversificación [52], aunque un estudio reciente no pudo encontrar evidencia de este vínculo para las secuencias mitocondriales o nucleares [70]. En la actualidad, existe una falta de información para distinguir las posibles causas del vínculo entre la fecundidad y las tasas de evolución molecular, y existe una clara necesidad de estudios que contrasten las explicaciones selectivas (inversión de los padres) con las causas mecanicistas (efecto de error de copia), teniendo en cuenta las posibles causas indirectas (como la tasa de diversificación).


Discusión

Todas las teorías de la evolución molecular incluyen al menos dos componentes principales: el tamaño efectivo de la población, nortemi y la distribución de los efectos de aptitud de las mutaciones (DFE). Ambos son cantidades complejas y abstractas y, en última instancia, ambos son un reflejo de las propiedades biológicas de los organismos y de sus historias evolutivas. El impacto de nortemi sobre la diversidad genética está ahora bastante bien establecido y aceptado. El interés en el efecto del DFE sobre la diversidad genética es más reciente y su impacto es menos conocido. Aquí, utilizando datos de polimorfismos de todo el genoma de 62 especies de animales y plantas, aclaramos la relación entre la diversidad genética y nortemi, DFE y rasgos de historia de vida, revelando diferencias entre plantas y dando más apoyo a la teoría casi neutral. A continuación, discutimos las limitaciones e implicaciones de estos principales resultados.

Genómica comparativa de conjuntos de datos existentes

En contraste con Romiguier et al. (2014) y Galtier (2016) que generaron conjuntos de datos RNASeq completamente nuevos para sus análisis de genómica comparativa, pero como Corbett-Detig et al. (2015), el presente estudio se basa en conjuntos de datos ya existentes. Esto ciertamente implica una mayor heterogeneidad en los datos que en los conjuntos de datos de novo, con variación en el tamaño de la muestra, la distribución geográfica de la muestra y la calidad de los datos genómicos. Por lo tanto, verificamos cuidadosamente la calidad de los conjuntos de datos y filtramos los de baja calidad (consulte el texto complementario del SI, Material complementario en línea). En general, nuestras estimaciones coincidieron con las anteriores (Romiguier et al. 2014) y no encontramos efectos significativos del tamaño de la muestra, el número de genes, la profundidad de lectura, la calidad del genotipo y el software de llamada de SNP sobre los parámetros estimados. Por lo tanto, parece que los conjuntos de datos de resecuenciación existentes se pueden utilizar para estudios comparativos, siempre que la calidad de los datos se verifique de forma preliminar.

Diversidad genética en plantas y animales: la importancia de los rasgos del ciclo de vida

Tanto en animales como en plantas, la longevidad tuvo un impacto importante en la diversidad genética: los organismos con una vida útil prolongada tienden a tener una menor diversidad genética. Sin embargo, la forma en que la longevidad afecta la diversidad genética puede variar entre especies. En los animales, el efecto de la longevidad se asoció con el tamaño del propágulo (Romiguier et al.2014), que en sí mismo refleja un compromiso entre la cantidad y la calidad de la descendencia: r-los estrategas producen una gran cantidad de descendencia de menor calidad, mientras que K-los estrategas producen pocos de alta calidad. Usando derivaciones analíticas, Romiguier et al. (2014) propuso que r-los estrategas tienen mayor a largo plazo nortemi que K-estrategas. Una hipótesis es que el tamaño de la población se recupera más rápidamente después de las perturbaciones ambientales en r- que en K-estrategas. Directamente, el modelo también predice que las especies de vida corta se recuperan más rápidamente que las de vida larga (efecto de tiempo de generación). Este modelo simple podría explicar así el fuerte efecto de la longevidad tanto en plantas como en animales. Otra hipótesis no exclusiva es que, condicionado a noextinción, rLos estrategas deben mantener, en promedio, tamaños de población más grandes. Por ejemplo, r-Los estrategas podrían ser más sensibles a los efectos de Allee y solo pueden evitar la extinción si se mantienen en alta densidad, promoviendo así una alta diversidad (Roques et al. 2012). En las plantas, no está claro cuál sería el equivalente al tamaño de un propágulo. La masa de semillas puede venir a la mente, pero, al menos en nuestro conjunto de datos, no está correlacionada con la diversidad de nucleótidos. Una propuesta equivalente a la r y K-strategists in plants es las estrategias ruderales, competitivas y tolerantes al estrés de Grime (RCS) (Grime 1977). La perenneidad está asociada con la C estrategia, pero no es suficiente para caracterizarla (Muñoz et al. 2016). Entonces, un esquema interpretativo similar al r-K El gradiente en animales también podría funcionar en plantas, pero sería necesaria una mejor caracterización de las estrategias ecológicas de las plantas, lo que no estaba disponible para todas las especies incluidas en el presente estudio.

El sistema de apareamiento también tuvo un fuerte efecto sobre la diversidad de nucleótidos en las plantas (fig. 1D). En los animales, no podemos comparar los cruces externos y las especies autofertilizantes como C. briggsae pertenecía a este último, pero no hay razón para creer que los resultados hubieran sido diferentes. Selfing está fuertemente asociado con el r-estrategia (Muñoz et al. 2016) y la mayoría de los selfers son anuales. De acuerdo con el razonamiento descrito anteriormente, las especies autóctonas deben exhibir un alto nivel de diversidad. Sin embargo, la autofecundación se asocia con una baja diversidad. Es probable que la fuerte disminución de la diversidad en las especies autofertilizantes se deba en parte a la selección vinculada (Glémin y Galtier 2012). Un estudio reciente ha demostrado que la selección vinculada afecta la diversidad genética (Corbett-Detig et al. 2015), pero un nuevo análisis sugirió que las especies autofertilizantes son las únicas en las que la selección vinculada podría desempeñar un papel importante en la reducción de la diversidad de nucleótidos en la medida necesaria para explicar la estrecha gama de diversidades observadas entre especies (Coop 2016). Además, las especies autóctonas no sufren el efecto Allee y, por lo tanto, pueden experimentar cuellos de botella fuertes y recurrentes sin poner en peligro la supervivencia de la población, lo que también puede contribuir a la baja diversidad observada en las autóctonas.

Π 0 / π 4 es estable dentro de las especies pero variable entre ellas

Evaluamos cómo la eficacia de la selección purificadora varía entre especies usando π 0 / π 4 ⁠. Se ha cuestionado la utilidad de π 0 / π 4 como medida de la eficacia de selección dentro de las especies porque es sensible a las condiciones de no equilibrio (Gordo y Dionisio 2005 Brandvain y Wright 2016 Gravel 2016): por ejemplo, después de un cuello de botella, π0 alcanzará su valor de equilibrio mucho más rápido que π4. Sin embargo, como sugieren nuestros resultados, este no es un problema importante para los estudios comparativos a gran escala, ya que los efectos demográficos parecen jugar un papel menor en las comparaciones entre especies que en la comparación entre poblaciones dentro de las especies. Las limitadas diferencias en π 0 / π 4 entre especies silvestres y sus contrapartes domesticadas o entre poblaciones dentro de especies donde hay buena evidencia de que algunas de las poblaciones experimentaron graves cuellos de botella y otras desviaciones importantes del equilibrio sugieren que es poco probable que las condiciones de no equilibrio oscurezcan el equilibrio. diferencias más profundas en la eficacia de selección entre especies resultantes de la variación en otros factores, como LHT y DFE. De hecho, parece justo decir que π 0 / π 4 aparece como una cantidad sorprendentemente estable para una especie determinada o incluso para un grupo de especies estrechamente relacionadas.

La teoría casi neutral se sostiene globalmente

Como se esperaba de la teoría casi neutral, π 0 / π 4 disminuyó linealmente a medida que la diversidad genética neutra aumentaba en una escala logarítmica. Esto es cierto cuando se consideran plantas y animales juntos una vez que se ha recalibrado el polimorfismo con la tasa de mutación. Cuando las plantas y los animales se consideran por separado, la pendiente es más fuerte para los animales que para las plantas. Esta diferencia se debe principalmente a los insectos en los animales y los árboles en las plantas. De hecho, las especies arbóreas ocupan un lugar singular entre las plantas, en el π 0 / π 4 sobre π4 parcela con alto π 0 / π 4 e intermedio π4 ( Fig. 3). Harrang y col. (2013) observaron una relación lineal entre πnorte y πS (su fig.3) pero también notó que las ostras se apartaron de otros animales: como los árboles en nuestro estudio, las ostras tienden a tener altos πnorte valores relativos a πS. Sin embargo, no se apartaron de otras especies cuando πnorte se trazó contra la heterocigosidad de proteínas, H. Harrang y col. (2013) señalaron que los invertebrados marinos eran biológicamente similares a los árboles: son abundantes, relativamente longevos y muy fecundos. Luego propusieron que su observación podría explicarse por una variación muy grande en el éxito reproductivo, unos pocos individuos contribuían con la mayor parte de la descendencia de la próxima generación. Este modelo demográfico ya había sido evocado para explicar los diminutos tamaños de población efectivos generalmente observados en muchos organismos marinos que se sabe que tienen tamaños de población extremadamente grandes (éxito reproductivo del sorteo). Harrang y col. (2013) especularon que en tales poblaciones, las mutaciones deletéreas podrían permanecer polimórficas durante períodos más largos a medida que avanzan rápidamente hacia una alta frecuencia si tienen la suerte de ser portadas por uno de los pocos individuos reproductores. Aunque tal modelo podría tener algún mérito en algunas especies de árboles (por ejemplo, Populus tremula), es poco probable que sea relevante en otros que tienen tamaños de población mucho más limitados (por ejemplo, Populus euphratica o P. pruinosa). En nuestro caso, sin embargo, la posición peculiar de los árboles parece haber sido causada principalmente por sus tasas de mutación comparativamente altas: una vez que las estimaciones de diversidad de nucleótidos fueron reescaladas por la tasa de mutación, los árboles perdieron su singularidad y los animales y plantas ahora están en la misma regresión general. línea: por lo tanto, parece que las tasas de mutación más altas en los árboles serían suficientes para explicar la aparente discrepancia entre ellos y otras especies de plantas. Usamos estimaciones de las tasas de mutación tomadas de la literatura y las que son de diferente naturaleza y calidad según la especie. Observamos que, incluso en especies como los humanos, en las que se dispone de estimaciones de la tasa de mutación (por pb y por año) basadas en el pedigrí y en la filogenia, todavía existe una gran incertidumbre sobre qué valor se debe utilizar en estudios como el nuestro. En los seres humanos, las estimaciones basadas en la filogenia son dos veces más grandes que las estimaciones basadas en los pedigríes (⁠ 10 - 9 y 0.5 × 10 - 9 ⁠, respectivamente) mientras que, curiosamente, se observa una tendencia opuesta en otros organismos donde ambos tipos de estimaciones están disponibles ( Moorjani et al.2016). Como argumentan Moorjani et al. (2016) muchos factores influyen en las estimaciones de la tasa de mutación y muchos pasos están involucrados en la conversión de las estimaciones de la tasa de mutación de los estudios genealógicos en tasas de sustitución anuales. Por lo tanto, la variación en las tasas de mutación puede dar lugar a algunas de las variaciones que todavía se observan en torno a la regresión de π 0 / π 4 en π4 después de reescalar por la tasa de mutación.

Ambos nortemi y materia DFE para la eficacia de la selección purificadora

Otro factor importante que afecta a π 0 / π 4 es el DFE: tanto en plantas como en animales hay un fuerte efecto del DFE sobre π 0 / π 4 ⁠: especies como Drosophila con un DFE con valores altos de β arrojó estimaciones más bajas de π 0 / π 4 ⁠. Que el DFE debe estar relacionado con la relación entre π 0 / π 4 y π4 no debería ser una sorpresa ya que el DFE en sí mismo captura el efecto de cantidades que pueden tener un impacto en el nivel y la naturaleza de la diversidad genética: el panorama de aptitud y, por lo tanto, la arquitectura genómica de la especie (complejidad, pleiotropía), el proceso de cambios ambientales y nortemi (Lourenço et al. 2013). De hecho, tanto Lourenço et al. (2013) y Huber et al. (2016) mostró que Fisher Geometric Model proporciona un buen marco para comprender las diferencias entre especies en DFE. Nuestros resultados apuntan claramente a la variación en DFE entre especies. Sin embargo, no permiten determinar las causas subyacentes de estas variaciones. Relacionar las propiedades del DFE a través de un modelo de paisaje de adecuación a la biología y ecología de las especies sigue siendo un objetivo muy desafiante pero deseable.

Hay algunas advertencias que se deben tener en cuenta al interpretar estimaciones de la forma y la media del DFE. Primero, son simplemente difíciles de estimar y generalmente se asume una cierta distribución, aquí una distribución gamma, al estimarlos. En algunos casos, otras distribuciones pueden funcionar también (Kousathanas y Keightley 2013) y se ha demostrado que las conclusiones cuantitativas sobre el proceso evolutivo, por ejemplo, sobre la forma de la relación entre π 0 / π 4 y π4, dependen de la distribución supuesta (Welch et al. 2008 Tachida 1996). En segundo lugar, en el presente estudio, solo estimamos el DFE para mutaciones deletéreas, y no el DFE para mutaciones tanto deletéreas como positivas. Ignorar las mutaciones positivas sesga el tamaño de las mutaciones efectivamente neutrales, ya que las mutaciones seleccionadas positivamente ahora se agregarán a la categoría de mutaciones efectivamente neutrales y especies con diferentes nortemi se verá afectado de manera diferente. Especies con pequeño nortemi deben estar lejos de su aptitud óptima y las mutaciones positivas serán proporcionalmente más frecuentes que en especies con grandes nortemi. Por el contrario, las especies con grandes nortemi se espera que estén cerca de su aptitud óptima y, por lo tanto, es más probable que las mutaciones sean perjudiciales (por ejemplo, la figura 7 en Lourenço et al. 2013). Entonces, el relativamente bajo β valor observado en, por ejemplo, Populus podría sugerir que Populus no purga mutaciones levemente deletéreas tan eficientemente como Drosophila pero también podría indicar que las especies de álamo están más lejos de su aptitud óptima que las especies de moscas. Aunque es probable que ambas hipótesis sean parcialmente ciertas, solo las estimaciones del DFE completo podrán diferenciar estas dos posibilidades y, a este respecto, el desarrollo reciente de métodos estadísticos para hacerlo a partir de datos de polimorfismo es alentador (Tataru et al.2016 ). Teniendo en cuenta estas advertencias, primero notamos que nuestras estimaciones están en línea con las reportadas en la literatura para las especies donde las estimaciones están disponibles (por ejemplo, Kousathanas y Keightley 2013). El rango de β los valores entre especies es bastante limitado y aparte de A. thaliana, D. melanogaster, y pepino, existe una variación bastante limitada entre las poblaciones de la misma especie en las estimaciones de β. Por lo tanto, dado que las poblaciones dentro de las especies tienen historias diferentes, parece que el DFE no es demasiado sensible a los cambios en la selección o la demografía que ocurren en esa escala de tiempo. Del mismo modo, y de acuerdo con el trabajo teórico, la “parte negativa” del DFE no parece verse demasiado afectada por el tamaño efectivo de la población (Lourenço et al. 2013). Por lo tanto, una encuesta de múltiples especies llega a una conclusión algo diferente a la que se alcanzó al comparar poblaciones humanas que llevó a los autores a enfatizar la sensibilidad de π 0 / π 4 a los detalles de las historias de poblaciones (ver Brandvain y Wright 2016 y las referencias allí). Visto a una escala evolutiva mayor, π 0 / π 4 aparece como una caracterización bastante estable de las especies. Esto no excluye la variación entre diferentes clases de genes, como sugiere el trabajo en el reloj de arena transcriptómico (Gossmann et al. 2016), una vía de investigación que queda por explorar.


INFORMACIÓN DE SOPORTE

Se puede encontrar información adicional de respaldo en la versión en línea de este artículo en el sitio web del editor.

Apéndice S1. Texto, tablas y figuras adicionales.

A. ¿Datos de la naturaleza o datos del cautiverio?

B. El vínculo entre la supervivencia de los becerros a la sequía y la edad de la matriarca en los elefantes Tsavo, reanalizado.

C. Comparación entre las historias de vida de los grandes simios, centrándose en los elementos que apoyan el efecto abuela en los chimpancés. D. Posibles adiciones a la lista.

E. Referencias complementarias.

Figura S1. Mortalidad anual estimada por edad en tres grandes simios en cautiverio y en la naturaleza, que muestra la vida útil prolongada en cautiverio de las hembras en relación con los machos en los chimpancés y otras especies de simios en cautiverio. Ese patrón es mucho menos obvio a partir de los datos en la naturaleza. Símbolos grises: datos femeninos. Símbolos negros: datos masculinos. Línea en negrita: modelo ajustado de mortalidad de cinco parámetros. Línea vertical: vida útil estimada.

Cuadro S1. Comparación entre las historias de vida de los grandes simios. La principal característica de la historia de vida que apunta a los efectos de la abuela en el chimpancé (y posiblemente en el bonobo), pero no en el orangután y el gorila, es que las hembras se dispersan de su grupo natal y su relación con su grupo aumenta con la edad, lo que promueve un comportamiento más altruista con la edad. Además, existe una variedad de formas sospechosas a través de las cuales las abuelas pueden mejorar el rendimiento de la descendencia de los nietos y de la descendencia en edad reproductiva, especialmente los varones: proporcionándoles tíos de la misma edad con los que formar coaliciones, compartiendo alimentos e información, y ayudando a los hijos varones a acceder al dominio.


El genoma como un personaje de la historia de la vida: por qué la tasa de evolución molecular varía entre las especies de mamíferos

Las secuencias de ADN evolucionan a diferentes velocidades en diferentes especies. Esta variación de la tasa se ha examinado más de cerca en los mamíferos, revelando una gran cantidad de características que pueden dar forma a la tasa de evolución molecular. Muchos de estos rasgos forman parte del continuo de la historia de vida de los mamíferos: las especies con un tamaño corporal pequeño, un rápido recambio generacional, una alta fecundidad y una esperanza de vida corta tienden a tener tasas más rápidas de evolución molecular. Además, la tasa de evolución molecular en los mamíferos puede verse influenciada por el comportamiento (como el sistema de apareamiento), los factores ecológicos (como la restricción de rango) y la historia evolutiva (como la tasa de diversificación). Discuto la evidencia de estos patrones de variación de tasas y las posibles explicaciones de estas correlaciones. También considero el impacto de estos patrones sistemáticos de variación de la tasa sobre la confiabilidad de las estimaciones de fechas moleculares que se han utilizado para sugerir una radiación cretácea de los mamíferos modernos, antes de la extinción final de los dinosaurios.

1. La evolución molecular es un rasgo de la historia de vida de los mamíferos.

Si me da un mamífero en una caja, pero no me dice cuál es la especie, puedo adivinar muchas de sus características según el tamaño de la caja. Un mamífero en una caja pequeña probablemente tendrá una tasa metabólica alta, un tiempo de generación corto, una producción reproductiva relativamente alta y probablemente viva en poblaciones razonablemente grandes en la naturaleza. No solo eso, también puedo adivinar la tasa relativa de evolución molecular: es probable que un gen en un mamífero en una caja pequeña evolucione más rápido que el mismo gen en un mamífero más grande.

Esta escala predecible de las características de las especies con el tamaño del cuerpo se ha denominado el "continuo rápido-lento" de la historia de vida de los mamíferos [1]. En un extremo del continuo está la estrategia de muchos pequeños mamíferos para vivir rápido, morir jóvenes y tener muchos bebés (por ejemplo, ratones), en el otro extremo está la estrategia de muchos mamíferos grandes de vivir mucho tiempo, madurar tarde y tener pocos bebés. (por ejemplo, elefantes). El tamaño corporal no es un predictor perfecto de la historia de vida [2,3], y el continuo rápido-lento es una categorización demasiado simplificada de la variación de la historia de vida [4]. Pero, en general, muchas características de los mamíferos tienden a variar con el tamaño corporal.

Curiosamente, uno de los factores que escala con el tamaño corporal en los mamíferos es la tasa de evolución molecular (el número de cambios en la secuencia de nucleótidos del genoma por unidad de tiempo). ¿Por qué la tasa de evolución molecular aumentaría con el tamaño? Para responder a esta pregunta, debemos considerar muchos aspectos de la biología de los mamíferos que influyen en la evolución molecular, afectando la tasa de mutación o la tasa a la que estas mutaciones se fijan en la población.

Los biólogos a veces tratan la mutación como si fuera un proceso abiótico, lo que contribuye a una variación aleatoria a un ritmo uniforme en todo el genoma, entre individuos, entre linajes o en el tiempo. Pero la tasa de mutación por base del ADN está modulada por características biológicas del organismo. Las mutaciones puntuales surgen cuando un cambio en una secuencia de nucleótidos, causado por daño o error de replicación, se repara imperfectamente, de modo que la secuencia de bases cambia de forma permanente y hereditaria. Entonces, la tasa de mutación depende de la precisión de la replicación del ADN y la eficiencia de la reparación del ADN. Tanto la precisión de la replicación como la eficiencia de la reparación están controladas por mecanismos celulares, que pueden variar en eficiencia con el tiempo o entre especies. Por ejemplo, la tasa de mutación puede variar durante la vida de un individuo, aumentando con la edad [5] o con el mal estado [6]. La tasa de mutación también puede variar de manera heredable entre individuos o linajes y, por lo tanto, puede evolucionar [7-9]. La variación en la tasa de mutación entre las especies de mamíferos se puede estudiar directamente, por ejemplo, mediante la secuenciación directa de genomas dentro de las genealogías conocidas [10] o mediante el seguimiento de los subproductos de la reparación del ADN [11]. Pero la mayoría de las estimaciones de las tasas de mutación de los mamíferos se realizan a partir de comparaciones de secuencias de ADN homólogas de diferentes especies.

El análisis comparativo de secuencias de ADN tiene una serie de ventajas, entre las que destaca la practicidad de poder comparar las tasas de evolución molecular en la amplia gama de especies para las que se dispone de datos de secuencia [12]. El análisis comparativo también permite, hasta cierto punto, analizar las diferentes fuerzas que actúan sobre la tasa de evolución molecular, porque la tasa de mutación y la tasa de sustitución se pueden estimar por separado comparando diferentes clases de sustituciones que se espera que difieran en su exposición a selección.

Una mutación que altera la secuencia de ADN en un genoma individual se convierte en una sustitución cuando aumenta en frecuencia en la población hasta que reemplaza a todos los demás alelos alternativos.Las mutaciones neutrales que no tienen ningún efecto sobre la aptitud se pueden corregir por deriva. La velocidad a la que las mutaciones neutrales se fijan en la población depende únicamente de la tasa de mutación [13]. En los mamíferos, los cambios de nucleótidos sinónimos en las secuencias codificantes de proteínas (aquellos que no alteran la secuencia de aminoácidos de la proteína) generalmente se asume que son neutrales, por lo que la tasa de mutación se mide comúnmente estimando la tasa de sustitución sinónima. Análisis recientes han sugerido que la selección puede operar en algunos sitios sinónimos en mamíferos [14, 15], poniendo en duda esta suposición de neutralidad. Sin embargo, si los coeficientes selectivos de los sitios sinónimos son generalmente cercanos a cero, y si la mayoría de las especies de mamíferos tienen tamaños de población efectivos relativamente pequeños, entonces parece razonable suponer que la mayoría de las mutaciones sinónimas se comportarán como si fueran neutrales, de modo que las diferencias en la mutación sinónima La tasa entre especies reflejará predominantemente las diferencias en la tasa de mutación. Sería valioso investigar más a fondo las tasas y patrones de sustitución en sitios comúnmente considerados neutrales, particularmente si se comparan entre especies.

Mientras que la tasa de sustituciones neutrales depende de la tasa de mutación, la tasa de sustituciones no neutrales está determinada por la interacción entre la tasa de mutación, la selección y la deriva. Las mutaciones fuertemente deletéreas no se convertirán en sustituciones porque, por definición, tienden a no transmitirse a la descendencia exitosa, por lo que generalmente no se observarán en los análisis comparativos. Pero la velocidad a la que se fijan las mutaciones levemente perjudiciales está determinada tanto por su impacto en la aptitud como por el tamaño efectivo de la población. Las especies de mamíferos tienen poblaciones efectivas comparativamente pequeñas, por lo que los efectos de muestreo aleatorio (deriva genética) pueden abrumar la selección de mutaciones no sinónimas que son sólo levemente perjudiciales o ligeramente ventajosas [16]. Dado que las mutaciones fuertemente deletéreas se eliminan por selección, y la fijación de alelos ventajosos se considera relativamente rara en todo el genoma, la mayoría de las sustituciones no sinónimos se incluirán en esta categoría "casi neutra". Por tanto, se espera que la tasa de sustitución no sinónima aumente, en relación con la tasa de mutación, en poblaciones más pequeñas [17, 18]. Por lo tanto, la comparación de las tasas de sustitución sinónimos y no sinónimos puede decirnos algo sobre las causas de las diferencias específicas de las especies en la tasa de evolución molecular, al permitirnos distinguir los cambios en la tasa de mutación de los cambios en el tamaño de la población o la selección.

Muchos aspectos de la biología de una especie pueden influir en su tasa de evolución molecular al afectar la tasa de mutación o la tasa de sustitución. Una de las tendencias más notables en la tasa de evolución molecular es el efecto del tamaño del cuerpo en la evolución molecular de los vertebrados: las especies de cuerpos pequeños generalmente tienen tasas de evolución molecular más rápidas que sus parientes de cuerpos grandes [19]. Este patrón se ha detectado en la distancia genética total y las tasas de sustitución sinónima tanto en secuencias mitocondriales como nucleares [20, 21] y en sustituciones no sinónimas en secuencias nucleares [22]. Pero la causa de este patrón de tamaño corporal en la evolución molecular de los mamíferos sigue siendo debatida, porque existen muchos mecanismos posibles. En los mamíferos, muchos rasgos de la historia de la vida tienden a escalar con el tamaño del cuerpo, por lo que las diversas hipótesis son difíciles de desentrañar y pueden operar en conjunto para producir tasas características de evolución molecular [23].

(a) Tiempo de generación y efecto de error de copia

Una de las hipótesis más ampliamente aceptadas es que el patrón de tamaño corporal en la tasa de evolución molecular en los mamíferos está impulsado por diferencias en el tiempo de generación. La evidencia de una correlación entre el tiempo de generación y las tasas de evolución molecular ha sido proporcionada por muchos estudios diferentes para un gran número de especies de mamíferos en una amplia gama de órdenes [20, 21, 24-26]. Este patrón es evidente cuando se comparan linajes de mamíferos muy divergentes [27], pero también se observa en comparaciones entre especies más estrechamente relacionadas [20,28].

Se asume comúnmente que la correlación observada entre las tasas moleculares y el tiempo de generación en los mamíferos se debe a que las especies con tiempos de generación más cortos copian sus genomas con más frecuencia por unidad de tiempo, acumulando así más errores de replicación del ADN. De acuerdo con esta hipótesis, se ha observado el efecto del tiempo de generación para las tasas de sustitución sinónima, que deberían reflejar la tasa de mutación, tanto en las secuencias mitocondriales como nucleares en los mamíferos [20, 22, 29]. El efecto del tiempo de generación también se ha detectado para cambios no sinónimos de secuencias nucleares [22], lo que puede ser un reflejo de la influencia de las tasas de mutación en la tasa de sustituciones casi neutrales en poblaciones pequeñas.

Pero aunque existe una clara correlación entre el tiempo de generación y la tasa de evolución molecular, la explicación de este patrón en términos de número de replicaciones del genoma es algo problemática. Las tasas claramente no se escalan linealmente con las diferencias en el tiempo de generación. Por ejemplo, los ratones pueden pasar por 50 generaciones por cada generación humana, sin embargo, sus tasas de evolución molecular son solo varias veces más rápidas [27,30]. En el otro extremo del espectro de tamaños, las ballenas barbadas tienen tasas de evolución molecular más lentas que los homínidos a pesar de tiempos de generación aproximadamente similares [31]. Si las diferencias en la tasa de mutación se debieran únicamente a diferencias en el número de generaciones por unidad de tiempo, y si todas las especies tuvieran el mismo número de copias del genoma por generación y la misma tasa de error por replicación, entonces esperaríamos una relación logarítmica lineal entre tiempo de generación y tasa de mutación, con una pendiente de aproximadamente uno (JJ Welch 2010, comunicación personal). La relación negativa entre las tasas logarítmicas y el tiempo de generación logarítmica es aproximadamente lineal, pero la pendiente estimada es mucho menor que uno, habiéndose estimado en aproximadamente −0,15 [22], o entre −0,34 y −0,44 [29]. Hay muchas razones posibles por las que la pendiente observada es menor que uno.

El error de medición podría influir en la confusión del efecto del tiempo de generación. Por ejemplo, puede ser que las estimaciones de la tasa de mutación, típicamente basadas en la estimación de la tasa de sustitución sinónima, subestimen sistemáticamente la tasa de mutación verdadera, o que las mediciones del tiempo de generación, generalmente basadas en la edad de la primera cría en lugar de la edad promedio en la reproducción, están significativamente sesgados. Además, las tasas moleculares se estiman de manera efectiva en todo el linaje, pero los valores de tiempo de generación se toman en los extremos de la filogenia de las especies existentes [12,29]. Si el tiempo de generación varía entre las especies existentes, entonces debe haber cambiado a lo largo de al menos algunos linajes, por lo que el valor en las puntas no representa el tiempo de generación en todos los puntos del linaje [32]. Sin embargo, parece más probable que estos sesgos de medición agreguen imprecisión a la detección de una relación entre el tiempo de generación y las tasas en lugar de tener un efecto amortiguador sistemático.

Una explicación alternativa es que la ausencia de una escala simple entre la tasa de evolución molecular y la duración de la generación puede deberse a una serie de factores de complicación que debilitan la conexión entre la duración de la generación de las especies y el número de copias de ADN por unidad de tiempo. Un factor de complicación es que el número de divisiones de células de la línea germinal por generación varía entre las especies de mamíferos. Por ejemplo, se ha estimado que hay un promedio de 31 generaciones de células en la línea germinal femenina humana, en comparación con solo 25 en ratones [33], por lo que debería haber más oportunidades de que ocurran errores de copia por generación en humanos que en ratones. Las diferencias para la línea germinal masculina son más sorprendentes: 401 en humanos a 62 en ratones. Esto actúa para amortiguar la diferencia entre estas especies en el número esperado de copias de ADN de la línea germinal por año: si los ratones y los humanos tuvieran la misma tasa de error de copia por replicación, entonces esperaríamos alrededor de siete veces más mutaciones de error de copia por año en ratones que en humanos en la línea germinal masculina (la diferencia es mucho mayor para la línea germinal femenina, pero se espera que la mayoría de las mutaciones de la línea germinal en mamíferos ocurran en machos [34]). Pero esto es aún mayor que las estimaciones típicas de la diferencia en la tasa de sustitución de sinónimos entre roedores y primates, por lo que no explica por qué el efecto del tiempo de generación es de una magnitud mucho menor de lo esperado sobre la base de un efecto de error de copia solo.

Aunque no proporciona una explicación completa del efecto del tiempo de generación en los mamíferos, el efecto del error de copia influye en la evolución molecular de los mamíferos de otras formas, sobre todo en el impacto de la "evolución impulsada por los machos" [34-36]. La diferencia en el número de copias de la línea germinal entre machos y hembras surge de la forma en que se producen los gametos: en los mamíferos, los óvulos se producen temprano en el desarrollo mediante divisiones simétricas (cada célula de la línea germinal se divide para producir dos células de la línea germinal más) mientras que los espermatozoides se producen a lo largo de la vida adulta. por divisiones asimétricas (cada célula de la línea germinal da lugar a una célula productora de gametos y una célula de la línea germinal que luego se dividirá nuevamente: ver [37]). Las células de la línea germinal masculina se dividen una y otra vez para seguir produciendo una gran cantidad de espermatozoides, por lo que el número promedio de divisiones celulares para producir gametos es mucho mayor que en las mujeres y aumenta con la edad de los hombres. Debido a esto, el potencial de mutación debido a errores de copia es mucho mayor en la línea germinal de los machos que en las hembras. Los estudios comparativos han demostrado que las secuencias de ADN que pasan más tiempo en los hombres (como las del cromosoma Y) tienen una tasa de mutación más alta que las que pasan más tiempo en las mujeres (como los cromosomas X) [34].

Además de los efectos de copia con sesgo sexual en el genoma nuclear, el número de copias por generación difiere entre las secuencias mitocondriales y nucleares. Se espera que las secuencias nucleares se copien una vez por generación celular, pero es probable que las secuencias mitocondriales se copien más de una vez por generación celular, y el número de replicaciones dependerá en cierto grado de la actividad de la célula. De acuerdo con un efecto de error de copia, los genomas mitocondriales en mamíferos tienen tasas de mutación más altas que el genoma nuclear. Esto puede deberse a que las mitocondrias, copiadas varias veces por división celular (y con menor fidelidad de replicación), acumulan más errores de copia por generación que el genoma nuclear. Sin embargo, el efecto de error de copia puede no influir en la evolución molecular mitocondrial en la misma medida que la nuclear si operan mecanismos adicionales, particularmente en la división celular, para purgar las mitocondrias con una alta carga mutacional [38], reduciendo la tasa general de mutación de la línea germinal por generación. También es poco probable que las secuencias mitocondriales estén sujetas a la evolución impulsada por los machos en los mamíferos, ya que las mitocondrias de los espermatozoides suelen descartarse del cigoto fertilizado [39]. Existen otras posibles explicaciones de la alta tasa de mutación en las mitocondrias, como un mayor daño por subproductos metabólicos o una menor eficiencia de la reparación del ADN.

Entonces, si bien el tiempo de generación se correlaciona con las tasas de sustitución en los mamíferos, no proporciona un factor de escala simple para las tasas de evolución molecular. Puede ser que factores adicionales moderen la diferencia en el número de errores de copia de ADN por unidad de tiempo: por ejemplo, si el número de divisiones de células de la línea germinal por unidad de tiempo está influenciado por la duración de la generación, o si las tasas de error de copia están determinadas por la historia de vida ( vea abajo). O puede ser que el efecto de copia de ADN no sea la única o principal causa del efecto de tiempo de generación, que en cambio puede ser un reflejo de algún otro factor causal que escala con el tiempo de generación. Por ejemplo, se ha informado de un efecto del tiempo de generación para las secuencias mitocondriales en mamíferos [20], pero análisis posteriores sugieren que esta asociación se debe a la covariación entre el tiempo de generación y la longevidad [22,29].

(b) Daño del ADN derivado del metabolismo o la energía ambiental.

Una explicación alternativa del efecto del tamaño corporal en las tasas de evolución molecular es que los mamíferos más pequeños tienen tasas metabólicas específicas de masa más altas. Esto significa que cada célula de un mamífero de cuerpo pequeño produce más subproductos del metabolismo, lo que podría generar mayores tasas de mutación a través del daño del ADN. El apoyo a esta hipótesis se ha extraído de una serie de observaciones. En primer lugar, los animales endotérmicos de "sangre caliente" que utilizan el metabolismo para mantener una temperatura corporal constante (aves y mamíferos) tienen tasas absolutas de evolución molecular más altas que los vertebrados poiquiotérmicos, como reptiles y peces, con temperaturas corporales determinadas por el medio ambiente [19,40, 41]. En segundo lugar, las comparaciones entre algunas especies de mamíferos han indicado que aquellas con tasas metabólicas específicas de masa más altas tienen tasas más altas de reparación del ADN, lo que se interpreta como un signo de mayores tasas de daño oxidativo en su ADN [11,42,43]. En tercer lugar, la tasa mucho más alta de mutación en las mitocondrias en comparación con el genoma nuclear se ha atribuido, al menos en parte, a que el genoma mitocondrial se encuentra en el sitio de la fosforilación oxidativa, además de estar relativamente desprotegido, en comparación con el genoma nuclear [41 ]. En cuarto lugar, se ha considerado que la disminución de la función mitocondrial con la edad es una consecuencia del daño metabólico acumulativo [44].

Algunos estudios comparativos han utilizado una correlación entre el tamaño corporal y la tasa de evolución molecular como evidencia a favor de la hipótesis de la tasa metabólica [45]. Pero dado que muchos rasgos de la historia de la vida escalan con el tamaño corporal en los mamíferos, la correlación entre el tamaño y las tasas de sustitución no puede, por sí misma, considerarse evidencia de un papel causal de los subproductos del metabolismo en la tasa de evolución molecular de los mamíferos. De hecho, los estudios que han comparado específicamente el poder explicativo de la tasa metabólica con el tamaño corporal u otros rasgos de la historia de vida en mamíferos no han encontrado ningún papel significativo de la tasa metabólica como factor de variación en la tasa de evolución molecular, más allá de su covariación con otras formas de vida. -Características de la historia [20,28,46]. Esto no niega la hipótesis del envejecimiento mitocondrial en general: la descomposición de las macromoléculas mitocondriales con actividad acumulada (y, por lo tanto, la edad) ha sido bien documentada. Pero actualmente hay una falta de evidencia convincente de que la tasa metabólica específica de la masa sea un factor clave de la variación específica del linaje en la tasa de evolución molecular en los mamíferos.

Una idea relacionada con la hipótesis de la tasa metabólica es que la energía ambiental influye en la tasa de mutación [47]. Esta hipótesis ha sido promovida por Rohde [48,49], quien sugirió que temperaturas más altas y niveles más altos de radiación solar podrían tener un efecto mutagénico directo sobre el ADN, y que esto aceleraría la tasa de acumulación de diferencias genéticas entre poblaciones, acelerando la especiación. . Rohde también sugirió un vínculo indirecto entre el clima y la tasa de evolución molecular: temperaturas más altas podrían conducir a generaciones más cortas, lo que podría aumentar la tasa de sustitución a través de la selección (también se esperaría que las generaciones más cortas conduzcan directamente a una mayor tasa de mutación [50]). La acción directa del clima sobre las tasas de mutación, o el efecto indirecto a través de tasas de crecimiento elevadas, es más plausible para los productores primarios [51], pero se ha planteado la hipótesis de que tiene efectos "en cadena" en los consumidores, incluidos los mamíferos [49,52]. Un gran estudio de parejas de especies de mamíferos que difieren en sus rangos geográficos encontró tasas de sustitución más altas en el gen del citocromo b de especies en latitudes o altitudes más bajas [52]. La causa de la relación no está clara: este estudio no estimó la tasa de sinónimos, lo que permitiría detectar los efectos de la tasa de mutación, y no hubo diferencias significativas en la proporción de cambios no sinónimos y sinónimos (dnorte/DS) en todo el conjunto de datos, lo que se esperaría si el patrón se debiera a la selección o la reducción del tamaño de la población. Para aclarar tanto la generalidad como la causa de este patrón, se debe investigar más a fondo el efecto del clima o la distribución en las tasas de evolución molecular en los mamíferos.

Además de la posibilidad de un impacto directo del clima en la tasa de mutación, podría haber causas indirectas de la relación entre la latitud o altitud y las tasas de evolución molecular. Por ejemplo, el tamaño corporal en los mamíferos varía con la latitud [53, 54], por lo que, dado que las tasas de evolución molecular se escalan con el tamaño corporal en los mamíferos, esto podría causar un patrón indirecto en las tasas moleculares con la latitud (aunque Gillman et al. [52] encontraron que el tamaño del cuerpo no explicaba el patrón en su conjunto de datos). De manera similar, si la tasa de diversificación está vinculada a la tasa de evolución molecular (ver más abajo), entonces las tasas de evolución molecular podrían mostrar un gradiente latitudinal, ya que se ha demostrado que las tasas de diversificación aumentan con la latitud decreciente en algunos taxones [55]. Esta área merece más investigación, preferiblemente con un gran conjunto de datos que permita una estimación precisa de las tasas de sustitución sinónimos y no sinónimos.

(c) El tamaño del cuerpo, la longevidad y el papel de la selección en la configuración de las tasas de evolución molecular.

La correlación entre el tamaño corporal y la tasa de evolución molecular en los mamíferos se ha interpretado típicamente como un efecto indirecto de la covariación del tamaño con otros rasgos del ciclo de vida que se cree que influyen en la tasa de evolución molecular, como el tiempo de generación o la tasa metabólica. Sin embargo, es posible que el propio tamaño corporal influya en las tasas de mutación, al otorgarle importancia a la reducción de la mutación tanto en las células somáticas como en las de la línea germinal. Para examinar esta posibilidad, debemos considerar el posible papel de la selección en la configuración de las diferencias en la tasa de mutación entre especies.

En los microbios asexuales, las tasas de mutación pueden definirse claramente por selección. En una población sometida a una fuerte presión selectiva, una mutación que aumenta la tasa de mutación puede generar nuevos rasgos que se seleccionan, promoviendo indirectamente el alelo "mutador" ligado [56]. Sin embargo, parece poco probable que los beneficios de aptitud de la mutación ventajosa ocasional jueguen un papel significativo en la evolución de las tasas de mutación en los mamíferos, porque el pequeño tamaño de su población hace que las mutaciones ventajosas sean raras y cualquier alelo mutante se desvinculará de las mutaciones beneficiosas que generan a través de la reproducción sexual. [7]. Parece más probable que la evolución de las tasas de mutación en los mamíferos se deba principalmente a los costos competitivos de la mutación y la reparación. La mutación impone un costo significativo a los mamíferos en términos de reducción de la aptitud, ya sea al causar daño somático al individuo o al producir descendencia con mutaciones dañinas [57]. La reparación del ADN, ya sea por daños incidentales o errores de copia, debe imponer un costo en términos de recursos utilizados que de otro modo podrían haberse destinado al crecimiento u otras funciones. Por lo tanto, la selección puede actuar sobre el equilibrio entre el costo de reparación y el costo de la mutación, y el equilibrio óptimo puede diferir entre especies dependiendo de los costos relativos.

Los costos relativos de mutación y reparación pueden variar con el ciclo de vida de los mamíferos.Un mamífero de cuerpo grande debe producir más células durante su vida que un mamífero más pequeño, lo que significa que debe producir más copias del genoma por generación. Entonces, para el mismo nivel de fidelidad de replicación del ADN, se esperaría que un animal de cuerpo grande acumulara más errores de copia de ADN, tanto en la línea germinal como en las células somáticas. Además de la mayor oportunidad de errores de replicación, un mamífero grande tiene más copias del genoma en su cuerpo que deben mantenerse contra el daño del ADN. Una mutación en una célula somática, adquirida ya sea por daño o por error de replicación, podría conducir a falla celular o, mucho peor, a la formación de una célula tumoral que se replica a expensas del organismo [58]. En resumen, el tamaño grande brinda más oportunidades para que las cosas salgan mal: más generaciones de células que crean oportunidades para errores de replicación del ADN y más células que son blanco de mutaciones incidentales debido a daños. Por lo tanto, para lograr la misma posibilidad de mutaciones dañinas de por vida que un organismo de cuerpo pequeño, los organismos de cuerpo grande deben tener una tasa de mutación por genoma más baja, pagada por una mayor inversión en la reparación del ADN [59].

De acuerdo con esta hipótesis, los mamíferos de cuerpo grande y longevos parecen tener adaptaciones para mantener más copias del genoma durante una vida útil más larga. Existe alguna evidencia de que los mamíferos de gran tamaño pueden tener mecanismos más efectivos para suprimir la formación de tumores, como una reducción en la actividad de la telomerasa. La actividad de la telomerasa repara los telómeros erosionados por las divisiones celulares: sin ella, las células sufren senescencia replicativa de modo que no pueden dividirse indefinidamente. Se ha demostrado que la actividad de la telomerasa disminuye con el aumento del tamaño corporal en los roedores, de acuerdo con la predicción de que los animales más grandes deberían invertir más en la prevención de cánceres [60]. Las especies de vida más larga también pueden reducir el daño debido al metabolismo al producir menos especies reactivas de oxígeno (ROS) que las especies de vida más corta [61]. Por ejemplo, los murciélagos tienen una esperanza de vida inusualmente larga para el tamaño de su cuerpo, y al menos algunas especies parecen sufrir menos daño por ROS [62]. Además, se ha descubierto que las mediciones de los subproductos de la reparación por escisión del ADN son más bajas en algunos mamíferos de larga duración y cuerpo grande que en los mamíferos más pequeños [11,42]. Pero si bien hay evidencia de que los mamíferos más grandes y de vida más larga sufren relativamente menos daño en el ADN, está menos claro el papel que desempeñan las tasas variables de reparación del ADN en este patrón. Las tasas de reparación del ADN varían entre las especies de mamíferos, al menos a gran escala: por ejemplo, las ratas y los ratones carecen de algunos de los mecanismos de reparación por escisión que se encuentran en los primates. Pero actualmente no se conoce hasta qué punto las tasas de reparación se ajustan en diferentes especies en respuesta a los diferentes costos de mutación y reparación.

Si bien las tasas de reparación del ADN son difíciles de comparar directamente entre especies, los análisis comparativos han revelado patrones específicos de especies de tasas de mutación mitocondrial que proporcionan evidencia indirecta de la influencia de la selección en las tasas de mutación. Existe una creciente evidencia de que las tasas de mutación mitocondrial están correlacionadas con la longevidad [22,29]. El genoma mitocondrial es más vulnerable al daño del ADN relacionado con el metabolismo que el genoma nuclear, porque está ubicado en el sitio de fosforilación oxidativa y carece de las estructuras protectoras del genoma nuclear [41]. Las tasas de sustitución de sinónimos en las secuencias mitocondriales se correlacionan significativamente con la longevidad en los mamíferos, y la longevidad proporciona un poder explicativo mucho mayor para la variación en las tasas de sinónimos mitocondriales que el tamaño corporal o el tiempo de generación [22,29]. Si bien la longevidad escala con la tasa de evolución molecular en el genoma nuclear, esta relación no es significativa cuando se tienen en cuenta otros factores de la historia de vida, en particular el tiempo de generación y la fecundidad [22]. Este patrón es consistente con la evolución de los mecanismos que reducen la tasa de mutación en las mitocondrias para mantener la función durante una vida útil más larga. Sin embargo, se desconoce el mecanismo de esta hipotética reducción.

(d) Fecundidad y tasa de evolución molecular en mamíferos: un patrón en busca de una explicación

La asociación observada entre la fecundidad (número promedio de descendientes por año) y las tasas de evolución molecular en las secuencias nucleares de los mamíferos sigue sin explicarse. Welch et al. [22] encontró que la fecundidad estaba fuertemente correlacionada positivamente con las tasas de sinónimos y no sinónimos para seis genes nucleares, más allá de su correlación con el tamaño corporal, el tiempo de generación y la vida útil máxima. Una posible explicación para este patrón es que el número de copias del genoma por generación escala con la fecundidad, generando así más oportunidades para mutaciones de error de copia en especies con mayor fecundidad.

Britten [63] sugirió que el número de gametos producidos por generación podría influir en la tasa de evolución molecular. Esta predicción no ha sido ampliamente probada, aunque se ha demostrado que los himenópteros sociales tienen una mayor tasa de evolución molecular que sus parientes no sociales, posiblemente debido al aumento masivo de la producción de gametos en las reinas sociales [64]. En los mamíferos, la producción de gametos femeninos parece poco probable que tenga un gran impacto en las tasas de evolución molecular específicas de la especie, ya que las hembras de mamíferos producen un exceso de óvulos por división simétrica antes del inicio de la reproducción. Pero si la fecundidad escala con el número promedio de generaciones de células en la producción de esperma, entonces es posible que el efecto de fecundidad sea una medida indirecta del número de gametos masculinos producidos por año en especies con poliandria, o donde los padres mayores contribuyen de manera desproporcionada a la producción de espermatozoides. grupo de descendencia. Por ejemplo, recientemente se ha demostrado experimentalmente que la poliandria conduce a la evolución de una mayor producción de esperma en ratones y a un mayor éxito de fertilización en múltiples apareamientos [65]. Sin embargo, no está claro si habría una relación más general entre la fecundidad y un mayor número promedio de generaciones de células en los espermatozoides de los mamíferos, en comparación con muchas especies.

Alternativamente, la asociación entre fecundidad y tasa de mutación puede surgir como consecuencia de la variación en la inversión de los padres. Las historias de vida "lentas" en los mamíferos se caracterizan típicamente por tener menos crías a lo largo de la vida, pero invierten más recursos por cría para aumentar la probabilidad media de supervivencia de cada cría, intercambiando así la cantidad de crías por la calidad [66,67]. La inversión de los padres generalmente incluye protección y aprovisionamiento, pero ¿podría la inversión en la descendencia también extenderse a la reparación del ADN? La tasa de mutación reducida a través de una mayor inversión en la fidelidad y reparación de la replicación del ADN reduciría la posibilidad de producir descendencia de baja aptitud debido a mutaciones deletéreas de novo. El beneficio relativo de la reducción de la tasa de mutación puede ser mayor para un mamífero de baja fecundidad.

La correlación entre la fecundidad y la tasa de evolución molecular en los mamíferos podría ser el resultado indirecto de la correlación con otros rasgos de la historia de vida que escalan con la tasa de sustitución. Por ejemplo, el tamaño más grande de la camada en los mamíferos se ha asociado con tasas de diversificación más altas [68,69]. Se ha sugerido que las tasas de evolución molecular en los mamíferos están relacionadas con la diversificación [52], aunque un estudio reciente no pudo encontrar evidencia de este vínculo para las secuencias mitocondriales o nucleares [70]. En la actualidad, existe una falta de información para distinguir las posibles causas del vínculo entre la fecundidad y las tasas de evolución molecular, y existe una clara necesidad de estudios que contrasten las explicaciones selectivas (inversión de los padres) con las causas mecanicistas (efecto de error de copia), teniendo en cuenta las posibles causas indirectas (como la tasa de diversificación).

2. Influencia del tamaño de la población y la tasa de diversificación en la tasa de evolución molecular

Uno de los efectos más generalizados sobre la tasa y el patrón de sustituciones es el tamaño efectivo de la población, que refleja el efecto del muestreo aleatorio sobre las frecuencias de genes en las poblaciones [71]. A medida que disminuye el tamaño efectivo de la población, aumenta la influencia relativa del muestreo aleatorio en las frecuencias de los alelos, de modo que las mutaciones más levemente deletéreas serán fijadas por deriva en lugar de eliminadas por selección. El resultado práctico de esto es que la tasa de sustituciones casi neutrales, como las sustituciones no sinónimas de pequeño efecto selectivo, aumentará a medida que disminuya el tamaño efectivo de la población. El tamaño efectivo de la población influye en la tasa de sustitución, no en la tasa de mutación, por lo que las poblaciones pequeñas deberían tener tasas relativamente más altas de sustituciones no sinónimas en comparación con las sustituciones sinónimas (dnorte/DS o ω).

Los mamíferos generalmente tienen tamaños de población efectivos mucho más pequeños que los invertebrados o los organismos unicelulares, y esto se refleja en una menor eficiencia de selección que opera en los genomas de los mamíferos [16]. Sorprendentemente, ha habido pocas pruebas empíricas de la influencia del tamaño efectivo de la población en las tasas de evolución molecular entre las especies de mamíferos, pero en general han confirmado el patrón predicho por la teoría. El tamaño efectivo de la población está relacionado con la historia de vida de los mamíferos [72]: es probable que las especies de mamíferos más grandes tengan tamaños de población efectivos más pequeños y, por lo tanto, tengan una mayor dnorte/DS relación [25,73]. Pero muchos otros factores también podrían influir en el tamaño efectivo de la población de mamíferos, como la proporción de sexos, la variación en el número de crías entre los individuos, la estructura de la subpoblación y la historia demográfica de la población [72,74].

El efecto del tamaño de la población se ha propuesto como un impulsor potencial de un patrón fascinante en las tasas informadas en varios estudios comparativos: los linajes con un mayor número de especies existentes tienen tasas más rápidas de evolución molecular. Este patrón se ha observado comparando la longitud de las ramas en clados hermanos que difieren en la diversidad de especies existentes en plantas [75, 76], invertebrados [77] y aves [78]. El vínculo entre la tasa de diversificación y la tasa de evolución molecular también fue respaldado por estudios que compararon la longitud de la ruta de la raíz a la punta a través de filogenias moleculares con el número de nodos atravesados ​​[79].

Se han propuesto tres razones para mayores tasas de evolución molecular en clados que se diversifican rápidamente [75]. En primer lugar, el proceso de especiación puede provocar un aumento de la tasa de evolución molecular. Por ejemplo, la subdivisión de la población que acompaña a la especiación puede resultar en reducciones en el tamaño medio efectivo de la población a largo plazo, aumentando la tasa de sustitución de mutaciones casi neutrales [80]. Sin embargo, parece poco probable que esto proporcione una explicación completa del patrón, que se ha detectado para sustituciones sinónimos en aves, que debería reflejar la tasa de mutación y no verse relativamente afectado por el tamaño de la población [78]. En segundo lugar, podría existir un vínculo causal directo entre el cambio molecular y la diversificación. Las tasas más altas de evolución molecular podrían impulsar una especiación más rápida al acelerar la acumulación de diferencias genéticas entre poblaciones separadas. Una tasa de mutación elevada podría proporcionar tanto el combustible para la selección para la adaptación diferencial como los mecanismos de aislamiento reproductivo, aumentando la cantidad de variación permanente [81], o podría contribuir a una acumulación mediada por la deriva de cambios genéticos incompatibles [82]. En tercer lugar, puede haber un vínculo indirecto entre la tasa de diversificación y la tasa de evolución molecular, si los factores que influyen en las tasas moleculares también influyen en las tasas de diversificación. Por ejemplo, el tiempo de generación en las plantas se ha relacionado tanto con las tasas de evolución molecular [83] como con las tasas de diversificación [84], por lo que podría proporcionar un puente entre las dos. Existe alguna evidencia de que los linajes de mamíferos con 'historia de vida rápida' (camadas grandes, gestación rápida e intervalos entre nacimientos cortos) tienen tasas de diversificación más altas [68], por lo que la historia de vida podría potencialmente proporcionar un vínculo entre la tasa de diversificación y la tasa de evolución molecular en mamíferos. También se podría encontrar un vínculo indirecto a través de la posibilidad de efectos energéticos ambientales [52]: si los clados tropicales que tienen tasas de diversificación más altas también tienen tasas de mutación aumentadas, las tasas de evolución molecular se correlacionarán con la diversificación neta incluso si no hay un vínculo causal directo entre los dos.

Sin embargo, un estudio reciente de las tasas de evolución molecular en los genomas mitocondriales y nucleares de los mamíferos no logró encontrar ninguna evidencia de una asociación significativa entre las tasas de mutación o sustitución y la tasa de diversificación neta [70]. ¿Por qué los mamíferos no muestran evidencia de un patrón de variación de tasa que se haya detectado en otros taxones? Claramente, los linajes de mamíferos varían significativamente en la tasa de diversificación [85], por lo que el hecho de no detectar ninguna relación con un gran conjunto de datos sugiere que cualquier vínculo entre la tasa de diversificación y la tasa de evolución molecular está ausente o es muy débil en los mamíferos. Esto puede deberse a que el modo de especiación es diferente en los mamíferos, por ejemplo, si el aislamiento reproductivo en los mamíferos generalmente es impulsado por pocos cambios en genes clave en lugar de la acumulación gradual de incompatibilidades híbridas en todo el genoma. O puede ser que un eslabón en la cadena causal entre la diversificación y la evolución molecular esté ausente en los mamíferos. Por ejemplo, el tamaño corporal pequeño y la escala de tiempo de generación corta con tasas moleculares y tasa de diversificación en las aves pueden crear un vínculo indirecto entre los dos, pero aunque el tamaño pequeño y las generaciones cortas son predictores de tasas moleculares rápidas en los mamíferos, no parecen serlo. asociado con una mayor riqueza de especies [85].

3. Evolución de los relojes moleculares y la radiación de los mamíferos

Hemos visto que una serie de características de la historia de la vida están asociadas con la variación en las tasas de evolución molecular en los mamíferos, incluido el tamaño corporal, el tiempo de generación, la fecundidad, la longevidad y el tamaño de la población. Debido a la covariación de los rasgos de la historia de vida de los mamíferos, estas características tienden a escalar juntas: las especies de pequeños mamíferos tienden a tener generaciones más cortas, más descendencia, vidas más breves, poblaciones más grandes y tasas moleculares más rápidas que sus parientes más grandes. De hecho, la covariación de la tasa con la historia de vida sugiere que la tasa de evolución molecular en sí misma debe considerarse como una característica de la historia de vida [23]. Los animales más pequeños que copian su ADN con más frecuencia acumularán más errores de replicación por unidad de tiempo, pero sus vidas más cortas y su mayor fecundidad pueden permitirles asumir el costo de esta tasa de mutación más alta. Los animales más grandes pueden tener menos replicaciones de la línea germinal por unidad de tiempo, pero deben copiar su genoma más veces por generación para producir células corporales o gametos, y deben mantener una mayor cantidad de copias del genoma contra mutaciones dañinas durante una vida reproductiva más prolongada. Además, su rendimiento reproductivo depende del éxito de un número menor de descendientes. Entonces, para una tasa determinada de mutación, un animal grande y longevo tiene una mayor probabilidad de que una mutación deletérea reduzca su aptitud. Es posible, entonces, que el equilibrio de los rasgos de la historia de vida en la estrategia reproductiva general de las especies de mamíferos incluya la tasa de evolución molecular, que podría ser modulada por la selección que actúa sobre la inversión relativa en la protección y reparación del ADN. En un nivel práctico, estos patrones de variación de velocidad pueden afectar el uso del análisis de la secuencia de ADN para estudiar la evolución de los mamíferos. En particular, la correlación de la tasa de evolución molecular con la historia de la vida en los mamíferos es potencialmente de gran importancia para los intentos de fechar eventos clave en la historia evolutiva de los mamíferos utilizando datos moleculares.

(a) El panorama cambiante de la radiación de los mamíferos

La imagen de la evolución temprana de los mamíferos ha cambiado drásticamente en las últimas dos décadas. El modelo "tradicional" de la evolución de los mamíferos asume que, aunque los linajes de mamíferos estuvieron presentes durante todo el Cretácico, estuvieron restringidos al papel de generalistas de cuerpo pequeño hasta la extinción de los dinosaurios. Sin embargo, hallazgos fósiles recientes muestran que los primeros mamíferos ocuparon una amplia gama de nichos, incluidos los mamíferos semiacuáticos, planeadores, hormigueros y carnívoros [86-90]. Pero dado que no hay evidencia fósil suficiente para ubicar de manera inequívoca los grupos de corona modernos de Monotremata, Marsupialia y Placentalia antes del límite Cretácico-Terciario (KT) [91], esta diversidad ecológica en sí misma no desafía la noción de que la radiación adaptativa de los mamíferos modernos estuvo limitado hasta la extinción final de los dinosaurios a finales del Cretácico.

Se ha sugerido una reescritura más radical de la evolución de los mamíferos sobre la base de análisis moleculares. Las filogenias moleculares han tenido dos impactos importantes en la interpretación de la radiación de nivel ordinal de los mamíferos modernos. En primer lugar, las filogenias moleculares han anulado las relaciones filogenéticas establecidas y han sacudido el árbol de los mamíferos [92]. Algunas de estas hipótesis han sido ampliamente aceptadas, como la estrecha relación entre hipopótamos y ballenas [93], y la posición basal de la "Afrotheria", un clado que incluye elefantes, topos dorados, tenrecs y osos hormigueros [94]. Otras agrupaciones sugeridas sobre la base de filogenias moleculares son más controvertidas, como las "Pegasoferae", un clado que contiene murciélagos, caballos, carnívoros y pangolines [95].

En segundo lugar, las estimaciones de las fechas de divergencia a partir de datos moleculares han situado el origen de los órdenes de los mamíferos en las profundidades del Cretácico, mucho antes de la evidencia fósil más antigua de estos linajes [96-99]. Los estudios de datación molecular infieren el tiempo transcurrido desde la divergencia de las diferencias entre ADN homólogo o secuencias de proteínas de diferentes especies. Las estimaciones de fechas publicadas varían sustancialmente con el método y los datos utilizados, pero la mayoría ha colocado la divergencia entre linajes ordinales, como la división entre roedores y primates, mucho antes de la extinción final de los dinosaurios no aviares en el límite KT, hace 65 millones de años. [100]. Por ejemplo, un estudio reciente que utilizó una alineación de múltiples genes para estimar las fechas de divergencia en una gran filogenia de mamíferos concluyó que la base de la radiación de los mamíferos modernos estaba en el Cretácico, y que los principales linajes ordinales surgieron entre 100 y 85 millones de años. hace [99]. Además, al trazar el origen de los linajes existentes a lo largo del tiempo, encontraron que las tasas de origen del linaje no aumentaron significativamente después del límite KT, a pesar de que este período se considera tradicionalmente como el desencadenante de la radiación explosiva de la diversidad de mamíferos.

Así que la imagen que ha estado emergiendo de varias décadas de estudios de datación molecular es la de una diversificación cretácea de los principales linajes de mamíferos, seguida de una radiación de linajes subordenados en el Eoceno [99]. Las fechas de divergencia ordinal del Cretácico se trataron inicialmente con cierto escepticismo, pero a medida que han surgido más estudios que llegan a conclusiones similares utilizando una variedad de datos moleculares y métodos cada vez más sofisticados, ha habido una aceptación cada vez mayor de las estimaciones moleculares para el origen del Cretácico de muchos estudios modernos. linajes de mamíferos.Sin embargo, como todavía no hay evidencia fósil inequívoca que apoye esta nueva visión de la radiación ordinal de los mamíferos, es pertinente preguntarse qué confianza debemos depositar en las estimaciones de fechas moleculares. Una consideración de las influencias biológicas en la tasa de evolución molecular en mamíferos es claramente relevante para evaluar la confiabilidad de la datación molecular.

(b) El efecto de la variación del ciclo de vida en las fechas moleculares.

Los primeros intentos de utilizar datos moleculares para estimar las fechas de divergencia en los mamíferos asumieron un reloj molecular uniforme. Cuando se hizo evidente que los datos no cumplían con el supuesto de tasas uniformes en todos los linajes, y que esto podría llevar a estimaciones de fechas engañosas, se desarrollaron métodos de datación de tasas variables. Estos utilizaron varios métodos para permitir múltiples tasas a lo largo de una filogenia, a través de la a priori definición de categorías de tarifas [97], estimación de relojes locales [99] o uso de un modelo estadístico de cambio de tarifas para asignar tarifas a las sucursales [96].

Mucha gente siente que un método de "reloj relajado" que permite que cada rama tome una tasa diferente es un enfoque más realista de los datos. Pero estos métodos hacen supuestos estadísticos complejos sobre los datos. Estos supuestos no siempre son transparentes para el usuario final y pueden no proporcionar una descripción adecuada de los datos [101]. En particular, actualmente no se sabe qué tan bien estos métodos de reloj relajado se ocupan de los sesgos sistemáticos en las tasas sobre una filogenia [102]. Sabemos que las tasas de evolución molecular varían entre los linajes de mamíferos y que una parte significativa de esta variación de la tasa está relacionada con la historia de vida de las especies. Esto significa que las tasas de evolución molecular pueden cambiar en el árbol de los mamíferos a medida que los rasgos de la historia de vida, como el tamaño corporal y el tiempo de generación, evolucionan a lo largo de los linajes [32]. Es importante destacar que esto podría crear tendencias direccionales en las tasas a lo largo del tiempo, no simplemente la variación aleatoria que describen muchos de los modelos estocásticos empleados en los análisis moleculares. Además, las tasas específicas de especies podrían generar sesgos en todas las estimaciones de fechas, independientemente de los datos o métodos que se utilicen, lo que hace que la concordancia entre los diferentes estudios sea menos convincente como argumento de veracidad. Si todos los estudios son propensos a los sesgos compartidos, entonces la coherencia entre los estudios no es, por sí misma, motivo suficiente de confianza.

Los sesgos sistemáticos en las tasas podrían surgir del vínculo entre la evolución molecular y la historia de vida. Muchos órdenes de mamíferos euterios muestran un aumento en el tamaño corporal promedio desde su primera aparición en el registro fósil hasta la actualidad. Esto sugiere que también podría haber habido un cambio en los rasgos de la historia de vida, como el tiempo de generación y la longevidad, desde la base de la radiación de los mamíferos hasta el presente [32]. Dado que el tamaño del cuerpo y sus correlatos de la historia de vida están relacionados con la tasa de evolución molecular en los mamíferos, es posible que muchos linajes de mamíferos hayan experimentado una desaceleración en las tasas moleculares en comparación con los primeros períodos de radiación de los mamíferos. Se desconoce el alcance de este efecto y su impacto en las estimaciones de la fecha. Las altas velocidades en las primeras etapas de la radiación de los mamíferos podrían hacer que las estimaciones de las fechas moleculares sean sistemáticamente demasiado antiguas [32].

Existe una clara necesidad de análisis que prueben la solidez de las estimaciones de fechas moleculares de mamíferos a la variación de la tasa de historia de vida. Saltador et al. [96] realizó su análisis de datación en un conjunto de datos generales, y luego en un subconjunto de linajes de cuerpos pequeños que consideraron que no mostrarían un aumento marcado en el tamaño corporal sobre la radiación de los mamíferos. El conjunto de datos de cuerpos pequeños produjo estimaciones de fechas más recientes para los tiempos de divergencia entre los órdenes de mamíferos placentarios (aunque todavía pre-KT), tal vez ilustrando el potencial de que la variación de la tasa de historia de vida tenga un impacto en las fechas moleculares. Sería interesante utilizar información sobre el cambio en el tamaño corporal a lo largo del tiempo obtenida del registro paleontológico para modelar y probar el impacto de las tasas de historia de vida en las estimaciones de fechas moleculares [32]. Idealmente, la información sobre la historia de la vida podría incorporarse directamente en la estimación de la fecha como una distribución previa de la variación de la tasa. En cualquier caso, cuanto más sepamos sobre la forma en que varían las tasas de evolución molecular entre las especies de mamíferos, más sabios seremos cuando intentemos leer su historia evolutiva a partir de las huellas dejadas en los genomas de los mamíferos.


Métodos

Fuentes de datos.

Para estimar la disponibilidad de datos demográficos para cada una de las 32144 especies de tetrápodos (97% de las especies descritas existentes), desarrollamos una base de metadatos utilizando información contenida en 22 fuentes publicadas de información demográfica (Tabla 1). Seleccionamos bases de datos que contenían registros legibles por máquina y referencias a las obras originales. Además, utilizamos bases de datos para las que los datos estaban disponibles gratuitamente, aunque, en algunos casos, se requirió un memorando de entendimiento antes de que se concediera el acceso [por ejemplo, para la Base de datos de historia de vida de primates (21)]. Se excluyeron los registros que se derivaron del análisis de imputación cuando se informaron como tales. Omitimos las bases de datos cuyas fuentes de datos (es decir, referencias) no pudieron rastrearse. Debido al bajo número de anfibios y reptiles representados en la mayoría de las bases de datos, realizamos una búsqueda de literatura en línea para la cual incluimos toda la literatura que tenía información sobre datos demográficos para al menos 18 especies.

Estandarización taxonómica y terminológica.

Usamos TraitBank (22) como referencia para la estandarización de la terminología de variables demográficas y tasas en las 22 bases de datos seleccionadas. Sin embargo, para la mayoría, no pudimos encontrar estándares establecidos, por lo tanto, durante un taller de expertos con los coautores de este artículo, desarrollamos una ontología que describía ocho medidas demográficas, como se describe a continuación: cinco para la fertilidad y tres para la supervivencia.

Estandarizamos la taxonomía de especies en todas las bases de datos utilizando la nomenclatura actualmente aceptada del Catalog of Life (9). Para recuperar los nombres aceptados y el estado de la Lista Roja de la UICN (23), usamos el paquete taxize (24) en la versión R 3.5.1 (25) y buscamos manualmente los nombres de las especies que no se pudieron recuperar. Para el 3% de las especies, no pudimos resolver su taxonomía, por lo que no se incluyeron en los análisis. Este proceso resultó en una base de metadatos de 32.144 especies, con 14.529 especies con datos demográficos y 115.356 registros demográficos. Estandarizamos el origen de cada registro a partir de poblaciones informadas como silvestres, cautivas o desconocidas en todas las bases de datos. Cuando no se proporcionó el origen en la base de datos, lo asignamos como “desconocido” (Tabla 4), sin embargo, aún incluimos esos registros porque todas las bases de datos incluidas aquí tienen una referencia a una publicación.

Desarrollo del índice de conocimientos demográficos sobre especies.

Para resumir la disponibilidad de datos demográficos para cada especie de tetrápodos, desarrollamos el Índice de conocimiento demográfico de especies. Este índice proporciona puntuaciones que resumen el número de un total de ocho medidas disponibles para la fertilidad y la supervivencia de cualquier especie. Estas medidas son las siguientes:

Medidas de conocimiento de fertilidad: (I) edad de la primera reproducción (ii) intervalo entre nacimientos / entre nacimientos (iii) tamaño de la camada / nidada (iv) proporción de hembras adultas que son reproductoras y (v) tasa de nacimiento o reclutamiento, donde el reclutamiento denota el número promedio de individuos que alcanzan una edad o etapa específica (por ejemplo, madurez, abandono del nido) por hembra reproductora.

Medidas de conocimiento de supervivencia: (I) vida útil máxima registrada, (ii) edad media de la población (adulta), y (iii) mortalidad bruta. La información sobre la mortalidad (o supervivencia) incluye la tasa bruta de mortalidad juvenil, la tasa bruta de mortalidad de adultos (o la esperanza de vida de un adulto, aproximadamente la inversa de la tasa bruta de mortalidad de adultos) y la tasa bruta de mortalidad de jóvenes y adultos combinados (o esperanza de vida al nacer, que es aproximadamente su inverso). La tasa bruta de mortalidad viene dada por el número de muertes en algún intervalo de tiempo sobre el tamaño medio de la población en el intervalo. La probabilidad de muerte es igual al número de muertes en algún intervalo de tiempo dividido por el tamaño de la población al comienzo del intervalo. Los biólogos a veces se refieren a uno menos cualquiera de estas medidas como la tasa de supervivencia.

Conocimiento combinado de edad o etapa de supervivencia-fecundidad: el índice también se basa en la disponibilidad de datos a nivel de población en forma de matrices de población o tablas de vida. Estos incluyen probabilidades de supervivencia o muerte específicas por edad o etapa y tasas de fecundidad específicas por edad o etapa a menudo contienen solo datos de mortalidad.

El conocimiento sobre supervivencia se clasifica en cuatro categorías:

• Alto: hay disponible una tabla de vida o una matriz de población.

• Regular: estos datos no están disponibles, pero se miden al menos dos variables, como la esperanza de vida máxima y la mortalidad de adultos.

• Bajo: solo está disponible una variable.

• Ninguno: no hay información disponible.

El conocimiento sobre fertilidad también se clasifica en cuatro categorías.

• Alta: las tasas de fertilidad están disponibles por edad o etapa.

• Regular: estos datos no están disponibles, pero se miden al menos dos variables, como la edad de madurez y el tamaño promedio de la camada / nidada.

• Bajo: solo está disponible una variable.

• Ninguno: no hay información disponible.

Las tablas de vida y las matrices siempre contienen información de supervivencia, pero no siempre tienen información sobre la fertilidad, que suele ser más difícil de obtener en la naturaleza. Por lo tanto, en la Fig. 1, solo 13 categorías están codificadas por colores. La base de metadatos para estimar el índice y el índice están disponibles en Species360 Open Data Portal y Dryad Digital Repository (48, 49).


Tamaño y densidad de la población

Los científicos estudian el tamaño y la densidad de la población utilizando una variedad de métodos de muestreo de campo, incluidos los cuadrantes y la marca-recaptura.

Objetivos de aprendizaje

Elija el método apropiado para muestrear una población, dadas las características de los organismos en esa población

Conclusiones clave

Puntos clave

  • El tamaño de una población se refiere al número de individuos (N) que comprende.
  • La densidad de población es el número de individuos dentro de un área o volumen determinados.
  • Los científicos generalmente estudian las poblaciones mediante muestreo, lo que implica contar individuos dentro de un área o volumen determinado que es parte del hábitat de la población.
  • El método del cuadrante se utiliza para muestrear organismos sésiles, utilizando un cuadrado dentro del cual se cuentan todos los individuos. La extrapolación de los datos a todo el hábitat da como resultado una estimación del tamaño de la población.
  • La técnica de marcado y recaptura se utiliza para organismos móviles; implica marcar una muestra de individuos y luego estimar el tamaño de la población a partir del número de individuos marcados en muestras posteriores.

Términos clave

  • densidad de población: el número promedio de una población & # 8217s individuos que habitan una unidad de área o volumen
  • cuadratín: un área cuadrada, marcada con límites para estudiar el tamaño de la población y la densidad de plantas y animales sésiles
  • marcar y recuperar: se utiliza una técnica de muestreo para estudiar las poblaciones de organismos móviles, estimando el tamaño de la población a partir del número de individuos marcados en las muestras

Tamaño y densidad de población

El tamaño y la densidad de la población son las dos estadísticas más importantes que utilizan los científicos para describir y comprender las poblaciones. El tamaño de una población se refiere al número de individuos (N) que comprende. Su densidad es el número de individuos dentro de un área o volumen determinado. Estos datos permiten a los científicos modelar las fluctuaciones de una población a lo largo del tiempo. Por ejemplo, una población más grande puede ser más estable que una población más pequeña. Con menos variación genética, una población más pequeña tendrá una capacidad reducida para adaptarse a los cambios ambientales. Los individuos de una población de baja densidad están muy dispersos, por lo que pueden tener más dificultades para encontrar pareja en comparación con los individuos de una población de mayor densidad. Por otro lado, las poblaciones de alta densidad a menudo resultan en una mayor competencia por los alimentos. Muchos factores influyen en la densidad, pero, como regla general, los organismos más pequeños tienen densidades de población más altas que los organismos más grandes.

La densidad de población se correlaciona negativamente con el tamaño corporal: Los mamíferos australianos muestran una relación inversa típica entre la densidad de población y el tamaño corporal.

Métodos de investigación de poblaciones

Contar a todos los individuos de una población es la forma más precisa de determinar su tamaño. Sin embargo, este enfoque no suele ser factible, especialmente para poblaciones grandes o hábitats extensos. En cambio, los científicos estudian las poblaciones por muestreo, lo que implica contar individuos dentro de un área o volumen determinado que es parte del hábitat de la población. Los análisis de datos de muestra permiten a los científicos inferir el tamaño de la población y la densidad de población de toda la población.

Se pueden utilizar una variedad de métodos para muestrear poblaciones. Los científicos suelen estimar las poblaciones de organismos sésiles o de movimiento lento con el método del cuadrante. Un cuadrante es un cuadrado que encierra un área dentro de un hábitat. El área se puede definir replanteándola con palos y cuerdas, o usando un cuadrado de madera, plástico o metal colocado en el suelo.

El científico usa un cuadrante para medir el tamaño y la densidad de la población de plantas: Un cuadrante es un marco cuadrado de un área conocida en la que las especies de interés se pueden contar y medir fácilmente.

Un estudio de campo generalmente incluye varias muestras de cuadrantes en ubicaciones aleatorias o a lo largo de un transecto en un hábitat representativo. Después de colocar los cuadrantes, los investigadores cuentan el número de individuos que se encuentran dentro de los límites del cuadrante. El investigador decide el tamaño del cuadrante y el número de muestras del tipo de organismo, su distribución espacial y otros factores. Para el muestreo de narcisos, un cuadrante de 1 m 2 podría ser apropiado. Las secuoyas gigantes son más grandes y viven más separadas unas de otras, por lo que sería necesario un cuadrante más grande, como 100 m 2. El tamaño de cuadrante correcto asegura recuentos de suficientes individuos para obtener una muestra representativa de todo el hábitat.

Los científicos suelen utilizar la técnica de marcar y recuperar para organismos móviles como mamíferos, aves o peces. Con este método, los investigadores capturan animales y los marcan con etiquetas, bandas, pintura, marcas corporales o algún otro signo. Luego, los animales marcados son devueltos a su entorno, donde se mezclan con el resto de la población. Posteriormente, se recolecta una nueva muestra, que incluye algunos individuos que están marcados (recapturas) y algunos individuos que no están marcados.

El marcado y la recaptura se utilizan para medir el tamaño de la población de animales móviles.: Con el método de marcar y recuperar, los investigadores capturan animales y los marcan con etiquetas, bandas, pintura, marcas corporales o algún otro signo.

La proporción de individuos marcados a no marcados permite a los científicos calcular cuántos individuos hay en la población como una estimación del tamaño total de la población. Este método asume que cuanto mayor sea la población, menor será el porcentaje de organismos marcados que serán recapturados, ya que se habrán mezclado con más individuos sin marcar. Por ejemplo, si se capturan, etiquetan y sueltan 80 ciervos en el bosque, y luego se capturan 100 ciervos con 20 de ellos ya marcados, podemos determinar el tamaño de la población (N) utilizando la siguiente ecuación:

[látex] frac < text quad text quad text quad text quad text quad times quad text quad text quad text quad text quad text > < texto quad text quad text quad text quad text quad text quad text > [/ látex]

Al insertar los datos de ejemplo en la ecuación, el cálculo da un tamaño de población total estimado de 400.

Usando los datos de ejemplo, si solo se hubieran recapturado 10 ciervos ya marcados, el tamaño total de la población calculada sería 800.

El método de marcar y recuperar tiene limitaciones. Algunos animales de la primera captura pueden aprender a evitar la captura en la segunda ronda. Tal comportamiento causaría estimaciones de población infladas. Alternativamente, los animales se pueden volver a atrapar preferentemente (especialmente si se ofrece una recompensa de comida), lo que resulta en una subestimación del tamaño de la población. Además, algunas especies pueden resultar dañadas por la técnica de marcado, reduciendo su supervivencia. Se han desarrollado una variedad de otras técnicas, incluido el seguimiento electrónico de animales marcados con transmisores de radio y el uso de datos de operaciones de captura y pesca comercial para estimar el tamaño y la salud de las poblaciones y comunidades.


Dominio cuatro: comportamiento

La anticoncepción priva al animal de la experiencia potencialmente satisfactoria de ser padre (Hampton, 2017, p. 184).

La prevención del comportamiento reproductivo natural, como el cortejo y el apareamiento, puede causar daño a los animales, porque el cortejo y el apareamiento son generalmente muy placenteros para las personas con éxito reproductivo (Hampton, 2017, p. 174). (Por supuesto, el cortejo y el apareamiento pueden en sí mismos causar sufrimiento a través de, por ejemplo, competencia violenta entre machos, intentos de apareamiento no deseados y falta de éxito en el apareamiento). Las vacunas GnRH previenen el comportamiento reproductivo como los ciclos de celo (Gary Killian, Wagner, Fagerstone, & amp Miller, 2008). Miller et al., 2013, p. S88). Las proteínas ZP no reaccionan de forma cruzada con otros tejidos y hormonas proteicas (Jay F. Kirkpatrick et al., 2011, p. 42). Por lo tanto, están "aguas abajo" de muchos procesos reproductivos, dejando a los animales con un comportamiento reproductivo lo más natural posible (ibid: 42).


Observaciones finales

En resumen, aunque reconocemos que la dependencia del contexto puede limitar nuestra capacidad para predecir la dinámica de la población de las especies introducidas, nuestros enfoques actuales para comprender la dinámica de las poblaciones de plantas invasoras son inadecuados para realizar predicciones significativas. Más específicamente, tenemos un conocimiento limitado de cuáles son los tiempos de retraso típicos para las especies que eventualmente se vuelven invasoras, y tenemos un conocimiento limitado de las tasas típicas de expansión que experimentan estas especies una vez que finaliza el tiempo de retraso (ver Aikio et al. Referencia Aikio, Duncan y Hulme 2010 Larkin Reference Larkin 2012). Estas son piezas críticas de nuestra comprensión del proceso de invasión que faltan, que pueden abordarse mediante un enfoque coordinado hacia la creación de curvas de invasión estandarizadas. Sin estas curvas de invasión y la recopilación de datos estandarizada que se necesita para su creación, seguiremos siendo limitados en nuestra capacidad para detectar invasiones temprano y, en consecuencia, estaremos menos preparados para implementar respuestas rápidas. Esto nos deja con el statu quo, en el que las invasiones generalmente se reconocen solo cuando una especie se ha extendido y se vuelve problemática, momento en el que hemos perdido la ventana para la gestión más eficaz y rentable.

La capacidad de comparar entre diferentes curvas de invasión requiere coherencia en la recopilación, el tratamiento y el análisis de datos. Claramente, los datos de herbario se están recopilando con un vigor decreciente a medida que la financiación se vuelve cada vez más limitada.Sin embargo, la necesidad de curvas de invasión estandarizadas puede constituir una fuerte motivación para la revitalización de los herbarios, requiriendo un mayor financiamiento y un mandato más dirigido para recopilar datos de una manera que cumpla con los objetivos tradicionales del herbario, pero también sirva al propósito más específico de acumular datos para construyendo estas curvas. Aunque se podría argumentar que recientemente se han desarrollado varias aplicaciones de informes de especies invasoras para teléfonos inteligentes (por ejemplo, EDDMapS [http://www.eddmaps.org]), es posible que no garanticen el nivel requerido de consistencia / calidad en los datos. recolección, ni conducen a especímenes de comprobantes que son necesarios para escrutar la precisión taxonómica. Además, comparar la dinámica de invasión de la misma especie en diferentes ambientes (Rodgers et al. Referencia Rodgers, Stinson y Finzi 2009) o de diferentes especies en el mismo ambiente (p. Ej., Klironomos Reference Klironomos 2002 Miller et al. Reference Miller, Carroll, Wilson y Shaw 2009) permite una mayor comprensión de los factores que influyen en el éxito de la invasión. La comparabilidad se basa en las recomendaciones discutidas anteriormente (es decir, lo más importante, llevar a cabo campañas anuales de recolección por herbarios destinadas a recolectar sistemáticamente en redes de 10 por 10 km). Por lo tanto, adherirse a un conjunto de estándares aceptados mejorará la comparabilidad entre estudios.

En este documento, hemos comenzado el proceso de desarrollo de estándares identificando las mejores prácticas para trabajar con datos existentes (herbario) y recomendando parámetros para el uso de información complementaria en estudios futuros. A medida que aumenta nuestro conocimiento, podemos fortalecer nuestra capacidad para realizar predicciones informadas sobre la probabilidad de que determinadas especies se conviertan en invasoras y los plazos en los que lo serán. Si se detectara una invasión, los gerentes estarían mejor posicionados para aprovechar los tiempos de espera, que se reconocen como momentos críticos para intervenciones de gestión efectivas y rentables.

El trabajo futuro debe continuar refinando estas recomendaciones y explorar formas adicionales de estandarizar las curvas de invasión. Los investigadores ciertamente continuarán investigando especies particulares de formas específicas para sus objetivos. Sin embargo, esperamos que también consideren producir curvas de invasión estandarizadas que puedan servir para los objetivos más amplios que se pueden lograr mediante el trabajo comparativo (Tabla 2).