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La historia de la vida en la Tierra es dramática y apasionante, ya que está llena de extinciones, surgimiento de nuevas especies, momentos de crisis en los que la vida en la Tierra se vio en riesgo, y florecimientos de la biota planetaria. Esta historia es digna de conocerse y de gran importancia científica; la ciencia que hemos desarrollado para ello es la biología evolutiva, la cual tiene como objetivos:

Desentrañar la historia evolutiva de los seres vivos actuales

Analizar y comprender los procesos que han originado la diversidad actual a partir de un antepasado común.

Conocer la filogenia, que es conocer las relaciones de afinidad y parentesco entre los distintos organismos, tratando de dilucidar en lo posible, el origen y la historia evolutiva de los taxones.

No obstante, estos objetivos son un desafío, ya que la información que tenemos de la vida en el pasado es escasa y fragmentada; esto, debido a que dependemos del conocimiento de los fósiles. Debemos entender que la fosilización no es un proceso muy común y que los fósiles en el ambiente se ven expuestos a una gran variedad de factores que pueden, potencialmente destruirlos, tales como la erosión y el verse sujetos a las poderosas fuerzas geológicas del planeta, esto sumado a la imposibilidad de conocer muchos de ellos por su ubicación en lugares inaccesibles. Lógicamente, los fósiles más antiguos han estado más tiempo sujetos a las eventualidades señaladas, por lo que son más difíciles de conocer. En esta temática estudiaremos algunos de los objetivos señalados de la biología evolutiva

Extinciones y radiación adaptativa.

Extinciones

Como ya hemos comentado, en ocasiones los factores del ambiente pueden ser tan intensos, o tan súbitos que avasallan a la especie, de modo que no tiene tiempo de adaptarse y todos sus integrantes son muertos, por lo que la especie se extingue, por lo menos localmente, aunque tal extinción puede ser total, por lo que la especie desaparece para siempre de la faz de la Tierra.

La extinción es un hecho normal y común en la naturaleza y ha sido una constante en la historia de la vida desde sus orígenes. De hecho, se considera que en la actualidad existe aproximadamente el 1 por ciento de todas las especies que han existido en la historia de la Tierra.

Basándose en datos recopilados del registro fósil, los paleontólogos consideran que las especies tienen un promedio de vida de un millón de años; por ejemplo, algunas especies de bivalvos del Jurásico duraron 20 millones de años en promedio, mientras que en algunas especies de amonitas del Cretácico sobrevivieron un promedio de solo unos 500 000 a 700 000 años. De estos datos y otros derivados del estudio de extinciones en islas, algunos investigadores consideran que la tasa de extinción en los ecosistemas naturales debería ser constante y mensurable.

Asimismo, se considera que al extinguirse una especie, otra especie evoluciona y ocupa el nicho ecológico desocupado por la extinción previa. De este modo, los seres vivos ocupan la mayor cantidad de nichos ecológicos.

No obstante, la tasa de extinción no siempre ha sido constante en la historia de la Tierra. Ha habido momentos geológicos en los que se han presentado las llamadas Extinciones Masivas, que son épocas en las que por catástrofes diversas, porcentajes considerables de la biota planetaria desaparece (hasta el 90% de los seres vivos). Por ejemplo, las divisiones del tiempo geológico en Eras y Períodos se basan en extinciones masivas, siendo dos de las más considerables las que separan las eras Paleozoica - Mesozoica y Mesozoica - Cenozoica.

En la actualidad, muchos investigadores consideran que nos encontramos en medio de una extinción masiva, aunque en este caso, la catástrofe no es debida al choque de cometas o meteoritos con el planeta, ni a la actividad volcánica simultánea de decenas y hasta cientos de volcanes, sino al crecimiento de la población humana y al uso intensivo de los recursos naturales que hacemos.

En los casos documentados de extinciones masivas, siempre ha ocurrido que los sobrevivientes han logrado evolucionar y diversificarse para recolonizar el planeta y generar en cada caso, seres con adaptaciones más sofisticadas, como ocurrió con la evolución de mamíferos y aves a partir de la extinción masiva que separa al mesozoico del cenozoico, cuando desaparecieron gran diversidad de especies acuáticas y terrestres incluidos los dinosaurios.

Formalmente, se consideran cuatro tipos de extinción:

Local

Total

De fondo

Masiva

Extinción Local. En este caso, la especie deja de existir en un área determinada, aunque sigue viviendo en otro lugar. Este fenómeno también es conocido como extirpación. Un caso interesante es el del águila arpía (Harpia harpyja), la cual vivía desde el sureste de México, América central y parte de Sudamérica. En la actualidad se encuentra extirpada de México debido principalmente a la deforestación. Esta es la rapaz más grande de América, con una envergadura que con frecuencia rebasa los dos metros y un peso que llega a rebasar los 10 Kg.

Figura 1. El águila arpía, una especie en extinción local en México, aunque existen poblaciones en centro y sudamérica.

Las extinciones locales pueden ser subsanadas por individuos provenientes de otras áreas de distribución de la especie en cuestión, como es el caso del lobo mexicano (Canis lupus baileyi), que fue reintroducido por el propio humano, quien fue responsable de su extinción local en México por caza y envenenamiento. En la actualidad existen manadas en el norte del país, provenientes de individuos criados en cautiverio.

Figura 2. El lobo mexicano (Canis lupus bailey) sufrió de extinción local en nuestro país, pero ha sido reintroducido y ahora existen manadas en vida libre.

Extinción total. En este caso, todas las poblaciones de una especie desaparecen completamente sin dejar ninguna descendencia en ningún lugar, ni con su mismo DNA ni otro evolucionado. En este caso encaja el pájaro carpintero imperial (Campephilus imperialis), que habitaba el sur de Estados Unidos y el norte de México; debido a la tala inmoderada de su hábitat no ha sido observada desde 1997, por lo que se considera extinta. Esta ave llegaba a medir hasta 60 cm. de altura y cada pareja llegaba a requerir hasta varios kilómetros cuadrados de bosques para sobrevivir y alimentar a sus crías.

Figura 3. El carpintero imperial fue extinto totalmente por la tala inmoderada de los bosques del norte de México.

Extinción de fondo. Este tipo de extinción ocurre con una tasa constante en todos los grupos taxonómicos en períodos de tiempo geológico y se considera el proceso normal de extinción. Se piensa que se encuentra condicionado por factores bióticos como la competencia o la depredación en combinación con un cierto agotamiento genético de la especie en cuestión.

Extinción masiva. Se dice que esta ocurre cuando más del 10% de las especies desaparecen en un año, o más del 50% desaparece en un período de entre uno y tres millones de años. De acuerdo a nuestro conocimiento de la vida en la Tierra, estas extinciones son muy poco frecuentes y representan una gran crisis biológica originada por cambios muy rápidos, principalmente de factores abióticos. Las causas propuestas para estos cambios ambientales súbitos tienen que ver principalmente con dos grupos de factores: intrínsecos y extrínsecos al planeta. Los intrínsecos tienen que ver con factores principalmente relacionados con la geología planetaria: choques, hundimientos y surgimiento de continentes; actividad volcánica muy incrementada y cambios en el magnetismo terrestre. Los extrínsecos tienen que ver con factores extraterrestres, como bombardeo de cometas y asteroides, supernovas cercanas y ráfagas inesperados de radiación cósmica; incluso en algún momento se propuso la existencia de una estrella gemela del Sol con una órbita muy excéntrica.

Figura 4. Muestra una manera gráfica de representar la Extinción de Fondo y la Extinción Masiva a través del tiempo. En ambos casos se muestran líneas que representan los distintos taxones presentes y su desaparición en cierto momento; a la vez que se presenta la aparición de taxones nuevos. Nótese que en el primer caso se trata de extinciones aisladas, mientras que en la extinción masiva la desaparición de los taxa es súbita y coordinada.

Tabla 1. Muestra las cinco grandes extinciones masivas que han afectado nuestro planeta a lo largo del tiempo geológico.

Un ejemplo muy conocido y estudiado, principalmente por la cercanía en el tiempo (del orden de 65 millones de años), tiene que ver con la extinción K – T (por Cretácico – Terciario). En efecto, esta extinción masiva acabó con varios grupos taxonómicos: las amonitas, belemnites y rudistas, grupos invertebrados marinos, además con el famoso grupo de los dinosaurios. Se ha estudiado a fondo el impacto de un asteroide de más de 10 Km de diámetro en la costa cercana al poblado yucateco de Chicxulub. Este impacto generó un cráter de casi 200 Km de diámetro y liberó una energía superior a la explosión de todas las bombas nucleares almacenadas en los arsenales de todo el mundo (unos 100 teratones de TNT o sea 1014 toneladas). Provocó la extinción del 90% de la biota planetaria y tardó del orden del millón de años en despejarse sus efectos en la atmósfera y los océanos.

Figura 5. Las amonitas fue uno de los grupos que se extinguió con los dinosaurios en el límite K - T (Cretácico - Terciario), hace unos 65 millones de años. A la izquierda, fósiles de dos amonitas; a la derecha, reconstrucción de amonitas por especialistas del Instituto de Geología de la UNAM.

La documentación en el registro fósil de las extinciones masivas justifican plenamente la división del tiempo geológico. En efecto, la separación en Eras y Períodos está plenamente justificada por el registro fósil.

Radiación adaptativa.

Radiación adaptativa es un término empleado para describir la diversificación hacia distintos nichos ecológicos por especies derivadas de un ancestro común. Algunos ejemplos impresionantes incluyen a los chupaflores hawaianos (ver figura 6) y los peces cíclidos de los grandes lagos de África; en ambos grupos, las especies cercanamente relacionadas difieren ampliamente en sus hábitos alimenticios y la morfología asociada a tal proceso. Como en muchos ejemplos de radiación adaptativa, estos dos grupos se han diversificado en regiones en los que la diversidad de otras aves o peces es baja. Por lo tanto, parece que los cambios evolutivos en el empleo de los recursos están frecuentemente determinados por la competencia entre las especies, y pueden ser apreciados por la disminución de la competencia.

En teoría, la competencia interespecífica puede favorecer la evolución de la divergencia, por lo que las especies se hacen distintas en la manera del empleo de sus recursos. Las respuestas evolutivas de este tipo pueden fomentar la radiación adaptativa, pero no son necesariamente responsables de todas las radiaciones adaptativas. Los ejemplos de Desplazamiento de Carácter son una evidencia de que las especies evolucionan en respuesta a la competencia interespecífica; los desplazamientos de carácter se definen como una mayor diferencia entre pares de poblaciones de especies simpátricas que entre pares de especies alopátricas.

Desde luego, surge la pregunta ¿Existe alguna relación entre las radiaciones adaptativas y la biodiversidad? Indudablemente que existe. En todos los casos en que se ha presentado una radiación adaptativa, la biodiversidad se ha visto enriquecida. Considera, por ejemplo el caso de la radiación adaptativa de los mamíferos (ver figura 7) que generó la gran diversidad de ésta Clase taxonómica. Se generó una gran variedad que va desde los voladores (murciélagos), planeadores (ardillas), corredores (caballos), fosorios (topos), arborícolas (simios), semiacuáticos (nutria), marinos no estrictos (focas) y marinos(delfines y ballenas); en fin, la biodiversidad del planeta es actualmente más rica debido a la radiación adaptativa de los mamíferos y de cualquier otro grupo que se haya diversificado.

Figura 6. Muestra de la radiación adaptativa de los chupaflores hawaianos (Drepanididae). En el esquema se hace énfasis en la forma de los picos, que indudablemente tienen relación directa con el tipo de alimento al que tienen acceso; desde los robustos comedores de semillas, hasta los delgados bebedores de néctar. También se incluyen flechas que indican las posibles rutas evolutivas entre especies.

Figura 7. Esquema de radiación adaptativa de las extremidades anteriores de los mamíferos. Los huesos relacionados tienen el mismo color.

Si bien la radiación adaptativa enriquece considerablemente la biodiversidad planetaria, también en cierto que las principales radiaciones adaptativas que el planeta ha atestiguado, han surgido en momentos de crisis, en momentos posteriores a extinciones masivas. Es muy probable que esto ocurra debido a que las extinciones masivas dejen una gran cantidad de nichos ecológicos vacíos, los cuales son rápidamente cubiertos por los pocos sobrevivientes que, debido a la ausencia de competidores reemplazan rápidamente a las especies extintas en sus funciones ecológicas. Ante la extinción del límite K - T no solamente los mamíferos sufrieron una intensa radiación adaptativa, tambien lo hicieron las aves, que cubrieron una amplia variedad de ambientes; no solo se hicieron con el ambiente aéreo, sino que abordaron el ambiente acuático (pingüinos), algunas se hicieron corredoras (avestruz, emú y otras), otras vadeadoras (garzas y flamingos), aves de presa, cotorros, golondrinas, etc.

Árboles Filogenéticos

Debido a todos los indicios que se tienen hasta la fecha, los investigadores del Origen de la Vida sospechan que hubo una forma celular con una antigüedad de unos 3 900 millones de años que originaron a todas las formas de vida actuales, al que llaman LUCA (por las siglas en inglés de Last Universal Common Ancestor o Último Ancestro Común Universal), y tenemos evidencias tan contundentes como la universalidad del código genético y otros argumentos morfológicos, moleculares y genéticos. Pues bien, la Biología Evolutiva tiene como uno de sus fines crear una especie de “Árbol de la vida” en donde podamos ubicar todas las especies tanto extintas como actuales, en una secuencia de relaciones de ancestría y descendencia.

Esta tarea titánica da origen a los llamados árboles filogenéticos. En efecto, la Sistemática es la rama de la biología que se encarga de determinar, con base en caracteres específicos, cuantas clases de organismos pueden reconocerse; con dichos caracteres es posible reconocer sus relaciones y definir cuáles de ellos son de ancestría y cuáles de descendencia. Se entiende que los caracteres de ancestría son heredados a partir de sus antepasados, mientras que los de descendencia son caracteres nuevos que el grupo heredaría a sus descendientes. Estos árboles se parecen a los árboles genealógicos, ya que en la base se tendría al grupo o especie original que, a través de una especie de radiación adaptativa, daría origen a las ramas o grupos nuevos y en la punta de las ramas a las especies actuales.

Se entiende que para que esto ocurra, ocurren procesos de especiación, sobresaliendo la divergencia como motor principal de este proceso. Aunque el estudio filogenético de la biota planetaria se inició desde finales del siglo XIX, fue en 1950 cuando el biólogo alemán Willi Hennig (1913 – 1976) sistematizó las principales ideas para generar una teoría coherente del análisis filogenético. Entre los principios planteados por Hennig tenemos:

- Las relaciones entre las especies deben ser interpretadas en forma estrictamente genealógica, como linajes hermanos

- Los grupos se deben definir únicamente por los caracteres avanzados (evolucionados, modificados), compartidos, llamados sinapomorfías, los cuáles son los únicos que proveen de ancestría común.

- Para ubicar una especie en un árbol filogenético, deben considerarse el mayor número de sinapomorfías.

- La ubicación de una especie en un árbol filogenético tiene que ser consistente con el patrón histórico de relaciones con un solo ancestro común, por lo que con solo conocer el nombre científico, se le pueden atribuir ciertos caracteres e historia evolutiva.

Figura 8. Árbol filogenético para el grupo Hominidae. Nótese que el ancestro común que tenemos con el orangután es el más antiguo y el más reciente es con Australopithecus, aunque de las especies vivas, el más cercano es con el chimpancé.

La comunidad de científicos en Sistemática propusieron a finales del siglo XX una “Agenda Sistemática 2000”, en la que afirman que para entender la biodiversidad presente actualmente en nuestro planeta es necesario conocer su Historia Evolutiva, por lo que es necesario contribuir a generar una filogenia de la biota planetaria. Así, científicos de todo el mundo se han integrado en un proyecto llamado TOL (por sus siglas en inglés: Tree of life, o árbol de la vida en español), de modo que han creado una red mundial en INTERNET en la que brindan información sobre la biodiversidad, su historia evolutiva y sus características.