¿Cómo son los sistemas biológicos formados por la evolución?

Answer 1

Esta pregunta es demasiado amplia para responder, ya que la evolución conforma básicamente todos los aspectos de la biología. Me parece que la pregunta se relaciona principalmente con cómo los procesos evolutivos pueden resultar en la formación de nuevas estructuras complejas como los ojos. Abordaré la visión, ya que este es el ejemplo específico citado por el OP.

No voy a ampliar la evolución de los ojos, ya que esto ha sido bien cubierto en Quora antes.

En el caso de la visión, podemos comenzar con opsins. Las opsinas son proteínas sensibles a la luz que pertenecen a una gran familia de receptores acoplados a proteínas G (GPCR) . Todos los animales que tienen algún tipo de visión utilizan estos fotorreceptores, que son GPCR de siete transmembranas, lo que significa que atraviesan la membrana celular siete veces. Este artículo de Scientific American de 2012 expande la evolución de las opsinas en animales: http: //blogs.cientificamerican… .. Por favor, lea el artículo completo, ya que explica la evolución de estas proteínas y, por lo tanto, la visión animal, mucho mejor de lo que puedo. . Es algo fascinante.

Pero lo que quiero señalar es que esta familia de genes y proteínas, los GPCR, se compone de muchos, muchos miembros con muchas funciones variadas. Sin embargo, todos funcionan según los mismos principios básicos de la transducción de señales: el receptor se activa mediante un estímulo, en este caso la luz, pero podría ser muchos otros (en la mayoría de los casos es un estímulo como una molécula que se une al receptor). ; en el caso de opsins nada se une, sino que son los fotones los que se detectan). Cuando el receptor se activa, libera moléculas de señalización en el interior de la célula, lo que resulta en la activación de procesos celulares específicos. ¿Cómo surgieron todos estos diferentes GCPRs? Cuando existen duplicaciones de genes (una ocurrencia bastante común a lo largo de la evolución), algunas copias pueden mutarse y no seleccionarse, porque la función original para la cual evolucionó el gen original está cubierta por otra copia. Estas nuevas mutaciones pueden terminar sin hacer nada, o pueden resultar en la adquisición de nuevas funciones que transmiten una ventaja al organismo.

Las opsinas no existen solo en animales que tienen visión; También existen en los microbios. Por lo tanto, son proteínas muy antiguas (http://m.cshprotocols.cshlp.org/…). Las bacterias no “ven” la luz, no tienen “visión”. Sin embargo, utilizan la luz para transducir la señal y, por ejemplo, para mover sus flagelos. Los procariotas fotosintéticos, como las algas, utilizan opsins para cambiar la dirección de sus flagelos y moverse hacia la fuente de luz, donde pueden alimentar su fotosíntesis.

Espero que estos ejemplos ayuden a ilustrar cómo la evolución da forma a la biología: al utilizar “sustratos” comunes, como los genes de opsina, que se sometieron a la duplicación y formaron una familia de genes, para cooptar formas mutantes para funciones completamente nuevas. Desde las cadenas de protones microbianos y la detección de luz hasta la compleja visión de color de un camarón mantis o un primate grande que lee a Quora en un teléfono inteligente, todos estos procesos dependen de los genes de opsina y las proteínas de opsina, que se tejen siete veces en una membrana fuera de las células. Bastante potente y poética, si me preguntas.

Answer 2

Toda estructura biológica útil proviene de una evolución de piezas útiles más pequeñas. Esos usos no son obvios, como el maravilloso ejemplo de opsins dado por Adriana Heguy. Los órganos no evolucionaron todos a la vez como órganos útiles. Los genes individuales que los componen hoy tienen diferentes usos mucho antes de que fueran partes de órganos completos.

La genética molecular se refiere al ancestro común de todas las formas de vida celular, incluidas las bacterias, los mamíferos y las plantas, como el “LUCA”, el último ancestro común universal. Tenemos una buena evidencia de la existencia de un LUCA desde la universalidad y la persistencia de los genes y proteínas básicos en todo el Árbol de la Vida, hasta la raíz que es el propio LUCA. Entonces, tu pregunta se reduce a esto: ¿cómo surgió la LUCA?

El mejor modelo para el LUCA consiste en una sopa de ARN y varias otras cadenas pre-orgánicas que surgen espontáneamente en las condiciones correctas de temperatura, agua y química basada en el carbono. El ARN es la molécula más simple que sabemos que puede almacenar información genética. La evolución requiere exactamente este tipo de memoria genética imperfecta para tener lugar.

Otro requisito es la capacidad de reproducirse. Algunas formas de ARN, ribozimas, son contenedores de información y motores de reproducción para el ARN. Todo esto podría haber ocurrido en bolsas de arena de arcilla del tamaño de una celda en el fondo de los océanos cerca de respiraderos oceánicos o “fumadores negros”. En el transcurso de aproximadamente mil millones de años, muchas combinaciones aleatorias de moléculas podrían haberse autoensamblado en estas bolsas hasta que se creó el ARN y la primera ribozima. A partir de ese punto, los procesos aleatorios de la genética siguieron intentando combinaciones. Algunos tenían un valor de supervivencia, como la capacidad de formar una pared celular y obtener nutrientes a través de esa pared. Otra fue la gran capacidad de información del ADN de doble cadena, que puede llevar varios millones de veces más información que el ARN.

La evidencia genética de esos genes tempranos sobrevive hoy en procariotas y eucariotas.

Actualmente estoy involucrado en algoritmos genéticos para modelar ciertos procesos similares a la evolución utilizando Python y Biopython.

Answer 3

Un par de puntos sobre los comentarios de Ken Brody.

En primer lugar, no es seguro que todos los componentes celulares se deriven de un ancestro común. De hecho, la membrana celular arqueana difiere mucho de la de las eubacterias; Ambos son fosfolípidos, pero eso es todo lo que tienen en común.
La aparición conocida de la transferencia de genes entre estos dos tipos de procariotas empaña aún más el problema. Y parece que las membranas celulares no están codificadas por los genes.
Son temas como este los que sugieren que surgieron de una comunidad primitiva en lugar de una LUCA. Esta es una opinión compartida por Carl Woese, entre otros.

En segundo lugar, la “sopa primitiva” y los primeros modelos de ARN de abiogénesis tienen serios problemas con cosas como el flujo y la concentración. Sin embargo, estos problemas irreconciliables han sido respondidos por un modelo de ventilación hidrotermal alcalino mucho más plausible que también puede extenderse en términos de coevolución del límite celular junto con los procesos metabólicos internos. Esto trae el problema de las probabilidades, como se discute ampliamente en los “Orígenes” de Robert Shapiro, dentro de límites razonables. Los respiraderos alcalinos han identificado un escenario en el que se cumplen estas condiciones. La existencia de innumerables cavidades en las superestructuras que podrían servir como matrices para las proto-células ha proporcionado por fin un escenario plausible y coherente para la coevolución de la célula y sus procesos metabólicos, al mismo tiempo que los problemas de probabilidad se encuentran dentro de límites razonables.

Este modelo de abiogénesis se explora en el capítulo 9 de mi último libro, “The Intricacy Generator: empujando la química y la geometría hacia arriba”.

Answer 4

Como han mencionado otros, tiene una pregunta bastante amplia, pero en cuanto a la evolución de los sistemas sensoriales como el ojo, en realidad escribí una respuesta hace poco: la respuesta de Mike Chronley a ¿Cuál es la teoría de la evolución detrás del desarrollo de los órganos sensoriales?

Si eso no es lo que estabas buscando, házmelo saber.

Answer 5

Imagine esta situación: las plantas tienen moléculas que reaccionan a la luz en un rango de longitudes de onda; Nuestra piel tiene una diferente. Ambos sintetizan un producto cuando son excitados por la luz de la longitud de onda correcta. Las plantas producen azúcar, nosotros producimos vitamina D. Esta es la base de la sensibilidad a la luz. La diferencia sería que uno podría sintetizar un neurotransmisor. Las plantas, ya que sobreviven gracias a la fotosíntesis, suelen estar en lugares con buena iluminación. Luego, la fotosensibilidad, como describí anteriormente, específicamente si produce una sensación agradable, brinda una mejor oportunidad de supervivencia para cualquier herbívoro, ya que preferirá estar en lugares iluminados (al igual que las plantas que come) que los que no lo hicieron. t desarrollar esta mutacion Ten en cuenta que esto también puede funcionar como filtro. Imagine la misma mutación, pero con una sensación desagradable en su lugar, y la criatura evitará los lugares donde se puede encontrar su alimento, muriéndose de hambre.
Iterice millones de veces con pequeñas mejoras en este mecanismo y terminará con un animal capaz de ver de la manera que lo hacemos. Esa es una manera simple de cómo puede funcionar la selección natural.
Aparte de este experimento hipotético, la fososensibilidad está presente en algunas bacterias y animales más simples, IIRC.

Answer 6

Es muy difícil de realizar debido al número de iteraciones y la escala de tiempo.
Es tan simple como esto: como se retiene cualquier mutación que conduzca a la supervivencia, un grupo de células de una especie en un entorno líquido aumentará su supervivencia si una célula o un parche de células tiene la capacidad de detectar la luz. Ahora este parche puede mejorar y formar una abolladura y mejorar aún más la probabilidad de supervivencia del grupo de células. Esto, cuando se extrapola a un número asombroso de iteraciones, puede llevar a una estructura compleja que se vería dirigida, pero en realidad fue un resultado de las situaciones aleatorias y las mutaciones que se encontraban presentes en la situación precisa.

¿Mira esto? Aquí el motivo es fijo, pero en evolución el motivo es sobrevivir:

http://rogeralsing.com/2008/12/0…

Answer 7

La evolución del ojo es una visión general bastante buena.

Answer 8

Para entender conceptualmente el proceso de evolución, una simple analogía puede ser útil.

Supongamos que se le pide que lance 100 dados simultáneamente y repetidamente hasta que obtenga un seis en la cara superior de cada dado. Si realiza los cálculos, puede ver que no tiene ninguna esperanza de éxito incluso después de miles de millones de intentos.

Luego se le pide que haga lo mismo, pero con un procedimiento ligeramente diferente. Tira todos los 100 dados una vez. Elige todos los dados que obtuvieron un seis en la cara superior, y déjalos a un lado. La próxima vez, tira solo los dados que no obtuvieron un seis en el (los) intento (s) anterior (es). Repita hasta que no quede más troquel por rodar.

Ahora vea cuán rápido puede terminar su tarea.

En caso de evolución, cada dado es como una característica del cuerpo. Hay millones de características. Cada característica tiene seis (o muchos más) estados posibles. Cuando una característica alcanza un estado deseable (como obtener un seis en un dado), se bloquea mientras otras características siguen mutando. Con el tiempo, cada vez más funciones se bloquean, lo que lleva a un organismo muy complejo.

La analogía es, por supuesto, demasiado simplificada. Todas las características no son independientes entre sí. Siempre hay compensaciones. Ocasionalmente, una característica que ya estaba “bloqueada” puede mutar a un estado menos deseable y aún seguir siendo favorecida por la evolución porque este cambio ha hecho algunas otras características mucho más deseables (la conveniencia aquí significa la capacidad relativa de sobrevivir y reproducirse en un sentido darwiniano). ).

Además, si el ambiente mismo cambia, por ejemplo, la radiación UV del sol disminuye, entonces la función que protege al cuerpo de la radiación UV ya no será necesaria, y puede desaparecer lentamente.

Cada etapa intermedia de la evolución debe ofrecer cierta supervivencia y ventaja reproductiva (capacidad para sobrevivir hasta la pubertad, tener hijos y criarlos hasta que sean independientes) en la etapa anterior. Incluso si esta ventaja es muy leve, digamos 0.1%, se extenderá a la población durante miles de generaciones.

Según este artículo de Wiki (Evolución del ojo – Wikipedia), el ojo de vertebrados tardaría menos de 364,000 generaciones en evolucionar a partir de un parche de fotorreceptores. El tiempo de generación en pequeños animales es de aproximadamente un año.