En una nueva investigación, científicos de la Universidad Estatal de Arizona y sus colegas investigaron los cambios genéticos que se producen en una población naturalmente aislada de la pulga de agua, Daphnia pulex. Este pequeño crustáceo, apenas visible a simple vista, juega un papel crucial en los ecosistemas de agua dulce y ofrece una ventana única a la selección natural y la evolución.

Sus hallazgos, reportados en el número actual de la revista Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS), se basan en una década de investigación. Usando técnicas genómicas avanzadas, el equipo de investigación analizó muestras de ADN de casi 1.000 Daphnia.

Descubrieron que la fuerza de la selección natural sobre los genes individuales varía significativamente de un año a otro, manteniendo la variación y potencialmente mejorando la capacidad de adaptación a las futuras condiciones ambientales cambiantes al proporcionar materia prima para que actúe la selección natural.

En ambientes aparentemente estables, existe una fluctuación significativa en la frecuencia de las variantes genéticas conocidas como alelos en regiones cromosómicas específicas a lo largo del tiempo, incluso si la fuerza general de la selección permanece cercana a cero en promedio durante muchos años. Esto sugiere que dicha variación genética permite que las poblaciones permanezcan adaptables a los cambios ambientales.

“Este estudio nos ha dado, por primera vez, una idea de los tipos de cambios temporales en las frecuencias genéticas que ocurren incluso en ambientes aparentemente constantes, una especie de agitación continua de la variación genética distribuida en todo el genoma”, dice Michael Lynch, autor principal del nuevo estudio.

Lynch es el director del Biodesign Center for Mechanisms of Evolution y profesor en la School of Life Sciences de ASU. Otros investigadores del estudio incluyen colegas de ASU, la Universidad Normal Central de China y la Universidad de Notre Dame.

El poder de la selección

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

Las pequeñas criaturas son una fuente de alimento vital para los peces y ayudan a mantener bajo control el crecimiento de las algas. Su capacidad para adaptarse rápidamente a los cambios ambientales podría contener pistas sobre cómo otras especies, incluidas las importantes para los suministros de alimentos humanos, podrían responder a la contaminación, el cambio climático y otros factores estresantes inducidos por el hombre.

La mayoría de los sitios examinados en el genoma de Daphnia mostraron experimentar presiones de selección cambiantes durante el período de estudio. En promedio, estas presiones tienden a equilibrarse para tener poco efecto general, lo que significa que ninguna dirección de selección domina de manera consistente a lo largo del tiempo. En cambio, las ventajas o desventajas genéticas de rasgos específicos cambian de un período a otro.

Estos hallazgos desafían la creencia tradicional de que medir la diversidad genética (el rango de diferentes rasgos en una población) y la divergencia genética (las diferencias entre las poblaciones) puede mostrar fácilmente cómo la selección natural está operando de manera consistente. En cambio, la selección natural parece operar con mayor sutileza y complejidad de lo que se pensaba anteriormente.

Repensar la variación genética

El estudio abre nuevos caminos al señalar cuándo y dónde ocurren las presiones de selección dentro del genoma. Aparte de los rasgos que se sabe que están fuertemente influenciados por la selección natural, hay poca información sobre cómo cambian las frecuencias alélicas a lo largo del tiempo en las poblaciones naturales.

El análisis multianual de todo el genoma de casi 1.000 muestras genéticas de una población de Daphnia pulex muestra que la mayoría de los sitios genéticos experimentan una selección variable, con un efecto promedio cercano a cero, lo que indica poca presión de selección consistente durante diferentes períodos y selección distribuida en muchas regiones genómicas.

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

Variación y supervivencia

Los patrones observados de selección en varios sitios genéticos proporcionan un mecanismo para mantener la diversidad genética, que es esencial para una adaptación rápida. El estudio también reveló que los genes ubicados uno cerca del otro en los cromosomas tienden a evolucionar de manera coordinada. Esta vinculación permite que las combinaciones beneficiosas de variantes genéticas se hereden juntas, potencialmente acelerando el proceso de adaptación.

Este efecto podría ayudar a explicar cómo las especies a veces se adaptan más rápido de lo que los científicos normalmente esperarían. Por otro lado, el mismo fenómeno puede resultar en que los alelos deletéreos se eleven a frecuencias más altas por alelos beneficiosos vinculados, reduciendo la eficiencia general de la selección en algunos casos.

El estudio muestra que la evolución es más dinámica y compleja de lo que se apreciaba anteriormente. La influencia del ambiente en los genes cambia con frecuencia, posiblemente ayudando a las especies a mantener la variedad genética necesaria para adaptarse a las condiciones futuras. Esta nueva comprensión puede impulsar a los científicos a repensar cómo estudian la evolución en la naturaleza.

Si bien el estudio se centró en Daphnia pulex, los hallazgos pueden tener implicaciones para comprender cómo otras especies podrían responder a los rápidos cambios ambientales, incluidos los impulsados por las actividades humanas, como la contaminación y el cambio climático. Evaluar la estabilidad de las frecuencias alélicas en entornos más estables es un paso preliminar importante. Estos estudios son críticos, ya que los experimentos de laboratorio por sí solos no pueden duplicar la complejidad de las influencias ambientales que actúan sobre las poblaciones silvestres.

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

A medida que el mundo se enfrenta a una crisis ambiental acelerada, estudios como este proporcionan información crucial sobre la capacidad de resiliencia y adaptación de la naturaleza. Al continuar estudiando estas pequeñas criaturas, los científicos esperan comprender mejor los mecanismos fundamentales de la evolución y aplicar estas lecciones a esfuerzos ecológicos y de conservación más amplios.