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Un gen 'invertido' ayudó a las mariposas a desarrollar el mimetismo

En un nuevo estudio publicado esta semana en 'Nature Communications', científicos de la Universidad de Chicago, en Estados Unidos, analizan datos genéticos de un grupo de especies de cola de golondrina para descubrir cuándo y cómo evolucionó el mimetismo y qué ha estado impulsando esos cambios desde entonces.
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Fecha de publicació: 08/11/2017, 13:06 h | (73) veces leída
Las mariposas cola de golondrina hacen algo que muchas mariposas realizan para sobrevivir: imitan patrones de alas, formas y colores de otras especies que son tóxicas para los depredadores.
Algunas, pero no todas, las especies de cola de golondrina han desarrollado varias formas diferentes de este rasgo. Pero, ¿qué tipo de cambios genéticos llevaron a estos diversos disfraces y por qué algunas especies mantienen una forma no disimulada cuando el mimetismo proporciona una ventaja evolutiva obvia?.
En un nuevo estudio publicado esta semana en 'Nature Communications', científicos de la Universidad de Chicago, en Estados Unidos, analizan datos genéticos de un grupo de especies de cola de golondrina para descubrir cuándo y cómo evolucionó el mimetismo y qué ha estado impulsando esos cambios desde entonces. Es una historia que comenzó hace unos dos millones de años, pero en lugar de cambios constantes y progresivos, un cambio genético ayudó a crear las primeras imitaciones de cola de golondrina. Y se ha mantenido desde entonces.
"En las mariposas con un patrón de color, tenemos un gen con una orientación normal en el cromosoma. En las mariposas con el patrón de color alternativo e inusual,ese gen se cortó y empalmó, se invirtió y luego se empalmó en el cromosoma en algún momento", relata el autor principal del estudio, Marcus Kronforst, profesor asociado de Ecología y Evolución en la Universidad de Chicago, en Estados Unidos.
"Ese cambio, o inversión, evita que los dos genes se recombinen si esos dos tipos diferentes de mariposas se aparean, por lo que han conservado ambas copias del gen en el tiempo evolutivo, ya que se separaron de su ancestro común hace dos millones de años", detalla Kronforst.
Durante mucho tiempo, los científicos pensaron que el mimetismo de las mariposas estaba controlado por "supergenes", grupos de varios genes estrechamente relacionados que siempre se heredaban como grupo. En un estudio de 2014, Kronforst y sus colegas mostraron que lo que parece ser 'supergenes' es en realidad un solo gen llamado 'doublesex' que controla los diferentes patrones de color y las formas que vemos en los fetiches hembra.
El gen 'doublesex' ya era conocido por su papel en la diferenciación entre sexos, pero en las mujeres la versión invertida o volteada también dicta los patrones de las alas. Todavía se puede pensar que es un 'supergenio', ya que controla todo el complejo proceso del patrón de las alas, pero en este caso, es solo un gen.
LA MÍMICA TIENE UN ÚNICO ORIGEN ANTIGUO
En el nuevo estudio, dirigido por el investigador postdoctoral Wei Zhang, el equipo analizó los datos de la secuencia del genoma completo de 'Papilio polytes', la mariposa de cola de golondrina asiática y varias especies similares para ver cómo se relacionan entre sí, y comparar sus copias de 'doublese'. Usando estos datos, el equipo comparó algunas explicaciones alternativas de los orígenes del mimetismo e identificó factores clave que han mantenido distintas formas de mimetismo a largo plazo.
La especie más cercana al grupo de 'P. Polytes', llamada 'Papilio protenor', se extiende a través de Asia continental desde India hasta Japón y no desarrolló mímica, tanto machos como hembras se parecen. Otras especies que se extendieron desde el continente a las islas en Filipinas e Indonesia desarrollaron tres o cuatro formas distintas, una característica conocida como polimorfismo. Todavía otras especies de cola de golondrina se extendieron aún más a Papúa Nueva Guinea y la costa noreste de Australia, pero esas hembras muestran solo un patrón de ala disfrazada.
Los investigadores compararon los patrones que vieron en los datos de la secuencia del genoma con algunas posibles explicaciones de cómo estos patrones de mímica se desarrollaron a lo largo del tiempo y la geografía. ¿El mimetismo evolucionó independientemente en diferentes especies en distintos momentos? ¿Ha evolucionado en una especie y luego se ha propagado a través del cruce o la hibridación?.
Parece que la mímica en realidad tiene un único origen antiguo, cuando el gen 'doublesex' se revirtió hace dos millones de años. Desde esa inversión inicial, Zhang y Kronforst vieron signos de lo que se conoce como selección de equilibrio. Cuando un tipo de mariposa se vuelve más común, los depredadores se dan cuenta de que no son tóxicas y comienzan a alimentarse de ellas, lo que reduce el número de esa mariposa en particular, hasta que otra sea más común, y así sucesivamente. Finalmente, este proceso se equilibra y conserva el número relativo de cada formulario.
También vieron que algunas poblaciones de mariposas han mantenido múltiples formas femeninas durante millones de años, mientras que otras perdieron la forma original, no disimulada. Históricamente, los grupos más pequeños, por ejemplo, los que se extendieron más lejos a Australia, perdieron el polimorfismo, permitiendo la deriva genética aleatoria y la selección natural para descartar la forma original.
Los investigadores también analizaron qué mantenía el polimorfismo a lo largo del tiempo. Una de las causas podría ser la selección sexual, es decir, que los machos prefieren ciertos patrones de color femenino sobre otros. Sin embargo, la investigación previa sobre el comportamiento de apareamiento no respalda esa idea.
Otra posibilidad es la idea de que las hembras no disfrazadas se mezclan en su entorno natural mejor que las imitadoras. Kronforst y el equipo probaron esa hipótesis comparando hembras miméticas y no miméticas contra un fondo de bosque verde usando modelos para la visión de depredadores (es decir, pájaros). Las hembras no miméticas y no disfrazadas en realidad no se mezclan en el fondo más de lo que imitan, por lo que esta idea también está descartada.
Estos dos hallazgos, combinados con los datos de la secuencia genómica, llevaron a los científicos a comenzar a pensar en otra posibilidad intrigante. Podría ser que los cambios genéticos que llevaron a la imitación en primer lugar también formaron algunas desventajas a largo plazo. Cuando el gen 'doublesex' original se invirtió, probablemente llevaba un montón de otro material genético no relacionado con él. Dado que el gen 'doublesex' invertido no se puede recombinar con su versión original, el material extra ha "hecho autostop" desde entonces y podría tener consecuencias. De hecho, algunas investigaciones muestran que las imitadoras femeninas no viven tanto como las estándar.
"Creemos que un montón de diferencias fueron capturadas accidentalmente cuando una copia del gen se invirtió y se convirtió en la copia mimética. Debido a que muchos de esos cambios son funcionales, podrían ser perjudiciales para la salud ", dice Kronforst. "La idea es que esta desventaja esté integrada al mimetismo. Las hembras estándar no tienen la protección de la mímica, pero tampoco tienen este costo genético inherente y estas dos cosas se compensan una con otra", agrega.

Las mariposas cola de golondrina hacen algo que muchas mariposas realizan para sobrevivir: imitan patrones de alas, formas y colores de otras especies que son tóxicas para los depredadores.

Algunas, pero no todas, las especies de cola de golondrina han desarrollado varias formas diferentes de este rasgo. Pero, ¿qué tipo de cambios genéticos llevaron a estos diversos disfraces y por qué algunas especies mantienen una forma no disimulada cuando el mimetismo proporciona una ventaja evolutiva obvia?.

En un nuevo estudio publicado esta semana en 'Nature Communications', científicos de la Universidad de Chicago, en Estados Unidos, analizan datos genéticos de un grupo de especies de cola de golondrina para descubrir cuándo y cómo evolucionó el mimetismo y qué ha estado impulsando esos cambios desde entonces. Es una historia que comenzó hace unos dos millones de años, pero en lugar de cambios constantes y progresivos, un cambio genético ayudó a crear las primeras imitaciones de cola de golondrina. Y se ha mantenido desde entonces.

"En las mariposas con un patrón de color, tenemos un gen con una orientación normal en el cromosoma. En las mariposas con el patrón de color alternativo e inusual,ese gen se cortó y empalmó, se invirtió y luego se empalmó en el cromosoma en algún momento", relata el autor principal del estudio, Marcus Kronforst, profesor asociado de Ecología y Evolución en la Universidad de Chicago, en Estados Unidos.

"Ese cambio, o inversión, evita que los dos genes se recombinen si esos dos tipos diferentes de mariposas se aparean, por lo que han conservado ambas copias del gen en el tiempo evolutivo, ya que se separaron de su ancestro común hace dos millones de años", detalla Kronforst.

Durante mucho tiempo, los científicos pensaron que el mimetismo de las mariposas estaba controlado por "supergenes", grupos de varios genes estrechamente relacionados que siempre se heredaban como grupo. En un estudio de 2014, Kronforst y sus colegas mostraron que lo que parece ser 'supergenes' es en realidad un solo gen llamado 'doublesex' que controla los diferentes patrones de color y las formas que vemos en los fetiches hembra.

El gen 'doublesex' ya era conocido por su papel en la diferenciación entre sexos, pero en las mujeres la versión invertida o volteada también dicta los patrones de las alas. Todavía se puede pensar que es un 'supergenio', ya que controla todo el complejo proceso del patrón de las alas, pero en este caso, es solo un gen.

LA MÍMICA TIENE UN ÚNICO ORIGEN ANTIGUO

En el nuevo estudio, dirigido por el investigador postdoctoral Wei Zhang, el equipo analizó los datos de la secuencia del genoma completo de 'Papilio polytes', la mariposa de cola de golondrina asiática y varias especies similares para ver cómo se relacionan entre sí, y comparar sus copias de 'doublese'. Usando estos datos, el equipo comparó algunas explicaciones alternativas de los orígenes del mimetismo e identificó factores clave que han mantenido distintas formas de mimetismo a largo plazo.

La especie más cercana al grupo de 'P. Polytes', llamada 'Papilio protenor', se extiende a través de Asia continental desde India hasta Japón y no desarrolló mímica, tanto machos como hembras se parecen. Otras especies que se extendieron desde el continente a las islas en Filipinas e Indonesia desarrollaron tres o cuatro formas distintas, una característica conocida como polimorfismo. Todavía otras especies de cola de golondrina se extendieron aún más a Papúa Nueva Guinea y la costa noreste de Australia, pero esas hembras muestran solo un patrón de ala disfrazada.

Los investigadores compararon los patrones que vieron en los datos de la secuencia del genoma con algunas posibles explicaciones de cómo estos patrones de mímica se desarrollaron a lo largo del tiempo y la geografía. ¿El mimetismo evolucionó independientemente en diferentes especies en distintos momentos? ¿Ha evolucionado en una especie y luego se ha propagado a través del cruce o la hibridación?.

Parece que la mímica en realidad tiene un único origen antiguo, cuando el gen 'doublesex' se revirtió hace dos millones de años. Desde esa inversión inicial, Zhang y Kronforst vieron signos de lo que se conoce como selección de equilibrio. Cuando un tipo de mariposa se vuelve más común, los depredadores se dan cuenta de que no son tóxicas y comienzan a alimentarse de ellas, lo que reduce el número de esa mariposa en particular, hasta que otra sea más común, y así sucesivamente. Finalmente, este proceso se equilibra y conserva el número relativo de cada formulario.

También vieron que algunas poblaciones de mariposas han mantenido múltiples formas femeninas durante millones de años, mientras que otras perdieron la forma original, no disimulada. Históricamente, los grupos más pequeños, por ejemplo, los que se extendieron más lejos a Australia, perdieron el polimorfismo, permitiendo la deriva genética aleatoria y la selección natural para descartar la forma original.

Los investigadores también analizaron qué mantenía el polimorfismo a lo largo del tiempo. Una de las causas podría ser la selección sexual, es decir, que los machos prefieren ciertos patrones de color femenino sobre otros. Sin embargo, la investigación previa sobre el comportamiento de apareamiento no respalda esa idea.

Otra posibilidad es la idea de que las hembras no disfrazadas se mezclan en su entorno natural mejor que las imitadoras. Kronforst y el equipo probaron esa hipótesis comparando hembras miméticas y no miméticas contra un fondo de bosque verde usando modelos para la visión de depredadores (es decir, pájaros). Las hembras no miméticas y no disfrazadas en realidad no se mezclan en el fondo más de lo que imitan, por lo que esta idea también está descartada.

Estos dos hallazgos, combinados con los datos de la secuencia genómica, llevaron a los científicos a comenzar a pensar en otra posibilidad intrigante. Podría ser que los cambios genéticos que llevaron a la imitación en primer lugar también formaron algunas desventajas a largo plazo. Cuando el gen 'doublesex' original se invirtió, probablemente llevaba un montón de otro material genético no relacionado con él. Dado que el gen 'doublesex' invertido no se puede recombinar con su versión original, el material extra ha "hecho autostop" desde entonces y podría tener consecuencias. De hecho, algunas investigaciones muestran que las imitadoras femeninas no viven tanto como las estándar.

"Creemos que un montón de diferencias fueron capturadas accidentalmente cuando una copia del gen se invirtió y se convirtió en la copia mimética. Debido a que muchos de esos cambios son funcionales, podrían ser perjudiciales para la salud ", dice Kronforst. "La idea es que esta desventaja esté integrada al mimetismo. Las hembras estándar no tienen la protección de la mímica, pero tampoco tienen este costo genético inherente y estas dos cosas se compensan una con otra", agrega.

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