La Biología Molecular como herramienta de investigación en
Biogeografía y Biología de la Conservación
Jesús Duarte Duarte
Los avances en ingeniería genética y biología
molecular han permitido desarrollar técnicas que, puestas al servicio
de otras disciplinas y usadas como herramientas de investigación,
han ayudado a salvar obstáculos antes impensables. Gracias a estas
técnicas en los últimos años se está revisando
toda la sistemática de los vertebrados, propuesta clásicamente
a partir de carácteres morfológicos, estableciendo, a partir
del análisis de secuencias de DNA, árboles filogenéticos
mucho más precisos. Por ejemplo, se ha revisado toda la filogenia
de las rapaces mediterráneas [Wink & Seibold, Monograf. SEO,
4: 335-344 (1996)] empleando DNA mitocondrial.
La biología molecular también está teniendo su
aplicación en el campo de la Biología de la Conservación.
El uso de marcadores moleculares, la técnica del "DNA-fingerprinting",
el análisis de aloenzimas, los análisis RFLP, la secuenciación,
el análisis de microsatélites o la PCR, permiten la identificación
individual en especies amenazadas, análisis de viabilidad poblacional
y variabilidad genética de poblaciones, o determinar parentescos,
filogenias, grados de hibridación o introgresión y establecer
así unidades de conservación de acuerdo con la estructura
genética espacial (geográfica) de las poblaciones y sus grados
de heterozigosidad e hibridación. Hay dos ejemplos clásicos
en este campo.
Uno es el caso del topillo Geomys colonus, considerado una especie
en peligro de extinción, y que tras un análisis RFLP de DNA
mitocondrial resultó ser genéticamente indistinguible de
las poblaciones más cercanas, las cuales estaban incluídas
en una especie diferente (G. pinetis). Otro es el del tuátara
neozelandés (Sphenodon spp.), para el que se pensaba que
todas las poblaciones pertenecían a una misma especie. Tras el análisis
genético resultó que había dos especies, una de las
cuales estaba al borde de la extinción y requería medidas
urgentes de conservación.
En biología de la conservación son especialmente importantes
las pequeñas poblaciones. Estas poblaciones, normalmente aisladas
a consecuencia de la fragmentación y la pérdida de hábitat,
no sólo son más susceptibles por su tamaño a los disturbios
ambientales o antropogénicos, sino que además corren el riesgo
de sufrir fenómenos genéticos (deriva génica, cuellos
de botella, etc...) que las lleven a la pérdida de variabilidad
genética y por estocasticidad ambiental a la extinción. La
tendencia de una población pequeña a extinguirse se conoce
como efecto vórtice [Primack, Essentials of Conservation Biology,
Sinauer Ass. (1993)]. Otro ejemplo clásico es la población
de leones del cráter del Ngorongoro (Tanzania), que tras sufrir
un cuello de botella en 1962 quedó reducida a 9 hembras y un macho.
En 1990 la población tenía un tamaño en torno a 100
individuos aproximadamente, pero era poco viable: había reducido
su variabilidad génica, su éxito reproductivo era bajo y
además los machos presentaban graves anomalías espermáticas.
En las pequeñas poblaciones es importante determinar la población
mínima para mantener la variabilidad genética y así
el tamaño mínimo de población viable. Este es, por
ejemplo, uno de los principales problemas del oso pardo (Ursus arctos)
en la cordillera Cantábrica y en Pirineos. En la cordillera Cantábrica
existen dos núcleos poblacionales de entre 20 y 60 osos separados
y aislados. En Pirineos la población no alcanza los 10 ejemplares,
también en dos núcleos aislados. Una población de
oso de 30 a 70 individuos se extinguirá con un 95% de probabilidad
en menos de 100 años según la calidad del medio que ocupe,
las características genéticas de los individuos y la demografía
de la población [Clevenger & Purroy, Ecología del
oso pardo en España, Monografías MNCN-CSIC, (1991)].
Los tamaños mínimos pueden ser estimados combinando técnicas
moleculares y estudios de selección y uso del hábitat. En
el caso del rinoceronte africano (Diceros bicornis) se ha comprobado
analizando la frecuencia de alelos del DNA mitocondrial que, aunque su
tamaño es de unos 2000 ejemplares, la fragmentación de la
población en unas 75 subpoblaciones aisladas ha provocado una pérdida
importante de variabilidad [Ashley et al., Conservation Biology,
4: 71-77 (1990)]. Actualmente es necesario una gestión de
la población para incrementar la variabilidad génica y una
gestión del hábitat para conectar las subpoblaciones aisladas
permitiendo el flujo de individuos dispersantes e inmigrantes.
Incluso en el campo de la gestión de fauna, la biología
molecular está encontrando aplicación. Recientemente se ha
llevado a cabo un análisis de estado genético y grados de
hibridación de las poblaciones de perdiz roja en toda la Península
Ibérica [Arruga et al., Cytogenetics Cell Genet, 74:
228 (1997)]. Se trata de un tema muy importante debido a la pérdida
progresiva de variabilidad y del genoma silvestre de las poblaciones salvajes
debido a las continuas sueltas de perdices de granja. Con el conejo se
ha hecho algo similar [Van der Loo et al., Gibier Faune Sauvage,
14(3): 427-449 (1997)] y además se trabaja en la generación
de vacunas recombinantes para las distintas enfermedades que sufre esta
especie, usando técnicas de PCR entre otras [Guittre et al., Gibier
Faune Sauvage, 14(3): 507-509 (1997)].
En el campo de la Biogeografía las técnicas moleculares
también están ganando cada vez más adeptos. Recientemente
se ha descrito una nueva especie de sapo partero (Alytes dickhilleni)
endémica de las sierras béticas como fruto de una investigación
sobre la diversidad genética de las poblaciones ibéricas
de Alytes [Arntzen & García-Paris, Bijdr. Dierk.,
65(1): 5-34 (1995)]. También se ha delimitado la distribución
geográfica y las zonas de solapamiento de posibles subespecies de
las diferentes poblaciones de A. obstetricans de acuerdo con un
análisis de proteínas enzimáticas por electroforesis
[García-Paris, Rev. Esp. Herp., 9: 133-138 (1995)].
Existen muchos más ejemplos, tales como: análisis comparativos
de la distribución de plantas de acuerdo con análisis morfológicos
y del DNA cloroplastidial [Fangan & Nordal, Journal of Biogeography,
20(1): 55-62 (1993)]; estudio de las rutas de migración de
la tortuga boba (Caretta caretta) usando marcadores moleculares
en el DNA mitocondrial [Bowen et al., Proc. Natl. Acad. Sci. USA,
92: 3731-3734 (1995)]; estudios de la variabilidad de aloenzimas
y factores determinantes para la conservación en comunidades de
mamíferos [Tiedemann et al., Biodiversity Letters, 3(3):
81-91 (1996)]; o incluso técnicas moleculares aplicadas a la biogeografía
insular de MacArthur & Wilson con una especie de colibrí [Diamond,
Nature, 374: 765-766 (1995)].
La diversidad de especies y la distribución de una biota refleja
la historia de unas respuestas evolutivas a cambios de hábitat producidos
por la actividad geológica. Las secuencias de DNA de un taxón
pueden ser usadas para inferir la especiación y la biogeografía
histórica y ecológica del mismo [Riddle, Trends in Ecology
and Evolution, 11(5): 207-211, (1996)]; o para determinar si
los patrones de distribución son debidos a procesos de vicarianza
o dispersión [Lamb et al., Journal of Mammalogy, 78(1):
117-133, (1997)].
Recientemente un equipo de investigación italiano ha revisado
la filogenia de las perdices del Género Alectoris y llevado
a cabo inferencias sobre la biogeografía histórica del taxón
[Randi et al., Abstract Booklet XXIIIrd IUGB Congress, (1997)].
Para ello han analizado secuencias de tres genes presentes en el DNA mitocondrial
(el citocromo b, la subunidad 5 de la NADH deshidrogenasa y la región
controladora D-loop).
Se trata de un buen ejemplo de cómo, a partir de una hipótesis
evolutiva inferida por técnicas moleculares, se reconstruye un proceso
que dió lugar al patrón biogeográfico actual del taxón
y que es consistente con la información geológica y paleontológica
conocida. Además, se realizan predicciones para las especies no
analizadas. Este trabajo es una continuación de su línea
de investigación, y viene a confirmar los resultados que ya obtuvieron
con el análisis de proteínas por electroforesis [Randi et
al., The Auk, 109(2): 358-367, (1992)] para el mismo grupo
de gallináceas y para todas las Phaisianidae en general [Randi et
al., Biochemical Systematics and Ecology, 19(3): 213-221,
(1991)].
El Género Alectoris consta en el paleártico de
siete especies (A. rufa, A. chukar, A. graeca, A. magna, A. philbyi,
A. melanocephala y A. barbara), todas ellas muy similares morfológicamente,
diferenciándose únicamente por el patrón de plumaje
del rostro y la garganta. Presentan áreas de distribución
alopátridas, excepto A. melanocephala y A. philbyi,
que son simpátridas, pero se excluyen al explotar ambientes ecológicos
diferentes. Existen varias zonas de parapatría entre algunas de
las especies, en alguna de las cuales se produce hibridación de
forma natural. Este patrón de alopatría dominante, hibridación
natural en zonas de contacto de las distribuciones, similitud morfológica
y exclusión ecológica en las zonas de simpatría, ha
sido usado como base de la hipótesis de que el género es
de reciente radiación e incompleta especiación [Blondel,
Biogeographie evolutive, (1988)].
El equipo del Profesor Randi pone a prueba con las técnicas
moleculares las hipótesis evolutivas existentes para el género
Alectoris. En estas hipótesis se propone la existencia de
tres superespecies o formas ancestrales a partir de las cuales surgieron
los linajes de las especies actuales.
La principal divergencia entre estas hipótesis radica en la
discusión sobre el origen de A. rufa. Para algunos autores
[Watson, Evolution, 16: 11-19 (1962)] esta especie se originó
a partir de poblaciones de A. barbara (una especie que se distribuye
actualmente por todo el norte de Africa) que cruzarían el estrecho
de Gibraltar y quedarían aisladas. De ser cierta esta hipótesis,
barbara y rufa estarían muy cercanas filogenéticamente. Este
autor propuso dos superespecies, una que incluía a rufa,
barbara, chukar, philbyi; y otra que incluía
a graeca y magna.
Para otros autores, A. rufa formaría parte de un mismo
linaje con graeca y chukar, pero no con barbara ni
con philbyi, por lo que rufa no pudo originarse a partir de barbara,
sino de una forma ancestral chukar [Spano, Ann. Mus. Civ. Stor.
Nat. Genova, 80: 286-293 (1975)], o de una forma ancestral graeca
[Bernard-Laurent, Gibier Faune Sauvage, 2: 79-96 (1984)].
Usando matrices de distancias génicas, los autores construyeron
un dendrograma que relacionaba las 4 especies analizadas (barbara,
rufa, graeca y chukar). A la vez, realizaron un análisis
cladista, generando árboles filogenéticos hasta obtener el
más parsimonioso, usando como grupos externos a Perdix perdix
y Phaisanus colchicus. La conclusión fue que A. rufa
y A. graeca eran grupos hermanos que tenían un ancestral
común con A. chukar, y ésta a su vez con A. barbara.
Los resultados permitían corroborar la hipótesis de Bernard-Laurent
y refutar la de Watson, ambas construídas con criterios morfológicos.
Las distancias génicas encontradas sugerían que las especies
de Alectoris no se originaron todas de forma contemporánea,
a partir de la fragmentación de la población de un ancestral
común, sino al menos a partir de tres olas de especiación
alejadas en el tiempo.
En un intento de calibrar el reloj molecular y datar la divergencia
genética, los autores proponen el valor de 22,9 millones de años
como equivalente a una unidad de distancia génica para este taxón.
Según esto y las evidencias fósiles y paleobiogeográficas,
construyen una hipótesis de biogeografía histórica
del taxón, que además explica las preferencias ecológicas
de estas especies por los espacios abiertos.
Hace 6 millones de años surgieron dos linajes de Alectoris,
el de chukar y el de barbara, a partir de un ancestral común,
como consecuencia del cambio climático que favoreció la extensión
del bioma estepárico, la aridez y la desecación y desaparición
del estrecho de Gibraltar. Este clima árido favoreció la
dispersión de especies adaptadas a la estepa como éstas.
Casi al mismo tiempo, la formación de la cordillera de los Cárpatos
creó una barrera este-oeste en Europa central que separó
el Mediterráneo del mar Sarmático (una extensión del
antiguo mar Caspio) y probablemente dividió la población
ancestral. El linaje barbara se extendió hacia el oeste,
por el litoral mediterráneo africano, especiándose
y originando a barbara y melanocephala. Mientras, el linaje
chukar se extendió hacia el este, por el litoral del Sarmático.
A. barbara cruzaría eventualmente el estrecho, lo cual explica
la existencia de fósiles de esta especie en Francia, razón
por la cual Watson había supuesto que era el ancestral de A.
rufa.
Hace 4 millones de años, el ancestral chukar se dispersó
hacia el oeste de Europa, dando lugar al linaje graeca-rufa tras
la barrera de los Cárpatos. Tan sólo hace 1,8 millones de
años, al principio de las glaciaciones pleistocénicas, la
población del ancestral graeca-rufa se fragmentó,
originándose las dos especies (al tiempo que se extinguía
barbara en Francia) gracias a las contracciones del hábitat
estepárico debidas a los cambios climáticos glaciares. El
calentamiento postglaciar y la deforestación que sufrió Europa
en el Holoceno favorecieron la expansión por toda la cuenca mediterránea
de las especies actuales de chukar, graeca y rufa,
hasta el punto de contactar las poblaciones en los bordes de sus áreas
de distribución.
Según este modelo, la especie graeca nunca alcanzó
Asia central, zona de distribución de chukar y magna,
por lo que la superespecie de Watson graeca-magna no puede ser cierta,
y de hecho aún no se han encontrado fósiles de graeca
en esta zona. La especie magna surgiría de la fragmentación
de la población ancestral de chukar en su primera expansión
desde el este de Europa hacia Asia. El parecido en el plumaje entre magna
y graeca es más resultado de una congervencia que de un ancestral
común.
Las dos especies simpátridas, philbyi y melanocepahala,
se originarían durante la primera ola de especiación, la
primera a partir del linaje chukar y la segunda del linaje barbara.
Entrarían en contacto en la zona de la península arábiga,
evolucionando hacia una exclusión ecológica que permitiese
su simpatría.
La inclusión en el análisis molecular de estas tres especies
habrá de confirmar en un futuro si estas últimas predicciones
son ciertas o no.
Jesús Duarte Duarte es doctorando en Biología
Animal en la Universidad de Málaga