Algunos fenotipos en la especie humana. Los genes que los determinan (genotipo) se han designado con letras: A y a determinan la capacidad de plegar la lengua; D y d determinan la forma del lóbulo de la oreja; E y e determinan la forma de la línea frontal del pelo; F y f determinan la capacidad de curvar el dedo pulgar.(Fig 3).

Las definiciones clásicas se han centrado en el gen como la unidad de la herencia, que en última instancia determina las características del organismo (fenotipos) (Figura 3). Así, según el concepto mendeliano, los genes son segmentos discretos que se encuentran ordenados linealmente en los cromosomas, existiendo formas alternativas de un mismo gen denominadas alelos (Fig 4).

La variabilidad genética se refiere a la diversidad del material genético de una especie. Desde una visión neodarwinista, para que la selección natural pueda actuar sobre un carácter, debe haber algo que seleccionar, es decir, varios alelos para el gen que codifica el carácter. Las dos fuentes principales de variabilidad genética son la reproducción sexual (debido a la combinación de genes que resulta de ella) y las mutaciones.

La reproducción sexual como fuente de variabilidad genética

Las leyes de la herencia biológica solo pudieron ser formuladas después de comprender el papel de los gametos y de la fecundación en la reproducción de los seres vivos, hecho que tuvo lugar en la segunda mitad del siglo XIX, cuando se consolidó la idea de que la formación de un nuevo organismo implica la fusión de dos células (gametos), una proveniente del progenitor masculino y la otra del progenitor femenino, en un proceso denominado fecundación (del latín fecundus, productivo, fértil). Los gametos son la única conexión física entre generaciones y contienen toda la información hereditaria para originar un nuevo organismo. Ya en 1885, el biólogo alemán A. Weismann propuso una hipótesis para explicar la constancia del material hereditario de una generación a otra. Anticipó, acertadamente, que en la formación de los gametos debía suceder un tipo diferente de división celular donde el material genético de las células hijas quedaba reducido a la mitad. En la actualidad este proceso es conocido como meiosis. Las células que originan los gametos se denominan células germinales.

Los cromosomas se descondensan y se originan dos núcleos hijos. Finalmente, el citoplasma de la célula se divide en dos y cada célula hija contiene uno de los núcleos recién formados. En un organismo diploide que tenga dos pares homólogos, es decir, que sea 2n=4, cada núcleo hijo contendrá dos cromosomas y cada cromosoma estará constituido por dos cromátidas hermanas unidas por la región del centrómero. Comparando los núcleos que se originan en la meiosis I con el núcleo original, se observa que el número de cromosomas se reduce a la mitad: en la célula que comenzó la meiosis había cuatro cromosomas, todos con dos cromátidas; después de la primera división meiótica, cada núcleo hijo presenta solamente dos cromosomas, cada uno de ellos constituido por dos cromátidas.

Las células formadas en la primera división inician la segunda división de la meiosis sin haber nueva duplicación cromosómica. La segunda división es semejante a la mitosis: los cromosomas se condensan, la envoltura nuclear se desintegra. Las cromátidas hermanas son atraídas hacia los polos opuestos, donde se organizan los núcleos hijos. Así, a partir de la célula con cuatro cromosomas (2n – diploide), que comenzó el proceso, se forman cuatro células dos cromosomas (n – haploides).

La meiosis es parte de un proceso mayor llamado gametogénesis (Fig 7), el cual ocurre en las gónadas y tiene por objetivo la formación de gametos haploides, por lo tanto la gametogénesis y, por ende la meiosis, ocurren solamente en células germinales localizadas en las gónadas de los organismos sexuados. Existe una gametogénesis femenina (ovogénesis) y una masculina (espermatogénesis). Ambos procesos tienen algunas diferencias en cuanto a la duración de las etapas, la distribución del citoplasma de las células hijas y la diferenciación de éstas, sin embargo, presentan etapas similares.

Por otro lado, en la fecundación ocurre la unión de los gametos o células sexuales, proceso que tiene las siguientes consecuencias: (1) se restablece el número diploide de cromosomas (2n y 2c); (2) se determina el sexo del individuo; (3) se obtiene en el cigoto una composición genética distinta a la de sus progenitores, como producto del crossing-over o recombinación de genes (Figura 5) y la separación al azar de los cromosomas homólogos, proceso conocido como permutación cromosómica (Figura 6 – metafase I).

Finalmente, cabe destacar la importancia de la meiosis como proceso evolutivo, presente en individuos muy diversos como animales, vegetales, hongos, algas y protozoos. Lo anterior permite inferir que la meiosis se estableció muy temprano en la evolución de las especies, como una adaptación de la mitosis que favorece la reproducción y la variabilidad de los organismos sexuados.

Las mutaciones

El término mutación fue introducido en 1902 por el botánico holandés Hugo de Vries, refiriéndose a los cambios hereditarios bruscos que aparecían en la hierba del asno (Oenothera). En general, se denomina mutación a cualquier cambio en la cantidad o estructura del material hereditario de un organismo (No debe confundirse el concepto de mutación con el de modificación, que se refiere a los cambios fenotípicos debidos al medio ambiente o al uso). Solo si este cambio afecta a los gametos, la mutación será heredable. Bajo este concepto, las mutaciones comprenden desde aquellos cambios que afectan a un solo gen (mutaciones puntuales) hasta los que afectan al genoma completo (mutaciones genómicas). En la tabla 1 se resume los principales tipos de mutaciones, de acuerdo con el criterio utilizado para su clasificación.

Cambios cromosómicos numéricos: mutaciones genómicas

Cada especie se caracteriza por su cariotipo, en el que el número y la morfología de los cromosomas son constantes. En la mayoría de los organismos superiores, las células somáticas son diploides y los gametos son haploides. La mitosis y la meiosis (con la consiguiente fecundación) son los mecanismos biológicos que aseguran la constancia en el número de cromosomas de las células, sin embargo, si se producen anomalías en cualquiera de estos dos procesos se pueden formar células que presentan un número anormal de cromosomas.

Cambios cromosómicos estructurales: mutaciones cromosómicas

Estas alteraciones se deben a la pérdida, ganancia o reordenación de determinadas regiones de un cromosoma. El origen de estos cambios está en errores que pueden producirse durante la mitosis o la meiosis, y consisten en la ruptura de una cromátida que puede ir seguida de la pérdida del fragmento roto o bien de la fusión equivocada de este fragmento. Existen cuatro tipos de cambios estructurales: Las inversiones son cambios del orden lineal de los genes en un cromosoma. Las translocaciones son intercambios o transferencias de fragmentos cromosómicos entre cromosomas no homólogos. Las deleciones son pérdidas de fragmentos de cromosomas. Las duplicaciones consisten en la repetición de un fragmento en un cromosoma. Si bien la mayoría de estas alteraciones suelen provocar defectos que disminuyen la viabilidad de los individuos que las portan, se admite que algunas pueden ser útiles en la evolución, ya que, por ejemplo, algunos genes repetidos pueden mutar hacia formas nuevas sin que ello suponga una pérdida de adaptabilidad.

Griffiths et al (2008), proponen tres modelos para describir la relación genotipo – fenotipo – ambiente. Uno que resalta el papel de los genes, otro que resalta el papel del ambiente y un tercero que resalta la interacción entre los genes y el ambiente.

• Modelo I: determinación genética. En este modelo, los distintos ambientes proporcionan las condiciones básicas necesarias para el desarrollo del organismo, y las diferencias fenotípicas son consecuencia de las diversas instrucciones genéticas.
• Modelo II: determinación ambiental. En este modelo, dos organismos de la misma especie presentan distinto fenotipo principalmente porque se han desarrollado en ambientes diferentes.
• Modelo III: interacción genotipo – ambiente. En este modelo, los genes y el ambiente determinan, conjuntamente, las características del organismo.

Finalmente, los autores señalan que los acontecimientos aleatorios que ocurren durante el desarrollo de un individuo, denominados ruidos del desarrollo, constituirían una fuente importante de variaciones en el fenotipo.