Name: fitness and selection in populations
Uploaded: 2019-01-31T09:27:05.000Z
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K12 Standards

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NC K-12 Science Standard Course of Study

9-12

Biology

Biological Evolution- Unity and Diversity

LS.Bio.9.1

Natural Selection

¿Alguna vez has escuchado la frase "supervivencia del más apto"? Cuando la mayoría de las personas escuchan esta frase, piensan en características de aptitud física como la velocidad, la fuerza y la resistencia. Pero, ¿qué entienden realmente los biólogos por fitness?
Todo comenzó cuando Charles Darwin publicó El origen de las especies en 1859, lo que despertó mucho debate. La Teoría de la Selección Natural de Darwin, que definió como "el principio por el cual cada pequeña variación, si es útil, se conserva", despertó el interés de un prominente pensador del siglo XIX, Herbert Spencer. En su libro, Principios de biología, Spencer acuñó la frase "supervivencia del más apto" para explicar la selección natural de Darwin. Esta frase resonó en muchos, incluido el propio Darwin, y el término fitness se hizo popular. 
Sin embargo, cuando los biólogos piensan en la aptitud de un organismo, no piensan en su fuerza, velocidad o resistencia. En cambio, simplemente consideran la aptitud como el éxito reproductivo de un organismo en relación con otros. Tomemos como ejemplo estas liebres con raquetas de nieve. Los organismos con mayor aptitud relativa tienen adaptaciones que les permiten tener más descendencia que sobrevive y se reproduce. Estas adaptaciones se denominan fenotipos, definidos simplemente como una expresión visual de un rasgo. Por ejemplo, las liebres con raquetas de nieve son marrones en verano, pero desarrollan un pelaje blanco cuando baja la temperatura. La capacidad de cambiar el color del pelaje permite a las liebres con raquetas de nieve camuflarse. Dado que las liebres con pelaje blanco de invierno son menos visibles para los depredadores en la nieve, las tasas de supervivencia son mucho más altas para las liebres que se vuelven blancas en invierno. Como resultado, más liebres que cambian de color sobrevivirán para reproducirse en verano. 
Para determinar si se está llevando a cabo una selección contra un fenotipo, los científicos calculan la aptitud de cada fenotipo, conocida como aptitud relativa, o 'w'. Esto se hace multiplicando la tasa de supervivencia, que es la proporción de ese fenotipo que sobrevive, por la tasa reproductiva para cada fenotipo, que es el tamaño promedio de la camada por temporada de apareamiento. Luego, el valor del producto de cada fenotipo se divide por el valor de producto más alto entre los fenotipos.
Una vez que los científicos conocen la aptitud relativa, pueden calcular el coeficiente de selección, o 's', que es la fuerza de la selección frente a un fenotipo, restando la aptitud relativa de 1. Números más altos significan una selección más fuerte contra ese fenotipo individual. Los científicos pueden utilizar la supervivencia, la aptitud relativa y los coeficientes de selección para determinar si las poblaciones pueden estar cambiando con el tiempo. Por ejemplo, después de la Revolución Industrial, la supervivencia y la aptitud relativa de las polillas moteadas de color claro disminuyeron y el coeficiente de selección contra ellas aumentó. El efecto sobre la población de polillas melánicas fue exactamente el contrario, ya que las condiciones fueron favorables para su supervivencia. Después de la aprobación de la Ley de Aire Limpio, el hollín desapareció y los valores de supervivencia, aptitud relativa y coeficiente de selección para ambos fenotipos se movieron en direcciones opuestas, lo que demuestra que la selección favoreció nuevamente a las polillas ligeras. 
En general, la mayoría de los rasgos biológicos con diferentes fenotipos potenciales muestran una distribución normal. Tomemos como ejemplo las manchas de este grupo de mariquitas. Podemos ver que tienen un número variado de manchas desde cero hasta 12, pero el valor promedio del rasgo está en el medio, lo que se conoce como una distribución normal, ya que la mayoría de las mariquitas de esta población tienen seis manchas. La altura de la curva indica el número de individuos de la población que muestran el rasgo dado. Ahora imagina que hay una selección contra las mariquitas con pocas o ninguna mancha porque absorben menos calor y no sobreviven tan bien en temperaturas frías. Este sería un ejemplo de selección direccional que favorece los valores extremos de un rasgo en una dirección. 
Para entender otro tipo de selección, echemos un vistazo a los petirrojos. Si una hembra de petirrojo pone cinco o más huevos en una sola nidada, aumenta el riesgo de desnutrición para los polluelos. Pero si los petirrojos ponen tres o menos huevos, es posible que no tengan descendencia viable. Por lo tanto, aquí, la selección estabilizadora tiene un rasgo, el tamaño de la puesta de huevos, pero un valor óptimo... cualquier desviación del cual es desventajosa. Por lo tanto, la mayoría de los petirrojos ponen cuatro huevos. 
En África Occidental, los pinzones rompesemillas de vientre negro de pico grande rompen fácilmente las semillas más grandes y duras de un tipo de pasto de juncia, mientras que los pinzones de pico pequeño maniobran y rompen sin esfuerzo las semillas más pequeñas de un tipo diferente de juncia. Los pinzones de pico mediano no pueden abrir ninguna de las semillas de manera tan eficiente y, por lo tanto, rara vez se observan. Este tipo de selección se denomina disruptiva, en la que los extremos de un fenotipo son óptimos, lo que crea una distribución bimodal que se desvía de lo normal. 
En este laboratorio, modelará cuatro escenarios de población utilizando limpiadores de tuberías de diferentes colores y longitudes que representan diferentes fenotipos y, a continuación, determinará el tipo de selección que se produce en cada escenario><.

selección natural

<h4>Aptitud</h4>
La variación generalizada de los fenotipos en las poblaciones naturales proporciona la materia prima para la evolución, que es el cambio en los rasgos heredados de las poblaciones a lo largo de generaciones sucesivas. La selección natural es uno de los principales mecanismos de la evolución y requiere que los rasgos variables sean heredables y se asocien con la supervivencia diferencial y/o el éxito reproductivo. Los fenotipos que se correlacionan con un mayor éxito tendrán más descendientes que sobrevivirán para reproducirse en la siguiente generación y, por lo tanto, estarán representados en niveles más altos en cada generación sucesiva.
El éxito reproductivo de un organismo en relación con otros se conoce como su aptitud y cualquier rasgo hereditario que contribuya a la aptitud de un organismo se conoce como adaptación. Por lo tanto, se considera que los individuos o fenotipos con mayor éxito reproductivo a lo largo de la vida son más aptos y están mejor adaptados a su entorno.
Un ejemplo de aptitud diferencial proviene de la liebre con raquetas de nieve, que es marrón en verano pero desarrolla un pelaje blanco en invierno para camuflarse en la nieve. No obstante, las liebres que mantienen sus pelajes marrones de verano durante todo el año estarían en desventaja de aptitud física debido a su visibilidad relativamente mayor para los depredadores. Por lo tanto, una mayor visibilidad del depredador disminuiría la tasa de supervivencia del fenotipo de pelaje marrón en relación con el fenotipo de pelaje blanco, lo que reduciría su éxito reproductivo a lo largo de su vida. El cambio climático, sin embargo, amenaza a los organismos que no se adaptan a las condiciones, por lo que los investigadores han estado estudiando cómo las liebres con raquetas de nieve están lidiando con temperaturas más cálidas y una menor capa de nieve en invierno. Las liebres con raquetas de nieve que desarrollan un pelaje blanco en ambientes con una capa de nieve disminuida se vuelven más visibles para los depredadores, lo que reduce su éxito reproductivo. Los investigadores han descubierto que las liebres con raquetas de nieve no alteraron su comportamiento para adaptarse a la falta de coincidencia en su camuflaje1 y las liebres no compatibles experimentaron disminuciones significativas en sus tasas de supervivencia2.
El cálculo de la aptitud se basa en la supervivencia relativa y las tasas reproductivas de los diferentes fenotipos de una población. Para un fenotipo dado, la tasa de supervivencia es la proporción de ese fenotipo que sobrevive, y la tasa reproductiva es el promedio de descendencia producida por individuo. La relación entre los productos de las tasas de supervivencia y reproducción para los diferentes fenotipos se conoce como aptitud relativa (w). Por lo tanto, para calcular w para cada fenotipo (o rasgo), primero se calcula el producto de multiplicación de las tasas de supervivencia y reproducción para fenotipos individuales, luego se divide por el valor de producto más alto entre ellos.
w = (SupervivenciaA x ReproducciónA) / (Supervivenciamáxima x Reproducciónmáxima)
Esta ecuación se puede utilizar a su vez para calcular la fuerza de selección en diferentes fenotipos, o el coeficiente de selección (s), restando w de 1. Por lo tanto, el valor del coeficiente de selección oscila entre 0 y 1; Cuanto menor sea el valor, mayor será la selección frente al rasgo específico. Por lo tanto, un fenotipo que tiene una aptitud máxima de 1.0, no experimentará ninguna selección.
s = 1 – w
<h4>Selección</h4>
Hay tres tipos principales de selecciones: direccionales, estabilizadoras y disruptivas. La selección direccional favorece los valores extremos de un rasgo en una dirección y puede ser inducida por un cambio en el entorno al que la población necesita adaptarse. Un ejemplo es la evolución de las estructuras diferenciales de la mandíbula de los peces cíclidos de África Oriental de acuerdo con la fuente de la dieta3. La selección estabilizadora mantiene un rasgo en un valor óptimo; En general, se supone que cualquier desviación de este óptimo es desventajosa. Por ejemplo, el tamaño del feto humano está sujeto a una selección estabilizadora; Los bebés que nacen demasiado pequeños tienen menos probabilidades de sobrevivir y los bebés que son demasiado grandes no pueden pasar a través del canal de parto duranteel parto natural. La selección disruptiva favorece dos extremos diferentes de un fenotipo, creando una distribución bimodal. La evolución de los picos de los pinzones cracker de África Occidental dio lugar a dos fenotipos comunes, picos grandes que rompen fácilmente las semillas de juncos duros y picos pequeños para obtener semillas blandas. Los pinzones con pico mediano no son particularmente buenos para consumir ninguno de los dos tipos de semillas, por lo que se seleccionan contra5.
Una de las formas más importantes en que la selección natural impacta la vida de los seres humanos es a través del aumento de cepas bacterianas resistentes a los antibióticos en los hospitales y debido a las prácticas agrícolas que utilizan cantidades significativas de antibióticos. El fenómeno de la resistencia a los antibióticos es una especie de forma inadvertida de selección natural impuesta por los humanos.
Una pregunta en el futuro es si las poblaciones naturales serán capaces de adaptarse a los efectos del cambio climático lo suficientemente rápido como para evitar la extinción. Esto depende no sólo de la variación existente en las poblaciones, sino también de que la fuerza de la selección sea lo suficientemente alta como para afectar el cambio rápido en la población. A este respecto, la reducción del tamaño de las poblaciones de muchas especies en todo el mundo es motivo de especial preocupación.
<h4>Referencias</h4>
<ol class="referencias">
	<li>Marketa Zimova, L. Scott Mills, Paul M. Lukacs, Michael S. Mitchell. Las liebres con raquetas de nieve muestran una plasticidad fenotípica limitada para descoincidir en el camuflaje estacional. Proc de la Royal Society. 2014, Vol. 281, 1782.</li>
	<li>Nowak, Marketa Zimova L. Scott Mills J. Joshua. Altos costos de aptitud por el desajuste de camuflaje inducido por el cambio climático. Cartas de Ecología. 2016, Vol. 19, 3 (299-307).</li>
	<li>R. Craig Albertson, J. Todd Streelman y Thomas D. Kocher. La selección direccional ha dado forma a las mandíbulas orales de los peces cíclidos del lago Malawi. PNAS. 2003, Vol. 100, (9) 5252-7.</li>
	<li>Susan E. Hiby, Richard Apps, Olympe Chazara, Lydia E. Farrell, Per Magnus, Lill Trogstad, Håkon K. Gjessing, Mary Carrington y Ashley Moffett. El KIR materno en combinación con el HLA-C2 paterno regula el peso al nacer. J. Inmunología. 2014, Vol. 192, (11) 5069-73.</li>
	<li>Clabaut C, Herrel A, Sanger TJ, Smith TB, Abzhanov A. Desarrollo del polimorfismo del pico en el agrietador africano, Pyrenestes ostrinus. Evol Dev. 2009, Vol. 11, (6) 636-46.</li>
	<li>Witte, Wolfgang. Consecuencias médicas del uso de antibióticos en la agricultura. ciencia. 1998, Vol. 279, (5353) 996-7.</li>
</ol>

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Aptitud
La variación generalizada de los fenotipos en las poblaciones naturales proporciona la materia prima para la evolución, que es el cambio en los rasgos heredados de ...

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Evolución

fitness and selection in populations

Fitness and natural selection shape how traits spread through a population over time. Variation in inherited phenotypes gives evolution its raw material. When a trait is heritable and affects survival or reproduction, natural selection can change how common that trait becomes in later generations.

Fitness means reproductive success compared with others in the same population. A heritable trait that improves fitness is called an adaptation. Individuals with higher lifetime reproductive success are considered more fit and better suited to their environment.

Snowshoe hares show how differential fitness works in nature. They are brown in summer and grow a white coat in winter to blend into snow. Hares that keep a brown coat all year are easier for predators to see, so they survive and reproduce less. Climate change now creates a mismatch for hares because warmer winters and less snow can make white coats easier to spot. Researchers have found that these hares did not change their behavior to fix the mismatch, and mismatched hares had lower survival rates.

Fitness can be calculated from survival rate and reproductive rate. Survival rate is the proportion that survives, and reproductive rate is the average number of offspring per individual. Relative fitness, or w, is found by dividing the product of survival and reproduction for one phenotype by the highest product in the group. The selection coefficient, s, is then 1 minus w. A phenotype with w = 1.0 has no selection against it.

Natural selection can act in three main ways. Directional selection favors one extreme of a trait, often after an environmental change. East African cichlid fish show this through different jaw shapes linked to diet. Stabilizing selection favors an intermediate optimum. Human fetus size is a good example because babies that are too small or too large can have lower survival. Disruptive selection favors both extremes and selects against the middle. West African seedcracker finches show this pattern because large beaks crack hard sedge seeds and small beaks handle soft seeds, while medium beaks are less effective.

Natural selection also affects human health. Antibiotic resistance in bacteria is a major example, especially in hospitals and in agriculture where antibiotics are used heavily. This is an unplanned form of selection caused by human activity. A major concern now is whether natural populations can adapt fast enough to climate change. Their chances depend on existing variation in the population, the strength of selection, and whether population sizes remain large enough for change to happen.

Fitness and Selection in Populations

natural selection

Fitness and natural selection shape how traits spread through a population over time. Variation in inherited phenotypes gives evolution its raw material. When a trait is heritable and affects survival or reproduction, natural selection can change how common that trait becomes in later generations. Fitness means reproductive success compared with others in the same population. A heritable trait that improves fitness is called an adaptation. Individuals with higher lifetime reproductive success...

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Learn how fitness, relative fitness, and selection coefficients explain natural selection, plus examples such as snowshoe hares, cichlid fish, and antibiotic resistance.

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Construct an explanation to explain how natural selection leads to adaptations within populations.

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Understand natural selection as a mechanism for biological evolution.

Fitness and Selection in Populations

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