Cuello de botella de población

Botella de población seguida de recuperación o extinción

Un cuello de botella poblacional o cuello de botella genético es una fuerte reducción en el tamaño de una población debido a eventos ambientales como hambrunas, terremotos, inundaciones, incendios, enfermedades y sequías; o actividades humanas como especicidas, violencia generalizada o sacrificio intencional, y planificación de la población humana. Tales eventos pueden reducir la variación en el acervo genético de una población; a partir de entonces, queda una población más pequeña, con una diversidad genética más pequeña, para transmitir los genes a las generaciones futuras de descendencia a través de la reproducción sexual. La diversidad genética sigue siendo menor, aumentando solo cuando ocurre el flujo de genes de otra población o aumentando muy lentamente con el tiempo a medida que ocurren mutaciones aleatorias. Esto da como resultado una reducción en la robustez de la población y en su capacidad para adaptarse y sobrevivir a cambios ambientales selectivos, como el cambio climático o un cambio en los recursos disponibles. Alternativamente, si los sobrevivientes del cuello de botella son los individuos con la mayor aptitud genética, la frecuencia de los genes más aptos dentro del acervo genético aumenta, mientras que el acervo en sí se reduce.

La deriva genética provocada por un cuello de botella en la población puede cambiar la distribución aleatoria proporcional de alelos e incluso provocar la pérdida de alelos. Las posibilidades de consanguinidad y homogeneidad genética pueden aumentar, lo que posiblemente conduzca a una depresión endogámica. Un tamaño de población más pequeño también puede causar la acumulación de mutaciones perjudiciales.

Los cuellos de botella de la población juegan un papel importante en la biología de la conservación (ver tamaño mínimo viable de la población) y en el contexto de la agricultura (control biológico y de plagas).

Los científicos han sido testigos de cuellos de botella en la población de bisontes americanos, gallinas de las praderas, elefantes marinos del norte, hámsters dorados y guepardos. Los petirrojos negros de Nueva Zelanda experimentaron un cuello de botella de cinco individuos, todos descendientes de una sola hembra. Los genetistas han encontrado evidencia de cuellos de botella anteriores en pandas, monos dorados de nariz chata y humanos.

Tamaño mínimo viable de la población

En biología de la conservación, el tamaño mínimo viable de la población (MVP) ayuda a determinar el tamaño efectivo de la población cuando una población está en riesgo de extinción. Los efectos de un cuello de botella poblacional a menudo dependen de la cantidad de individuos que quedan después del cuello de botella y cómo se compara con el tamaño mínimo viable de la población.

Efectos de fundador

Puede ocurrir una forma ligeramente diferente de cuello de botella si un grupo pequeño se separa reproductivamente (por ejemplo, geográficamente) de la población principal, como a través de un evento fundador, por ejemplo, si algunos miembros de una especie colonizan con éxito una nueva isla aislada., o de pequeños programas de cría en cautiverio, como animales en un zoológico. Alternativamente, las especies invasoras pueden sufrir cuellos de botella en la población a través de eventos fundadores cuando se introducen en su área de distribución invadida.

Ejemplos

Humanos

Según un modelo de 1999, se produjo un grave cuello de botella en la población, o más específicamente una especiación completa, entre un grupo de australopitecinos cuando hacían la transición a la especie conocida como Homo erectus hace dos millones de años.. Se cree que deben haber ocurrido cuellos de botella adicionales desde que Homo erectus comenzó a caminar sobre la Tierra, pero los datos arqueológicos, paleontológicos y genéticos actuales son inadecuados para brindar mucha información confiable sobre tales conjeturas de cuellos de botella. Dicho esto, no se puede descartar la posibilidad de un grave cuello de botella reciente en toda la especie.

Un estudio de 2005 de la Universidad de Rutgers planteó la teoría de que las poblaciones nativas de las Américas anteriores a 1492 son descendientes de solo 70 individuos que cruzaron el puente terrestre entre Asia y América del Norte.

Teoría de la catástrofe de Toba

La controvertida teoría de la catástrofe de Toba, presentada a fines de la década de 1990 y principios de la de 2000, sugería que se produjo un cuello de botella en la población humana hace aproximadamente 75 000 años, y proponía que la población humana se redujo a quizás entre 10 000 y 30 000 individuos cuando el supervolcán Toba en Indonesia entró en erupción y desencadenó un gran cambio ambiental. Se propuso que existieran cuellos de botella paralelos entre chimpancés, gorilas, macacos rhesus, orangutanes y tigres. La hipótesis se basó en la evidencia geológica de un cambio climático repentino y en la evidencia de coalescencia de algunos genes (incluido el ADN mitocondrial, el ADN del cromosoma Y y algunos genes nucleares) y el nivel relativamente bajo de variación genética en humanos.

Sin embargo, la investigación posterior, especialmente en la década de 2010, pareció refutar tanto el argumento climático como el genético. Investigaciones recientes muestran que el alcance del cambio climático fue mucho menor de lo que creían los defensores de la teoría.

En 2000, un artículo de Molecular Biology and Evolution sugirió un modelo de trasplante o un 'cuello de botella largo' para dar cuenta de la variación genética limitada, en lugar de un cambio ambiental catastrófico. Esto sería consistente con las sugerencias de que en el África subsahariana los números podrían haber disminuido en momentos tan bajos como 2.000, quizás durante 100.000 años, antes de que los números comenzaran a expandirse nuevamente en la Edad de Piedra tardía.

Otros animales

El bisonte europeo, también llamado bisonte bisonte (Bison bonasus), se enfrentó a la extinción a principios del siglo XX. Los animales que viven hoy en día descienden todos de 12 individuos y tienen una variación genética extremadamente baja, lo que puede estar comenzando a afectar la capacidad reproductiva de los toros.

La población de bisontes americanos (Bison bison) disminuyó debido a la caza excesiva, lo que casi llevó a la extinción alrededor del año 1890, aunque desde entonces ha comenzado a recuperarse (ver tabla).

Overhunting empuió el sello del elefante norte al borde de la extinción a finales del siglo XIX. Aunque han hecho un regreso, la variación genética dentro de la población sigue siendo muy baja.

Un ejemplo clásico de cuello de botella poblacional es el del elefante marino del norte, cuya población se redujo a unos 30 en la década de 1890. Aunque ahora se cuentan por cientos de miles, el potencial de cuellos de botella dentro de las colonias permanece. Los toros dominantes pueden aparearse con la mayor cantidad de hembras, a veces hasta 100. Dado que gran parte de la descendencia de una colonia desciende de un solo macho dominante, la diversidad genética es limitada, lo que hace que la especie sea más vulnerable a enfermedades y mutaciones genéticas.

El hámster dorado es una especie con un cuello de botella similar, ya que la gran mayoría de los hámsteres domesticados descienden de una sola camada que se encontró en el desierto de Siria alrededor de 1930, y quedan muy pocos hámsteres dorados salvajes.

Un ejemplo extremo de un cuello de botella poblacional es el petirrojo negro de Nueva Zelanda, del cual cada espécimen actual es descendiente de una sola hembra, llamada Old Blue. La población de Black Robin todavía se está recuperando de su punto más bajo de solo cinco individuos en 1980.

El genoma del panda gigante muestra evidencia de un grave cuello de botella hace unos 43.000 años. También hay evidencia de al menos una especie de primate, el mono dorado de nariz chata, que también sufrió un cuello de botella en esta época. Se sospecha que un evento ambiental desconocido causó los cuellos de botella observados en ambas especies. Los cuellos de botella probablemente causaron la baja diversidad genética observada en ambas especies.

A veces se pueden inferir otros hechos a partir de un cuello de botella observado en la población. Entre las tortugas gigantes de las Islas Galápagos, en sí mismas un excelente ejemplo de un cuello de botella, la población comparativamente grande en las laderas del volcán Alcedo es significativamente menos diversa que otras cuatro poblaciones de tortugas en la misma isla. Los análisis de ADN fechan el cuello de botella alrededor de 88.000 años antes del presente (YBP). Aproximadamente 100,000 YBP, el volcán entró en erupción violentamente, enterrando profundamente gran parte del hábitat de las tortugas en piedra pómez y ceniza.

Antes de que los europeos llegaran a América del Norte, las praderas servían como hábitat para las gallinas de las praderas. Solo en Illinois, la cantidad de pollos de las praderas se desplomó de más de 100 millones en 1900 a alrededor de 50 en 1990. Estas disminuciones en la población fueron el resultado de la caza y la destrucción del hábitat, pero las consecuencias aleatorias también han causado una gran pérdida en la diversidad de especies. El análisis de ADN que compara las aves de 1990 y mediados de siglo muestra un fuerte declive genético en las últimas décadas. El pollo de la pradera mayor está experimentando actualmente un bajo éxito reproductivo.

El cuello de botella de la población también representa una gran amenaza para la estabilidad de las poblaciones de especies. Papilio homerus es la mariposa más grande de América y está en peligro de extinción según la UICN. La desaparición de una población central plantea una gran amenaza de cuello de botella poblacional. Las dos poblaciones restantes ahora están geográficamente aisladas y enfrentan un futuro inestable con oportunidades limitadas restantes para el flujo de genes.

Existen cuellos de botella genéticos en los guepardos.

Cría selectiva

También existen cuellos de botella entre los animales de pura raza (p. ej., perros y gatos: carlinos, persas) porque los criadores limitan sus acervos genéticos a unos pocos individuos (ganadores de espectáculos) por su apariencia y comportamiento. El uso extensivo de animales individuales deseables con exclusión de otros puede resultar en un efecto de semental popular.

La cría selectiva de razas de perros provocó cuellos de botella restrictivos específicos de la raza. Estos cuellos de botella han llevado a que los perros tengan un promedio de 2 a 3 % más de carga genética que los lobos grises. Los estrictos programas de reproducción y los cuellos de botella de la población han llevado a la prevalencia de enfermedades como enfermedades cardíacas, ceguera, cáncer, displasia de cadera y cataratas.

La reproducción selectiva para producir cultivos de alto rendimiento ha causado cuellos de botella genéticos en estos cultivos y ha llevado a la homogeneidad genética. Esta diversidad genética reducida en muchos cultivos podría conducir a una mayor susceptibilidad a nuevas enfermedades o plagas, lo que amenaza la seguridad alimentaria mundial.

Plantas

La investigación demostró que hay cantidades increíblemente bajas, casi indetectables, de diversidad genética en el genoma del pino Wollemi (Wollemia nobilis). La UICN encontró una población de 80 individuos maduros y alrededor de 300 plántulas y juveniles en 2011, y anteriormente, el pino Wollemi tenía menos de 50 individuos en la naturaleza. El bajo tamaño de la población y la baja diversidad genética indican que el pino Wollemi atravesó un grave cuello de botella poblacional.

Se creó un cuello de botella en la población en la década de 1970 a través de los esfuerzos de conservación de la especie en peligro de extinción Mauna Kea silversword (Argyroxiphium sandwicense ssp. sandwicense). La pequeña población natural de espada plateada se incrementó durante la década de 1970 con individuos trasplantados. Se descubrió que todas las plantas de espada de plata trasplantadas eran descendientes de la primera generación o de la siguiente generación de solo dos fundadores maternos. La baja cantidad de loci polimórficos en los individuos trasplantados condujo al cuello de botella de la población, provocando la pérdida del alelo marcador en ocho de los loci.