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Cronograma
Seminarios y TP's: Inicio 19 de marzo
Primer seminario: 26/3
1. Mueller, J.C., F. Pulido and B. Kempenaers. Identification of a gene
associated with avian migratory behaviour. Proceedings of the Royal Society
B 278: 2848-2856.
2. Zuk, M, J.T. Rotenberry & R.M. Tinghitella. Silent night: adaptive
disappearance of a sexual signal in a parasitized population of field crickets.
Biology Letters 2: 521-524.
Ecología y Comportamiento Animal
Departamento de Ecología, Genética y Evolución
Facultad de Ciencias Exactas y Naturales,
Universidad de Buenos Aires
Teórica #1: Comportamiento, ecología y
selección natural
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Breve historia del estudio del comportamiento (I)
Heráclito (480 AC, y otros filósofos estoicos) clasificaban a los seres animados
en dos categorías: sin alma (todos los animales) y con alma (el hombre). Al no
disponer de alma todos los animales, menos el hombre, actuaban
irracionalmente por lo que no era posible estudiar su comportamiento.
Aristóteles (384-322 AC) reconocía en todos los animales las capacidades de
percepción, emociones, aprendizaje, memoria e inteligencia y situaba al
hombre al mas alto nivel de su Scala Naturae (la capacidad intelectual del
hombre no difería cualitativamente de la de las otras especies, los cambios
eran graduales).
En la edad media San Alberto Magno y Santo Tomas de Aquino eliminaron al
hombre de la Scala Naturae de Aristóteles ya que lo consideraban único y con
un comportamiento regido por la razón. Los animales actuaban por su ciego
instinto natural (dicotomía instinto-razón). Esta dicotomía persiste más de 500
años.
Breve historia del estudio del comportamiento (II)
En el siglo XVII Descartes y sus seguidores aún planteaban la dicotomía
instinto-razón, si bien la defensa de esta distinción era más moralista que
científica.
Salvo algunas excepciones (Hume, Voltaire, Rousseau) hasta la aparición de
”El Origen de las Especies" (Darwin 1859) la conducta dependía de dos
conceptos mutuamente excluyentes: el instinto y la razón siendo esta última
una prerrogativa exclusiva del hombre.
Darwin (1859, 1871, 1872) plantea que la morfología, la fisiología y el
comportamiento se integran en un conjunto de adaptaciones que le permiten a
los individuos sobrevivir y reproducirse. Al descartar la idea de discontinuidad
en la evolución (comunidad de descendencia), no precisa analizar al hombre en
forma independiente (su comportamiento sería derivado del que tenían sus
ancestros primates).
Romanes (discípulo de Darwin) en su libro “Animal Intelligence” (1882) provee
información comparativa que apoya la teoría de Darwin.
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Breve historia del estudio del comportamiento (III)
A comienzos del siglo XX, el estudio del comportamiento animal pone el énfasis
en los procesos de aprendizaje. Se destacan el fisiólogo ruso Ivan P. Pavlov
(condicionamiento clásico) y el psicólogo norteamericano Edward L.
Thorndike (condicionamiento instrumental).
Entre 1930 y 1950 Konrad Lorenz desarrolla varios modelos teóricos sobre los
aspectos motivacionales del comportamiento (teorías de "mecanismo
desencadenante innato", "suma heterogénea de estímulos" y "energía de
acción específica”). Además profundiza el estudio de un tipo especial de
aprendizaje que denomina ”imprinting".
Niko Timbergen es quien por primera vez plantea en forma explícita la
necesidad de comprender el valor adaptativo del comportamiento de los
animales estudiándolos en su ambiente natural. Su libro “El estudio del
instinto” (1951) plantea explícitamente cómo los componentes “innatos” del
comportamiento son el resultado del proceso de selección natural.
Breve historia del estudio del comportamiento (IV)
La teoría del instinto de los etólogos clásicos fue muy criticada por la escuela
de psicólogos experimentales norteamericanos (controversia natura-nurtura).
Principal crítica (Lehrman 1953) era que muchos de los ejemplos de
comportamientos innatos se basaban en datos inadecuados en los que no se
había eliminado (controlado) la posibilidad de aprendizaje.
Esta escuela “behaviorista” (Watson, Skinner) ponía el énfasis en el efecto del
aprendizaje sobre el comportamiento. Para ellos el aprendizaje era la formación
de asociaciones entre estímulos y respuestas (entidades visibles). Ellos
consideraban que no era posible hacer afirmaciones científicas acerca de
procesos mentales (la introspección no era confiable y la mente de los
animales inaccesible).
Como reacción a esta escuela en la década del 50 surge la escuela de los
psicólogos cognitivos (Chomsky, Broadbent) quienes planten que los
animales tienen una vida mental que si puede ser investigada científicamente.
Robert Hinde (zoólogo inglés discípulo de Timbergen) contribuye en forma
importante a la unificación entre "etólogos clásicos" y "behavioristas" (1959,
1966).
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Científicos influyentes en la etología “clásica”
Premio Nobel en fisiología o medicina 1973 "for their discoveries concerning organization and elicitation of
individual and social behaviour patterns"
Karl von Frisch
(1886-1982)
Comunicación en
insectos sociales
Konrad Lorenz
(1903-1989)
Nikolaas Tinbergen
1907-1988
Aspectos motivacionales
del comportamiento
desarrollo, conducta como
rasgo filogenético
Visión evolutiva y ecológica,
valor adaptativo del
comportamiento,
experimentos naturales
Ecología del
Comportamiento
Desarrollo de la etología moderna
Durante la primer mitad de la década del 60 la etología desarrolla una
metodología adecuada pero sigue teniendo un enfoque naturalista, carente de
un marco conceptual y teórico general.
Desde mediados de los 60 hasta mediados de los 70 se produce una
revolución conceptual que se centra en entender el comportamiento como el
resultado de la selección natural actuando a nivel de los individuos.
Las principales ideas desarrolladas en este periodo son:
•  El abandono de la idea de selección natural actuando a nivel de grupos en
favor de la idea de selección natural actuando a nivel de individuos (Maynard
Smith 1964, George G. Williams 1966).
•  El desarrollo de la teoría de selección parental (kin selection, Hamilton 1964,
1966).
•  La adopción de modelos matemáticos de optimización (teoría de consumo
óptimo, Charnov 1973).
•  La aplicación de la teoría de juegos a problemas biológicos y desarrollo del
concepto de Estrategias Evolutivamente Estables (Maynard Smith 1972, 1982).
•  Una revalorización de la importancia de los mecanismos de selección sexual
para explicar los sistemas de apareamiento, la elección de pareja y el cuidado
e inversión parental (Trivers 1972, 1974).
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Desarrollo de la etología moderna
Esta revolución conceptual se plasma en la publicación del libro Sociobiología,
la nueva síntesis (Edward O. Wilson, 1975) y posteriormente en la publicación
de las distintas ediciones de An Introduction to Behavioural Ecology (1981,
1986, 1993, 2012) y Behavioural Ecology: An Evolutionary Approach (1978,
1984, 1991, 1997) por John R. Krebs y Nicholas B. Davies.
Ecología del comportamiento
La ecología del comportamiento es una rama de las ciencias biológicas que
intenta responder preguntas sobre el valor adaptativo del comportamiento
(consecuencias del comportamiento sobre el éxito reproductivo de los
individuos).
Los patrones comportamentales son analizados como el resultado de la
selección natural (han evolucionado como resultado de presiones de selección
del ambiente físico y social en el que los animales viven).
En la actualidad, la mayoría de los estudios en comportamiento animal tienen
un enfoque que contempla tratar de entender el valor adaptativo del
comportamiento.
Principales revistas: Animal Behaviour, Behavioral Ecology, Behavioral Ecology
and Sociobiology, Ethology, Behaviour.
Principales sociedades: International Society of Behavioral Ecology, Animal
Behavior Society-Asociation for the Study of Animal Behaviour.
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Distintos tipos de preguntas en comportamiento:
causas próximas y causas últimas
Ernst Mayr (1961) distinguió entre los biólogos que estudian las causas
próximas (mecanismos) y aquellos que estudian las causas últimas (evolución).
Niko Timbergen (On aim and methods of ethology, 1963) planteó que cada una
de estas categorías podía a su vez ser subdividida en otras dos.
Las preguntas de las causas próximas, o de “cómo”, pueden responderse en
términos de los mecanismos fisiológicos del comportamiento (neurales,
hormonales) o de su ontogenia (efectos de la edad y experiencia).
Las preguntas de las causas últimas, o de “por qué”, pueden responderse en
términos del valor adaptativo del comportamiento o de su historia evolutiva.
Los cuatro por qué de Timbergen (1963)
a)  Mecanismos responsables del comportamiento
b) Valor adaptativo o función del comportamiento
c) Desarrollo u ontogenia del comportamiento.
d) Origen evolutivo o filogenia del comportamiento.
Mecanismos
Valor adaptativo
Cuatro tipos de preguntas
en comportamiento
Causas
próximas
Ontogenia
Causas
últimas
Filogenia
Algunos autores plantean un quinta forma en términos de los procesos
cognitivos y emocionales subyacentes a ese comportamiento (motivación,
conciencia, pensamiento) pero estos procesos son, en última instancia,
procesos fisiológicos (causas próximas) aún no totalmente comprendidos.
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Efecto Bruce
Hilda Bruce 1959. También denominado bloqueo del embarazo.
Tendencia de las hembras de algunas especies de roedores a interrumpir el
embarazo luego de la exposición a olores de machos no familiares (ej. los
progenitores de las crías).
También presente en una especie de primates (Theropithecus gelada, Science
335: 1222-1225, 2012) y postulado en leones.
¿Por qué las hembras interrumpen el embarazo ante la presencia de un macho
desconocido?
Efecto Bruce (mecanismo)
Mecanismo estudiado en detalle en ratones.
La orina de los machos contiene proteínas del tipo MHC (Complejo Mayor de
Histocompatibilidad) clase I que se unen a receptores del órgano vomeronasal
(estructura llena de mucus en el septum nasal). Estas señales químicas son
específicas de cada macho y serían aprendidas por la hembra durante el
apareamiento o inmediatamente después del apareamiento.
La hormona vasopresina participa del acoplamiento entre la señal química y la
respuesta fisiológica (en animales que tienen "knocked out" el receptor VP 1b
la señal química no interrumpe el embarazo). Otras hormonas involucradas son
noradrenalina (baja la receptividad al estímulo) y oxitocina (facilita el
aprendizaje del olor del macho).
La información va del órgano vomeronasal al bulbo olfatorio, de ahí a la
amígdala (zona corticomedial del cerebro), tracto olfatorio accesorio y stria
terminalis y finalmente al hipotálamo.
El hipotálamo aumenta la secreción de dopamina que inhibe la prolactina. La
ausencia de prolactina inhibe la secreción de progesterona por el cuerpo lúteo
y eso resulta en la interrupción del embarazo.
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Efecto Bruce (función)
¿Cuál es el posible valor adaptativo del efecto Bruce para machos y hembras?
Machos
Se beneficiarían por la interrupción del embarazo de la hembra ya que de esta
forma pueden aparearse inmediatamente con ella (mayor probabilidad de dejar
descendientes antes de ser desplazados por otro macho -o ser depredados-).
Machos dominantes bloquean posibles embarazos por parte de machos
subordinados (los dominantes dejan más marcas de orina que los
subordinados).
¿Hembras?
En muchas especies de roedores los machos matan a crías que no están
relacionadas genéticamente con él (infanticidio).
El efecto Bruce es más frecuente en especies de roedores con poliginia. En
estas especies el riesgo de infanticidio es mayor. La hembra "salvaría" tiempo y
recursos interrumpiendo el embarazo.
La hembra podría controlar su embarazo buscando o evitando nuevos machos
(elección de pareja post-apareamiento).
Causas próximas y últimas
Desarrollo
Expresión de genes
Interacciones genes-ambiente
Fisiología
Sistema motor
Sistema nervioso
Sistema endócrino
Comportamiento
Exito reproductivo diferencial
Cambios en la frecuencia génica en la
siguiente generación
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“Fitness” o aptitud biológica Darwiniana
Es una medida de la habilidad de un individuo para producir descendencia
viable y contribuir a las generaciones futuras.
Los individuos de una población varían en su fitness relativo y estas diferencias
pueden deberse en mayor o menor medida a diferencias genéticas entre los
individuos. También pueden deberse a diferencias del ambiente en que se
desarrollaron esos individuos.
Los individuos de una población que tienen mayor fitness van a contribuir
desproporcionadamente a la siguiente generación.
Si las diferencias en fitness tienen un componente genético, entonces, la
composición genética de la siguiente generación va a ser modificada.
Este proceso se conoce como selección natural.
Selección natural (Darwin 1859)
•  Los
individuos de una misma especie difieren en su morfología, fisiología y/o
comportamiento (variación).
•  Algunas de estas diferencias son heredables, es decir, los hijos tienden a
parecerse más a sus progenitores que a otros individuos de la población
(herencia).
•  Los organismos tienen una gran capacidad para reproducirse y, en general,
producen muchos más individuos de los que llegan a la edad reproductiva. El
número de individuos en una población permanece más o menos constante a
través de tiempo. Por lo tanto, entre los individuos existe competencia por recursos
escasos como alimentos, parejas, o lugares donde vivir.
•  Como resultado de esta competencia, algunas variantes dejarán más
descendientes que lleguen a la edad reproductiva que otras. Estas variantes van a
heredar las características de sus padres y de esta forma tendrá lugar un cambio
evolutivo por selección natural.
•  Como consecuencia de este cambio evolutivo, los organismos van a adaptarse a
su ambiente. Los individuos seleccionados serán aquellos mas eficientes para
encontrar recursos escasos como alimentos, parejas o lugares donde vivir.
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Selección natural (Endler 1986)
La selección natural puede ser definida como un proceso en el cual si una
población tiene:
a) Variación entre sus individuos en algún atributo o carácter: Variación
b) Una relación consistente entre este carácter y la habilidad para aparearse,
habilidad para fertilizar, fecundidad y/o supervivencia: diferencias en fitness o
eficacia biológica Darwiniana
c) Una relación consistente, para ese carácter, entre padres e hijos, la cual es
al menos parcialmente independiente de efectos ambientales comunes:
herencia
Entonces:
1) La frecuencia de dicho carácter va a diferir entre clases de edad mas allá de
lo esperado por la ontogenia.
2) Si la población no esta en equilibrio, entonces la distribución del carácter en
el conjunto de los hijos va a ser diferente la distribución del carácter en el
conjunto de los padres, más allá de lo esperado por las condiciones a y c.
Comportamiento, ecología, y evolución
El éxito de un individuo en sobrevivir y reproducirse depende (en gran parte) de
su comportamiento.
La selección natural va a favorecer (i.e. éxito reproductivo diferencial) a
aquellos individuos que sean más eficientes buscando alimentos, evitando
predadores, copulando, alimentando y defendiendo a sus hijos, etc.
El grado de adaptación de estos comportamientos dependerá de las distintas
alternativas comportamentales disponibles, las que a su vez van a depender de
restricciones impuestas por la filogenia, la fisiología y/o la ecología.
Adaptación:
Cualquier carácter heredable (morfológico, fisiológico o comportamental) que
posea un organismo y que ayude a su supervivencia o reproducción.
Característica que ha sido modelada por selección natural u otro tipo de
selección (i.e. sexual) para su función actual (Gould & Vrba 1982).
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Puesta a prueba de hipótesis acerca del valor adaptativo
de un determinado comportamiento
1) Comparación entre individuos de una especie (observaciones-experimentos
naturales).
2) Experimentación (experimentos controlados).
3) Comparación entre especies (método comparado).
Ej: ¿Cuál es el valor adaptativo de vivir en grupos?
Puesta a prueba de hipótesis acerca del valor adaptativo de
un determinado comportamiento
Observaciones vs. Experimentos
Asociación no implica causalidad.
Experimento: manipulación por parte del experimentador de la variable
independiente (aquella que se supone causa el efecto que queremos medir o
variable dependiente).
Validez interna vs. validez externa
Validez interna: cuan adecuada es la metodología de estudio y sus resultados
para responder la pregunta formulada.
Validez externa: cuan extrapolables son mis estudios y resultados a otras
poblaciones, especies o situaciones.
Principio de parsimonia
Si dos hipótesis explican igualmente bien un fenómeno, siempre debe darse
preferencia a aquella que sea mas simple (menor número de supuestos).
Hipótesis alternativas
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Medidas directas e indirectas utilizadas para estimar el
“fitness” de un determinado comportamiento
Medidas directas del éxito reproductivo
1. Producción de gametas
2. Tasa de cópulas
3. Producción de huevos fertilizados
4. Producción de crías (nacidas)
5. Producción de crías (independientes).
6. Producción de crías durante una temporada reproductiva que alcanzan la
edad reproductiva.
7. Producción de crías durante toda la vida del individuo que alcanzan la edad
reproductiva (éxito reproductivo a lo largo de la vida).
Medidas indirectas del éxito reproductivo
1. Eficiencia de locomoción u otra actividad.
2. Acceso a alimento.
3. Acceso a un territorio o pareja.
4. Probabilidad de sobrevivir.
Niveles a los que actúa la selección natural:
¿selección a nivel de individuos o grupos?
Podemos arreglar los niveles de selección a lo largo de un continuo que
describe el grado de relación genética.
genes -> individuos -> parientes (kin) -> grupos -> especies
Selección a nivel de genes planteada originalmente por Williams (1966) y
Dawkins (1976). Genes actúan como replicadores y son preservados a través
del tiempo. Los organismos son los vehículos que transportan los genes.
Esta idea fue criticada argumentándose que la selección no puede actuar
directamente sobre los genes sino sólo a través de sus “envases”.
Hull (1980) introduce los conceptos de “replicador” (entidad que pasa con su
estructura intacta directamente en la replicación), e “interactor” (entidad que es
capaz de interaccionar como un todo con el medio ambiente de manera que se
produce replicación diferencial de los distintos interactores).
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Niveles a los que actúa la selección natural:
¿selección a nivel de individuos o grupos?
Selección de grupos en su forma más simple planteaba que la evolución de un
carácter podía ser explicada “por el bien de la especie” (Wynne-Edwards 1962:
autocontrol de la natalidad para no sobreexplotar los recursos o predador
prudente).
Argumentos de Wynne-Edwards (y otros biólogos de la época -Lorenz, Huxley)
fueron refutados por Willams (Adaptation and Natural Selection, 1966).
La selección a nivel de grupos (o especies) sería un proceso análogo al de
selección individual (grupos tienen variabilidad, heredabilidad y diferencias en
éxito reproductivo). Ocurriría cuando un grupo de individuos (o un grupo de
especies estrechamente relacionadas) produce más grupos de descendientes
(o especies) que otros grupos de individuos (o clados).
Condiciones para que ocurra selección de grupos son mucho más restrictivas
que para que ocurra selección individual.
Tamaño de puesta en Parus major
Histograma de frecuencias del
tamaño de puesta (número de
huevos puestos) en el Carbonero
Común (Parus major) en Whytam
woods Oxford.
¿Por qué algunos individuos ponen
5 o 6 huevos si podrían poner 11 o
12?
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Tamaño de puesta y supervivencia de las crías
a) Peso promedio de los pichones al momento de abandonar el nido en función
del número de pichones en el nido en nidadas en las que el número de huevos
fue manipulado experimentalmente.
b) Porcentaje de pichones recapturados 3 meses después de abandonar el
nido (indicador de supervivencia) en función del peso con que abandonaron el
nido.
Tamaño de puesta óptimo
Manipulación experimental del tamaño de puesta mediante el agregado o la
remoción de huevos. El tamaño de puesta que maximizaría el número de
pichones que sobreviven está entre 8 y 12.
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Maximización del éxito reproductivo
Efecto de la mortalidad de los adultos sobre el tamaño de puesta óptimo. El
número de descendientes presenta un máximo en b1 pero si se tiene en cuenta
la mortalidad de los adultos el tamaño de puesta óptimo (aquel que maximiza el
número de descendientes a lo largo de la vida) es b2.
Éxito reproductivo o a lo largo de la vida
Éxito reproductivo de hembras de Parus major. El éxito reproductivo fue
medido como: supervivencia de la hembra hasta la siguiente temporada
reproductiva x (número de crías que sobrevivieron hasta la próxima temporada
reproductiva x 0.5). Los datos corresponden a 3 grupos experimentales en los
que las hembras criaron 2 pichones adicionales pagando los costos totales
(poner huevos y criar a los pichones), sólo el costo de poner huevos (free
eggs), o sólo el costo de criar pichones (free chicks). El fitness de la hembra
está expresado relativo al del grupo control (sin crías extras).
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Fitness directo, indirecto, e inclusivo
Los individuos pueden aumentar su “fitness” a través de distintas vías:
Fitness directo: Componente del fitness obtenido a través de la reproducción
personal (i.e. producción de hijos).
Fitness indirecto: Componente del fitness obtenido a través de ayudar a la
supervivencia de individuos emparentados que no son descendientes directos
(i.e. ayudar a un hermano o a los padres a producir hijos extra).
Fitness inclusivo: La suma del fitness directo e indirecto.
Un indicador del grado de parentesco comúnmente utilizado es el coeficiente
de parentesco (r).
r = probabilidad que un gen presente en un individuo sea una copia idéntica por
descendencia de un gen presente en otro individuo.
Coeficientes de parentesco en organismos diploides
Relación
r
Padre < > hijo
0.5
Hermanos completos
0.5
Medios hermanos
0.25
Hermanos gemelos
1
Hermanos mellizos
0.5
Abuelo < > nieto
0.25
Tío/a < > sobrino/a
0.25
Primos hermanos
0.125
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Coeficientes de parentesco en organismos haplodiploides
Relación
r
Madre < > hija
0.5
Padre > hija
1
Hija > padre
0.5
Madre > hijo
0.5
Hijo > madre
1
Hermanos
0.5
Hermanas
0.75
Hermano > hermana
0.5
Hermana > hermano
0.25
Regla de Hamilton
Un individuo ayuda a otro a producir un número b de descendientes extra pero
incurre en un costo de c descendientes directos.
De acuerdo a Hamilton el carácter altruista va a aumentar de frecuencia en la
población si:
r1 b - r 2 c > 0
donde r1 es el coeficiente de parentesco entre el altruista y la descendencia del
beneficiario y r2 es el coeficiente de parentesco entre el altruista y su propia
descendencia.
La ecuación anterior puede convertirse en:
rb - c > 0
donde r es el coeficiente de parentesco entre el altruista y el beneficiario.
Otra forma de la misma ecuación es:
b/c > 1/r
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Eusocialidad en insectos
“But with the working ant we have an insect
differing greatly from its parents, yet absolutely
sterile; so that it could never have transmitted
successively acquired modifications of
structure or instinct to its progeny. It may well
be asked how is it possible to reconcile this
case with the theory of natural selection?”
Darwin C. (1859). The Origin of Species.
“Pero en la hormiga obrera tenemos un
insecto que difiere marcadamente de sus
padres y es absolutamente estéril por lo que
nunca podría haber transmitido
satisfactoriamente a su progenie las
modificaciones de estructura o instinto
adquiridas. Uno bien podría preguntarse
¿cómo es posible reconciliar este caso con la
teoría de la selección natural?”
Eusocialidad en insectos
"Using this concept it soon becomes evident
that family relationships in Hymenoptera are
potentially very favourable to the evolution of
reproductive altruism. If a female is fertilized by
only one male all the sperm she receives is
genetically identical. Thus, although the
relationship of a mother to her daughters has
the normal value of 1/2, the relationship
between daughters is 3/4. Consider a species
where the female consecutively provisions and
oviposits in cell after cell so that she is still at
work when the first of her female offspring
ecloses, leaves the nest and mates. Our
principle tells us that even if this new adult had
a nest ready constructed and vacant for her use
she would prefer, other things being equal,
returning to her mother’s and provisioning a cell
for the rearing of an extra sister to provisioning
a cell for a daughter of her own.
rb - c > 0
Hamilton, W.D. (1964). The Genetical Evolution of Social
Behaviour. II. Journal of Theoretical Biology 7: 17-52.
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