DP-BIO-5.2 Herencia

HERENCIA

Unidad 5: GenéticaParte 2

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EVAU

NIVEL SUPERIOR

Objetivos

Objetivos

Índice

1. Genética mendeliana

3. Cruce dihíbrido y tercera ley

2. Vocabulario esencial

6. Enfermedades genéticas

5. Teoría cromosómica de la herencia

4. Más allá deMendel

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1.

Genética Mendeliana

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¿Qué es necesario para un buen experimento?

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¿Qué es necesario para un buen experimento?

• Planificación cuidadosa
• Selección de material adecuado
• Gran tamaño muestral
• Anotaciones en valores absolutos
• Búsqueda de pautas
• Repeticiones
• Suerte

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Gregor Johann Mendel (1822-1884). Fraile agustino de la actual Rep. Checa. Observó en su monasterio que los guisantes siempre tomaban dos formas: alta o enana. Sin formas intermedias. Selección inicial de "razas puras": plantas que al auto-polinizarse sólo producían individuos de su misma raza. Una vez obtenidas, procede a cruzarlas.

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Todos los individuos correspondían a la forma alta. El tipo "enano" parecía haber desaparecido. Procedió después a auto-polinizar la progenie...

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La condición de planta enana "desaparece" en F1 pero reaparece en F2. Debe haber un factor que controla el tipo "enano", que se mantiene intacto en el proceso y que no se puede manifestar en presencia del factor de tipo "alto". El factor "alto" es dominante sobre el factor "enano", que es recesivo. Además, cada planta presenta dos factores independientes, uno por cada uno de los progenitores.

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Conclusiones:

• En cada organismo hay "factores" (hoy los llamamos genes) que controlan las características, tales como "alto" o "enano"
• En cada célula, para cada característica hay dos factores
• Cada uno de los factores viene de un progenitor
• Los factores se separan en la reproducción, y cualquiera de ellos puede pasar a la descendencia
• El factor "alto" es una forma alternativa del factor "enano", y viceversa
• El factor "alto" domina sobre el factor "bajo"

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Ley de Dominancia

Ley de Segregación

Las características de un organismo se controlan por parejas de alelos, que se separan en números idénticos en los distintos gametos como resultado de la meiosis

También llamada de uniformidad. Los alelos dominantes enmascaran a los recesivos, de forma que la descendencia del cruce de dos razas puras es uniforme.

Continuará...

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Análisis de datos

Proporciones mendelianas

La siguiente tabla muestra los resultados de los experimentos llevados a cabo por Mendel siguientes a los descritos.a) Indica la proporción de individuos de cada tipo esperable en cada uno de los experimentos. b) Calcula los valores reales. c) Sugiere un motivo por el que las proporciones observadas pudieran desviarse de las esperadas.

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2.

Vocabulario esencial en genética

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SOLUCIÓN

Fenotipo

Expresión del genotipo. Conjunto de características observables.

Organismo cuyos alelos para un gen son distintos.

Organismo cuyos alelos para un gen son iguales.

Conjunto de alelos de un organismo.

Haploide

Rasgo

Heterocigoto

Célula con una sola copia de cada gen.

Alelo

Organismo con un solo alelo para un gen.

Diploide

Genotipo

Características observables o medibles.

Los "factores" de Mendel. Porciones de ADN que controlan un rasgo.

Gen

Célula u organismo con dos copias de cada gen.

Cada una de las formas de un gen

Hemicigoto

Homocigoto

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El tipo de cruce que realizó Mendel se denomina monohíbrido porque se estudia un solo carácter (mono) y se estudia la formación de híbridos. Para distinguir individuos homocigóticos dominantes (AA) de heterocigóticos (Aa), que fenotípicamente son iguales, se emplea el retrocruzamiento: cruzar al individuo con un homocigótico recesivo y estudiar las proporciones de la descendencia. ¿Qué proporciones fenotípicas se obtendrían en cada caso? ¿Cómo sería el genotipo de cada posibilidad?

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3.

El cruce dihíbrido y la tercera ley de Mendel

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Cruce dihíbrido

Mendel no se quedó ahí. Además de estudiar los cruces monohíbridos (de un solo carácter) también se aventuró a estudiar qué ocurría al estudiar dos caracteres simultáneamente. Eligió el color del cotiledón ("carne" del guisante) y la textura de la cubierta, obteniendo las siguientes proporciones en la F2: 9:3:3:1 Con lo que sabemos hoy, ¿por qué podemos decir que Mendel tuvo suerte a la hora de seleccionar los dos caracteres a estudiar en conjunto?

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Cruce dihíbrido

Este hecho cuadra con el estudio de dos factores que se distribuyen de forma independiente, sin que la presencia de uno afecte a la del otro. En un cuadro de Punnett es fácil de observar. Ejercicio: determina la descendencia y las probabilidades asociadas a cada tipo al cruzar un guisante heterocigótico alto de cotiledones verdes con una planta enana con cotiledon amarillo, heterocigótica para el color del cotiledon.

respuesta

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Ley de Dominancia

Ley de Segregación

Ley de reparto independiente

También llamada de uniformidad. Los alelos dominantes enmascaran a los recesivos, de forma que la descendencia del cruce de dos razas puras es uniforme.

Las características de un organismo se controlan por parejas de alelos, que se separan en números idénticos en los distintos gametos como resultado de la meiosis

La segregación de alelos respecto a un gen ocurren de forma independiente a la de otros genes.

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4.

Más allá de Mendel

1. Codominancia, dominancia incompleta, alelo letal y epistasis
2. Alelismo múltiple: el caso de la sangre humana
3. Herencia ligada al sexo
4. (NS) Genes ligados
5. (NS) Herencia poligénica y gradiente de variación

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Mendel tuvo suerte en sus experimentos, ya que estudió caracteres con "comportamiento" sencillo que le permitieron dilucidar las leyes fundamentales. Desgraciadamente (o afortunadamente) la naturaleza es mucho más compleja que eso... Pronto se llevaron a cabo experimentos y descubrimientos que mostraron complejidades imposibles de explicar simplemente mediante las tres leyes.

Epistasis

Codominancia

Dominanciaincompleta

Alelo letal

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Dominancia incompleta (o intermedia)

En los estudios de Mendel, cada carácter mostraba dos formas, y una de ellas era claramente dominante sobre la otra. Pero en ocasiones, las formas dominantes no lo son completamente. En estos casos, la dominancia es incompleta, y los individuos pueden mostrar caracteres intermedios.

Boca de Dragón, Antirrhinum majus

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Co-dominancia

En otras ocasiones, hay más de un alelo con el mismo "nivel" de dominancia. En estos casos, los individuos heterocigóticos muestran ambas formas, sin formas intermedias.

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Alelo letal

En ocasiones uno de los fenotipos (generalmente recesivos) produce malformaciones en el embrión que hace que éste no pueda sobrevivir si muestra esa combinación de alelos.

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Epistasis

Recordamos que las moléculas responsables de expresar el fenotipo son las proteínas, que están codificadas por el genotipo. Hasta ahora, en los casos que se han visto, un gen codificaba directamente la proteína responsable del fenotipo. Pero en muchas ocasiones, un gen codifica una proteína que controla la expresión o no del carácter, que depende de otra proteína distinta. En el ejemplo, los ratones cc no generan la proteína que les permite mostrar pigmento.

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Alelismo múltiple

Hasta ahora, todos los caracteres estudiados mostraban dos alelos diferentes. Pero no es raro el caso de que existan más de dos alelos para un mismo carácter.Uno de estos casos es el del grupo sanguíneo humano, en el que existen tres alelos distintos: IA, IB e i. Como se puede ver por la nomenclatura, los alelos IA e IB dominan sobre i, que es recesivo, y además son codominantes entre sí. Esto permite los cuatro grupos:

Grupo B

Grupo A

Grupo AB

Grupo 0

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Alelismo múltiple

La presencia de los distintos alelos tiene dos efectos:1. Produce (o no) unas proteínas de membrana específicas en los eritrocitos, necesarias para el reconocimiento celular: antígenos. 2. Produce (o no) unos compuestos de defensa que se liberan a la sangre y actúan frente a células extrañas: anticuerpos. Los organismos con alelo IA producen antígenos de tipo A y anticuerpos anti-B. Los que tienen IB, lo contrario. Los homocigóticos recesivos no producen antígenos, pero sí anticuerpos para ambos tipos, y los AB producen ambos antígenos pero ningún anticuerpo.

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Alelismo múltiple

En presencia de un antígeno "enemigo", los anticuerpos se aglutinan para destruirlo. A simple vista, esto se ve como una coagulación de la sangre. Este es uno de los problemas con las trasfusiones de sangre, ya que la presencia de antígenos y anticuerpos permite sólo ciertas combinaciones:

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Herencia ligada al sexo

El sexo de un organismo se determina genéticamente. Aunque hay varios "modelos", el más conocido es el sistema XX/XY presente en los humanos y la mayoría de los vertebrados.Los seres humanos poseemos 23 pares de cromosomas: de ellos, 22 se denominan autosomas y el otro par son los cromosomas sexuales. Las parejas homólogas de autosomas son iguales, pero en los cromosomas sexuales existen dos posibilidades: XX: ambos cromosomas son iguales, da lugar a hembras XY: los cromosomas son distintos, da lugar a machos.

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Herencia ligada al sexo

Los cromosomas X e Y son muy distintos en morfología y, por tanto, en genes que contienen. Esto influye en la herencia de ciertos caracteres, como veremos a continuación. Pero esto también da lugar a un problema. Durante la meiosis, los cromosomas homólogos se emparejan y se anclan mediante el complejo sinaptonémico porque sus longitudes son iguales. Pero ¿qué ocurre con el emparejamiento de los cromosomas sexuales en los individuos masculinos?

respuesta

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Herencia ligada al sexo

El cromosoma X posee muchos genes que no están relacionados con el sexo, y que sin embargo se transmiten de forma ligada a él. En varones, muchos de estos genes no presentan su homólogo (hemicigosis), por lo que el carácter se manifestará en el fenotipo incluso si el alelo presente es el recesivo. Ejemplos:

Daltonismo

hemofilia

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Herencia ligada al sexo

Otro problema asociado a la diferencia de longitud de los cromosomas sexuales es que, en principio, las mujeres podrían expresar el doble de proteínas a partir de un gen que los hombres, al tener ese gen en dos cromosomas X. Para evitarlo ocurre la inactivación del cromsoma X. En estado de zigoto, uno de los cromosomas homólogos X se "empaqueta" en forma de heterocromatina (inactiva) y se queda así para siempre (excepto en momentos de mitosis). La estructura formada se llama corpúsculo de Barr.

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Genes ligados

El genoma humano tiene unos 30K genes, pero sólo 46 cromosomas. La mayoría de los genes comparten cromosoma. Esto influye a la hora de la transmisión de estos genes, que no cumplirán la tercera ley de Mendel. Y así es, efectivamente, como se descubrió su existencia.

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Genes ligados

El genoma humano tiene unos 30K genes, pero sólo 46 cromosomas. La mayoría de los genes comparten cromosoma. Esto influye a la hora de la transmisión de estos genes, que no cumplirán la tercera ley de Mendel. Y así es, efectivamente, como se descubrió su existencia. Una vez más empleando el guisante, Bateson y Punnett estudiaron a la vez la transmisión del color de la flor (morada vs. roja) con la forma del grano de polen (alargado vs. redondo). Lo que ocurrió después os sorprenderá...

El genoma humano tiene unos 30K genes, pero sólo 46 cromosomas. La mayoría de los genes comparten cromosoma. Esto influye a la hora de la transmisión de estos genes, que no cumplirán la tercera ley de Mendel. Y así es, efectivamente, como se descubrió su existencia.

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Genes ligados

Cruzaron razas puras y, de acuerdo a las primeras dos leyes de Mendel, obtuvieron una F1 uniforme. sin embargo, al auto-polinizar individuos de la F1 esperaron obtener las proporciones mendelianas 9:3:3:1. Obtuvieron esta distribución de tipos:

¿Es la distribución observada suficientemente distinta a la esperada? ¿Cómo podemos averiguarlo?

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Genes ligados

Claramente hay muchos más individuos iguales a los progenitores de lo esperado, y por contra hay muy poco recombinante. ¿Cómo se explica esto? La conclusión de Bateson y Punnett, que ya comenzaban a conocer acerca de la naturaleza de los cromosomas y los genes, es que ambos genes (color de flor y forma del grano de polen) se encuentran en el mismo cromosoma, por lo que se transmiten a la vez, incumpliendo así la 3ª ley de Mendel. Pero, ¿y los recombinantes que sí han aparecido? ¿De dónde salen?

respuesta

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Genes ligados

Ambos genes van ligados, pero recordemos que en ocasiones, aleatoriamente, el sobrecruzamiento en la meiosis puede hacer que aparezcan nuevas combinaciones. Dependiendo de si y dónde haya ocurrido el sobrecruzamiento, ambos genes podrían intercambiarse de cromosoma y "funcionar" como si fueran genes independientes.

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Herencia poligénica

En realidad, hay muy pocas características de los organismos que se controlen por un solo gen. La mayoría de ellos siguen una herencia poligénica, en la que más de un gen entran en juego. Aunque no siempre, los genes que participan en un carácter se encuentran en cromosomas distintos. Individualmente tienen un efecto pequeño, pero en conjunto generan un gradiente o un contínuo de variabilidad. Además, el ambiente puede influir de manera significativa en estas herencias. Ejemplos son la altura y el color de la piel humanos.

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5.

Teoría cromosómica de la herencia

1. Thomas Morgan y la Drosophila melanogaster
2. Postulados de la teoría cromosómica de la herencia
3. Estadística en genética

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1931

1902-03

1865

Mendel publica su Experimentos de hibridación en plantas

Se establece el sobrecruzamiento como factor recombinante

Primeras comprobaciones citológicas

1883

1910-13

Se descubre el mecanismo de la meiosis

Se enuncia la teoría cromosómica de la herencia

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Históricamente, el segundo punto clave en la historia de la genética es 1910, cuando el norteamericano Thomas Morgan lleva a cabo sus experimentos con Drosophila melanogaster. Al igual que Mendel, Morgan tuvo una mezcla de habilidad y suerte en la elección del sujeto de estudio, ya que: - La mosca de la fruta es un insecto muy común- Su genoma es muy sencillo: sólo tiene 4 pares de cromosomas- La etapa hasta la madurez sexual es corta (10 días)- Una sola hembra es capaz de generar cientos de descendientes

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Uno de los descubrimientos que hizo fue el de la herencia ligada al sexo. Al cruzar hembras de ojo blanco (homocigóticas recesivas) con machos de ojos rojos (hemicigóticos dominantes), observó que todos los descendientes con ojos rojos eran hembras mientras que todos los que presentaban ojos blancos eran machos. Determinó que el carácter "color de ojos" debía estar localizado en el cromosoma X y, por tanto, ser dependiente del sexo.

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Morgan también demostró que para la mayoría de los caracteres, al estudiar cruces dihíbridos no se seguían las proporciones mendelianas. Cuando llevaba a cabo los cruces, se obtenían muchos más individuos con el fenotipo paterno que recombinante. a) Dibuja el cuadro de Punnett para el caso de que ambos genes fueran independientes. ¿Qué proporciones genotípicas y fenotípicas cabría esperar? b) En el caso de que ambos genes estuvieran ligados, no esperaríamos la aparición de recombinantes. Sugiere un motivo por el que han ocurrido.

Mosca homocigótica recesiva con cuerpo marrón (gg) y alas onduladas (ss)

Mosca heterocigótica con cuerpo normal (Gg) y alas rectas (Ss)

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Más aún, decubrió que algunos recombinantes eran siempre más frecuentes que otros. - Calculó la probabilidad de recombinación, en % - Lo relacionó con el sobrecruzamiento - A mayor probabilidad de recombinación, más lejos estarían los genes (más posible es que ocurra el sobrecruzamiento ahí - Es decir, la frecuencia de recombinación es proporcional a la distancia de los genes - centiMorgan (cM, centi por %, no por centi- deci-...) unidad de distancia de genes, corresponde a 1% de recombinación - Demostró así que los genes están lineales en el cromosoma

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Gracias a sus experimentos, confirmó algunas hipótesis propuestas y mejoró y completó las explicaciones a los fenómenos genéticos, especialmente desde el punto de vista citológico. Estableció la teoría cromosómica de la herencia, que postula que: - Los genes se encuentran en los cromosomas, en lugares fijos denominados loci (locus en singular) - Los genes se disponen de forma lineal en el cromosoma, sin solaparse ni partirse - En un cromosoma existen muchos genes, que se denominan ligados, y que se transmiten juntos

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Uno de los puntos fuertes de Morgan es que utilizó la estadística para corroborar sus resultados. En el siguiente cruce, obtuvo los resultados que se ven en la tabla inferior.

¿Siguen las moscas la distribución Mendeliana pra el cruce dihíbrido?

estadística

Respuesta

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6.

Enfermedades genéticas

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Hay unas 4000 enfermedades genéticas descritas, que afectan al 1-2% de la población humana. La mayoría se deben a alelos mutantes recesivos. Si bien es muy poco frecuente que presentemos la enfermedad, es bastante probable que seamos portadores de alguna. Ejemplos de enfermedades: - Anemia falciforme (recordamos)- Distrofia muscular de Duchene- Inmunodeficiencia combinada grave (niño burbuja)- Fibrosis quística

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La fibrosis quística aparece en el 4% de población europea. Una mutación en un gen del Chr7 (autosoma) genera un alelo mutante recesivo afecta al tejido epitelial. Las células epiteliales de un individuo sano producen bombas de ión cloruro de forma que el agua por ósmosis sigue el movimiento de iones y así el tejido queda húmedo. Un individuo enfermo no produce esas bombas, por lo que el tejido se seca y se acumula mucosidad espesa y pegajosa en sistema respiratorio y digestivo principalmente - El páncreas no puede segregar jugos digestivos por bloqueo de conductos- Los bronquios y bronquiolos se colapsan, pudiendo resultar fatal- Otros bloqueos en conductos corporales

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La enfermedad de Huntington es otro ejemplo, esta vez de alelo mutante dominante. Una mutación en el Chr4 (autosoma) produce un alelo dominante que manifiesta la enfermedad. 1 de cada 20 000 personas lo presenta. Los síntomas aparecen a la edad de 40-50, entre los que se incluyen deterioro mental progresivo o espasmos musculares involuntarios. Para cuando se detecta, es probable que el individuo haya enido ya descendencia... Explica la herencia de la fibrosis quística

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Todas estas enfermedades comienzan por mutaciones en un gen, que modifican el mRNA en la transcripción. En muchos casos (la mayoría) estas mutaciones son silenciosas, pero en otras la proteína producida es defectuosa o directamente no se produce. Algunas son dañinas (la proteína es importante pero no esencial) y otras son letales (la proteína es letal). Mutaciones somáticas: ocurren en células no germinales (células normales del cuerpo excepto genitales). No pasan a la descendencia, pero pueden producir cáncer. Incidencia aumenta con edad. Mutaciones germinales: ocurren en células que producen gametos. Pasan a la descendencia.

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Las mutaciones pueden ocurrir de forma espontánea (errores en replicación) aunque son extremadamente raras. Lo más frecuente es exposición a un agente mutagénico. - radiación ionizante: radiación de onda muy corta (mucha energía). Alteran la composición del ADN mediante ionización de parte de la cadena. Rayos X, rayos cósmicos, radiactividad alfa, beta o gammarayos X, rayos cósmicos, radiactividad alfa, beta o gamma - mutágenos no-ionizantes: sustancias químicas o radiación de onda más larga. Alteran la base química del ADN mediante reacciones. Radiación UV, alquitrán (tabaco).

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Un agente mutagénico que ha dado mucho que hablar (y aún lo da) en la historia es la radiación nuclear. Para obtener energía nuclear es necesario usar isótopos radioactivos de elementos especiales. El más frecuente en energía nuclear es el isótopo uranio-235. Para que opere en central nuclear, es necesaria una concentración baja. Para una bomba, es necesaria una concentración mucho mayor. El isótopo radiactivo genera una reacción en cadena, activando isótopos a su alrededor. Cinética: si hay poco elemento radiactivo cerca, la reacción se frena, pero si hay mucho, se acelera (efecto de la concentración).

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Hiroshima y Nagasaki Tras los muertos por la explosión y deflagración, se llevó a cabo un estudio a largo plazo comparando las incidencias y tipologías de cáncer en población irradiada (93 000) frente a un grupo control (no-irradiado, 27 000). Se observó un aumento significativo de casos de cáncer (mutaciones somáticas) entre los irradiados. Sin embargo, no se han logrado detectar mutaciones germinales (detectadas en los descendientes de los irradiados), a pesar de que en estudios con animales con dosis más altas sí se han visto estos efectos). La radiación era relativamente baja como para afectar de forma significativa.

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Chernobyl Un evento muy controvertido relacionado con la energía nuclear es el accidente de la central de Chernobyl. aunque tuvo efectos devastadores, los motivos por los que ocurrieron no son replicables hoy en día en centrales nucleares actuales. La central de chernobyl estaba preparada para utilizar altas concentraciones de U235, más parecido a una bomba (durante la guerra fría, querían poder convertir centrales energéticas en fábricas de bombas). Por una mala gestión, se desencadenó una serie de eventos que llevaron a la explosión de la central.

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La radiación inicial fue mucho mayor que las bombas nucleares. Hubo un aumento drástico de la incidencia de cáncer de tiroides y de mama entre los supervivientes. Sin embargo, informes recientes sugieren que la cifra de muertos ha sido mucho menor de lo esperado, tanto por la explosión directa como por consecuencia indirecta de ella. Hoy en día, la radiación es demasiado alta como para vivir largas temporadas, por lo que la zona de Chernobyl y el puebo de Pripyat han sido deshabitados. La naturaleza ha seguido su curso y ahora en la zona de Chernobyl hay un bosque salvaje con fauna autóctona, en la que no se han detectado aumentos significativos en enfermedades genéticas.