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Una de las más firmes evidencias del ancestro común viene del estudio de secuencias genéticas. El análisis comparativo de secuencias examina la relación entre las secuencias de ADN de distintas especies, que resulta en varias líneas de evidencias que confirman la hipótesis original de Darwin sobre el ancestro común.
Si dicha hipótesis es cierta, las especies que comparten un antepasado común han heredado la secuencia de ADN de este antepasado, así como sus mutaciones exclusivas. En las especies más estrechamente relacionadas se observan más sustituciones y secuencias idénticas que en las especies con relación más distante.
La prueba más simple y rotunda procede de la reconstrucción filogenética. Este tipo de reconstrucción, sobre todo cuando se hace con secuencias de proteínas de evolución lenta, suele ser bastante convincente y se puede utilizar para reconstruir una buena parte de la historia evolutiva de los organismos modernos (e incluso en ocasiones, de organismos extinguidos, como en el caso de las secuencias genéticas recuperadas de mamuts y neandertales)