NeoFronteras

Evolución a saltos

Área: Biología — lunes, 17 de agosto de 2009

Proponen un mecanismo que permitiría la evolución a saltos a través de un cambio en la frecuencia de fenotipos.

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Bacillus subtilis. Foto: Waterscan.co.yu.

¿Se produce la evolución de las especies de manera siempre pausada y poco a poco o a saltos entre dos estadios más o menos estacionarios? Y si es a saltos, qué mecanismo puede producir esos saltos? La polémica todavía está viva entre los especialistas y es complicado despejar las dudas debido a que la escala temporal de los humanos es muy distinta a la evolutiva. Sólo los organismos de reproducción rápida, como los microbianos en los que las generaciones se suceden rápidamente, nos pueden dar pistas al respecto.
La evolución siempre se produce por pasos, aunque éstos sean muy pequeños. Se supone que una mutación puede incrementar el éxito reproductor de un individuo y éste transmitirá esa mutación favorecedora a la siguiente generación. Esto sucede generación tras generación y de este modo se pueden conseguir delfines más hidrodinámicos en una población o unas plantan cuyas flores atraigan a más insectos polinizadores que las demás.
Sin embargo, es más difícil explicar cómo una especie de insecto da lugar a otra que tiene alas para volar, pues el estadio intermedio no parece representar ninguna ventaja adaptativa. ¿Se dieron este tipo de cambios de manera súbita? Y si fue así, ¿que mecanismo lo permitiría?
Ahora, según científicos del Caltech y de Temple University School of Medicine esos cambios, al menos en microorganismos, pueden a veces ser el resultado de fluctuaciones aleatorias, o ruido que no está basado en variación genética, junto a un fenómeno denominado penetración parcial.
Michael Elowitz, del Caltech, afirma que su estudio muestra que la penetración parcial puede jugar un importante papel en la evolución y permitir a las especies que gradualmente evolucionen de producir un 100% de una forma para producir un 100% de otra cualitativamente diferente. Según él los estadios intermedios que suceden entre medias no son formas fisiológicas intermedias, sino cambios en la fracción de individuos que se desarrollan de una u otra manera.
Penetración parcial es el nombre que dan los biólogos al grado en el que una mutación genética simple puede tener diferentes efectos sobre los distintos organismos de una población.
Según Avigdor Eldar, del Caltech, si uno toma un grupo de células genéticamente idénticas y las cultiva en las mismas condiciones serán iguales a nivel genético pero tendrán diferencias sustanciales en su comportamiento. Esta variación o ruido puede permitir a las mutaciones que tengan efecto en unos organismos pero no en otros. Así, mientras que unas células pueden mostrar el efecto esperado de una mutación, otras pueden comportarse normalmente.
La célula mutante no sólo muestra una morfología diferente sino además más variabilidad en su comportamiento. En una población determinada se observará una mezcla de diferentes tipos de comportamientos.
Estos investigadores han estudiado la penetración parcial en una especie de bacteria denominada Bacillus subtilis. Específicamente se fijaron en la producción de esporas que B. subtilis usa como mecanismo de supervivencia en tiempos difíciles. Las esporas son clones más pequeños de la célula madre. Se adhieren a la célula madre, pero son entidades separadas con su propio ADN. No crecen ni se reproducen ni tienen actividad, sólo esperan a las condiciones adecuadas para transformarse en células adultas.
La versión normal, o tipo B, también produce esporas que tienen con una copia simple del cromosoma materno. La espora se comunica con la célula madre a la que está adosada. En la célula normal esta comunicación es fluida, pero la versión mutante es muy débil.

Los investigadores descubrieron que en la versión mutante pueden ocurrir cuatro cosas:

– La bacteria produce una espora normalmente como en el caso habitual.

– La bacteria hace dos copias de su cromosoma pero crea una sola espora. La célula madre retiene dos de ellos y da el tercero a la espora.

– La célula madre produce una sola copia del cromosoma y dos esporas. Cada espora se queda con uno de ellos y la célula madre se queda sin ninguno. Esta mutación es letal en este caso y ni la madre ni las esporas sobreviven.

– La célula madre crea dos copias y dos esporas, así las tres (célula madre y las dos esporas) tiene un cromosoma cada una.

La última posibilidad no se había observado nunca antes en B. subtilis, pero eso no significa que no represente una ventaja en el medio natural. En algunos ambientes ésta puede ser la mejor opción.

Estos científicos se dieron cuenta de que esta variabilidad era la manera de entender cómo la evolución puede dar un salto de un fenotipo a otro. No se puede saltar de producir 1 espora a producir 1,1 esporas, pero se puede encontrar una mutación que simplemente cambie la frecuencia en la que se producen 1 ó 2 esporas. Si un 10% de la población produce 2 esporas y el resto 1 entonces ya tenemos nuestro 1,1.
Vieron qué sucedía cuando, si además de incrementar la señal de duplicación de cromosoma, se disminuían la comunicación entre célula madre y espora. Con ello pretendían hacer creer a la célula madre que no había tenido éxito en la producción de espora. Comprobaron que un alto porcentaje de células decidían producir dos esporas en lugar de una, en concreto se pasaba de 1% a un 40%.
Según Elgar si sólo hay una mutación se tiene poca penetración, pero si se añaden más mutaciones la penetración puede llegar a altos niveles. Según él algunas de estas mutaciones producen una baja frecuencia de esporulación doble, pero la frecuencia relativa de esta modalidad puede ser ajustada por otras mutaciones.
Este estudio proporciona un ejemplo de un escenario particular que explicaría un modo en el que la evolución podría operar. Cambios cualitativos de una forma a otra pueden suceder a través de cambios en las frecuencias relativas (o penetración) de esas formas en la población.
Es interesante que el ruido (fluctuaciones aleatorias de las proteínas celulares) sea crítico para que esto funcione. Es, en concreto, la clave para el proceso que a partir de células genéticamente idénticas se comporten de manera diferentes.

Fuentes y referencias:
Nota de prensa.
Artículo originbal (resumen).

Salvo que se exprese lo contrario esta obra está bajo una licencia Creative Commons.
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11 Comentarios

  1. lluís:

    Esto de las fluctuaciones aleatorias de las proteínas celulares, no sé porque me recuerda a las fluctuaciones cuánticas en el Big-Bang. Interesantisimo estudio. Deberemos permanecer sintonizados, puesto que la polémica entre gradualistas y “saltacionistas” está bien viva.

  2. Joabbl:

    Exacto : ¿tendrán algo que ver las fluctuaciones cuánticas con las mutaciones biológicas y la aparición de nuevas especies o estoy diciendo una tontería? ¿Alguien sabe si existen estudios sobre este tema?

    Saludos

  3. Alejandro Sánchez:

    Desde el paradigma sistémico-emergente sí (es decir, desde la ecología trascendental y teleológica por tanto) En realidad las fluctuaciones cuánticas son entrópicas (fluctuación de campos de vacío como dice Hawkins) y los seres vivos son sistemas neguentrópicos por metabolismo sinérgico. La emergencia de sistemas complejos autopoiéticos sería el resultado de la combinación de las fuerzas del universo (que siguen la física newtoniana y la de la relatividad general) con las fuerzas subyacentes del mismo (mecánica cuántica y otros, a escala de planck) Es probable que el ruido cuántico haya generado la variabilidad de estructuras físicas que llevaron a combinaciones armónicas de fuerzas para generar la vida, desde los cristales autorreplicantes hasta nuestro cerebro. Lo que sí es claro es que los saltos bioevolutivos son salto de sinergias amplificantes. Sirve para proyectar cambios sistémicos en otros campos de nuestra realidad (como una revolución cultural)

  4. lluís:

    Esto de la neguentropía no acabo de verlo muy claro. ¿Quieres decir que la neguentropía no se opone a la Segunda Ley de la Termodinámica? Una de las leyes realmente sólidas de la Física, para una vasta mayoría. ¿En que unidades se mide la neguentropía?, y sus ecuaciones, ¿cómo son?

  5. NeoFronteras:

    Estimado Alejandro Sánchez:
    El ruido no es más que ruido y poca cosa se puede obtener de él, sea cuántico o no. Para que surja algo interesante debe de haber una “presión de selección” que se aproveche de la agitación para dirigir el sistema hacia algún sitio.

  6. Alejandro Sánchez:

    Saludos neofronteras, es cierto lo del ruido, pero no olvidemos que su aporte puede llegar a ser fundamental, teniendo en cuenta el atractor de Lorenz. Si fuese por la simple presión de selección, en la Tierra aún reinarían solitariamente las bacterias.

  7. NeoFronteras:

    El atractor de Lorenz surge específicamente en un modelo sencillo tridimensional de predicción del tiempo. No es universal. En un ejemplo de modelo que contiene caos determinista.

    Las bacterias no solamente fueron los únicos habitantes de este planeta durante miles de millones de años, sino que en la actualidad siguen reinando. Usted tiene en su cuerpo 10 bacterias por cada célula somática propia.

  8. tomás:

    Como dice Neo, hay que respetar el lenguaje científico, pero eso de penetración parcial suena fatal.

  9. tomás:

    Alejandro: Tu comentario 3 me ha dejado patidifuso. Como soy observador de mi ¿realidad? no puedo pronunciarme sobre ella, a no ser que me dirija a mí mismo en exclusiva. Tu. lluis, que estás tan versado, imagino, como Alejandro, dime ¿puedo decir a otro ser: “pienso luego existo”, o mi función de onda no estará colapsada mas que en mi particular universo condenado salvo improble azar a una casi imposible comunicación?
    Os ruego mil perdones, pero no sé por qué.

  10. NeoFronteras:

    Estimado Tomás.
    El término es una traducción de partial penetrance, quizás haya una traducción mejor; pero “negentrópico”, “sinergia”, “autopoiéticos” no son términos científicos.

    En cuanto a esas cosas de la realidad se corre el peligro de caer en el nihilismo y terminar creyendo que sólo existe uno mismo y el presente, siendo todo lo demás un escenario tipo Matrix y el pasado algo recreando en un instante como sólo un recuerdo… Así que a veces es mejor pisar tierra y no dar muchas vueltas a esos conceptos, sobre todo cuando no contamos con una teoría cuántica definitiva.

  11. tomás:

    Gracias, estimado Neo.

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