NeoFronteras

Sobre el origen de la multicelularidad

Área: Biología — martes, 27 de diciembre de 2011

Estudios sobre el moho mucilaginoso proporcionan pistas sobre cómo puede aparecer la cooperación necesaria para que se dé la multicelularidad.

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Bosque de cuerpos fructíferos de Dictyselium discoideum. Fuente: Scott Solomon.

El ser humano es un ser social. Nuestra civilización o nuestras sociedades, por muy primitivas que se puedan considerar, se basan en la cooperación entre individuos. Nuestro sistema legal o de impuestos se basa en ello. No somos la única especie que depende de la cooperación entre individuos. Los insectos sociales, como las hormigas o las abejas, también lo hacen.
Pero ha habido varios momentos en la historia biológica de este planeta en los que la cooperación también jugó un papel esencial. Si una teoría reciente está en lo cierto, LUCA podría haber sido una sopa de protocélulas colaborativas. Más tarde, en el pasado, las bacterias dejaron de depredarse unas a otras en algún momento para tener una relación simbiótica. Eso permitió la aparición de orgánulos celulares y de la célula eucariota.
Pero hubo un evento trascendental que permitió la aparición de seres multicelulares a partir de las celulares, un cambio brusco, “saltacional” desde el punto de vista evolutivo, que fue posibilitado por la colaboración entre células. Las células eucariotas dejaron de vivir por su cuenta y riesgo, formaron un organismo y se especializaron, delegando la reproducción a sólo unas pocas de ellas. No es fácil explicar esta transición desde el punto vista evolutivo y la presencia del cáncer nos recuerda qué pasa cuando algunas células deciden ir por su cuenta y riesgo sin tener consideración hacia las demás células que forman el cuerpo.
Una célula que engañe y obtenga una ventaja evolutiva de ello será seleccionada y los genes que determinan ese comportamiento se propagarán por la población hasta que todas las células sean unas oportunistas, aunque ya no quede ninguna de la que aprovecharse.
Incluso los sociólogos han aprendido que la cooperación es algo que es difícil que evolucione debido al gran poder del engaño.
Esta dificultad en explicar la multicelularidad reside en que casi todas las células del cuerpo mueren sin reproducirse y sólo las privilegiadas que producen óvulos o espermatozoides lo hacen y pueden pasar sus genes a la siguiente generación. Pero, ¿cómo consiguió la evolución hacer que las células llegaran a ese nivel de cooperación? Un cuerpo multicelular, como el humano, es algo increíblemente cooperativo.
Uno de los modelos típicos que se utilizan para el estudio de estas cuestiones es el moho mucilaginoso Dictyostelium discoideum, una ameba social. Es un ejemplo precioso de organismo a medio camino entre vida unicelular y multicelular.
Estas amebas viven en muchos ecosistemas del planeta, desde la Antártida a los desiertos pasando por las selvas tropicales. Hacen su vida como seres individuales alimentándose de bacterias hasta que la comida escasea. Entonces, gracias a unas señales químicas, se juntan y crean una agregado de decenas de miles de células que más tarde forma un tallo con un cuerpo fructífero en su cúspide, que es la única parte que se reproduce al producir esporas. Mientras tanto, el resto de las células mueren sin descendencia. Sólo el 80% de las células del tallo se reproducen. El 20% de las células restantes se sacrifica sin reproducción.
En un sistema como este puede ocurrir que haya células que se aprovechen de las demás para así reproducirse a costa de otras que se quedan sin descendencia. ¿Cómo consiguen engañar unas amebas a las demás? Entre varias posibilidades esta, por ejemplo, la presencia de ciertas mutaciones que hagan que las moléculas de adhesión que las células usan para unirse unas a otras sean menos pegajosas. De este modo, una célula mutante se podría deslizar con más facilidad hacia el cuerpo fructífero.
Joan Strassmann y David Queller de Washington University en St. Louis y sus colaboradores han realizado experimentos con este moho para saber más sobre la cooperación en esta especie y sobre el origen de la multicelularidad.
Estos investigadores hicieron varios cultivos con poblaciones con diversos grados de parentesco. Encontraron que en casi todos los casos los descendientes engañaban a sus antepasados y que cuando las amebas descendientes se cultivaban a partir de clones individuales un tercio de ellos eran incapaces de formar cuerpos fructíferos. En otras palabras, muchos de los mutantes eran obligados a engañar al haber perdido la habilidad de formar sus propios cuerpos fructíferos, así que sólo les quedaba el comportamiento oportunista y valerse de las que sí sabían cooperar. Digamos que si las amebas están en un grupo cosmopolita y variado, entonces las células oportunistas pueden propagarse a expensas de las demás.
Según estos investigadores el resultado muestra que las mutaciones “egoístas” que amenazan la multicelularidad se dan de manera natural e incluso son favorecidas siempre y cuando la población de amebas permanezca genéticamente diversa.
Pero esto se da en el laboratorio con poblaciones artificialmente diseñadas. En las más de 2000 muestras naturales analizadas no encontraron estos oportunistas obligados. Además, se sabe que en el mundo natural las amebas del cuerpo fructífero están muy emparentadas o son clónicas.
¿Qué impide en la Naturaleza que las poblaciones de amebas degeneren en grupos de “tonto el último”? La clave está en el ritmo de aparición de una mutación egoísta, y el éxito que tengan esta mutación a la hora de proliferar dependerá de la selección.
Estos investigadores también realizaron un experimento de acumulación de mutaciones con 90 linajes distintos. En ausencia de selección todos los casos, salvo en las mutaciones más severas, se daba la capacidad de fructificar y esto terminaba siendo algo permanente en el genoma del linaje.
Los datos obtenidos les permitieron, a través de la estadística, poner una cota superior al ritmo en el que las mutaciones transforman cooperadores en oportunistas. Descubrieron que este ritmo es lo suficientemente bajo como para que el engaño nunca sea un problema en los cuerpos fructíferos del mundo natural que son creados con amebas descendientes de una sola espora.
Es decir, si el grupo deriva de una sola célula entonces no hay explotación de unas células sobre otras. La excepción serán las células mutantes nuevas que aparezcan y que pueden vivir a cuenta de las demás en grupos cooperativos. Esto puede suponer un problema si la frecuencia a la que aparece este tipo de mutación es lo suficientemente alto.
Los cálculos que han realizado les han permitido saber cuántas veces se puede dividir una ameba hasta que teóricamente el engaño termine siendo un problema. Estos científicos han deducido que partiendo de sólo una célula se necesitan 100 generaciones en las que las células se pueden dividir de manera segura antes de todo degenere en un “tonto el último”.
¿Qué pasa si se deja a una ameba dividirse hasta que se produzcan tantas células como hay en un humano, en un elefante o en una ballena azul?, ¿conseguirán las células oportunistas destruir la cooperación? Resulta ser que no. Aunque una colonia de moho mucilaginoso con la misma masa que una ballena no se da en la Naturaleza, resulta que incluso a ese nivel de reproducción no aparecerían los aprovechados.
Estos experimentos sugieren cómo durante el curso de la evolución los organismos consiguieron salir de la trampa del engaño y mantuvieron el nivel de cooperación multicelular que un cuerpo demanda.
Según estos investigadores, los cuellos de botella poblacionales eliminan la diversidad y reinician la población a partir de una sola célula y esto es un poderoso estabilizador de la cooperación celular.
Traduciendo esto a las células de nuestro cuerpo, se podría decir que las células de la sangre o del hígado ayudan a nuestros espermatozoides a transmitir sus genes porque pasamos en el momento de la concepción por el cuello de botella de una célula solitaria. Las células de nuestro hígado no atacan a nuestros espermatozoides porque todas las células son genéticamente idénticas y descendientes del mismo óvulo fertilizado.
Es el cuello de botella de la célula única producida tras la fecundación la que produce una población altamente emparentada que permite la cooperación.

Copyleft: atribuir con enlace a http://neofronteras.com/?p=3696

Fuentes y referencias:
Nota de prensa.
Artículo original.
Moho mucilaginoso en Neofronteras.

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

  1. pedro díaz:

    Neofronteras debería habilitar la posibilidad de recibirla mediante e-mail como suelen hacer la mayoría de webs de ciencia y tecnología.

  2. NeoFronteras:

    No se hará, lo siento.

  3. lluís:

    Tambien debe tomarse en cuenta que “se puede morir de exito”.Así, un elemento egoísta demasiado exitoso en su replicación dentro de la célula huésped podría acabar con ella,en este caso el propio egoísta puede desarrollar que limiten su propia proliferación.Se ha teorizado además acerca del hecho de que las especies que por evolución desarrollan mecanismos que evitan determinados comportamientos egoístas tienen más posibilidades de persistir en el tiempo que las que carecen de tales mecanismos.
    Lo cierto es que sin algun grado de “cooperación” no estariamos aquí, al menos los seres pluricelulares.

  4. tomás:

    Dice el artículo: “… LUCA podría haber sido una sopa de protocélulas colaborativas. Más tarde, en algún momento del pasado, las bacterias dejaron de depredarse…”. No dice nada, no da ni una posible hipótesis de como pasaron de colaborativas a depredadoras.
    Apunto que pudo suceder que en esa sopa, el inmenso LUCA, extrajera la energía necesaria para su conjunto del suelo y quizá del Sol y a través del medio en el que su ser-sopa estaba inmerso posiblemente en forma de gel, y con sus límites externos semidisueltos, supongo que en el océano de la época. Pero eso significaría que habría unas partes mejor alimentadas que otras y, salvo que se diese una rotación, puede que esa circunstancia fuese la que provocase una progresiva división celular, pero no soy capaz de imaginar si las partes mejor alimentadas protegieron su privilegio independizándose o las zonas peor nutridas emigraron hacia mejores lugares, o ambas cosas a la vez. Para esto sería necesario diferenciarse, separarse mediante alguna membrana. Así pudo comenzar a romperse LUCA. Una vez alcanzada la máxima división posible, la célula, o bien se nutría de la naturaleza directamente o de su hermana más cercana. Quizá eran verdaderamente omnívoras en el más amplio de los sentidos, es decir en el de capturar energía de allí donde pudiera encontrarse.
    En fin, es una hipótesis totalmente imaginaria, sin ninguna base ni siquiera bibliográfica. Quizá haya algún imposible en esa
    suposición.
    Saludos.

  5. Miguel Angel:

    Otro ejemplo, del “morir de éxito” que propone lluis serían los cánceres malignos que van creciendo hasta destruir al anfitrión y con ello a su suministro de nutrientes.
    Sin cooperación no habría pluricelulares y creemos que tampoco unicelulares eucariotas. Muchos protistas hacen “trasnferecnia horizontal” de material génético que podemos considerar otra forma de colaboración.

    En cuanto al 4 de tomás, decirte que me ha encantado tu razonamiento. Especialmente, la parte en la que reflexionas acerca de la dispersión unicelular en función del gradiente de nutrientes: a nivel de ese mega-LUCA no ha podio ser estudiado, evidentemente, pero si que está estudiado y demostrado a nivel de bacterias individuales.
    Basta con colocar una solución con azucar y las bacterias buscan los lugares donde hay una concentración óptima de azúcar, que irá descendiendo a medida que lo consumen las propias bacterias, y estas van emigrando a lugares con mejor gradiente de concentración al mismo tiempo se van viendo desplazadas por otras que resiten mejor la acidez.´
    Este ejemplo de las bacterias en la solución azucarada me parece excelente para ilustrar hasta que punto la especie influye en el medio y el medio en la especie. Enhorabuena, tomás.

  6. lluís:

    Miguel Angel tiene razón,es interesante la reflexión que se hace el amigo tomas; aunque me pregunto si ese “ser-sopa”, de tener los límites externos semi-disueltos,podría verse perjudicado de alguna forma, por este hecho.
    Saludos y buen año nuevo para todos.Desde luego, desde el punto de vista científico, ahora que lo pienso, no se puede negar que ha sido un año “loco”,el pasado; hemos tenido grandes hallazgos en prácticamente todos los campos, grandes sorpresas (algunas increibles) y me parece que el próximo año nos deparará importantes acontecimientos. Creo que más que nunca debemos permanecer sintonizados con lo que se avecina en distintas áreas de las ciencias y en los dos próximos años.

    Así que ¡ Viva la ciencia! y agradecerle de manera especial a Neofronteras los esfuerzos que hace para contarnos tantas maravillas como las que nos cuenta.Gracias.

  7. NeoFronteras:

    Gracias a usted, amigo Lluís, y a todos los lectores de esta web. En cuando a lo felicitar el año me remito al post de las 23:55 del día 31. Al fin y al cabo todavía faltan tres articulitos por salir.

  8. pvl:

    Interesantísimo el art. (como casi todos los de esta web): en realidad el art. remite al hecho de que la cooperación entre individuos surge expontáneamente del hecho conocido y comprobado del grado de parentesco genético: el instinto parental de protección a la descendencia y la cooperación interfamiliar serían las pruebas palpables de ello.
    Respecto al comentario de Tomás, sobre como evoluciona la competencia a partir de la cooperación, en ambientes con distribución no homogénea de “oportunidades-nutrientes”, me parece muy acertado: al fin y al cabo es un reflejo de lo que podemos presenciar en cualquier familia humana: la disyuntiva entre la cooperación de base geética entre sus miembros y las rivalidades y la competencia que las “desigualdades” ambientales generan en el marco familiar.

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