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Física matemática

Biodiversidad sin fronteras

Una simulación computarizada indica que las especies pueden originarse sin necesidad de aislamiento geográfico

Nuevas especies de seres vivos pueden surgir sin que la selección natural favorezca a los más aptos y sin que las barreras geográficas aíslen poblaciones. Al menos en el mundo virtual de la simulación desarrollada por el físico Marcus de Aguiar, de la Universidad Estadual de Campinas (Unicamp), descrita en un artículo en la edición del 16 de julio de la revista Nature.

Aguiar, especialista en la teoría del caos, es docente del Departamento de Física de la Materia Condensada, donde se estudian temas tales como la cristalografía, propiedades de materiales y fenómenos ópticos. En ese contexto sorprende encontrar sobre la mesa de un investigador el libro Why evolution is true, donde el evolucionista norteamericano Jerry Coyne brinda a los legos una defensa detallada de su área de estudio. El interés del físico de la Unicamp nació durante un encuentro fortuito en el Instituto de Sistemas Complejos de Nueva Inglaterra (Necsi, su sigla en inglés), Estados Unidos, cuando el físico Yaneer Bar-Yam le propuso un simple problema de aplicación de modelos teóricos en sistemas biológicos.

Al principio resultó como resolver un rompecabezas en un momento de ocio, pero, de regreso en Campinas, Aguiar siguió estudiando y reflexionando sobre la evolución, y propuso a sus colegas norteamericanos un test de la teoría neutra, según el cual, la diversidad de especies resulta de procesos aleatorios que actúan sobre poblaciones similares. Fue lo que hizo, como parte de un proyecto temático financiado por la FAPESP: en colaboración con investigadores del Necsi y con la ayuda de su doctorando Elizabeth Baptestini, escribió un programa de computadora que simula la evolución de una población virtual durante el transcurso de decenas de generaciones.

El enfoque permite realizar experimentos virtuales para probar diferentes parámetros en busca de las variables más importantes para generar diversidad biológica. Durante esos experimentos, los investigadores pueden variar la distancia máxima que puede recorrer un organismo en busca de compañero y la extensión de divergencia genética que torna a un par incompatible. Sondearon también la importancia de la capacidad de migración, que es la distancia que recorre cada individuo para establecer residencia, como así también, del índice de mutación y la probabilidad de reproducirse de cada individuo. Éste último parámetro fue incluido por sugerencia de Les Kaufman, el único biólogo entre los autores del artículo. “Expresó que no era realista que todos los integrantes de la población presentaran la misma tasa reproductiva”, recuerda Aguiar. “En nuestro modelo, es posible que un organismo nunca se reproduzca y otro tenga varias crías”.

La simulación parte presentando algunos miles de individuos genéticamente idénticos entre sí, cuyo ADN es una serie de 125 guarismos –cada uno de ellos representa un gen, y puede tener valores cero o uno. Cada organismo aparece como un punto de un color que elige aleatoriamente un par reproductivo dentro de límites determinados por la distancia que los separa y por la semejanza genética entre sí. Los parámetros del programa también determinan los índices de mutación y de migración, además de la posibilidad de reproducirse de cada integrante de la población. El resultado es una diversidad genética que, pasadas alrededor de 300 generaciones, origina especies diferentes. “Mostramos que la especiación sucede fácilmente y no depende del aislamiento entre las poblaciones”, comenta el físico de la Unicamp.

El modelo indica que las nuevas especies pueden surgir sin barreras que impidan el movimiento de los organismos, contrariando la teoría adoptada por la mayor parte de los evolucionistas. Aguiar demostró que los límites máximos de distancia entre compañeros y de las diferencias genéticas entre ellos resultan esenciales para la especiación. “Si aparece solamente uno de esos parámetros no crea diversidad suficiente”, cuenta. Él observó en las simulaciones un patrón de distribución y abundancia de especies similar al que prevé la teoría neutra, postulada en 2001 por el ecólogo estadounidense Stephen Hubbell: tal como si fuese un sorteo, el azar fácilmente destruye poblaciones pequeñas y lleva a especies nacientes a la extinción. Pero como las nuevas especies surgen todo el tiempo, al cabo de alrededor de 700 generaciones los investigadores vieron surgir un equilibrio dinámico, donde las extinciones eran compensadas por especiaciones y la cantidad de especies se mantenía más o menos constante.

Por lo pronto, Aguiar sugiere agregar también otro modo de especiación a la lista teórica que ya incluye especiación simpátrica, cuando el espacio no interfiere en el proceso; alopátrica, cuando las poblaciones se encuentran aisladas; y parapátrica, cuando las especies surgen en regiones adyacentes. “Inventé el término ‘especiación topopátrica'”, dice Aguiar, “porque la distancia entre los individuos es esencial” (en griego, topos, significa lugar). Con curiosidad por saber cómo será recibido por los biólogos, el físico ya superó el primer obstáculo: durante el proceso de revisión en la revista Nature, el trabajo fue analizado por tres biólogos, quienes aceptaron publicar el artículo luego de realizarle algunos retoques.

De lo virtual a lo real
La novedad del trabajo, que aseguró su aprobación, fue la realización de un puente entre lo teórico y lo que sucede en la naturaleza. “La simple simulación no hubiera sido suficiente para publicar en Nature”, explica el físico. Aguiar fue más allá de la simulación comparando los resultados virtuales con datos reales de distribución y abundancia de especies que otros investigadores observan en la naturaleza –con árboles de Panamá y aves del Reino Unido. Los gráficos revelan relaciones muy similares entre la cantidad de especies en el espacio, aunque con la diferencia obvia en la capacidad de migración entre árboles y aves. Los autores explican: aunque sean migratorias, las aves retornan al lugar en que nacieron para reproducirse. La distribución del número de integrantes en cada especie es similar cuando se comparan los datos empíricos y los simulados: las especies con población de tamaño medio son más comunes.

El modelo de Aguiar sorprende por reproducir patrones de especiación observados en la naturaleza aunque en una representación simplificada. Todos los integrantes de la población cuentan con la misma longevidad y el medio no presenta zonas más favorables que otras, por ello, la posibilidad de reproducirse no depende del genoma del organismo o de dónde éste se encuentre –una realidad diferente de la observada por los biólogos.

“No existe organismo que no se halle limitado por su contexto ecológico”, afirma el evolucionista João Alexandrino, de la Universidad Estadual Paulista (Unesp) de Rio Claro. Aunque una rana sea abundante en una selva, ella necesita agua para vivir y reproducirse, no vive en zonas secas o en la copa de los árboles, por ejemplo. Aparte, él argumenta que, pese a que el ambiente virtual de la simulación haya sido construido sin hitos geográficos como son los ríos o montañas, existen barreras intrínsecas en los organismos: la escasa capacidad de migración de los puntos de colores acaba formando poblaciones aisladas.

Los puntos de vista de la física teórica y de la ecología difieren, pero el encuentro de ideas acaba destacando cómo el modelo computarizado puede contribuir al estudio de la evolución. La coincidencia entre los resultados obtenidos por simulación y algunos datos empíricos, parece revelar algo real y puede servir como punto de partida para una reflexión sobre qué es lo que determina la diversidad de especies. “Tal vez el surgimiento del patrón de diversidad de especies observado por Aguiar sea una propiedad inherente a los sistemas biológicos”, especula Alexandrino. “La limitación espacial restringe la cantidad de especies muy abundantes, pero la especiación constante produce un gran número de especies muy raras”, reflexiona, transfiriendo al nivel de las especies un proceso ya conocido para los genes. Parece ser que si físicos, ecólogos y evolucionistas piensan en conjunto, de ello pueden surgir nuevas comprensiones sobre posibles orígenes de las especies.

Artículo científico
DE AGUIAR, M. A. M. et al. Global patterns of speciation and diversity. Nature. v. 460, n. 7.253, p. 384-387. 16 de julio de 2009.

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