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Evolución

Una teoría en movimiento

Estudios que ponen la mirada más allá de los genes sugieren una nueva fisonomía de la diversificación de las especies

Ana Matsusaki

El naturalista británico Charles Darwin (1809-1882) no sabía qué era un gen cuando describió en 1859 su teoría de la evolución por medio de la selección natural en el libro El origen de las especies. Pero entendía que las características se transmitían de generación en generación, y planteó sugerencias que aún hoy se estudian, y que paulatinamente fueron comprendiéndose. La estructura de la molécula de ADN recién se descubriría en 1953, y con ella la capacidad de transmisión hereditaria, tornándose la protagonista de ese proceso de transformación, diversificación y adaptación de las especies.

Durante las décadas posteriores los mecanismos se diversificaron y las ramas del árbol de la vida se entrecruzaron volviéndose menos jerárquicas. Algunos planteos –polémicos− sostienen que al ADN no lo modifican solamente mutaciones aleatorias y que no solo la información que contiene su secuencia es lo que se transmite a los descendientes. En los últimos años, el enfoque denominado síntesis evolutiva extendida (EES, por sus siglas en inglés), está organizando una propuesta que no refuta el conocimiento vigente, más bien amplía lo que este abarca y, en ciertos casos, admite vías de doble sentido allí donde tradicionalmente se ha considerado un determinismo unidireccional. Desde esa perspectiva, el desarrollo de un organismo en el curso de su vida tiene una importancia en su construcción que trasciende aquello que estaba programado genéticamente. La interacción entre un organismo y el ambiente pasa a analizarse a partir de sus efectos mutuos, y ya no solo como una adaptación a algo preestablecido. Para los expertos, estos son temas relevantes desde hace décadas, pero la EES los considera causas de la evolución, mientras que en el enfoque tradicional ellos serían consecuencias, de acuerdo con un artículo que salió publicado en 2015 en la revista Proceedings of the Royal Society B. “Se trata de otra manera de concebir los mecanismos evolutivos, con un conjunto diferente de expectativas y previsiones”, define el evolucionista Kevin Laland, de la Universidad de Saint Andrews, en Escocia, autor principal del artículo.

En un texto reproducido en marzo de este año en el periódico Folha de S.Paulo, Laland compara el camino evolutivo con el que recorre una persona que pasea a varios perros y es tironeada en todas direcciones por las correas de longitudes diferentes. Las numerosas fuerzas que intervienen en la evolución, según él, incluyen la selección natural, pero no se restringen solo a ella. “La EES es una herramienta para pensarlo”, le dijo a Pesquisa FAPESP. Según figura en el sitio web de la iniciativa, actualmente hay 22 proyectos que se dedican a testear las hipótesis que diferencian la EES de la teoría tradicional. “Pasarán décadas hasta que podamos sintetizar un nuevo andamiaje conceptual”.

Por ahora son sugerencias en fase de verificación, una etapa imprescindible para la modificación de conceptos científicos. Mientras que algunos estudiosos del área vislumbran indicios convincentes, otros no avistan novedades. “No debemos apurarnos a plantear una nueva teoría antes de saber si el esquema tradicional podría adecuarse a los nuevos resultados”, dice el evolucionista Douglas Futuyma, de la Universidad Stony Brook, en Nueva York. En 2016, él asistió a un simposio organizado por Laland y otros colegas en Londres, en calidad de opositor, y valora ese tipo de intercambio. Pero está lejos de haberse convencido. “Buena parte de lo que dicen ellos está contemplado dentro de la teoría evolutiva desde hace mucho tiempo”. Él hace referencia a toda una diversidad de estudios sobre las conexiones entre desarrollo y evolución, por ejemplo, que se ganó el mote de evo-devo [de la expresión en inglés evolutionary developmental] (lea en Pesquisa FAPESP, edición nº 152).

Ese debate, que a nivel mundial es reciente, aún no ganó muchos adeptos en Brasil. Entre los interesados figuran los biólogos Hilton Japyassú, de la Universidad Federal de Bahía (UFBA) y Eduardo Ottoni, del Instituto de Psicología de la Universidad de São Paulo (USP), que estudian los aspectos evolutivos de la cultura y del comportamiento. Otros indagan en los aspectos de la evolución antes inaccesibles debido a limitaciones técnicas o conceptuales, sin preocuparse por remodelados teóricos como ejemplos por seguirse.

Los trabajos señalan a la epigenética como una interfaz entre el medio ambiente y la biología de las abejas

Más que una secuencia
Un fenómeno que cobra relevancia es la epigenética, que altera la producción de ARN o proteínas por los genes al regular su actividad a lo largo de la vida del organismo, sin que se modifique la secuencia del ADN. Se trata de un funcionamiento regulatorio dinámico que depende de una red de moléculas perfeccionada en el curso de la evolución, bajo control genético.

La epigenética, un campo bastante estudiado en décadas recientes, ahora parece estar detrás de algo que para Darwin era un misterio, hasta el punto que, desde su perspectiva, pone en riesgo la teoría en su totalidad: la división reproductiva en las colonias de abejas. Si (en consonancia con la selección natural) aquel que deja más descendientes adquiere mayor representatividad en una población y difunde sus características, ¿cómo es posible que haya sociedades en las que tan solo una hembra se reproduce, con la ayuda de compañeras estériles? Darwin lo justificó pensando en la supervivencia de la colmena como una unidad y, posteriormente, ese parentesco próximo entre las integrantes de la colonia se convirtió en la explicación más aceptada. Ahora la epigenética irrumpe en esa ecuación como mecanismo de interacción entre el medio ambiente y el ADN para definir, entre un grupo de larvas genéticamente similares, cuál se transformará en reina y cuál en obrera.

Genes y ambiente
Los grupos de los genetistas Klaus Hartfelder y Zilá Simões, del campus de Ribeirão Preto de la USP, han estudiado la actividad diferenciada de los genes por metilación, uno de los mecanismos principales de la epigenética. Al analizar el genoma de la especie Melipona scutellaris, una abeja sin aguijón nativa de Brasil, el biólogo Carlos Cardoso-Júnior, alumno de doctorado en el grupo de Hartfelder, verificó que las larvas presentan interferencias en muchos tramos del ADN y por eso se lo considera hipermetilado. Ese patrón se desvanece súbitamente en la transición del estado larval a pupa, cuando las obreras pasan a tener un material genético caracterizado por el triple de metilación que el de las reinas y los zánganos. De esa manera, la porción del genoma afectado por la epigenética configura un modelo de funcionamiento de los genes determinante para la fisiología que diferencia las castas en esos insectos. En su vida adulta, la expresión de los genes de esas abejas pasa a estar controlada por alteraciones en las histonas, las proteínas que envuelven el ADN dentro de las células, lo cual es otro tipo de alteración epigenética según el artículo publicado en 2017 en la revista genetics and Molecular Biology. Estos efectos son regulados por la alimentación, que define las castas a la par de la herencia genética clásica. “La modificación de histonas es un proceso que permite ajustes rápidos en la regulación de la actividad génica como respuesta al ambiente”, dice Hartfelder.

Los estudios definen a la epigenética como una interfaz entre el ambiente, que incluye a la alimentación y las condiciones climáticas, y la biología de las abejas. Se tardó en reconocer la importancia de ese mecanismo en los invertebrados, puesto que en los genomas de los principales modelos para estudios genéticos en esa clase de animales –la mosca Drosophila melanogaster y el nematodo helminto Caenorhabditis elegans– faltan los genes de metiltransferasas que metilan el ADN. Eso explica por qué los invertebrados quedaron tanto tiempo postergados en los estudios de epigenética, según Hartfelder.

En el caso de los vertebrados, los roedores ayudan en los estudios del funcionamiento humano. Por medio de estudios con ratones, el grupo de la bióloga Vânia D’Almeida, del Departamento de Psicobiología de la Universidad Federal de São Paulo (Unifesp), investiga cómo puede influir el ambiente en la genética de las gestantes y en sus proles. “La deficiencia en vitaminas del complejo B altera la expresión de los genes ligados a la enfermedad de Alzheimer” dice la bióloga Vanessa Cavalcante-Silva. Ese resultado surge de su doctorado, que obtuvo en 2012 bajo la dirección de D’Almeida, en el curso del cual sometió a hembras preñadas y a lactantes a una restricción nutricional y observó en las crías una propensión a la pérdida de memoria. Las alteraciones en la función de los genes de riesgo para el alzheimer constituyen una señal de advertencia, según lo expresa el artículo que publicó en 2014 en la revista PLOS ONE. Para el grupo, los resultados tornan aún más crucial la preocupación de los médicos con respecto a la alimentación de sus pacientes embarazadas.

Un estudio efectuado por el grupo de la bióloga Martha Bernardi, de la Universidad Paulista (Unip), reveló, por ejemplo, que la dieta de las ratas durante el período de preñez puede afectar el perfil de activación génica ligado a la obesidad no solo de las crías, sino también de las futuras crías de estos. “Durante el embarazo, tres generaciones están presentes  y sujetas al influjo del ambiente”, subraya D’Almeida. “La madre, un feto femenino y los óvulos en formación en los ovarios del mismo”.

Entre Darwin y Lamarck
Los mecanismos epigenéticos de regulación, tal como se verifica en las abejas y en los roedores, han sido bastante estudiados y empiezan a ser reconocidos como parte del funcionamiento del ADN. Lo que todavía genera dudas es su importancia evolutiva. “Hace 10 años no se oía demasiado sobre esto”, dice Futuyma, interesado en los hallazgos recientes sobre la herencia. “Ahora hay gente esbozando modelos de genética poblacional para medir el impacto de la epigenética en la evolución”, relata. Todavía no es posible evaluar el alcance del fenómeno y su importancia a largo plazo aparte de los mecanismos ya afianzados: mutaciones en puntos del ADN al azar como fuente primordial de variabilidad, a lo que se suma la recombinación entre las partes del genoma y los genes saltarines, que cambian de sitio.

Laland refuta la objeción de que no se documentó la transmisión de marcadores epigenéticos más allá de unas pocas generaciones. “Esa manera de pensar es errónea, es como decir que algo necesita tener propiedades similares a las de los genes para que sea relevante”. Según él, la regulación epigenética del genoma siempre está activa y puede renovarse con cada generación, de manera tal que la incógnita reside en entender cómo los efectos transitorios pueden extenderse en el tiempo. “Se le ha prestado demasiada  atención a las formas extragenéticas de la herencia”, dice, empleando una terminología que aún es polémica.

Al discutir la epigenética como impulso evolutivo, se vuelve a hablar de la teoría del francés Jean-Baptiste de Lamarck (1744-1829), conocida por la transmisión de características adquiridas en el curso de la vida. Y no solo de él se habla, puesto que Darwin no negaba las ideas de su antecesor. “El aumento de tamaño –drástico y heredado– de las ubres de vacas y cabras en aquellos países donde habitualmente se las ordeña, en comparación con el estado de esos órganos en otros países, constituye otro ejemplo del efecto del uso”, escribió el británico en El origen de las especies, cuya primera edición, de 1859, tradujeron nuevamente en Brasil, este año, las editoriales Ubu y Edipro, esta última con prefacio y notas del biólogo Nélio Bizzo, de la Facultad de Educación de la USP. “Adviértase que esos cambios no solo serían provocados por el ambiente, sino que se tornarían hereditarios, un modelo muy similar al que postulaba Lamarck”, destaca Bizzo sobre ese aspecto en una de las notas en las cuales hace hincapié en la aceptación de Darwin de otros mecanismos actuando en forma concomitante con la selección natural (él no se hubiera sorprendido con el ejemplo de los perros de Laland). A partir del primer semestre del año que viene también se podrá leer en portugués la obra principal de Lamarck, intitulada Filosofía zoológica, en proceso de traducción por la editorial Unesp. “Queremos publicar textos clásicos relevantes del ámbito de la teoría de la evolución”, explica el filósofo Jézio Gutierre, editor ejecutivo. “El texto de Lamarck es una laguna en el archivo esencial para brindar una visión de conjunto a los investigadores que se aboquen al tema”.

La capacidad del ambiente para impulsar procesos evolutivos también aparece en estudios recientes. Expuestas a antibióticos, una reacción denominada SOS eleva la tasa de mutación en bacterias. “Mucha gente confunde esto con lamarckismo, pero las mutaciones son aleatorias, no instigadas por el ambiente”, explica el biólogo Rodrigo Galhardo, del Instituto de Ciencias Biomédicas de la USP. Desde el punto de vista humano esto es problemático, porque da origen a bacterias resistentes a los antibióticos.

En experimentos con ciprofloxacina, un antibiótico que se usa con frecuencia en infecciones urinarias e inductor de respuesta SOS, su grupo testea sustancias que inhiben la mutagénensis, tal como se relata en el artículo publicado en 2017 en la revista Antimicrobial Agents and Chemotherapy. Otro fármaco, en este caso la amikacina, redujo la tasa de mutación emergente de la respuesta SOS en Pseudomonas aeruginosa, una bacteria peligrosa porque causa infecciones hospitalarias. Ahora él pretende hacer un estudio pormenorizado de los mecanismos de acción para entender por qué una sustancia interfiere en la actividad de otra. “Lo ideal sería administrar el antibiótico junto con un inhibidor de SOS”.

La variabilidad biológica
Según la evolucionista estadounidense Sarah Otto, de la Universidad de British Columbia, en Canadá, y su doctoranda Linnea Sandell, los enfoques que permiten integrar organismo y medio ambiente cada vez tendrán mayor relevancia en la investigación genética. En un comentario que publicaron en 2016 en la revista Genetics, con motivo del centenario de ese periódico, ellas apuntan que en los 100 años venideros habrá una tendencia a integrar informaciones para comprender la diversidad de la vida. La capacidad informática y las herramientas disponibles actualmente permiten la construcción de árboles de la vida en los cuales las hipótesis pueden testearse para anticipar transiciones evolutivas.

En la misma línea, el biólogo Thiago Rangel, de la Universidad Federal de Goiás, utiliza modelos computacionales para estudiar el surgimiento de la biodiversidad de América del Sur. Mediante una división de la región en cuatro zonas: Andes, Amazonia, Bosque Atlántico y Patagonia, recreó los patrones de diversificación de las especies en los últimos 800 mil años por medio de simulaciones por computadora. Todo virtual, aunque más tarde corroborado por comparación con los datos empíricos de aves y mamíferos existentes en la literatura científica.

Los resultados salieron publicados en la edición de julio de la revista Science, y apuntan a la cordillera de los Andes como la mayor cuna de especies del continente. El factor decisivo es la diversidad de hábitats en un espacio relativamente pequeño, como consecuencia de un relieve abrupto sumado a una dramática diversidad climática. “La Amazonia es una planicie climáticamente homogénea; si se producen alteraciones que tornan al ambiente poco propicio para un organismo, este se encuentra a 2 mil kilómetros de un puerto seguro donde el clima se mantiene adecuado”, explica Rangel. Esto haría de la Amazonia una tumba de las especies, pese a que la inmensidad de la selva le permite mantener una gran diversidad de organismos, en parte originados en las montañas vecinas y como consecuencia de las barreras que determinan los grandes ríos. “En los Andes, basta con caminar 10 pasos hacia arriba para escapar de las temperaturas alteradas”. Ese desplazamiento vertical a lo largo de un tiempo geológico propicia la especiación, dado que las poblaciones pueden diferenciarse en forma aislada en picos distintos.

Desde una perspectiva evolutiva en la escala amplia de una filogenia, el biólogo Fabio Machado también estudió la diversificación de los carnívoros en su doctorado, que llevó a cabo en el Instituto de Biociencias de la USP bajo la supervisión del biólogo Gabriel Marroig. El trabajo, que requiere la realización de recreaciones tridimensionales de cráneos de diferentes especies para comparar cómo varían las formas en conjunto, forma parte de la línea de investigación del laboratorio de Marroig, que estudia cómo la organización de la anatomía restringe o facilita la evolución de ciertas morfologías. Darwin ya contemplaba la existencia de “leyes de variabilidad” (correlaciones de crecimiento, como él las definía), que vinculan ciertas características. Dos arcadas dentarias que no encajan, por ejemplo, no propician la supervivencia.

Este tipo de concordancia entre el pensamiento de Darwin y los hallazgos actuales es una demostración cabal de la capacidad del británico, que Bizzo ensalza, para establecer conexiones inesperadas y sacar de ellas conclusiones y explicaciones que no se le habían ocurrido a nadie. “Cada vez que leo El origen de las especies, descubro alguna otra cosa que él ya había mencionado y yo no me había dado cuenta”, dice machado, que confiesa que tiene un tatuaje con la imagen de Darwin. Él confiaba encontrar variabilidad en los cráneos de carnívoros asociada a la diversidad de sus hábitos alimentarios. Pero lo que descubrió fue que los cánidos –la familia que agrupa a los perros y a los lobos– presentan una variación mucho mayor que la de otros carnívoros. “Su zona facial es más variable que en otros mamíferos”, dice el biólogo, quien realiza una pasantía de posdoctorado en el Museo Argentino de Ciencias Naturales “Bernardino Rivadavia”, en Buenos Aires. “Los resultados indican que el hocico de los cánidos se amoldó, independizándose del resto del cráneo” Ese es el tipo de alteración en el patrón de desarrollo que, de acuerdo con la síntesis evolutiva extendida, puede impulsar la adaptación de los organismos de una manera mucho más dramática que lo que las mutaciones específicas podrían conseguir.

En simultáneo a la anatomía y a la biología, el comportamiento también cumple un rol destacado en las nuevas propuestas, y pasa a considerarse como cultura cuando las actividades innovadoras trascienden generaciones. Ellas pueden difundirse por aprendizaje en una población, diferenciándola de otras, tal como muestran los estudios con monos efectuados por el grupo de Eduardo Ottoni en la USP. La base conceptual de eso se basa en la percepción de que las tradiciones, tal como la capacidad para romper frutos de cáscara dura y los métodos empleados para ello, forman parte del paquete hereditario entre una generación y otra de monos capuchinos. Ese contexto, de acuerdo con los científicos que abonan la evolución cultural, puede influir en los aspectos físicos de los animales y alterar la base de la selección natural.

Cultura y construcción
La modificación del entorno por los organismos constituye un mecanismo crucial en la EES, que sostiene que dicha capacidad –la construcción de un nicho– finalmente cumpliría un rol evolutivo. Los estudios llevados adelante por el biólogo Hilton Japyassú, de la UFBA se revelaron como un caso perfecto para el debate de esos ítems durante su pasantía de posdoctorado en Escocia junto a Kevin Laland, como pudo comprobarse en el debate que figura en un artículo de 2017 en la revista Animal Cognition. “Las arañas, o cualquier organismo que construya estructuras y mantenga una relación íntima con ellas, pueden modificar su cognición a partir de esos artefactos”, define. Ese es el caso de la tela, que se convierte en una herramienta al procesar de modo adaptativo las informaciones sobre la presa capturada, afectando el comportamiento de la araña. Esto genera una vía de doble mano, donde araña y tela se modifican una a la otra. De acuerdo con Laland, los organismos que habitan en ambientes modificados pueden dejar sus construcciones, fruto del aprendizaje a lo largo de su vida, a sus descendientes y así encauzar la propia evolución, que ocurriría en el marco de su propia construcción.

Los ejemplos presentados en este artículo ilustran los enfoques posibles solamente a partir de los avances técnicos y del conocimiento adquirido recientemente. Eso no significa que sus autores adhieran a uno u otro campo teórico, incluso porque Darwin mismo ya demostró en el siglo XIX que la amplitud de pensamiento y de conexiones resulta mucho más productiva que levantar barreras. Para Japyassú, los cambios de percepción que representan las nuevas ideas deben sumarse a la teoría evolutiva, que podría tornarse irreconocible. El debate aún llevará mucho tiempo y ya hay algunas fechas marcadas: los encuentros “Talking evolution”, que se llevará a cabo este mes (del 26 al 28 de septiembre) organizado por el Instituto Max Planck en la ciudad de Plön, en Alemania, y “Evolution envolving”, en abril de 2019 en Cambridge, Inglaterra. Laland es uno de los organizadores.

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