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Modelaje computacional

La derrota de los Highlanders

Una simulación computacional apunta que el envejecimiento puede constituir una ventaja adaptativa

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En las películas sobre el personaje Highlander, un guerrero escocés que se volvió inmortal a comienzos del siglo XVI, el protagonista, Connor MacLeod, atraviesa eras combatiendo a los malhechores y haciendo justicia sin sentir el peso del paso del tiempo. El héroe no envejece nunca, su cuerpo sencillamente no se degenera. La única forma de morir sería al ser decapitado por un enemigo. Ante esta trama ficticia, el sentido común lleva a pensar que un ejército compuesto exclusivamente por Highlanders sería prácticamente invencible frente a uno equivalente de mortales.

Sin embargo, una serie de simulaciones computacionales realizadas por un investigador brasileño sugiere que el hecho de volverse senil puede constituir una ventaja evolutiva para una población si el proceso de selección natural ocurre en un ambiente permeado por cambios. En tal situación, el grupo cuyos miembros pueden llega a viejos tiende a ganar la lucha por la supervivencia y provocar la extinción de la fuerza de los inmortales. La explicación para la victoria de la población que envejece estaría en su mayor capacidad de adaptarse a las alteraciones en el hábitat y generar más rápidamente linajes también adaptados al ambiente que los competidores dotados de una biología inmune a los efectos de la senescencia.

Este trabajo, cuyos resultados son aparentemente paradójicos, o al menos van contra la intuición, estuvo a cargo del físico teórico André Martins, de la Escuela de Artes, Ciencias y Humanidades de la Universidad de São Paulo (EACH-USP). “Aunque sea perjudicial para los individuos y haya un costo evolutivo, el envejecimiento puede ser un beneficio en sí mismo”, afirma Martins, quien publicó este estudio, que realizó solo, sin colaboradores, el 16 de septiembre del año pasado en la revista científica PLoS ONE. “Permite que los nuevos linajes se adapten más rápidamente a los cambios de las condiciones de vida.”

En las simulaciones en que los individuos de dos ejércitos se veían expuestos a alteraciones ambientales y mutaciones genéticas, el equipo de los mortales ganó 39 de las 50 batallas contra los inmortales. No obstante, esa supremacía no se mantuvo cuando el escenario virtual en que transcurría la disputa era diametralmente opuesto. En un ambiente estático, en el cual los grupos de individuos no sufrían alteraciones en su ADN, los Highlanders vencieron todas las contiendas, en general luego de disputas que se extendieron a lo largo de 220 generaciones. “Se probaron diferentes intensidades de mutación y de cambio ambiental y también alteramos la edad de la muerte por envejecimiento”, dice el físico de la USP. “La victoria de los que envejecían fue observada en una gran franja de variación de esos parámetros, en tanto que la de los inmortales se dio en ambientes con cambios muy lentos o inexistentes.”

En la naturaleza, las condiciones en que las distintas poblaciones o especies compiten suelen cambiar de tiempo en tiempo. Por eso, de acuerdo con Martins, los resultados de sus simulaciones favorecen la interpretación de que el envejecimiento puede haber sido una ventaja adaptativa naturalmente seleccionada por el proceso evolutivo. “Creo que esto puede ser así, aunque va en contra de la teoría establecida”, comenta el investigador norteamericano Joshua Mitteldorf, teórico especializado en evolución y modelos computacionales de la Temple University de Filadelfia.  “Durante los últimos 50 años, diversos experimentos demuestran que envejecer es una adaptación, mientras que las teorías sostienen que eso no puede ser.”

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Genes ligados al proceso de envejecimiento parecen estar bien preservados en muchas especies de animales. En 2008, investigadores de la Universidad de Arkansas aumentaron 10 veces el tiempo de vida del gusano C. elegans, uno de los organismos modelo de la biología, introduciendo una mutación en un solo gen. En lugar de morir al cabo de dos semanas, ejemplares del nematodo vivieron seis meses, y algunos hasta nueve meses. Dietas a base de restricciones calóricas también se han mostrado útiles para prolongar la vida de algunas especies en estudios de laboratorio. Estas evidencias, sumadas al hecho de que existen en los organismos mecanismos de muerte celular programada como la apoptosis, suelen ser citadas por los defensores de la idea de que la capacidad de volverse senil fue una característica elegida por la selección natural.

No obstante, las principales teorías evolutivas sobre el envejecimiento de las últimas décadas van en sentido contrario. Grosso modo, abogan por la idea de que la senilidad es una especie de efecto colateral, algo así como un costo que se cobra a largo plazo, en razón de los beneficios obtenidos durante la juventud. Por esa línea de razonamiento, los primeros años de vida serían el momento crucial de una especie, cuando ésta se encuentra más apta para reproducirse y perpetuarse en sus descendientes. Como pocos individuos en la naturaleza llegarían a la edad avanzada, en razón de las presiones del medio, la selección natural no habría privilegiado los rasgos benéficos de la vejez.

Concebida a finales de la década de 1950, la teoría de la pleiotropía antagonista, por ejemplo, sostiene que ciertos genes benéficos en la juventud, tales como los que aumentan la fertilidad, terminan siendo perjudiciales a una edad más avanzada. En ese caso, la senilidad sería una deuda contraída en función de un beneficio usufructuado durante los primeros años de vida. Más recientemente, durante la segunda mitad de los años 1970, el biólogo inglés Tom Kirkwood, actualmente docente de la Universidad de Newcastle, postuló otra teoría sobre el envejecimiento: la de la suma descartable. Según este punto de vista, el organismo regula su cantidad de energía y la canaliza prioritariamente hacia funciones primordiales durante las primeras décadas de vida, tal como es el caso de la reproducción. La reparación del organismo para que pueda mantenerse durante un largo período quedaría en segundo plano, ya que dicha tarea tendría un costo muy elevado para el sistema metabólico. De esta forma, se produciría un deterioro progresivo del individuo que lo lleva al envejecimiento.

Pero, para probar la hipótesis de que el envejecimiento puede ser una ventaja adaptativa en sí misma, el físico André Martins construyó un modelo computacional con el software NetLog, que trabaja con un lenguaje de programación capaz de crear ambientes virtuales. Las simulaciones son alimentadas por una ecuación con variables que, en forma esquemática, rigen una disputa entre dos poblaciones muy parecidas en un escenario bidimensional cerrado. Existe solamente una diferencia entre ambos bandos: en un grupo, el de los inmortales, los individuos no envejecen nunca (por ende, no mueren por senilidad) y solamente pueden ser eliminados mediante la competición interna o por miembros de la población rival; en el otro grupo, los individuos mueren en razón de la competencia y los que sobreviven mucho tiempo a esa disputa, tarde o temprano caen, debido al proceso de envejecimiento.

La representación gráfica del escenario de la disputa evolutiva es un cuadrado compuesto por 2.600 píxeles en una versión menor de la simulación y 10.200 en una variación expandida. Los puntos se pintan de verde cuando están libres, es decir, si no se encuentran ocupados por ninguna de las dos poblaciones. Se vuelven azules si son dominados por el ejército de los que envejecen y adquieren tonalidades rojas cuando están en poder del equipo de los Highlanders. En cada píxel solamente hay espacio para un miembro, ya sea de una u otra población. “Siempre que haya dos o más individuos en un punto, sea de la misma población o del grupo adversario, solamente uno de ellos sobrevivirá”, explica Martins. Es literalmente una lucha de vida o muerte.

Universidade YaleGusano C. elegans: la modificación de un gen aumentó 10 veces la vida de ejemplares de este nematodoUniversidade Yale

Al comienzo del juego, las condiciones entre ambas facciones son idénticas. Ambos grupos comienzan con igual cantidad de participantes, distribuidos aleatoriamente por el campo de combate. Las dos poblaciones empiezan con la misma capacidad de adaptarse al ambiente, sufren la misma tasa de mutación entre las generaciones y a lo largo del experimento virtual se reproducirán en el mismo instante y a una tasa idéntica. Cada individuo vivo generará un descendiente, que hereda de sus padres la característica de ser mortal o inmortal. En el grupo de los que envejecen existe también una variable en la ecuación, responsable de provocar la muerte de los individuos siempre que llegan a una determinada edad. No obstante, la mayoría, pero no todos, sucumbe al ambiente competitivo antes de volverse viejos y tener la posibilidad de perecer por vejez.

La muerte por vejez acelera la adaptación
En un ambiente no estático, en el cual las condiciones naturales cambian y las sucesivas generaciones de una población sufren mutaciones genéticas, la dinámica de la disputa virtual creada por Martins tiende a ser la misma. Se forman rápidamente dos tipos de bloques en las simulaciones, oponiendo batallones de soldados rojos, los Highlanders, contra los combatientes azules, el equipo de los que pueden envejecer. En los primeros niveles del juego, la población roja se vuelve más numerosa, con casi el doble de miembros, y esto parece indicar claramente que los rojos vencerán la disputa. La ventaja de los Highlanders tiene una razón evidente: solamente se mueren debido a la competencia, mientras que el otro lado perece debido a la presión del medio y también por vejez.

Pero en casi el 80% de las simulaciones, el equipo de los azules lograba dar vuelta el partido y llevar a la otra población a la extinción. La muerte por vejez de los individuos más antiguos de ese equipo, sobre todo los que estaban lejos de las zonas ocupadas por el grupo adversario, abría más espacios libres en el interior del territorio ocupado por los azules. Este fenómeno parece favorecer el desarrollo de camadas de individuos mejor adaptados al ambiente entre la población de los que pueden envejecer. “Las nuevas generaciones de ambos grupos adversarios se adaptan a los cambios ambientales, pero ese efecto es más rápido en el seno de la población que puede envejecer”, comenta Martins. Este detalle es lo que la haría vencer la mayoría de las disputas, creando así una paradoja: envejecer es malo para el individuo, pero es benéfico para un grupo.

En el modelo computacional, la variable numérica que mide la tasa de adaptación promedio de las dos poblaciones tiende a dispararse entre los azules en un determinado momento, dejando a los rojos atrás. El programa pinta a los agentes de cada ejército en tonalidades proporcionales a su grado individual de adaptación al medio. Cuanto más oscuro sea el color de un miembro de ambas poblaciones, mayor es su nivel de adaptación al ambiente. Para cerciorarse de que los más aptos para vencer la lucha por la vida se concentraban del lado de los mortales, Martins hizo también que el programa colorease a los miembros de ambos grupos con el mismo color, en este caso, verde. De esta forma era posible ver que los soldados en tonos más oscuros de verde, es decir, los mejor adaptados, eran individuos de la población que envejecía.

Las interpretaciones de simulaciones deben hacerse con cautela. Para el biólogo Diogo Meyer, de la USP, especialista en evolución, es importante que los modelos tengan “libertad” para explorar escenarios diversos, pero también resulta crucial que se apoyen en la realidad. “¿La variación de la longevidad que existe entre las poblaciones y cuánto puede alterarla la selección natural son compatibles con los parámetros usados en las simulaciones?”, indaga Meyer. “Quizá contemos con pocos datos disponibles sobre esto, pero esta cuestión es un desdoblamiento natural de los resultados obtenidos en modelados.”

El físico teórico Roberto Kraenkel, experto en el uso de modelos matemáticos en biología de poblaciones de la Universidad Estadual Paulista (Unesp), hace una salvedad técnica al trabajo de su colega Martins. Según él, existe una variable en la ecuación que rige la competencia entre ambas poblaciones, denominada d, cuyo concepto le parece un poco misterioso y vago. “No me quedó claro a qué concepto biológico representa esa variable”, afirma Kraenkel. “Pero es fundamental para garantizar el resultado final del modelo”. Martins admite que ningún modelo es perfecto y, por supuesto, será siempre una simplificación de la lucha por la supervivencia de las especies. “La cuestión que yo quería responder era si el envejecimiento podría ser una ventaja adaptativa”, dice. “La simulación demuestra que, en algunos casos, es posible que lo haya sido”. A lo mejor es por eso que nadie nunca vio una especie parecida con Highlander, que no envejece nunca.

El proyecto
Bases teóricas para la dinámica de opiniones y aplicaciones en procesos sociales de la ciencia (nº 2009/08186-0); Modalidad Beca en el exterior; Coordinador André Martins – EACH-USP; Inversión R$ 75.222,99 (FAPESP)

Artículo científico
MARTINS, A.C.R. Change and aging senescence as an adaptation. PLoS ONE. 16 sept. 2011.

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