Lamarckismo y genética evolutiva I. Primera parte
Lamarckismo y genética evolutiva II. Segunda parte
Lamarckismo y genética evolutiva III. Tercera parte
En un texto anterior ya comentamos que nos centraríamos en discutir el último reducto del lamarckismo, a saber, ¿es posible que el medio influya en los cambios que podrían realizarse en el material genético? Para poder discutir este punto plantearemos posibles explicaciones sobre la introducción de variación en las especies vivas, después utilizaremos los datos de experimentos para apoyar o desmentir los posibles casos teóricos que a continuación se expondrán, recordando que solo son planteamientos teóricos y no los expondremos como casos reales. Por otro lado, me gustaría añadir algo que ya se comentó en el primer post, y es que este texto es un trabajo modificado de la asignatura de Evolución molecular, por lo que su nivel, en algunos casos, podría requerir conocimientos por encima de la media en temas biológicos, aunque se ha intentado reducir su complejidad.
2.1. Caso teórico primero. La presencia o ausencia de una sustancia podría afectar directamente al DNA
Si este caso fuera cierto, una sustancia en el medio induciría directamente cambios en el DNA enfocados a un cambio específico. Por ejemplo, imaginemos que tenemos una población de bacterias que no pueden soportar la presencia de penicilina. Al añadir penicilina en el medio la sustancia de algún modo viajaría hasta el DNA induciendo cambios específicos, los cuales podrían otorgar a la bacteria resistencia al antibiótico.
2.2. Caso teórico segundo. El ambiente influye sobre el metabolismo y este introduce una variación
Esta posibilidad vendría a indicar, por ejemplo, que un cierto tipo de estrés determinado en el medio activaría rutas metabólicas específicas que inducirían cambios en el DNA, lo cual podría mejorar su situación en ese medio hostil. Volviendo al ejemplo de la penicilina, sería como si las bacterias de antes, al entrar en contacto con la penicilina, activaran una ruta enzimática determinada que tuviera como finalidad inducir mutaciones en la región específica que controla el metabolismo de patógenos, y eso indujera cambios de cualquier tipo que produjeran por azar una resistencia a la penicilina (se entiende que los cambios en la región serían aleatorios). Posteriormente la selección natural seleccionaría a dichas bacterias como resistentes.
2.3. Caso teórico tercero. Un ambiente hostil aumenta la variabilidad al azar
En este caso las mutaciones en el DNA son introducidas al azar, pero el organismo en ambientes hostiles podría activar mecanismos que actuaran sobre sus mecanismos de introducción de variación en todo el DNA para aumentar la velocidad de cambio génico, y por lo tanto aumentar la velocidad de evolución de la especie, lo cual permitiría adaptarse antes al medio hostil. Esta opción sería a largo plazo y no valdría para explicar las resistencias inmediatas, es decir, sería la activación de un proceso que aumentara la tasa de variación, por ejemplo la reducción de la actividad correctora de la DNA-polimerasa, un aumento en la actividad de transposición genética, un aumento en la tasa de recombinación, etc . . .
3. Sometiendo la teoría a la práctica
Una vez explicadas las tres posibles situaciones, es necesario comentar que para tratar el tema de una forma seria hay que alejarse de ideas claramente irracionales como pensar que el cambio se realizaría de forma específica sin necesidad de selección, tal como si el DNA supiera qué es mejor para él. Lo que aquí se ha planteado es diferente, mutaciones al azar en regiones elegidas de forma determinada, en ninguno de los tres casos se pretende decir que el medio cambia los codones de forma directa ni intencionada para producir un organismo mejor adaptado, lo que se pretende teorizar es si el ambiente podría influir en zonas determinadas del genoma, generando de este modo nuevas variantes heredables. Así que una vez aclarado esto pasaremos a explicar unos experimentos clásicos que nos servirán para emitir un juicio sobre las tres hipótesis anteriores.
3.1. El experimento de Luria y Delbrück
El primero de los experimentos que vamos a comentar es el realizado por los premios Nobel Salvador Luria y Max Delbrück. Luria y Delbrück publicaron su artículo Mutations of Bacteria from Virus Sensitivity to Virus Resistance en 1943. Ambos científicos se preguntaban sobre la naturaleza de las mutaciones. ¿Eran espontáneas?, ¿se inducían por las condiciones ambientales?
Desde hace muchos años se sabe que un cultivo de bacterias expuestas a la acción de un virus bacteriófago va perdiendo turbidez y clarificándose como resultado de que los bacteriófagos matan las bacterias del medio, sin embargo algunas veces el cultivo vuelve a crecer y la turbidez reaparece, es lo que se conoce como adquirir una resistencia a los bacteriófagos. La bacteria se vuelve inmune a ellos y puede crecer sin problemas. Luria diseñó un experimento para poder desentrañar el misterio. Como ocurre muchas veces en ciencia, el planteamiento del experimento fue un acto claro de serendipia, y como curiosidad pondremos un extracto de su biografía, en la cual Luria explica cómo se le ocurrió la idea del experimento:
Durante una pausa de la música, me encontré observando a un colega que estaba echando monedas en una máquina tragaperras. A pesar de que perdía la mayor parte de las veces, ocasionalmente ganaba alguna moneda. Como no me gustan las apuestas, le sermoneé sobre la inevitabilidad de que iba a perder más dinero del que iba a ganar cuando de repente consiguió un pleno… recogió sus ganancias, me dirigió una mirada desafiante y se fue. En ese momento comencé a pensar sobre la numerología de las máquinas tragaperras. Al hacerlo me di cuenta de que las tragaperras y las mutaciones bacterianas tenían algo en común.
Luria, al observar cómo contra todo pronóstico una persona podía largarse del bar ganando en las tragaperras, pensó que tal vez una bacteria, contra todo pronóstico, también podía mutar en una zona específica que le otorgara resistencia a un fármaco. Luria tomó una colonia de bacterias de E. coli y con ella estableció dos cultivos que denominó A y B, que contenían el mismo volumen y cantidad de bacterias. El experimento realizado por Luria fue el siguiente. El cultivo bacteriano A se dividió en 20 cultivos más pequeños. Los 21 cultivos (20 microcultivos A y un cultivo grande B) se dejaron creciendo durante toda la noche. Al final del día siguiente se tomó cada uno de los 20 cultivos A y se le añadió el bacteriófago T1, que ataca a la bacteria E. coli. Se separó el cultivo B en veinte microcultivos, y después también se infectaron con el bacteriófago. Entonces, ¿cuál era la diferencia entre los dos tipos de cultivo? Los del tipo A eran 20 muestras que, al haber crecido en medios separados desde el principio, no eran homogéneos en cuanto a las bacterias que tenían ya que cada bote había crecido a una velocidad diferente. En cambio, los medios de cultivo B habían estado creciendo de forma continua en el mismo sitio, solamente se habían dividido después de estar creciendo en un único recipiente, así que la cantidad de bacterias debía ser homogénea en todos los botes.
Posteriormente se determinó el número de bacterias resistentes al fago en los cultivos A (crecidos de manera independiente) y en los cultivos B (crecidos juntos e inoculadas con el fago después de separarlas). Luria razonó que si las mutaciones se producían tal y como el Lamarckiismo suponía, es decir, de manera dirigida como respuesta a la presencia del fago (añadido al final del proceso), entonces el número de bacterias supervivientes debería ser muy parecido, ya que todos los cultivos habrían producido sus mutantes al añadir el fago (parte superior de la figura 1). Pero si por el contrario las mutaciones eran espontáneas y no dependían de la presencia del fago, entonces su distribución sería al azar, muy parecida a la de acertar un pleno en una máquina tragaperras. Es decir, el número de bacterias supervivientes debería ser pequeño en la mayoría de los cultivos, pero en algunos pocos el número de supervivientes debería ser grande (parte inferior de la figura 1).
El resultado final parecía indicar que las mutaciones son el resultado del azar, y no de una predisposición del medio a generar mutaciones en un sentido específico.
Figura 1: Arriba los resultados esperables en el caso de que la mutación fuera dirigida por un cambio ambiental, abajo los resultados si fuera espontánea. En rojo están indicadas las bacterias resistentes. En el caso de que la mutación fuera como una adaptación fisiológica (arriba) las medias y la varianza serían muy parecidas. Si la mutación fuera al azar (abajo) las medias y varianzas serían muy desiguales, y ese fue el resultado del experimento como se verá a continuación.
3.2. El experimento de Joshua y Esther Lederberg
El siguiente experimento en realizarse en este sentido fue el de Joshua Lederberg y Esther Lederberg, que en 1952 publicaron su artículo Replica plating and indirect selection of bacterial mutants, confirmando los resultados de Luria y Delbrück mediante un experimento de siembra por réplica. Utilizaron un cultivo de células de E. coli que eran sensibles a penicilina, sembraron una placa sin penicilina e hicieron replicas exactas de las placas petri, superponiendo las placas con otras mediante papel de seda, originando así placas hermanas con los mismos tipos de bacterias en las mismas posiciones. Al atacar los diferentes cultivos hermanos con penicilina siempre aparecían las mismas colonias resistentes en los mismos sitios, indicando de esta manera que la mutación había surgido en el cultivo inicial y no por contacto con la penicilina, ya que si no cada vez las bacterias resistentes aparecerían en un lugar diferente y no en el mismo lugar como ocurría en el experimento, tal y como vemos en la figura 2 que explica en experimento
Figura 2: Desarrollo paso por paso del experimento mencionado anteriormente, en el vemos como se confirman los resultados de que las mutaciones no aparecen en el momento de la presión puntual (en este caso la penicilina) si no que se producen antes y al azar, sin seguir ningún tipo de designio.
3.3. Conclusiones
Una vez visto estos experimentos, ¿qué conclusiones podemos aplicar a todo lo que hemos estado viendo? En concreto nos centraremos en contrastar el resultado de estos experimentos con las hipótesis mencionadas en el punto 2 de este trabajo.
Mencionamos en el punto 2.1 la teoría de que la presencia o ausencia de una sustancia afecta directamente al DNA. Según estos experimentos esta opción quedaría desestimada (al menos para estos ejemplos) ya que en ningún caso se demuestra esa teoría. En los dos experimentos mostrados la presencia del compuesto no está relacionada con la mutación producida, que en ningún caso se produce como efecto del compuesto.
La opción 2.2, que era que el ambiente influye sobre el metabolismo, y este introduce la variación en una región determinada, tampoco sería factible por el mismo motivo que la anterior propuesta, aunque también habría que tener en cuenta el factor tiempo ¿cuánto tiempo haría falta para que se observaran esos cambios?, ya que en la opción 2.2 lo que se proponía es que ciertas regiones del DNA, de forma específica, podrían sufrir un mayor número de cambios ante condiciones desfavorables [1], por lo que no se observarían cambios hasta pasado un tiempo y las únicas colonias resistentes serían las que ya lo eran antes de la adición del compuesto. Lo que está claro es que a corto plazo esas hipótesis no son factibles, no al menos para los dos casos mencionados anteriormente.
Y bueno, una vez desestimadas esas dos hipótesis, ¿qué hay de la opción 2.3? La hipótesis 2.3 decía que un ambiente hostil aumenta la variabilidad al azar, ¿refutan las anteriores experiencias esta posible hipótesis? En principio no ya que hay que tener en cuenta dos factores, el factor tiempo y el factor propio del experimento. El factor tiempo viene dado por el hecho de que esta hipótesis plantea que un ambiente hostil podría reducir la actividad correctora de errores para facilitar así la aparición, al azar, de adaptaciones. Es decir, sería el ambiente influyendo sobre los mecanismos celulares que controlan la velocidad de evolución, y aquí es donde viene la parte importante. Los procesos evolutivos son procesos lentos y difícilmente observables de principio a fin, además hay un compromiso entre la necesidad de cambio y la necesidad de conservación del DNA, es decir, el DNA tiene que funcionar como material de transmisión de la información, pero también es bueno que cambie un poco para evolucionar y explorar su espacio de secuencia para mejorarse. Por este motivo el DNA tiene que cambiar, pero no demasiado, y por ello los procesos evolutivos son lentos. Así pues un sistema seleccionado para aumentar la velocidad de cambio bajo ciertas presiones no sería tan raro de concebir, solo que tendría que ser un sistema también muy lento. Su posible explicación teórica sería el aumento de la tasa de error en la DNA-polimerasa, un aumento de la actividad de los elementos transponibles, un aumento en la recombinación o un aumento de cualquier actividad que introdujera variabilidad.
En los experimentos citados no se prueba que no existan mecanismos que pudieran aumentar la velocidad de evolución, y aquí es donde entra el factor del propio experimento, que no está pensado para este caso en particular. No obstante, que no demuestren que no existen tampoco prueba su existencia, lo cual es un apunte importante.
Una vez llegados aquí, ¿qué podemos decir?, ¿es posible la existencia de un sistema que, en respuesta al ambiente, introduzca un mayor número de cambios?, ¿hay evidencia y legitimidad para realizar esa afirmación? Recordemos que el método científico impone que las hipótesis sean falsables, pero la no existencia de evidencias en contra no es considerada como una prueba a favor de la existencia de un fenómeno, así que para poder plantear de manera seria y científica la discusión sobre si es posible que el ambiente adverso influya en la tasa de variación del DNA (independientemente de que sea en regiones concretas o al azar) será necesario encontrar evidencias a favor de tal hipótesis. Además es importante remarcar que esta cuestión no entra en contraposición con la teoría de evolución por selección natural, ya que si esta teoría fuera incompatible con la selección natural no existiría legitimidad para plantear la hipótesis de la que hablamos. Ahora bien, ¿existen esas pruebas?
Notas
[1] Dado que esta opción sería difícil de probar y explicar, la dejaremos apartada del trabajo en cuestión y nos centraremos en la opción 2.3, ya que la opción 2.2 (propuesta como un proceso de cambio evolutivo a largo plazo) y la opción 2.3 en principio serían compatibles la una con la otra. La 2.2 induciría un aumento de la tasa de error en una región específica del genoma, y la opción 2.3 induciría un aumento de la tasa de error en regiones aleatorias del genoma.
Fernando Cervera Rodríguez es licenciado en Ciencias Biológicas por la Universidad de Valencia, donde también realizó un máster en Aproximaciones Moleculares en Ciencias de la Salud. Su labor investigadora ha estado centrada en aspectos ligados a la biología molecular y la salud humana. Ha escrito contenidos para varias plataformas y es redactor de la Revista Plaza y de Muy Interesante. Ha sido finalista del premio nacional Boehringer al periodismo sanitario y ganador del Premio Literario a la Divulgación Científica de la Ciutat de Benicarló en el año 2022. También ha publicado un libro con la Editorial Laetoli, que trata sobre escepticismo, estafas biomédicas y pseudociencias en general. El libro se titula “El arte de vender mierda”, y otro con la editorial Círculo Rojo y titulado “A favor de la experimentación animal”. Además, es miembro fundador de la Asociación para Proteger al Enfermo de Terapias Pseudocientíficas.
Hola, muy interesante y bien explicados los experimentos con las bacterias y los fagos.
Sin embargo no debe descartarse el estudiar hipótesis que se basan en las ideas de Lamarck o muchos otros científicos que han planteado hipótesis distintas a la que Darwin propuso. Por ejemplo, existe un estudio donde se demuestra que un pez que vive en cuevas, Astianax fasciatus, en la naturaleza se ve que aquellos que viven en zonas iluminadas tienen ojos visibles pero los que viven en zonas oscuras, no desarrollan los ojos. Científicos cogieron a estos animales y los criaron en la oscuridad, en laboratorio donde nacieron sin ojos. Más tarde los pasaron a otro entorno con luz. La primera generación de ellos, produjeron unos ojos rudimentarios y la segunda, ya desarrollaba los ojos plenamente. Esto no se debe a mutación al azar alguna, sino a la activación o desactivación de una zona del genoma dependiendo directamente del ambiente. Disculpa que no tenga dicho estudio ahora a mano, si lo encuentro lo envío pero te garantizo que existe.
Como este caso se han encontrado muchos y esto continúa afortunadamente.
Por otro lado la supervivencia de unos individuos u otros en las poblaciones naturales no va vinculada a una preadaptación previa a la dificultad para superar. Precisamente, muchas de las muertes son aleatorias y no tienen nada que ver con un menor ‘fitness’ o capacidad de sobrevivir a los cambios ambientales, frente a otros individuos mejor preparados, que es lo que Darwin generalizó para absolutamente todo en el mundo natural. Te pongo por ejemplo el pez luna, cada hembra de este curioso animal pone 300 millones de huevos. Evidentemente, si pone tantos es porque de ellos solo sobrevivirá una minoría. Pero, ¿acaso los que sobreviven es porque van a mejorar la especie? Si fuese así, las especies cambiarían muchísimo más rápido. Pero como comenta el artículo, hay muchas especies que permanecen incambiables durante muchos cientos de millones de años. Esto incluye a las bacterias del azufre, que no han cambiado JAMÁS desde que aparecieron en este planeta (me refiero a Thioploca, Beggiatoa y similares).
La selección natural únicamente limita el número de individuos que puede soportar un entorno. De ahí la depredación y todas las cadenas tróficas. Los que mueren no están por norma peor adaptados que los que sobreviven.
Por último, me gustaría decir una forma en que veo la razón de muchos cambios evolutivos. Se pone mucha atención en las mutaciones o variaciones del ADN, sin embargo, se olvida que el genoma es como una inmensa caja de herramientas, y que no siempre es necesario que cambie la secuencia del material genético, puede cambiar la activación de unas u otras secuencias ya existentes, por ejemplo, el insecto palo, se sabe que en su evolución ha desarrollado alas y ha estado sin alas muchísimas veces. ¿Qué es más lógico, pensar que han sido continuas mutaciones que les han dejado sin alas o las han hecho reaparecer según convenía, o que, por contra, esas secuencias ya estaban ahí, pero se activan o desactivan según conviene?
Un saludo!