domingo, 17 de noviembre de 2013

Evolución biológica: los cinco postulados de Darwin y la especiación

Cualquier bio-cosa que estemos estudiando, cualquier bio-tema que estemos leyendo... no tiene ningún sentido ni ningún significado si despreciamos el hecho de que a lo largo de la Historia de la Tierra los linajes de organismos se han ido transformando y diversificando.
Let's talk about evolution!



En esta entrada introducimos ideas sobre la evolución de las especies, los cinco postulados de Darwin y algunas de las pruebas que demuestran que la evolución ocurre y, a veces, incluso más rápido de lo que nos parece.
 
Cuando uno estudia el mecanismo de un ser vivo, da igual un animal que una bacteria, acabará por darse cuenta de que el diseño es brutal. Hay miles y miles de moléculas, ninguna sobra; todos los órganos y orgánulos tienen su función; todos los procesos bioquímicos están regulados de manera rigurosa, y las moléculas no tienen voluntad propia ni consciencia alguna. Una célula no está viva a propósito; simplemente lo está. Y es un hecho que donde acaba nuestra ciencia empiezan irremediablemente las preguntas filosófico-religiosas, porque no tenemos respuestas completas a las preguntas de "¿Qué es?" o "¿Para qué?" o "¿Cómo apreció la vida?" "¿Qué es la consciencia?". Al ver nuestro diseño perfecto es comprensible que podamos pensar en una inteligencia superior, Padre de todo, que nos diseñó porque estamos acostumbrados a que sea la consciencia y la voluntad la que construya las cosas.
Uno no tiene nada en contra de creer en Dios, pero en las ciencias no podemos limitarnos a usar este tipo de ideas. Estarás de acuerdo en que te sentaría bastante mal que fueras al médico (a un oncólogo, por ejemplo) para tratarte un tumor y que lo único que hiciera este fuera rezar a ver si se te pasa. ¿O no? Partiendo de esta premisa, y sólo por esto, en biología no podemos introducir esos conceptos. Tenemos que apañarnos con nuestra experiencia mundana.

Sin embargo, en biología sí que tenemos claro que, efectivamente, hay un diseñador. Es una idea presente en uno de los cinco principios evolutivos de Charles Darwin. La teoría de la evolución de Darwin viene a raíz de su trabajo más famoso: "El origen de las especies" (1859), pero en realidad, esta teoría se compone de cinco razonamientos complementarios pero distintos: el cambio perpetuo, el origen común, la multiplicación de las especies, el gradualismo y la selección natural.
  • El cambio perpetuo es la teoría base de la evolución; todas las demás se fundamentan en ella. Esta idea postula lo siguiente: que el mundo vivo no es ni estable, ni constante ni sigue ningún ciclo, sino que está en continuo cambio. Dicho de otra forma: que las propiedades de los organismos (ojo, no hablamos de organismos, sino de propiedades) sufren transformaciones con el paso del tiempo. Una prueba evidente la constituyen las decenas de miles de ejemplares que constituyen el registro fósil.
  • La multiplicación de las especies es la teoría que postula formalmente el hecho de que, a raíz de lo observado en el registro fósil y de lo establecido por el cambio perpetuo, que el proceso evolutivo genera especies nuevas mediante la separación y transformación de especies preexistentes.
En realidad no siempre es fácil definir lo que es una "especie". Normalmente nos referimos con especie al conjunto de individuos semejantes capaces de cruzarse entre sí y producir descendencia fértil. No necesariamente una especie se distingue de otra a simple vista, y es más, dentro de la categoría que llamamos especie hay subespecies y razas; piensa por ejemplo en todas las razas de perros que existen. Todos son perros; todos pueden cruzarse entre sí, son la misma especie, pero fenotípicamente hay para todos los gustos....
 
  • El gradualismo es el punto evolutivo que establece que las grandes diferencias anatómicas entre especies se producen por la acumulación de múltiples y pequeños cambios, que con el paso de las generaciones, irían exhibiendo cambios morfológicos muy pronunciados. Es interesante tener en cuenta este hecho, pues los mecanismos que producen un cambio morfológico muy grande de forma súbita suelen ser perjudiciales para su portador (lo que probablemente no ocurriría si ese paso fuera la suma de pequeños pasos a lo largo de las generaciones), aunque sí es posible en algunos casos que pueda ocurrir que aparece una ventaja. En ese sentido, el gradualismo existe pero puede que no sea la única fuerza evolutiva suficiente para explicar todos los cambios.
Darwin vio claras marcas de gradualismo durante su viaje a las Galápagos. En estas islas del Pacífico existe un tipo de ave que conocemos como pinzón. Sin embargo, hay muchas especies de pinzón en esas islas. La fauna cambia de islote a islote. Analizando los rasgos de las distintas especies de este tipo de pájaro podemos ver una especie de gradación.(como en las tiras de pantone o algo así...), misteriosamente ligada a su forma de alimentación.
  • El origen común establece, como su nombre indica, que todas las especies proceden de la ramificación de los linajes a partir de un único hipotético ancestro común. La teoría de que esto no es cierto ha sido refutada con el amplio abanico de técnicas celulares y moleculares que se vienen perfeccionando desde las últimas décadas. La secuenciación de los genomas y el análisis de diversas rutas bioquímicas nos hace pensar que estamos todos más emparentados de lo que creemos, no ya entre personas, sino entre todos. Por ejemplo, tenemos genes equivalentes al 50% del genoma de la mosca de la fruta (Drosophila melanogaster) o al 31% del genoma de la levadura del pan (Saccharomyces cerevisae); todos los organismos utilizamos ADN como material genético y los mismos 21 aminoácidos para nuestras proteínas...
Añadir, por cierto, que Darwin nunca dijo que los humanos viniéramos de los monos, sino más bien que los monos y los humanos tenemos un ancestro común.
El origen común y la mutabilidad de las especies son la única forma de explicar algunas semejanzas entre  formas animales distintas. Por ejemplo, en los cuadrúpedos (entre los que nosotros estamos incluidos) los quiridios o estructura ósea de las extremidades  anteriores tienen todas la misma estructura básica (su húmero, su cúbito, su radio, etc.) pese a que en las ballenas sirven para nadar, en los murciélagos sirven para volar, en los humanos son brazos, en los caballos son patas para caminar...
Éstas son un ejemplo de lo que se denomina estructuras o caracteres homólogos: aquellos que tienen una estructura similar, un origen embriológico común, una posición en el cuerpo parecida y una ontogenia o desarrollo semejante. Son los que se utilizan para determinar relaciones de parentesco entre especies. El término opuesto son los caracteres análogos, que cumplen la misma función pese a tener desarrollo y estructura interna diferentes, como las alas de los insectos, las alas de los pájaros y las alas de los murciélagos. Todas sirven para volar pero no tienen nada que ver a nivel órgano.
A veces no es tan evidente a simple vista entre homologías y analogías.
  • La última teoría de Darwin, la selección natural, es la más famosa de todas, y propone que es el ambiente el que funciona como criba: sobreviven los más aptos.
Darwin no lo sabía, pero la evolución es la consecuencia de un cambio a nivel molecular en el acervo genético de una población. Aquí entran en juego las mutaciones, o alteraciones heredables en la secuencia de bases del ADN. Pueden ser alteraciones puntuales en el cambio de una base púrica por una pirimidínica, o el borrado de un par de bases, o de varios, o de cambio de posición de un gen... bueno, las posibilidades son múltiples, pero siempre son un error en el copiado del material genético. Pueden deberse a agentes mutágenos como radiaciones, agentes tóxicos... o por el propio margen de error que tienen las ADN polimerasas y los mecanismos de corrección. No es tan raro que las mutaciones sucedan, de hecho, se pueden seleccionar de forma frecuente cepas mutantes en cultivos bacterianos. Las mutaciones ocurren al azar, y sus efectos son imprevisibles. Algunas son silenciosas por la propia redundancia del código genético (esa mutación no altera la secuencia de la proteína codificada y por tanto no refleja ningún efecto), otras, en cambio, tienen efectos sobre el fenotipo. La mayoría de mutaciones suele perjudicar al mutante, que sencillamente muere, bien porque es inviable bien porque el ambiente puede con él.

La aparición de la meiosis y la reproducción sexual introdujo la llamada recombinación genética, en la que fragmentos de cromosomas homólogos (que pueden portar distintas versiones o alelos de un gen) se intercambian y mezclan. Para dejarlo aquí sin irnos por las ramas, la recombinación genética vendría a ser como si se barajara la mano de cartas antes de repartirlas a la siguiente generación.

Podemos afirmar, entonces, que la evolución no ocurre de forma dirigida ni premeditada. Es una consecuencia de un sistema imperfecto de replicación de los genomas, de las mutaciones y la recombinación genética que aporta la reproducción sexual. Es el ambiente en el que se desarrolla el organismo mutado el que determina que éste sobreviva o no y, por tanto, que la transformación, por pequeña que sea, se propague o no. Eso es la selección natural, y de todas las causas que generan evolución en una población, es la única capaz de producir adaptación. Un organismo adaptado a su ambiente es aquel que puede desarrollarse y vivir en el medio de forma eficaz. ¿Tú aguantarías viviendo en el Polo Norte (responde sólo si no eres esquimal)? ¿Serías capaz de mudarte a una fumarola volcánica de esas que están en las profundidades más abismales del océano junto con las bacterias del azufre? ¿Podrías vivir en ausencia de oxígeno? ¿Aguantarías mucho fijado al suelo tomando el Sol intentando fotosintetizar? Claro que no. Eres un organismo adaptado a TU medio. Estás diseñado por el mismo escultor que cinceló el resto de individuos, desde los virus hasta las ballenas: el ambiente que te rodea.

De aquí se deriva que un cambio brusco en el ambiente podría resultar letal para muchas de las especies que abarca si no son suficientemente flexibles. Por ejemplo, existen algas que toleran unos grandes cambios de salinidad en el agua o bacterias que aguantan oscilaciones de temperatura bastante grandes, pero si resulta que el nivel de mar nos baja o la temperatura del medio aumenta/baja de forma rápida por fuera de los rangos tolerados, el individuo muere sin remedio y con él sus genes.

La selección natural da para mucho. En realidad casi podríamos hacer un blog dedicado solamente a sus matices y enigmas... Consulta la bibliografía si quieres más información (Para este tema, a mí me gustó mucho este: A. DÍAZ, José; SANTOS, Tomás (1998) Zoología. Aproximación evolutiva a la diversidad y organización de los animales. Editorial Síntesis.).

Para la última parte de la entrada, vamos a hablar de cómo se genera la diversificación de las especies, es decir, de la especiación.

Hemos definido especie como conjunto de individuos capaces de aparearse y produicir descendencia fértil; el caballo y el burro no son la misma especie, pues su cruce da a luz a los asnos, estériles. También hemos dicho que dos especies hermanas comparten un ancestro común. Eso quiere decir que los miembros de esta población de esta especie ancestral podían reproducirse entre ellos pero, por algún motivo, dejaron de poder aparearse y dar descendencia fértil. ¿Qué ha sucedido aquí? 

 
Hay varias posibilidades, pero la más frecuente es la aparición de barreras que separen a dos partes de una misma población e impidan así el intercambio o flujo génico. Con estas dos poblaciones aisladas, el paso de los años irá haciendo que los cambios que se produzcan en sus respectivos senos no se mezclen, de tal manera que, al final, tenemos dos poblaciones con una considerable acumulación de diferencias en el fenotipo, en los hábitos, en el papel ecológico... acaban por producirse nuevas especies que, aunque hermanas, por una causa o por otra, no se darán cruzado o, en el caso de poder hacerlo, no darán descendencia capaz de reproducirse, bien por esterilidad bien por inviabilidad del feto.
  • En el modelo de especiación alopátrida, un cambio en el área geográfica que impida la comunicación entre las dos partes de una población ancestral es la que promueve la divergencia o evolución de éstas dos partes a especies distintas. Este modelo es universalmente aceptado.
  • En el modelo de especiación peripátrida, otra versión de la especiación alopátrida, es un aislamiento periférico de una pequeña parte de la población, a una población marginal que por otro lado es más fácil que se encuentre genéticamente diferenciada: hay menos variedad de genes, no son una muestra representativa de los genes de la especie ancestral. A esto se le puede añadir el hecho de que el tamaño reducido de la población puede acelerar la especiación por fenómenos de deriva genética; el caso más límite es conocido como efecto fundador: este pequeño grupo de individuos apartados comenzaría una nueva población y serían sus genes los que se empiezan a propagar con el crecimiento en su nuevo espacio geográfico.
  • En el modelo de especiación parapátrida, el proceso tiene lugar en dos poblaciones contiguas no separadas. Puede ocurrir en una especie adaptada a su medio que se expande a un área adyacente a su lugar original. Los diferentes extremos de la población irían acumulando diferencias por presiones selectivas y en el medio se formaría una zona híbrida, la cual es posible que en el futuro se elimine, quedando dos especies distintas. Es un modelo algo discutido y no universalmente aceptado.
  • En el modelo de especiación simpátrida ocurriría especiación por aparición de una nueva especie dentro de la población ancestral por una mutación marcada o la formación de híbridos. Se ha propuesto para casos muy específicos (como insectos parásitos de la fruta) y, si realmente ocurre, se considera de importancia puntual. 
Las explicaciones podrían ser un poco más profundas, un poco más rollo, pero yo lo dejo ahí.
Acabamos la entrada con un par de videos para mi gusto entretenidos.



Aquí se termina lo que tengo que decir por el momento sobre la evolución biológica,
Espero que lo hayas encontrado interesante.
No olvides consultar la bibliografía recomendada en la sección Sobre el Blog si te interesa esta información.

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