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Sobre la irreversibilidad de la evolución

Explican por qué la evolución no retrocede hacia atrás. Un mecanismo molecular hace que una vez cruzadas ciertas puertas éstas se cierren para siempre, haciendo imposible a la selección natural revertir estados pasados.
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Gráfico simbólico de la evolución de GR. Foto: Eric Ortlund.
Hay resultados científicos que a primera vista parecen áridos, difíciles de leer cuando uno llega a casa después de un largo día de trabajo. Pero la belleza, la revelación, premia a aquel que se esfuerza. Desde aquí podemos intentar hacerlos más amenos (a veces sin conseguirlo), pero el lector siempre tiene que poner algo de su parte para no abandonar la lectura en el resumen o en las primeras líneas del texto sin llegar hasta el final.
Este resultado que pasamos a relatar merece la pena ser leído, pues aclara un concepto debatido en Biología desde que en el siglo XIX se empezó a hablar de evolución, aunque quizás pase desapercibido en esta sociedad rápida que deglute información de manera compulsiva. En este caso, se puede prometer que al final del arco iris sí hay un caldero de oro, y encima el camino a recorrer para llegar hasta él es bonito.
Podemos observar, tanto en el mundo vivo como en el registro fósil, que la retro-evolución no existe. Las especies siempre evolucionan, es decir cambian, hacia adelante, aunque puedan perder complejidad y simplificarse, pero no vuelven a puntos de partida anteriores. Como ya dijo Gould, evolución no significa necesariamente “progreso” y, por supuesto, como ya sabemos todos, la evolución no produce una cadena, una secuencia, en la que las especies se suceden unas a otras, sino un árbol que se ramifica continuamente, pero que es podado frecuentemente debido a las extinciones a lo largo de esta historia de la vida que ya dura muchos cientos de millones de años.
La evolución es un hecho histórico, sujeto a la contingencia, que hace seguir a las especies cursos no predeterminados ni predecibles. Igual que el mecanismo de ruedas dentadas de un reloj mecánico hace que el reloj vaya siempre para adelante y nunca hacia atrás, debe de haber un mecanismo similar a escala molecular, desconocido hasta el momento, que impida que las mutaciones que van sucediendo, que van cambiando la genética de una especie, reviertan hacia atrás y que con ello se “pierda” lo “ganado”.
Un grupo de peces dio lugar a tretápodos que terminaron siendo anfibios, reptiles y finalmente mamíferos, con puntos de ramificación en el árbol evolutivo separados en el tiempo. Sin embargo, cuando algunos reptiles o mamíferos volvieron al agua no se retro-transformaron otra vez en peces, sino que, por ejemplo, se hicieron ictiosaurios o delfines, que aunque igualmente fusiformes, son respectivamente un reptil marino (ya extinto) y un cetáceo. Pretender que exista una retro-evolución de esa escala, una trayectoria que se deshaga en una secuencia exactamente inversa de todos los sucesos aleatorios y de selección que dieron lugar a una especie, es pedir mucho. Podríamos especular que, aunque con una probabilidad casi nula, tal cosa no sería imposible, pero entonces debemos explicar cómo evitar que esto mismo se dé a pequeña escala y que a la vez se permita la evolución hacia adelante.
¿Cómo una especie de tretápodo a medio camino entre pez y anfíbio, y que cambia poco a poco, puede evolucionar hacia ser “más anfibio” sin un mecanismo que en cada paso evolutivo, por muy pequeño que sea éste, le impida retroceder hacia ser “más pez”?
Ahora, unos investigadores de University of Oregon han encontrado precisamente un ejemplo de camino genético-molecular que impide esta retro-evolución. Un estudio que les ha sumergido en la historia evolutiva, de 450 millones de años, de una proteína que compartimos con otros vertebrados.
El equipo de investigadores ha usado reconstrucción computacional de genes ancestrales, síntesis de ADN, protenómica y cristalografía de rayos X para resucitar y manipular los genes de un receptor hormonal clave tal y como era en nuestro antepasado vertebrado de hace 400 millones de años. Han encontrado que en un periodo corto de tiempo, cinco mutaciones aleatorias hicieron modificaciones sutiles en la estructura de la proteína de tal modo que la hicieron incompatible con el receptor hormonal primordial aunque cumpliese la misma función.
Recordemos, como el lector ya probablemente sabrá, que las secuencias de tripletes de bases del ADN se traducen a secuencias de los aminoácidos en las proteínas que codifica. Un gen codifica una proteína completa y ésta adopta una forma específica y compleja que le da su funcionalidad. Distintas especies pueden compartir los mismos genes o variantes de los mismos. Usted comparte muchos de sus genes con la mosca de la fruta o con el nematodo C. elegans, por ejemplo.
A veces hay pequeños cambios, mutaciones, que cambian la secuencia de aminoácidos de las proteínas. En cada generación se producen unas pocas. Usted, amigo mío, es un mutante. Unas veces estas mutaciones no tienen efecto aparente y la proteína sigue funcionando pese a que se van acumulando. En este caso podemos tener diferentes versiones del mismo gen (los alelos que a veces mencionan los personajes de la serie CSI de la tele), tanto en la misma especie como en especies diferentes. Otras veces estas mutaciones son letales y provocan que la proteína no cumpla su función. En este caso, si la proteína es importante, el organismo que porta la mutación puede enfermar e incluso morir, llevándose con él esa mutación deletérea. Otras veces la mutación cambia la proteína de tal modo que beneficia al individuo que la porta y le confiere una ventaja respecto a los demás, aunque sea pequeña. La presión de selección (mejor adaptación, mayor éxito reproductor, etc) hará que esta mutación permanezca en la especie siendo seleccionadas positivamente.
Joe Thornton, de University of Oregon y Howard Hughes Medical Institute explica que la razón por la cual los biólogos no podían saber por qué la evolución no iba hacia atrás, o saber otro tipo de cuestiones evolutivas, era por la escasa capacidad que había para conocer cómo eran los genes en el pasado.
Los fósiles contienen poca o nada información genética, así que hay que hacer genética comparada entre especies situadas en distintos puntos del árbol evolutivo y saber cómo cambian los genes para así inferir cómo era una un gen hace cientos de millones de años. Podemos, por tanto, “resucitar” genes o formas antiguas de genes modernos. Por consiguiente, ahora que se pueden resucitar genes ancestrales, se pueden diseccionar y estudiar los procesos evolutivos que han sufrido los genes en su historia evolutiva.
Thornton, junto a Jamie Bridgham y Eric A. Ortlund se han centrado en la evolución de una proteína llamada receptor de glucocorticoide (GR) que se une a la hormona cortisol y regula la respuesta al estrés, inmunidad, metabolismo y comportamiento en humanos y otros vertebrados. Es solamente un ejemplo, un caso entre muchos, pero si se dan los mismos mecanismos en otras proteínas que se han dado en ésta, entonces tendremos una de claves de la evolución. Este estudio, que muestra cómo las estructuras moleculares están finamente sintonizadas por la evolución, tendrá un amplio impacto en ciencias biológicas aplicadas y básicas, incluido el diseño de fármacos para proteínas blanco específicas.
En estudios previos, este grupo de investigadores mostró que esta proteína apareció hace 400 millones de años a partir de una proteína ancestral.
Cuando los peces cartilaginosos se escindieron de los demás, hace unos 440 millones de años, una proteína ancestral que los investigadores denominan receptor GR1 respondía tanto al cortisol como a la adosterona (dos hormonas). Durante los 40 millones siguientes, y las criaturas de cuatro patas hacían su aparición en escena, el receptor GR2 se hizo específico al cortisol. En esos 40 millones de años cambiaron varios aminoácidos de los cuales sólo dos eran necesarios para alterar la función del receptor GR. Lograron identificaron las siete mutaciones antiguas que juntas provocaron que el receptor evolucionara hacia una nueva forma y una especificidad por el cortisol.
Entonces estos investigadores se plantearon si la GR2 moderna podría retroceder hasta su funcionalidad antigua haciendo que pudiera reconocer a las dos hormonas como hacía el GR1. Así que resucitaron la proteína primitiva justo en la forma adoptada después de haber aparecido la especificidad por el cortisol por primera vez, e invirtieron las dos mutaciones clave mediante manipulación de ADN.
Esperaban obtener una proteína receptora con la misma funcionalidad que el antepasado antiguo, la versión antigua de este receptor GR1, pero en su lugar obtuvieron una proteína no funcional en todos los sentidos.
Las dos mutaciones funcionales clave sobre las cuales actuó la selección natural para cambiar las especificad de la proteínas no fueron las únicas que se dieron durante la historia evolutiva, también se dieron otras mutaciones “mudas” que no soportaron presión de selección y que vamos a llamar restrictivas (ya se verá por qué). Los investigadores identificaron estas cinco mutaciones. Aparentemente estas mutaciones actuaron (metafóricamente) a la manera de una uñeta sobre unos trinquetes, haciendo que la proteína fuera incapaz de tolerar configuraciones antiguas que existían justo un poco de tiempo evolutivo antes. Es como si se “quemaran los puentes” que se acaban de cruzar impidiendo volver hacia atrás.
Thornton propone una metáfora para explicar el fenómeno: “Supón que estás redecorando tu dormitorio. Primero mueves la cama, luego pones el tocador donde estaba la cama. Si decides volver a poner la cama en el mismo sitio no lo puedes hacer a no ser que primero muevas el tocador a otro lugar. Las mutaciones restrictivas en el receptor GR evitaron que la evolución actuara en sentido contrario de la misma manera.”
Las mutaciones restrictivas cambiaban un poco la secuencia de aminoácidos y por tanto un poco la forma o estructura de la proteína, aunque sin cambiar su función. Pero estos cambios restringieron posibles cambios futuros. Cuando se dieron los cambios significativos, estos sólo podían funcionar con el nuevo “andamiaje”.
Cuando los investigadores pusieron estas otras cinco mutaciones (alcanzando el estado ancestral) entonces la proteína resultante pudo tolerar todos los cambios, ser funcional y además transformarse en el receptor promiscuo al igual que era su ancestro remoto GR1.
Por tanto, quedaba demostrado que estas mutaciones “mudas”, pero restrictivas, cambian la estructura de la proteína, aunque no su función, y son las que actúan como “mecanismo trinquete”.
A pesar del papel poderoso del sistema trinquete en evitar la inversión evolutiva, cuando se dan las cinco mutaciones restrictivas se tiene poco o ningún efecto sobre la función de la proteína. Y aunque deben ser revertidas antes para que la proteína pueda tolerar su estado ancestral, revertirlas no mejora (ni empeora) nada la función de la proteína. “Esto significa que incluso si la función ancestral fuera súbitamente óptima de nuevo, no hay manera para que la selección natural pudiera dirigir la proteína directamente hacia atrás hasta su forma ancestral,” dice Thornton. La selección natural no tiene manera de borrar estas mutaciones restrictivas.
La evolución irreversible de GR sugiere que las moléculas que dirigen la biología ahora no tienen por qué ser productos inevitables de procesos evolutivos. En el caso del GR, las mutaciones restrictivas borran las condiciones que previamente abrió la forma ancestral como posibilidad evolutiva. Thornton especula que, en la historia evolutiva transcurrida, es probable que se hayan dado otras mutaciones restrictivas que hayan cerrando innumerables trayectorias que, de otra manera, la evolución podría haber tomado.
Si pudiéramos rebobinar hacia atrás y permitir que la historia evolutiva se diera de nuevo, se darían un nuevo conjunto de mutaciones, aparentemente asecuenciales en el tiempo, que abrirían unos caminos y cerrarían otros que probablemente incluirían algunos que dieron lugar a la presente configuración evolutiva del mundo actual. Es decir, la que incluye a la especie humana. La historia evolutiva es irrepetible incluso aunque contemos con una máquina del tiempo y controlemos el entorno y la presión de selección.
Si se demuestra que el mecanismo dado en GR es un fenómeno general, entonces la biología que tenemos ahora es sólo una de las muchas combinaciones de tiradas posibles del dado evolutivo. Si usted está aquí en este momento es porque en el árbol evolutivo hay una secuencia ininterrumpida de miles de millones de años que le une a los primeros microorganismos. Una línea que ha sobrevivido a todo tiempo de extinciones, incluso a las grandes extinciones masivas, a impactos de meteoritos, a glaciaciones globales a vulcanismo extremos, a cambios climáticos… Una línea creada a partir del azar y la necesidad, de las mutaciones fortuitas que dieron a todos nuestros antepasados una pequeña ventaja reproductiva frente a los demás bajo un inmisericorde entorno cambiante, también azaroso, que nos obliga a adaptarnos o desaparecer para siempre.
Hemos empezado a vislumbrar que el azar que nos crea, que nos hace evolucionar, no sólo depende de esas mutaciones, sino de muchas otras que impiden retroceder, que empujan a las especies siempre hacia adelante, que les impiden mirar hacia atrás. Esta multitud de procesos azarosos, tan poderosos como el colosal numero combinatorio resultante de todo ello, ha llegado al increíble punto, a la altamente improbable situación de crear una especie capaz de inventar el método científico y de mirar hacia atrás sin miedo a convertirse en estatua de sal y tratar, de verdad, de comprenderse a sí misma. Una especie capaz de este logro y de muchos otros, capaz de hacer las cosas más maravillosas, de alcanzar metas siempre soñadas y también de cometer los actos más infames, incluso de ponerse en peligro a sí misma y a las especies que le acompañan, también supervivientes de un viaje maravilloso de 3800 millones de años a borde de esta nave espacial azul llamada Tierra, nuestra única y posible casa.
Si usted, amigo lector, ha llegado leyendo hasta esta línea todo esto le produce cierto vértigo, no le importe tener un poco de estrés, el receptor glucocorticoide regulará su respuesta al mismo, como ha venido haciendo, de una manera u otra, con mejor o peor suerte, durante los últimos 400 millones de años.
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