Introducción
1. Estudios EVO – DEVO
Evolutionary Development Biology o Biología evolutiva del desarrollo estudia los procesos de desarrollo embrionario como lugar de la evolución (Hall). Esta forma de hacer biología pone el énfasis primero, en las innovaciones y en las formas de generación y transformación a los largo de rutas previsibles y consecuencias probables; y segundo, en las homologías de nivel macroevolutivo (Müller & Newman).
Hay argumentos de la teoría sintética que siguen siendo válidos y poderosos.
1. Si hay variedad genética suficiente entonces opera la selección natural.
2. Las fuentes de variación genética son las mutaciones genéticas (cambio en un gen o grupo de genes que introducen variaciones inexistentes) y la recombinación de materiales y secuencias génicas (fragmentos cromosómicos que o bien se rompen, o se pierden o se unen a otros).
3. Además encontramos otros elementos importantes: la deriva genética en pequeñas poblaciones con poca diversidad genética (que explica el efecto fundacional y el cuello de botella de los Sapiens hace 10.000-100.00) y la evolución neutra (K. Motto) en la que las mutaciones ni benefician ni perjudican.
Pero ahora sabemos que no todos los genes son iguales. Los genes estructurales (grupo Hox) controlan la morfogénesis y el desarrollo corporal. Son esenciales, además, se heredan de modo ‘mendeliano’ y una mutación en estos tiene evidentes consecuencias en el fenotipo. Pero también existen los genes reguladores que son los que codifican las proteínas que determinarán o no la expresión de los estructurales (Davidson). Con lo que los genes estructurales son co-optados para muchos procesos de desarrollo. Por tanto, la evolución se da por la variación en el genotipo y también por la variación en los procesos de desarrollo.
El programa Evo-Devo se centra en buscar cuáles son las fuentes de variación. Conceptos centrales de esta disciplina son:
1. Plasticidad fenotípica. Un único genotipo puede inducir o dar lugar a varios fenotipos. Como por ejemplo ocurre con determinados insectos sociales (abejas, hormigas) que con el mismo genotipo pero con diversas alimentaciones y cuidados diferentes durante el desarrollo encontramos una gran plasticidad fenotípica (Philips, Schlichting, Pigliucci).
2. Originacion. Otra fuente de variación no genética es la Origination (Müller & Newman). Originación se refiere a las condiciones generativas de gran flexibilidad de la novedad. Para que una variación así tenga lugar primero se tendría que tener lugar la generación epigenética de la novedad, luego la novedad se integre en el desarrollo, o sea, que se acomode en el fenotipo; y luego que se fije en los genes para que la selección natural pueda promoverlo (West-Eberhard lo llama evolución no vertical).
3. Novedad. Para el evolucionismo no adaptacionista, una novedad es la emergencia de un fenotipo específico que no se había dado antes;
4. Innovación. La innovación son los mecanismos evolutivos que subyacen al surgimiento de esas novedades.
Conclusiones: La Evolución gradual del neodarwinismo explica la microevolución, pero flojea en la Macroevolución. El cambio genético acumulado a lo largo del tiempo y las mutaciones en los genes explican una serie de cosas, pero otras no. El estudio en profundidad del ADN, y el descubrimiento, por ejemplo, del homeobox toolkit o de la familia Hox, genes muy estables que eran co-optados varias veces en distintos procesos, hicieron ver que el ADN es un programa para el desarrollo (Jablonka y Lamb). El programa Evo-Devo que se centra en la plasticidad fenotípica y la herencia epigenética, no niega la selección natural ni otros mecanismos evolutivos de la síntesis neodarwinista. Lo que hace es restituir a la biología del desarrollo en el centro de la investigación evolutiva.
2. Crítica al gen-centrismo
Para la síntesis moderna, el gen es la unidad de herencia, de la selección natural y de la evolución. Lo que se transmite de generación en generación son los haces de genes, y lo específico de cada individuo es la combinación de rasgos genéticos. Pero podemos preguntarnos: ¿Puede la complejidad de la vida reducirse a lo estrictamente genético?
El gen no puede ser tomado como una unidad de replicación suficiente en sí misma. El gen ni codifica, ni transmite nada. No es lícito el uso de conceptos cibernéticos de información (input-output) o como si fuera un código digital que pueda descifrarse. Tampoco es un lenguaje que posea signos, gramática o sintaxis. No hay mensajes ocultos en el ADN.
Genoma es un 'concepto', una abstracción realizada por los científicos. (Ingold)
El fenotipo en desarrollo se caracteriza por la organización emergente y la plasticidad (West-Eberhard, Jablonka & Lamb).
Los genes no se codifican tal cual para un fenotipo, sino en relación al impacto del medio en desarrollo (Gould).
Las secuencias de nucleótidos se combinan para dar lugar a productos específicos que demanda el sistema celular. Los genes se definirán en relación a su función y actividad: genes moleculares y evolutivos, o genes involucrados en el fenotipo y genes involucrados en el desarrollo (El-Hani).
Conclusión: El gen no opera por sí mismo. Lo genético se expresa en procesos ecoorientados, en medios concretos. Los genotipos se activan entre múltiples factores medioambientales dando lugar a los fenotipos.
5.1.Filogenia y Ontogenia.
El Neodarwinismo no tiene en cuenta ni la embriología ni la biología del desarrollo entre sus disciplinas de referencia. Entienden que el desarrollo, la ontogenia, es el efecto combinado de lo externo (entorno) y lo interno (genes). Pero es posible hacer un estudio de la ontogenia humana y su evolución desde puntos de partida no neodarwinistas: Ciencia interdisciplinar del desarrollo (Cairns, Magnunsson, Robertson, Ramírez-Goicoechea entre otros). Veamos algunas aportaciones:
- Griffiths: Hay que cuestionarse el paradigma de la adaptación por selección natural. El desarrollo es a la vez factor evolutivo y resultado evolutivo.
- Gottlieb: La evolución depende de los procesos ontogénicos más eficaces para el individuo en su desarrollo y relación con el entorno.
- Lewontin, Ingold: Las formas emergen en el tiempo como entidades limitadas en cuanto que se constituyen mutuamente.
- Gould: En el organismo, ontogenia y filogenia se especifican mutuamente. Lo genético es lo posible y en la ontogenia devenimos humanos. Lo potencial se actualiza.
- Oyama: Las capacidades de los organismos son el resultado de propiedades emergentes de sistemas en desarrollo.
5.2. Procesos Epigenéticos.
La epigenética hace referencia al estudio de los factores que, sin corresponderse a elementos de la genética clásica, básicamente los genes, juegan un papel muy importante en la genética moderna, interaccionando con estos primeros, los genes. Estos factores genéticos que son determinados por el ambiente celular en lugar de por la herencia, intervienen en la determinación de la ontogenia o desarrollo de un organismo, desde la fecundación del cigoto en la reproducción sexual hasta su senescencia, pasando por la forma adulta, y que igualmente interviene en la regulación heredable de la expresión génica sin cambio en la secuencia de nucleótidos. Se puede decir que la epigenética es el conjunto de reacciones químicas y demás procesos que modifican la actividad del ADN pero sin alterar su secuencia. Considerar las marcas epigenéticas como factores no genéticos nos alejaría de la verdadera visión de la disciplina científica. Las marcas epigenéticas no son genes, pero la genética moderna nos enseña que no solo los genes influyen en la genética de los organismos.
La epigenética reinterpreta conceptos conocidos y desvela nuevos mecanismos mediante los cuales la información contenida en el ADN de cada individuo es traducida. Concepto a concepto, se está descifrando un nuevo lenguaje del genoma e introduciendo la noción de que nuestras propias experiencias pueden marcar nuestro material genético de una forma hasta ahora desconocida, y que estas marcas pueden ser transmitidas a generaciones futuras. Hasta hoy se han podido discernir mecanismos epigenéticos en una gran variedad de procesos fisiológicos y patológicos que incluyen por ejemplo varios tipos de cáncer, patologías cardiovasculares, neurológicas, reproductivas e inmunes.
La estructura molecular interna de los cromosomas se ha dividido en 3 capas:
1. Genes codificadores de proteínas: los que se conocen como los únicos depósitos de la herencia;
2. Genes no codificadores: cumplen una función destacada pues, a la par que las histonas, las señales químicas unidas al ADN forman la cromatina; resultan importantes para la herencia y para el desarrollo de las enfermedades y dan lugar a cadenas activas de ARN, las mismas que alteran el comportamiento de los genes codificadores;
3. Capa epigenética de la información: resulta crucial para el desarrollo, el crecimiento, el envejecimiento y el cáncer. No altera la secuencia de ADN aunque influye en su expresión. Los mecanismos epigenéticos pueden integrar señales genómicas y ambientales para controlar el desarrollo de un fenotipo particular, por lo que están íntimamente ligados con la plasticidad fenotípica y la salud. Son las "epimutaciones" las que, según algunas teorías, darían origen a enfermedades como la esquizofrenia, mientras que las variaciones epigenéticas explican, por ejemplo, las discordancias entre gemelos idénticos, quienes muestran idénticas secuencias de ADN.
Las variaciones epigenéticas controlan la actividad de los genes; si es alta la concentración de sustancia "X", la actividad será alta. El código epigenético está constituido por un sistema de moléculas unidas al ADN o a las histonas, un código de las histonas es el que gobierna la expresión de los genes pues sus colas proteícas (las de las histonas) catalizan una gran variedad de adiciones químicas, como los acetilos que amplifican genes vecinos.
5.3. Plasticidad fenotípica y evolución
El programa evo-devo reivindica nuevas formas no genéticas de variación. Hay una distinción importante no contemplada en la teoría neodarwinista:
Novedad: emergencia en un sistema en desarrollo. No estaba al principio, no ha podido ser seleccionada.
La novedad surgiría en una serie de pasos:
1. Generación epigenética de la novedad (generados por el proceso que llamaremos innovación)
2. Integración en el proceso de desarrollo
3. Fijación genética.
Es un proceso no vertical, que se produce en cuatro fases:
A. Cambio medioambiantal, que produce una variante de desarrollo con un nuevo rasgo.
B. EL nuevo rasgo se acomoda al fenotipo, en virtud de la plasticidad fenotípica del sistema
C. El rasgo se extiende a toda la población
D. Se incorpora por asimilación genética.
Innovación: llamaremos innovación al mecanismo evolutivo subyacente a la génesis de novedades
Originación: relativo a las condiciones generativas que explican las estructuras organísmicas primitivas.
5.4. Herencia epigenética
En vista del programa Evo-Devo y de la plasticidad fenotípica se pueden hablar de varias dimensiones de heredabilidad: genética, epigenética, comportamental y simbólica (Jablonka & Lamb); a las que se pueden añadir la horizontal (endosimbiosis), la estructural y la medioambiental.
Herencia Epigenética. (Rizoma versus árbol)
Trata de los mecanismos por lo que los genes reguladores se expresan a distintos niveles y grados de organización biológica y cómo estos estados pueden transmitirse a las células hijas y al organismo (Jablonka & Lamb). Trata de las propiedades de los sistemas en desarrollo por las que se generan novedades que no están contenidas en el ADN (Müller & Newman). La herencia epigenética (EISs o Sistemas de heredabilidad epigenética) no derivan del ADN, las variaciones se generan influenciadas por las condiciones del entorno. Rizoma de la herencia epigenética vs árbol de la herencia genética vertical.
La herencia epigenética resulta de la transmisión de información que no depende de secuencias de las bases nitrogenadas del ADN a través de la meiosis o mitosis. La información epigenética modula, por tanto, la expresión de los genes sin alterar la secuencia de ADN. Los patrones de metilación de ADN son los mejores estudiados y entendidos como marcadores de fenómenos epigenéticos. El epigenoma es la información epigenética global de un organismo. Los tres principales tipos de información epigenética son:
1. Metilación de la citosina del ADN: es un cambio en el ADN, en la que un grupo metilo es transferido desde S-adenosilmetionina a una posición C-5 de citosina por una ADN-5 metiltrasferasa. La metilación del ADN ocurre, casi exclusivamente, en dinucleótidos CpG, teniendo un importante papel en la regulación de la expresión del gen.
2. Impronta genética: La impronta se manifiesta solo en organismos superiores. Cuando hablamos de "imprinting", nos referimos a genes que pueden modificar su funcionamiento sin necesidad de un cambio en la secuencia del ADN. La impronta genómica puede definirse como la expresión selectiva de un gen según el origen parental del alelo (paterno o materno). Este cambio en su forma de manifestarse que tienen los genes "imprintados" está generalmente ligado a su origen parental. Un gen imprintado se manifiesta de una manera cuando su origen es paterno y de otra cuando proviene del gameto materno. Parece ser que existe un mecanismo celular que de algún modo "marca" o deja una impronta sobre todos los genes "imprintables" de acuerdo al sexo del individuo.
3. Modificación de histonas: incluye acetilación, metilación y fosforilación.
También hay que indicar que la célula no puede sintetizar los orgánulos "de novo"; por ello, además de la información que contiene el ADN, una célula necesita información epigenética en forma de al menos una proteína característica en la membrana del orgánulo que se quiera sintetizar. Esta información se transmite desde la membrana del padre a la de la progenie en forma del propio orgánulo.
Sin embargo, al nombrar estos mecanismos, hay que recordar que "indirectamente", al analizar el origen de cada proceso en sí mismo, aún están involucrados los genes (como por ejemplo los genes de la enzima ADN-metiltransferasa, histonas, etcétera) y, por ende, también indirectamente están involucrados los cambios genéticos (como mutaciones) que puedan sufrir estos genes, o sobre los genes en que actúan. Del mismo modo, aunque las modificaciones epigenéticas no implican en el proceso un cambio en la secuencia de nucleótidos del ADN, sino que consisten en un cambio en la expresión de los genes, la selección natural igualmente, a partir del resultado biológico de dicha expresión de genes, actuará sobre el proceso epigenético y sobre el organismo que lo manifiesta.
Herencia Horizontal.
Es la transmisión que se da entre individuos sin parentesco genealógico o que son de diferente especie. Por ejemplo, las bacterias establecen una filogenia vertical para el ADN cromosómico y otra horizontal por simbiosis. A partir de la simbiosis-intercambio genético entre bacterias y arqueobacterias se produjeron las células eucariotas, con núcleo y ADN dentro del mismo hace 1.400 m.a. (Margulis & Sagan). Mereschkovsky y Wallin también mantienen que el origen de las especies está en las bacterias; y Gonthier que la simbiogenesis es la responsable de la aparición de nuevas especies.
Herencia estructural.
Transmisión de rasgos mediante la autoperpetuación de estructuras espaciales. La génesis de las formas se explica a partir de cambios generativos e información posicional en el desarrollo del embrión dando lugar a estructuras que se perpetúan generación tras generación sin que afecte al ADN (Goodwin & Webster). Los patrones estructurales se replican en futuras generaciones pudiendo generalizarse mediante la selección natural. Los cilios de las células, la membrana plasmática o la estructura neurológica cortical son ejemplos de esta herencia.
Herencia Medioambiental.
Esta modalidad de herencia permite comprender la indisociabilidad de lo biológico y lo cultural en los seres humanos. Nunca, en toda la historia natural de la Tierra, un ser vivo se ha constituido y ha constituido en relación a su medioambiente de tal manera. Distintos fenotipos cuyo origen está en el medioambiente pueden transmitirse sin pasar por/alterar la dotación genética, con independencia de si permanece o no esa variación medioambiental (Jablonka & Lamb). Algunas expresiones/silencios genéticos debido al medioambiente se desarrollan en sucesivas generaciones aun cuando estas últimas no estuvieron expuestas a esas condiciones (Pembrey). Un ejemplo de esto se estudió en descendientes de familiares que sufrieron hambrunas en el s. XIX. La exposición a estos impactos se ven con claridad en dos o tres generaciones después. El riesgo de desarrollar enfermedades crónicas no transmisibles en la edad adulta está influido por procesos medioambientales en la edad fetal e infancia temprana (Gluckman & Hanson), cada vez se saben más cosas del aprendizaje químico del entorno uterino (Menella, Jagnow, Beauchamp) y el intercambio químico en la lactancia (Maurel & Kanellopoulos, Barker, Ginzburg). No sólo la salud está relacionada con lo genético, también con la forma de vida de los ancestros. En la prevención de enfermedades no solo se trata de cambiar el entorno sino también cambiar la programación epigenética pasada (Jablonka).
Lectura obligatoria: Cap. 5
Lecturas complementarias: Apdos. 8.3, 8.4, 9.3.1 y 9.3.5.