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CURIOSIDADES CIENTÍFICAS PARA COMPARTIR

Entradas etiquetadas como ‘evolución’

Virus y bacterias para estudiar en directo la evolución

Por Ester Lázaro (CSIC)*

Todos sabemos que en nuestra vida cotidiana hay actos que son perjudiciales para nuestra salud, como tomar el sol sin protector solar, hacerse radiografías innecesarias o ingerir alimentos con ciertos aditivos. Esto es así por la capacidad que la radiación y algunas sustancias químicas tienen para alterar nuestro ADN, la molécula que porta las instrucciones para que nuestras células y nuestro cuerpo sean como son y puedan realizar todas las actividades necesarias para mantenerse vivos.

Los cambios en el ADN se denominan mutaciones y pueden, desde no tener efecto, hasta ser responsables de la aparición de muchos tipos de cáncer. Sin embargo, a pesar de su mala fama, las mutaciones son absolutamente necesarias para que los seres vivos puedan adaptarse a los cambios que continuamente ocurren en el ambiente. Vivimos en un entorno tan dinámico que, sin esta capacidad, la vida se habría extinguido al poco tiempo de iniciar su andadura por nuestro planeta. En lugar de eso, se ha diversificado en un grado tal que cuesta creer que toda la vida tenga el mismo origen.

Virus infectando bacteria

La ilustración muestra un conjunto de bacterias que están siendo infectadas por sus virus característicos, los bacteriófagos. Los experimentos detallados en este artículo se llevan a cabo utilizando un bacteriófago que infecta la bacteria Escherichia coli./ María Lamprecht Grandío

Gran parte de las mutaciones ocurren de forma espontánea, debido a los errores que se producen cada vez que la molécula de ADN es copiada, algo que tiene que suceder siempre antes de que cualquier célula se divida. Las mutaciones son responsables de que los individuos que componen las poblaciones no sean iguales, sino que posean diferencias que les dotan de diferente éxito reproductivo. De este modo, y gracias a la selección natural –de la que ya nos hablaba Darwin hace más de un siglo–, los individuos más aptos acabarán siendo más frecuentes, hasta que lleguen a ser mayoritarios en la población. A lo largo de la historia, esta acción combinada de las mutaciones y la selección natural es lo que ha conducido a la evolución y diversificación de la vida a partir de un ancestro común que vivió hace 3.800 o 4.000 millones de años.

La gran capacidad evolutiva de los microrganismos

Estudiar la evolución no es tarea fácil. No solo por los largos tiempos que normalmente son necesarios para observar sus resultados; también porque su causa primera –la generación de mutaciones– ocurre por azar y porque el efecto de estas depende del ambiente. Para reducir el desconocimiento que todavía existe sobre los principios que gobiernan la evolución sería deseable poder realizar experimentos en el laboratorio que nos permitieran aplicar el método científico.

Las poblaciones experimentales tendrían que satisfacer dos requisitos: evolucionar rápido y ser fáciles de manipular y de analizar, algo que donde mejor se cumple es en los microorganismos. De hecho, la rapidez evolutiva de los virus y las bacterias puede ser observada en el día a día. La contrariedad de que podamos coger la gripe más de una vez, las resistencias de las bacterias a los antibióticos y de los virus a los antivirales, la aparición de nuevas cepas de virus… Todo eso no es más que el resultado de la gran capacidad evolutiva de los microorganismos, que les permite adaptarse en un tiempo récord a casi cualquier circunstancia que pueda limitar su crecimiento.

Pero, ¿por qué los microorganismos evolucionan tan rápido? La respuesta está en la gran velocidad a la que se reproducen y en que durante la copia de su material genético se producen muchas más mutaciones que en otros tipos de organismos más complejos. La consecuencia es que tanto los virus como las bacterias son capaces de generar en poco tiempo poblaciones de gran tamaño y con una elevada diversidad, en las cuales pueden existir mutantes que son beneficiosos en determinadas condiciones ambientales, las mismas bajo las cuales se verán favorecidos por la selección natural.

Entender la evolución para entender el origen de la vida

Los experimentos que realizamos en el laboratorio de Evolución Molecular del Centro de Astrobiología (CSIC-INTA) consisten en propagar poblaciones virales en ciertas condiciones que imponemos y controlamos. Con el paso del tiempo, los procesos de mutación y selección permiten que se genere una población evolucionada, que se podrá analizar y comparar con la ancestral. De este modo, podremos no solo encontrar la respuesta adaptativa frente a una condición ambiental concreta, sino también extraer conclusiones generales sobre el proceso evolutivo.

Las preguntas a las que intentamos dar respuesta son del tipo: ¿cómo pueden responder los virus al aumento de la temperatura ambiental? ¿Existe un límite en la producción de mutaciones que sea incompatible con la supervivencia? ¿Qué relaciones hay entre el tamaño poblacional y la adaptación? ¿Cómo interaccionan las mutaciones? Buscamos entender la evolución de la vida actual, pero también aproximarnos a cómo pudo ser la evolución de las moléculas de replicadores primitivos que precedieron a la vida celular, algo para lo que las poblaciones virales también constituyen un modelo excelente. Pero eso ya es otra historia que nos lleva hacia el pasado de la vida, en lugar de hacia su futuro… Algo fascinante que trataremos en otra entrega de este blog.

* Ester Lázaro es investigadora en el Centro de Astrobiología (CSIC-INTA), donde dirige el grupo de evolución experimental con virus y microorgamismos.

¿Qué tiene que ver la gravedad con la vida en el universo?

Por Carlos Barceló Serón (CSIC)*

La gravitación, el fenómeno por el cual los objetos con masa se atraen entre sí, parece estar detrás de la vitalidad que muestra el universo, es decir, de su capacidad para generar vida.

Remolinos de polvo interestelar en la nebulosa del Águila captados por el telescopio Hubble. Son conocidos como los “pilares de la creación” de la nebulosa, por ser un lugar donde nacen estrellas. / NASA-ESA.

Así ocurre porque la vida tal como la conocemos requiere para su existencia de una gran variedad de elementos químicos. Para que esta complejidad química se haya producido, fue necesario formar primero un ecosistema de estrellas. Es en estos inmensos y potentes hornos donde se generaron los elementos químicos complejos (todos salvo los elementos primordiales generados en fases del universo temprano); incluido el carbono, que es fundamental en los compuestos orgánicos. Es más, algunos elementos pesados solo pudieron formarse en explosiones de tipo nova, supernova o en las colisiones de estrellas de neutrones.

Esto quiere decir que únicamente un medio suficientemente procesado por el nacimiento y muerte de generaciones de estrellas es un terreno abonado para la vida. Y la fuerza suprema responsable de la formación de estrellas es la gravedad. Es ella la que tiende a compactar la materia, aumentando su densidad hasta permitir las reacciones termonucleares responsables del enriquecimiento químico.

Sin embargo, existe otro aspecto todavía más importante que relaciona biología y gravedad, considerada una de las cuatro interacciones físicas fundamentales. Es el hecho de que la gravedad, a través de la generación de estrellas, abre una puerta entrópica en el universo.

¿Qué quiere decir esto? Para entenderlo, hay que saber que la entropía es un concepto fundamental en física de sistemas complejos (gases, fluidos, etc., en general, sistemas con muchos componentes). En la descripción propuesta por Ludwig Boltzmann, la entropía de un sistema es una medida de cómo de ordinaria es la configuración en la que se encuentra entre todas las configuraciones que el sistema podría adoptar. Todos los sistemas físicos conocidos satisfacen la segunda ley de la termodinámica, la cual nos dice que todo sistema evoluciona de lo singular a lo ordinario, es decir, que su entropía y su desorden siempre aumentan.

Restos de una explosión estelar en la nebulosa de Orión. /ALMA (ESO-NAOJ-NRAO), J. Bally-H. Drass et al., via Wikimedia Commons.

Sin embargo, la evolución biológica parece ir a primera vista en contra de esta ley, ya que aparentemente produce de forma progresiva estructuras más organizadas, más singulares. No obstante, esta violación es solo una apariencia y, de hecho, la segunda ley de la termodinámica no se vulnera aquí tampoco. Lo que sucede es que cada disminución de entropía de un sistema vivo se ve compensada con aumentos de entropía en otras partes del sistema total. Nosotros y todos los seres vivos consumimos energía empaquetada de forma singular para devolverla al sistema en forma ordinaria. Al contrario de la visión popular, no funcionamos a base de consumir energía como si de hacerla desaparecer se tratara; nuestros procesos vitales conservan la cantidad de energía. Funcionamos a base de desorganizar la energía. Para poder hacer esto necesitamos que haya fuentes de energía susceptibles de ser desorganizadas. Y un foco caliente –una estrella– en un universo frío proporciona precisamente esta situación.

Todo apunta a que el universo comenzó su andadura a partir de un estado extremadamente singular y que este hecho ha permitido que en la actualidad contenga tal riqueza estructural. Aunque la conexión exacta todavía se nos escape, deberíamos retener la idea de que la gravedad guarda la clave de lo que podría ser el más singular de todos los hechos: el nacimiento entrópico del universo.

 

* Carlos Barceló Serón es investigador del CSIC en el Instituto de Astrofísica de Andalucía, autor del libro de divulgación La gravedad (CSIC-Catarata) e impulsor del proyecto audiovisual ‘Territorio gravedad’.

Venimos del mono… pero no del chimpancé

Por Antonio Rosas (CSIC)*Antonio Rosas

‘Venimos del mono’. Este enunciado, que sintetiza la noción popular de que el ser humano desciende evolutivamente de antepasados primates, suele emplearse en contraposición a la doctrina creacionista, según la cual los seres vivos no son fruto de la evolución, sino de un acto creador. Sin embargo, la idea de que venimos del mono está, por lo general, mal entendida. Por supuesto que descendemos de antepasados primates. Pero no ‘venimos’ de ninguna especie de mono actualmente viva. Una anécdota personal puede ilustrar lo que pretendo decir. Hace ya bastantes años me preguntaba mi abuelo, incómodo e incrédulo ante su dificultad de entender la lógica del proceso evolutivo humano: “Si la evolución es cierta, ¿por qué no siguen saliendo humanos de los monos?” (queriendo decir de los chimpancés; en el imaginario popular, el mono del que venimos se encarna en estos animales). “¿Por qué no siguen evolucionando los monos en hombres?” Una pregunta, por cierto, a la que se enfrentan con frecuencia los profesores de instituto ante sus alumnos. Mi respuesta ese día no fue del todo aclaratoria, y ya lo siento. Creo que hoy respondo mejor diciendo: sencillamente, nunca ‘salieron’ humanos de los monos (los chimpancés). Los chimpancés nunca fueron nuestros antepasados. Son, en un sentido amplio, nuestros hermanos evolutivos. Ambas especies descendemos de un antepasado común que vivió en las selvas africanas del Mioceno. El género Pan (chimpancés) y el género Homo (humanos) compartimos un antepasado común a partir del cual cada linaje siguió su propio rumbo. Los chimpancés son especies vivas que tienen su propia historia evolutiva. Nosotros hemos seguido la nuestra.

 

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Los planteamientos de Antonio Rosas se alejan de una concepción lineal de la evolución humana, y se alinean con una visión centrada en la diversificación de especies. (Imagen de portada del libro ‘Los primeros homininos. Paleontología humana‘)

La idea de asociar a los chimpancés actuales con la expresión ‘venimos del mono’ arraiga en una idea antigua, equivocada, pero extraordinariamente anclada en nuestro pensamiento. Se trata de una noción preevolucionista que se fundamenta en Aristóteles y fue formulada en la Edad Media. Me refiero a la noción de la gran cadena de los seres o Scala Naturae, que ordena a los seres vivos en una secuencia lineal y ascendente, en la que se incrusta la noción de complejidad creciente y progreso. Es en esta noción donde se instala el concepto equívoco de eslabón perdido, con el que se expresa el vínculo intermedio de la cadena de la vida entre los monos y nosotros. La gran cadena de los seres, muy arraigada en el pensamiento occidental, se expresa de forma paradigmática en todos esos esquemas lineales de la evolución humana perpetuados hasta la saciedad, incluso en logos de diseño de instituciones académicas de reciente creación. Del mono peludo que anda a cuatro patas al humano actual, erguido y lampiño, por lo general varón y blanco. Como alternativa, mi posición está más acorde con los modelos centrados en la diversificación de las especies y por eso la imagen que acompaña a este artículo descarta la representación lineal de la evolución humana.

La evolución de los homínidos la entendemos hoy como un proceso de bifurcaciones sucesivas que podemos visualizar como las ramas de un árbol. Cada bifurcación origina dos linajes evolutivos en cuya base se localiza un hipotético antepasado común de esos dos linajes. Si nos concentramos en nuestra relación con los simios africanos visualizamos el proceso evolutivo como la bifurcación de las poblaciones de un hipotético antepasado común que dio origen, por un lado, al linaje de los gorilas y, por otro, al linaje de unos simios que, en su posterior evolución, darán lugar al ancestro común exclusivo de chimpancés y humanos. Desde este último antepasado común de chimpancés y humanos (UAC Homo-Pan) tendrá lugar una nueva bifurcación (división de poblaciones) que dará origen de nuevo a dos ramas. Por un lado, al linaje de los chimpancés y, por el otro, al linaje de los homininos, del que eventualmente surgirá la especie humana. Así, entendemos la evolución como una sucesión jerarquizada de antepasados comunes de los que fueron divergiendo linajes, algunos con representantes vivos, muchos otros extintos antes del presente.

 

* Antonio Rosas es paleoantropólogo en el MNCN (CSIC). Este texto está extraído de su libro Los primeros homininos. Paleontología humana, editado por el CSIC y Los Libros de la Catarata.

En la frontera de la química: cómo la materia se convirtió en vida

AutorPor Manel Souto Salom (CSIC)*

Hace tiempo, un redactor de una revista científica le preguntó a Jean-Marie Lehn, premio Nobel de Química en 1987, cuál era el gran interrogante de la química. “Los físicos tratan de desentrañar las leyes del universo. Los biólogos dicen que intentan resolver las reglas de la vida. Pero, ¿cuál es la gran pregunta que los químicos deben responder?” Lehn le contestó que la química tiene el reto de resolver la pregunta más importante de todas: ¿cómo la materia ha sido capaz de convertirse en algo que viva o piense? ¿De qué manera ha podido generar entidades capaces de preguntarse sobre el origen mismo del universo del que surgió?

Desde este punto de vista, la química constituye el puente que hay entre las leyes del universo y su específica forma de vida, es decir, entre la física y la biología. Su objetivo es descubrir y entender el proceso que gobierna la evolución de la materia hacia el aumento de su complejidad, desde las primeras partículas hasta la vida y la materia pensante.

Gran Salar de Uyuni

Imagen microscópica de cristales procedentes del Gran Salar de Uyuni flotando en el agua junto a diversos microrganismos. / María Jesús Redrejo Rodríguez y Eberhardt Josué Friedrich Kernahan (FOTCIENCIA12)

Y la clave de todo ello es la autoorganización, definida por Lehn como “la fuerza motriz del universo”. La premisa básica es que nuestro universo está construido de tal manera que la materia tiende a autoorganizarse; por lo que los seres humanos no somos un accidente, sino el resultado de nuestro universo.

Para estudiar de qué forma se organiza la materia, Lehn propone ir más allá de las fronteras de la química tal y como se la entiende comúnmente. Hoy día hablamos de química supramolecular para describir las interacciones de las moléculas entre sí. Si pensamos que una molécula es una casa compuesta por átomos que funcionan como ladrillos, la química supramolecular se ocuparía de la vida en el barrio.

Pues bien, Lehn parte de la base de que las interacciones entre moléculas son dinámicas y adaptativas. Es decir, que las casas y los edificios son capaces de ensamblarse y reordenarse para dar lugar a un barrio más complejo que el de partida; y que esos procesos responden a las condiciones del entorno en el que se producen. Lehn habla de una evolución predarwiniana – es decir, previa a la vida– para referirse a estas adaptaciones.

En el principio de la explosión original o Big Bang, era la física quien reinaba. Luego, cuando se alcanzaron temperaturas más bajas, vino la química. Las partículas formaron átomos y estos se unieron para producir moléculas cada vez más complejas dando a luz a las primeras células de las que brotó la vida en nuestro planeta. Esto ocurrió hace 3.800 millones de años. Hoy, la tarea de la química es revelar las vías de autoorganización y trazar los caminos que condujeron a la materia inerte hacia la materia orgánica, de ahí a la materia viva y, por último, a la pensante.

 

* Manel Souto Salom (Valencia, 1988) realiza su tesis doctoral en el Departamento de Materiales Orgánicos y Nanociencia Molecular (Nanomol) del Instituto de Ciencia de los Materiales de Barcelona del CSIC. Es autor del blog www.reaccionando.org y colaborador de El Huffington Post y El Periódico de Catalunya.

¿Sabías que el sexo nos protege de los parásitos?

Por Mar Gulis

Pulgas, ladillas y cosas peores… Hoy sabemos que la actividad sexual practicada en malas condiciones de higiene entraña el riesgo de contraer molestos inquilinos. Sin embargo, la historia de la vida en la Tierra viene a decirnos que el sexo ha sido y es un importante arma en la lucha contra los parásitos.

Uña de garrapata

Uña de garrapata / Carolina Bolívar Medina (FOTCIENCIA)

El parasitismo es un modo de vida mucho más extendido en la naturaleza de lo que se tiende a pensar. El 60% de las especies conocidas son parásitos y prácticamente ningún ser vivo se libra de sufrirlos, porque incluso la mayoría de los organismos que consideramos parásitos son explotados por otros. La garrapata que le chupa la sangre a nuestro perro, por ejemplo, sirve de alimento a pequeños ácaros, de los que a su vez se aprovechan hongos y bacterias…

En su libro Parasitismo (CSIC-Catarata), el biólogo Juan José Soler explica que las especies hospedadoras y sus molestos huéspedes llevan librando, generación tras generación, una intensa batalla que ha influido de manera decisiva en su evolución. Las adaptaciones de los hospedadores para defenderse de los parásitos han sido ‘contestadas’ por estos últimos con nuevas adaptaciones que a su vez han obligado a sus anfitriones a adaptarse… Y así, en una especie de carrera enloquecida, los hospedadores han tenido que seguir corriendo para que los parásitos no les saquen demasiada ventaja. El fenómeno es conocido como el de la Reina Roja, por la explicación que este personaje de Alicia en el país de las maravillas da a la protagonista del relato tras una extenuante carrera: “En este lugar hace falta correr todo cuanto una pueda para permanecer en el mismo sitio”.

La principal dificultad de los hospedadores es que su ritmo de reproducción suele ser menor que el de los parásitos –por cada generación de seres humanos pueden vivir entre 70 y 270 generaciones de pulgas–. Esto significa que una mutación que ofrezca ventajas adaptativas a una pulga, puede generalizarse a toda la especie a un ritmo mucho mayor que en los humanos.

"En este lugar hay que correr todo lo que puedas para mantenerse en el mismo sitio"

“En este lugar hay que correr todo lo que puedas para mantenerse en el mismo sitio”.

Según la hipótesis de la Reina Roja, es el sexo lo que hace a los hospedadores no perder la carrera. Desde este punto de vista la razón por la que todos los animales y la mayoría de las plantas se reproducen sexualmente en lugar de clonarse –algo que energéticamente resulta mucho más ‘barato’– es que el sexo favorece la variabilidad genética de las poblaciones. Gracias a esa variabilidad, las especies contarían con un amplio repertorio de respuestas inmunitarias para hacer frente a las amenazas parasitarias. Pensemos, por ejemplo, en una nueva cepa bacteriana virulenta. Si en una población unos pocos individuos tuvieran una variante genética que les permitiera sobrevivir a ella, se evitaría la extinción porque los descendientes de estos individuos serían resistentes a la infección.

Si, además de reproducirse sexualmente, los individuos de una especie se sintieran atraídos por los que tienen las mejores defensas, el efecto antiparasitario del sexo aumentaría. Los estudios realizados en aves como el pavo real o las golondrinas han demostrado que los parásitos influyen en su comportamiento sexual: las hembras prefieren a los machos con las colas más grandes y llamativas porque dichos caracteres indican que esos individuos sufren un bajo grado de parasitismo.

Vamos, que a las múltiples bondades conocidas del sexo tenemos que añadir una más: su potente efecto desparasitador.