un enfoque molecular y organísmico.

¿ESTA EN NEODARWINNISMO TAMBALEANTE?,
UN ENFOQUE MOLECULAR Y ORGANISMICO
Daniel Piñeiro,
Instituto de Biología, UNAM
Antecedentes
La teoría actual de la evolución o neodarwinismo (Dobshansky y Col., 1977) considera que la
especialización y la adaptación son fenómenos acoplados de tal manera, que la selección
diferencial de genotipos lleva a la diferencial de genotipos lleva a la diferenciación poblacional,
al aislamiento reproductivo y eventualmente a la formación de especies nuevas. Otras
alternativas pueden concebir a estos fenómenos como absolutamente desacoplados o
considerar que el fenómeno de especiación se lleva a cabo previamente al de adaptación, de
tal forma que nuevas especies se generan por procesos independientes de la adaptación,
actuando la selección natural a nivel intraespecífico sin tener ninguna relación con la
especiación misma.
El neodarwinismo: principios generales
Existen, en principio, cuatro aspectos que forman la base del neodarwinismo. El primero, que
se da variación genética en poblaciones naturales. El segundo se refiere a que algunas de las
variantes contribuyen en mayor medida a la siguiente generación. El tercero es una
consecuencia del anterior, y se refiere a que algunos alelos incrementan su proporción de una
generación a otra, principalmente por medio de la selección natural. Por último, el
neodarwinismo considera que como resultado de los procesos mencionados hay diferenciación
entre poblaciones que facilita el aislamiento reproductivo entre éstas y finalmente la
diferenciación genética conducirá a la formación de especies diferentes. A estas premisas
(darwinismo) hay que añadirle el mecanismo. El entendimiento del primer puntos e inició
cuando se encontró que el ADN (ácido desoxirribonucleico) es el material hereditario y se
describieron los mecanismo moleculares de mutación entre 1950 y 1970. Las formalizaciones
del segundo y tercer punto se hicieron entre 1908, año en que se propuso la ley de HardyWeinberg, y 1931, año en que el apareció el trabajo de S. Wright que llevaba por título
“Evolución en poblaciones mendelianas” y que siguió a las obras de R. Fisher (1930) y H. B. S.
Haldane (1927). La formalización del cuarto punto ha estado ocurriendo durante los últimos
veinte años, sin embargo, a diferencia de los anteriores puntos, no existe un modelo teórico
que tenga una aceptación a nivel mundial (Templeton, 1981).
En los últimos años, muchos de los principios de la teoría neodarwinista han sido puestos en
tela de juicio. Estas críticas incluyen las siguientes suposiciones del neodarwinismo: i) La
proporción de variabilidad existente que puede explicarse con modelos adaptativos (i. e. Gould
y Lewontin, 1979); ii) Los mecanismos de generación de variación genética son aleatorios en
cuanto a la probabilidad de mutación y a la direccionalidad de la misma (i. e. Alberch, 1980), y
iii) Los modelos que suponen que los caracteres cuantitativos dependen de efectos génicos
aditivos e iguales (i. e. Lande, 1982).
Este trabajo revisará en detalle estas tres suposiciones y pasará posteriormente a relacionarlas
con los modelos formales que se han propuesto como alternativas al neodarwinimo, como son
el mecanismo por el que se generan nuevos taxa (macroevolución; i. e. Gould, 1982) y el
modelo naturalista de evolución molecular (Kimura, 1967).
Mecanismos de generación de variación genética
El modelo neodarwinista de generación de nuevas variantes considera que por un vasto
número de procesos se genera variación aleatoria que podría ser o no ser adaptativamente
importante. Esta afirmación se basa en experimentos donde se demostró que la mutación es
un proceso aleatorio (Luria y Delbruck, 1943), pues la probabilidad de que un locus mute
obedece a una distribución de Poisson.
Las tasas de mutación se consideran aleatorias en varios sentidos. El primero se refiere al
hecho de que son aleatorias en sentido espacial. Esto es, la probabilidad de que un gene mute
es aleatoria con respecto a la posición del gene en el cromosoma. La segunda se refiere a que
la mutación es aleatoria con respecto a la función del gene y la tercera se refiere a que
aquellos genes que mutan no son ni los que tienen mayor ni los que tienen menor adecuación.
La mutación se considera entonces aleatoria respecto del fenómeno de adaptación.
Esta
afirmación descansa en la suposición de que el genoma es homogéneo respecto de su impacto
en la adaptación. Esto implica que el efecto de todos los loci en la adaptación es aditivo y de la
misma magnitud, de tal forma que no habría interacciones intraloci, interloci o genotipoambiente.
Estas
suposiciones,
aunque
aparentemente
insalvables,
no
parecen
ser
extremadamente importantes (Falconer, 1981: 116-1249. El segundo nivel implicado en
suponer que el genoma es homogéneo en su impacto en la adaptación, consiste en considerar
que todos los fragmentos del genoma tienen impacto en la adaptación individual. Esto supone
que cualquier cambio en el ADN modificará de alguna manera la adaptación del individuo (debo
recalcar que el término adaptación es aquí usado como contribución diferencial de genotipos a
la siguiente generación y no como un acoplamiento global al ambiente). La proporción del
genoma que es estructural en eucariontes es de alrededor del 50% en cantidad de ADN
(Dobzhansky, et al., 1977: 85-86), lo cual significa que debemos buscar un valor adaptativo a
nivel organísmico a las secuencias que no se expresan (ver Dawkins, 1982 para una visión
alternativa). Este intento incluye ideas acerca de la posible importancia que la cantidad de ADN
tiene en la tasa de crecimiento individual (Grime, 1982) o la posible implicación que se atribuye
a las secuencias repetidas como secuencias reguladoras de la expresión génica (Britten y
Davidson, 1970).
Todo lo anterior sugiere que el entendimiento de los mecanismos de mutación en relación a la
posición, impacto en la adecuación y función de los genotipos y fenotipos es un área en la que
el descubrimiento de direccionalidad se opondría a una de las suposiciones básicas del
neodarwinismo.
Plasticidad de expresión del genotipo: ¿Preadaptación renacida?
El concepto de preadaptación se generó dentro de la teoría neodarwinismo para expresar la
idea de que la evolución no es un fenómeno en el cual el ambiente modifica el genotipo de un
organismo (herencia suave); sugiere que existe una gran cantidad de variabilidad fenotípica
que puede modificar función, con lo cual se adaptaría a otro ambiente. Un ejemplo clásico de
este fenómeno es vejiga natatoria que se modificó y convirtió en pulmón. Recientes datos
acerca de la estructura de los genes de la hemoglobina (e. g. Proudfoot et al., 1980), así como
el análisis directo de la estructura proteica (e. g. Plapp, 1982), sugiere que una molécula de
proteína puede ser dividida funcionalmente en partes. Así por ejemplo, se ha visto que sólo una
pequeña porción de la molécula de hemoglobina es responsable de la fijación del oxígeno. A
este fenómeno se el puede unir la evidencia que se tiene en relación a la idea de que el
genoma puede ser duplicado. Estos dos fenómenos –es decir, la presencia de secuencias
pequeñas con funciones definidas y la duplicación de ellas y posterior diferenciación- sugieren
que la variación funcional podría llevarse a cabo por la transposición de secuencias con
funciones complementarias a lugares adyacentes del genoma. El número total de moléculas
estructurales en una célula puede ser definida como E. Supongamos que la mayoría de las
enzimas contienen tres tipos de zonas estructurales. Una con funciones catalíticas, la segunda
con funciones catalíticas, la segunda con funciones estabilizadoras y la última con función
regulatoria (Plapp, 1982). Llamemos al número de funciones catalíticas c, estabilizadoras e, y
regulatorias (alostéricas) a.
Entonces podemos decir que Emax=(c) (a) (e)
Si suponemos que un eucarionte típico tiene entre 10,000 y 100,000 enzimas, podemos
explicar su presencia con valores de a, c y e que van desde 20 a 50 estructuras básicas para
cada una de las tres funciones. ¿Cómo se distingue esto de un modelo puramente
neodarwinista de generación de la variabilidad? El modelo aquí propuesto requiere de
aproximadamente 60-150 funciones básicas, mientras que el neodarwinismo requiere de la
aparición independientemente de las 10,00-100,000 funciones. Además, el mecanismo aquí
propuesto de generación de nuevas funciones metabólicas tiene una cierta direccionalidad en
cuanto a que la aparición de nuevas funciones está sesgada hacia aquellas que resultan de la
combinación de funciones que una población tiene.
Expresión del genotipo: modelos clásicos
Los modelos clásicos de genética cuantitativa predicen un fenotipo como la suma de los
diferentes efectos alélicos en múltiples loci que lo afectan. La extensión de esta idea a n loci se
hace en general suponiendo la parte aditiva (genética heredable) de los efectos génicos
(Bulmer, 19809: 48).
Así, la expresión para más de dos loci sería en forma simplificada G= m + A+ D + AA + AD +
DD + AAA + AAD +. . .Donde G es el fenotipo con cierto genotipo, m es la medida de la
población, A es la parte aditiva del componente genético, D es la parte debida a la dominancia
del componente genético y los demás son términos de interacción.
Como podrá ser aparente ahora, la descripción formal de la expresión fenotípica es un asunto
muy difícil, dado que la estimación de todos los componentes de variancia mencionados es
muy compleja y en la mayoría de los casos imposible. La teoría de la genética cuantitativa
como una alternativa para entender el mecanismo de expresión del genotipo se completó,
como la conocemos actualmente, por Cocherham (1954) y no ha sido sensiblemente
cambiada. A esto hay que añadirle otros dos problemas: el primero es un problema teórico y se
refiere al hecho de que el modelo debe incluir los términos que describen la plasticidad
genotípica en diversos ambientes. Esto sugiere que el modelo debe incorporar el hecho bien
demostrado de que el mismo genotipo se expresa de diversas maneras cuando el ambiente
cambia (Clausen, Keck y Hiesey, 1940). El segundo problema se refiere a que la relación
jerárquica entre las expresiones fenotípicas de diversos genotipos no se mantiene constante en
muchos casos. Es decir, en algunas ocasiones el genotipo que expresa un fenotipo mayor en
un ambiente puede ser el que se exprese menos en otro ambiente. Como ya he mencionado, la
estimación de las variancias de este modelo ha probado ser muy difícil. Aún así, en algunos
diseños sí ha sido posible estimar los componentes aditivo y de dominancia de la variancia
genotípica (Mural y Yamaguchi, 1974) y la base de la teoría de la sobredominancia como
fenómeno que mantiene la variación genética (Dobzhansky y Spanssky, 1963) ha prevalecido.
De todas maneras, estas estimaciones han sido objeto de crítica y, desde luego, en estos
experimentos no se contempla el papel que podría estar jugando el ambiente. Todo lo anterior
sugiere que los modelos clásicos de genética cuantitativa no han sido suficientes para
ayudarnos a entender la expresión genotípica porque no han podido, dentro de su realismo,
producir hipótesis acerca de los mecanismos de expresión de los genes.
Expresión del genotipo: modelos alternativos
A veces, para estudiar un fenómeno, es necesario partir de un modelo sencillo y poco a poco
irlo complicando. De hecho, la teoría de la genética cuantitativa ha seguido ese camino, pero
su nivel analítico ha quedado en forma simple. El análisis que a continuación presentarse es
una aproximación inicial que podría, al irse complicando, resolver algunas de las preguntas que
la genética cuantitativa no ha podido responder. Este análisis fue inicialmente desarrollado por
Gould (1977) y Alberch et al. (1979). Esta escuela se remonta a los inicios del estudio del
fenotipo como una expresión de la historia evolutiva (la ley de la recapitulación de Haeckel es
un ejemplo, que resultó equivocado, de esta línea de pensamiento). El enfoque usado por
estos autores se basa en tratar de entender el fenómeno de generación del fenotipo como
resultado fenomenológico, más que proponiendo un mecanismo particular. Este esfuerzo
consiste en redefinir las variables de la expresión fenotípica para periodos tempranos en la
ontogenia, con el objeto de simplificar el modelo de desarrollo. El primero es el momento
(tamaño) en donde empieza el desarrollo del carácter (a), el segundo es el momento (tamaño)
donde termina (b) y el tercero es la tasa de incremento en función del tiempo (Ka) o del tamaño
(Ks). La aparición o crecimiento de portes en diferentes tiempos y para diferentes grupos
taxonómicos, heterocronía, ha mostrado en algunos casos obedecer a patrones mendelianos
de herencia (i. e. Gottlieb, 1984). En forma contrastante, la vaina presenta para las cuatro
especies tasas de desarrollo similares excepto para Ph. lunatus, mientras que el tamaño al que
el crecimiento se detiene distingue a Ph. coccineus y Ph. vulgaris de Ph. acutifolius y Ph.
lunatus.
Este enfoque elimina la variancia asociada con la formación de un carácter durante su
desarrollo analizándolo como un fenómeno global. Es por lo anterior que en principio podría
considerarse un enfoque más simple y fructífero ya que la variancia ambiental (plasticidad) es
absorbida o nulificada al hacer el análisis alométrico. No hay estudios en los que se haya
caracterizado la interacción genotipo-ambiente por lo que no es claro si ello afectaría el
análisis.
En conclusión, podemos afirmar entonces que con este enfoque se eliminan algunos de los
problemas que presenta el análisis de la genética cuantitativa clásica, ya que se ataca el
problema de la expresión del genotipo buscando variables en estados primarios del desarrollo,
que podrían actuar afectando varios aspectos de un carácter en una forma global.
Los trabajos presentados enfrentan el problema a nivel fenotípico, sin proponer un mecanismo
fisiológico o molecular. Aun así, y en forma independiente, se han descrito mecanismos
moleculares que podrían ser responsables de los patrones gruesos de desarrollo, lo cual
significa que unos pocos genes podrían ser responsables de grandes cambios a nivel
morfológico. Este fenómeno ha sido descrito en Drosophila (Bender et al., 1983). Será
interesante observar hasta qué nivel llega esta generalización. Secuencias similares a las
encontradas en Drosophila han sido descritas en ranas y hasta levaduras (Sheperd et al.,
1984), lo cual sugiere un mecanismo universal para el plan de desarrollo en diversos
organismos.
¿Es la adaptación un fenómeno omnipresente?
La mera existencia de un organismo, población o especie comprueba su adaptación. Aun así,
queda el siguiente aspecto: la adaptación del fenotipo, la observada, debe ser vista como una
problemática del todo. Un organismo, se dice, está acoplado con el ambiente. Esta afirmación
se puede interpretar desde un punto de vista parcial concibiendo a las partes como aspectos
que en general juegan un papel relevante en la adaptación. ¿Es entonces la adaptación un
fenómeno en el que las partes tienen, como los músicos, una función determinada? pero. . .
¿si un violinista deja de tocar se oirá mal la orquesta? ¿Es el organismo como una orquesta?
Hay caracteres sin los cuales la supervivencia sería imposible, pero ¿qué tantos caracteres
cumplen con esta premisa de ser adaptativos? ¿Es el organismo tan finamente adaptado al
medio que cualquier pequeña modificación disminuye su adaptación? ¿Es la adaptación un
fenómeno “dentro de ciertos rangos”? Un poco de luz a este respecto arrojan a nivel molecular
los datos acerca de las tasas de sustitución que se han obtenido para diferentes genes y
diferentes posiciones en un condón. El neutralismo bajo esta luz explica la variación genética
en función de restricciones (constraints) adaptativas. Esto significa que la variación existente,
mantenida por mutación y deriva génica, tiene límites estrictos que impone la selección natural,
de tal manera que la tasa de sustitución será guiada por la deriva génica y la mutación siendo
que si el gene (o base) cambiado es muy importante en la adaptación (tiene restricciones) la
tasa de sustitución será menor que en genes con menos restricciones adaptativas. Se ha
mostrado que la tasa de sustitución de la base en la tercera posición de un triplete, o de u
pseudogene (un gene dentro de una familia de genes que por una mutación no es transcrito) es
mayor que aquella de genes funcionales o que ocupan otras posiciones en el triplete (Kimura,
1983ª; 1983b). La pregunta que persiste sería ¿es este neutralismo únicamente válido en el
dominio molecular, o la morfología podrá en el futuro enmarcarse dentro de los mismos
principios?
La especiación: ese evasivo mecanismo
Darwin escribió su libro sobre el origen de las especies y no resolvió el problema central: ¿es la
selección natural la fuerza directriz de la especiación? ¿Es la especiación una extensión del
principio de divergencia que Darwin propone en el Capítulo IV de su libro (Darwin, 1969)? Esta
pregunta, que junto con los mecanismos de adaptación forman la médula de la teoría
neodarwinista de la evolución, no ha sido contestada aún. Sólo la búsqueda de los
mecanismos de especiación nos ayudaría a dar un salto sobre la mencionada teoría.
Una forma que se ha usado para tratar de entender el problema de la especialización ha sido
evaluar la cantidad e diferencias que el genoma de especies presenta (Ayala, et al., 1974);
Gottlieb, 1980). Este enfoque, que creció junto con la teoría neodarwinista, supone que si
pudiéramos graficar la divergencia como una función del grado de parentesco entre dos
taxones (e. g. variedades, subespecies, especies, géneros, etc.) obtendríamos una función
monotónica con pendiente positiva y probablemente una línea recta. Aun así, estamos lejos de
nuestro objetivo, pues este tipo de análisis describe el patrón más no el mecanismo que
produce que se generen especies nuevas. Una forma de enfrentar el problema consiste en
analizar la forma de herencia de las características que distinguen a una especie de otra. Aun
cuando hay problemas porque a veces no se pueden recuperar los híbridos, existen intentos
exitosos en este respecto tanto en plantas (Gottlieb, 1984) como en animales (Coyne, 1984).
¿Es esto entonces un posneodarwinismo?
Una teoría debería prevalecer dentro del ambiente científico mientras sus principios básicos no
se comprueben falsos. El nedarwinismo tiene como principios básicos, por un lado, la teoría de
la selección natural de Darwin y Wallace, en la que la selección natural actúa como la fuerza
directriz de la adaptación y de la especiación; y la teoría de la herencia de caracteres discretos
de Mendel. Su capacidad explicativa a nivel microevolutivo (intraespecífico) ha sido probada
desde hace tiempo. A nivel macroevolutivo (supraespecífico) esta teoría se ha extrapolado,
pero aún no existe la evidencia crítica para mostrar su relevancia. El neodarwinismo, entonces,
ha demostrado debilidad como teoría global de la evolución en el nivel macroevolutivo y en el
nivel molecular, en donde los más recientes descubrimientos rebasan lo predicho por ella.
Como resultado, el neodarwinismo que explica la adaptación también se encuentra
tambaleante. Aun así, el neodarwinismo contiene principios y conceptos que no se han
probado falsos (la selección natural y el mecanismo de herencia. dos de los conceptos básicos
en los modelos de genética de poblaciones, piedra medular de los mecanismos de la evolución
en el neodarwinismo). Es por ello que estamos frente a una teoría que podría ser una
continuación del neodarwinismo y que podríamos llamar posneodarwinismo.
Sólo la generación de mecanismos alternativos como hipótesis de trabajo y su apoyo actual
consumará esto. De todas maneras, el camino hacia ello parece abrirse poco a poco.
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