Evolución y envejecimiento

Evolución y envejecimiento
Juan Manuel Rodríguez Caso, PhD
DOI: 10.13140/RG.2.2.28316.69768
1. Introducción
En términos simples, el envejecimiento es el proceso por el que los organismos se
vuelven más viejos. Desde un punto de vista más complejo, el envejecimiento en
humanos se refiere a un proceso multidimensional de cambios sociales, físicos y
psicológicos. Como parte del proceso natural por el que pasa cualquier organismo,
entender los procesos biológicos involucrados en el envejecimiento ha sido uno de
los grandes enigmas a resolver por los biólogos evolutivos, como lo hizo ver Sir
Peter Medawar en 1952 con su escrito “An Unsolved Problem of Biology”, aunque
es cierto que el tema ha sido tratado desde hace mucho tiempo, ya que incluso
Aristóteles planteó la necesidad de estudiar el envejecimiento desde una
perspectiva natural en su De Longitudine et Brevitate Vitae.1
Dada la importancia social del envejecimiento, como puede ser la
implementación de políticas públicas adecuadas, es que la información que
pueden proveer los estudios evolutivos es de vital importancia. A partir de esto, la
intención de esta presentación es presentar algunas de las explicaciones sobre el
envejecimiento desde el evolucionismo, tanto desde una perspectiva histórica
como los avances recientes.
1
Rose 1991: vii.
1
2. Antecedentes históricos
El envejecimiento ha sido un auténtico rompecabezas para la teoría de la
selección natural, si consideramos la intuición básica de Darwin, sobre que la
adaptación puede ser explicada por las tasas de supervivencia de los individuos
con características heredables que a su vez mejoran la supervivencia y la
reproducción; con lo que esas características favorables se transmiten a la
descendencia. Pero la pregunta se mantiene, ¿cómo es posible que la evolución
ha producido frecuentemente organismos con tasas de supervivencia y
reproducción que declinan con la edad adulta?2
La primera explicación darwiniana sobre el envejecimiento fue propuesta
por el co-descubridor de la teoría de la selección natural, Alfred R. Wallace (18231913), en una nota escrita entre 1865 y 1870, y publicada por el biólogo evolutivo
británico Sir Edward B. Poulton (1856-1943) como parte de la traducción al inglés
del ensayo “The Duration of Life”, del naturalista alemán August Weismann (18341914), en el que más adelante se profundizará. El planteamiento de Wallace se
enfoca en resaltar la importancia de los cuidados parentales para el éxito
reproductivo de los organismos, de tal manera que:
…cuando uno o más individuos han provisto de un número suficiente de
sucesores ellos, como consumidores de alimento en un grado creciente y
constante, resultan dañinos para sus sucesores. La selección natural por lo
tanto lo elimina, y en muchos casos favorece tales razas como para morir
inmediatamente después de haber dejado sucesores. Muchas polillas y
2
Rose 1991: 3.
2
otros insectos están es esta condición, viven solo para propagar su especie
para luego morir de inmediato, por lo que algunos ni siquiera llegan a tomar
cualquier alimento en el estado perfecto y reproductivo.3
Fue un planteamiento breve, en el que Wallace buscó destacar el importante papel
que puede llegar a jugar el grupo y no el individuo en la supervivencia de la
especie. Sin embargo, un planteamiento mucho más detallado fue el planteado por
Weismann en el ensayo mencionado anteriormente. Weismann partió de un
rechazo explícito de que la longevidad biológica estuviera determinada solamente
por los atributos psicoquímicos del cuerpo en un sentido mecánico, sino que: “la
duración de la vida realmente depende de la adaptación a condiciones externas,
por lo que la duración, sea más larga o más corta, es gobernada por las
necesidades de las especies”.4 Este planteamiento provocó una separación entre
la visión evolutiva y la fisiológica, y de esta última surgiría la gerontología
moderna.
Ahora bien, la propuesta de Weismann también ponía énfasis en la
selección de grupo:
… al regular la duración de la vida, la ventaja de las especies, y no del
individuo, es la única de alguna importancia. Esto debe ser obvio para
cualquiera que alguna vez haya pensado cuidadosamente sobre el proceso
de selección natural. No es de importancia para la especie si el individuo
vive más o menos, pero es importante que el individuo debería de estar
posibilitado para mantener a la especie.5
A partir de esto, Weismann discutirá que la historia natural de las especies está
fundada en la percepción del bienestar de las especies como el objeto principal de
la selección, aunque a diferencia de Wallace, no consideró que los padres o los
3
Wallace en Weismann 1889: 23.
Weismann 1889: 9.
5
Weismann 1889: 10.
4
3
organismos viejos fueran perjudiciales de alguna manera para la supervivencia del
resto de organismos.
Un avance importante en el estudio de la vejez llegó con la genética de
poblaciones, especialmente con los trabajos de los británicos Ronald A. Fisher
(1890-1962) y J.B.S. Haldane (1892-1964). En términos generales, la propuesta
tanto de Fisher como de Haldane proporcionaba las bases matemáticas para
entender las tasas de supervivencia dentro de las poblaciones en relación con el
éxito reproductivo, y así poder hacer una correlación con la edad de los
organismos. Para el tema que nos interesa, esa fecundidad disminuye con la
edad, una idea casi intuitiva, pero que Fisher y Haldane lograron expresar en
términos matemáticos,
∞
∫ 𝑒 −𝑟𝑥 𝑙 (𝑥 )𝑚(𝑥 ) 𝑑𝑥 = 1
0
en donde r es el fitness del organismo, dado por el parámetro malthusiano; e es el
exponencial natural; l(x) es la “supervivencia”, o sea la probabilidad de
supervivencia desde el nacimiento hasta una edad x; y m(x) es la fecundidad por
individuo a la edad x.6 Ese parámetro malthusiano es equivalente al fitness en un
locus para un modelo de dos alelos cuando l(x) y m(x) son independientes en el
tiempo del genotipo.
Un autor que realizó importantes aportaciones al tema fue el también
biólogo británico Sir Peter Medawar, el primero en buscar resolver el problema del
envejecimiento desde una perspectiva evolutiva a partir de trabajos específicos.
6
Rose 1991: 7-8.
4
Más que modelaciones matemáticas como Fisher o Haldane, Medawar desarrolló
su argumento tanto verbal como gráficamente, para lo que usaba poblaciones
hipotéticas con una probabilidad constante de supervivencia por unidad de tiempo.
Fue a partir de la década de 1960 con los trabajos de William D. Hamilton
(1936-2000) y Brian Charlesworth (1945) que lograron hacer una propuesta
matemática y evolutiva consistente en todo sentido. La propuesta de Hamilton,
uno de los proponentes más reconocidos de la sociobiología, se basó en la
fórmula de Fisher, pero considerando que la población debía dividirse en clases de
edad discretas (o sea, no continuas),
𝑙 (𝑥 ) = 𝑃(0)𝑃(1)𝑃(2) ⋯ 𝑃(𝑥 − 1)
∞
∑ 𝑒 −𝑟𝑥 𝑙 (𝑥 )𝑚(𝑥 ) 𝑑𝑥 = 1
𝑥=1
El valor de P es la proporción de organismos que han alcanzado una edad t; y
m(x) una vez corresponde a la fecundidad a una edad específica, seguido de la
sumatoria que les sigue hasta el infinito.
Charleswoth, por su parte, logró un planteamiento en el que el parámetro
malthusiano de un genotipo podía ser considerado como equivalente al fitness. En
otras palabras, las frecuencias génicas dinámicas con estructura de edad son
similares a aquellas con generaciones discretas, en los que el parámetro
malthusiano se ve afectado por apareamiento no azaroso, dependencia de la
densidad, y diferencias en la selección de sexos, todos ellos factores que pueden
provocar desviaciones en las dinámicas evolutivas.
5
Con este breve recorrido histórico, lo que se debe destacar es que todos los
biólogos evolutivos que han trabajado sobre el envejecimiento han coincidido que
la causa última es la fuerza declinante de la selección natural con la edad. Los
planteamientos matemáticos, aunque sofisticados, confirmaron esta idea, que se
convirtió en la base de la teoría evolutiva del envejecimiento.
3. Interpretaciones evolutivas sobre el envejecimiento
En términos actuales, es importante mencionar aquí brevemente las diferentes
definiciones que se utilizan al momento de hablar del envejecimiento. En
gerontología, usualmente se habla del aumento en el tiempo de la probabilidad de
la muerte. Medawar hablaba de disminuciones tanto en las tasas de supervivencia
para edades específicas como en las tasas de reproducción para edades
específicas, una idea que han sostenido otros autores como Hamilton y
Charlesworth,7 y que de manera obvia hace énfasis en la importancia de la
reproducción de los organismos. Otros autores, como Rose, proponen esta
definición: “una disminución persistente en los componentes de la aptitud para una
edad específica de un organismo debido al deterioro fisiológico interno”,8 que se
centra en las fluctuaciones en las oportunidades reproductivas, el deterioro en la
calidad del ambiente del organismo, y en cambios dependientes del fenotipo y de
la edad.
7
8
Hamilton 1966, Charlesworth 1980.
Rose 1991: 20.
6
A partir de lo anterior, desde la biología evolutiva se pueden resaltar tres
enfoques desde los que se ha estudiado el envejecimiento: el campo
experimental, la genética y la biología molecular.
a. Experimentales
Los mejores experimentos para probar la teoría evolutiva del envejecimiento son
experimentos de selección en los que la acción
de la selección natural a
diferentes edades adultas es manipulada. Estos experimentos dependen de
algunas suposiciones: se asume la validez de la genética de poblaciones (que a
su vez depende de la validez de la teoría mendeliana); se requiere la existencia de
variación genética que afecte la supervivencia y reproducción de los adultos; se
requiere que no toda la variación genética que afecta el envejecimiento covaríe
positivamente con la aptitud biológica.
A partir de estas suposiciones, los principales experimentos que se han
hecho han sido con modelos biológicos conocidos, como Drosophila (mosca) y
Caenorhabditis (gusano), que han mostrado por un lado diferencias en los
patrones de envejecimiento, pero que sobre todo han servido para confirmar la
importancia de la variación genética en esos patrones. De hecho, existen
evidencias de este tipo de experimentos desde principios del siglo XX, de manera
paralela al desarrollo de la genética clásica.
Estos experimentos tienen algunos problemas: a pesar de la importancia de
las variaciones genéticas, existe una gran disparidad entre los fenotipos y sus
correlaciones genéticas, que pueden dar resultados en los que la sola evidencia
7
fenotípica sea concluyente. Otro problema es la depresión endogámica,
particularmente por los efectos deletéreos que puede provocar en la mayor parte
de las especies sexuales, al punto que muchos organismos tienen mecanismos
para evitarla.9 Un problema relacionado es el de las mutaciones de novo, al
momento de hablar de las relaciones entre las nuevas mutaciones y alelos ya
establecidos dentro de las poblaciones, en las que esas mutaciones pueden llegar
a afectar el fitness de los organismos. Un último problema es la interacción entre
genotipo y ambiente, en el que se manifiesta de nuevo que determinado genotipo
puede no dar los mismos resultados en función de diferentes ambientes en los que
se puede encontrar, con la consiguiente diferencia en el éxito reproductivo de los
organismos o bien, en el desarrollo de una estructura de edad específica.
Como una posible respuesta a estos problemas, se ha sugerido que la
única evidencia que puede responder a la pregunta sobre la relación evolutiva
entre envejecimiento y adaptación es aquella que se obtiene de poblaciones en las
que se permite que procreen de manera natural y que son estudiadas en su propio
ambiente evolutivo.10
En términos generales, la experimentación desde una perspectiva evolutiva
indica que el envejecimiento es genética y evolutivamente distinto del fitness. Se
considera que la evolución del envejecimiento es entonces un proceso separado
de la evolución del fitness que depende de manera crítica del grado en el que los
caracteres tempranos y tardíos de las historias de vida están genéticamente
correlacionados de manera positiva.
9
Charlesworth y Charlesworth 1987.
Rose 1991: 49-50.
10
8
b. Genéticas
Son varios los mecanismos genéticos que pueden estar involucrados en el
proceso de envejecimiento. En la línea de la teoría evolutiva, las adaptaciones
pueden ser explicadas mediante varias hipótesis en relación con los mecanismos
evolutivos:
1) La selección natural actúa sobre unos pocos loci de efectos mayores
2) La selección natural actúa sobre muchos loci de efectos menores
3) La selección natural actúa sobre loci de diferentes efectos que inciden
de manera simultánea en diferentes caracteres11
Desde la genética de poblaciones se han propuesto dos mecanismos genéticos: a)
pleiotropía antagonista, en la que los alelos que tienen efectos benéficos en
edades tempranas tienen efectos deletéreos en edades adultas; y b) especificidad
de la edad de la acción de genes, en la que los alelos que tienen efectos
deletéreos en edades adultas son esencialmente neutros, debido a una carencia
de efectos en edades tempranas y una selección débil en edades adultas debido a
la declinación de la fuerza selectiva.
Las primeras discusiones sobre pleiotropía antagonista fueron de Medawar
en 1946, en la que planteaba que un gen o combinación de genes podían
diseminarse en una población dada a través de grupos de jóvenes, ya que como
grupo podían hacer una contribución mayor a la población, con lo que podían
conseguir que sus genes tuvieran mayor presencia entre la progenie.12
11
12
Wright 1980.
Medawar 1946.
9
Posteriormente, el biólogo evolutivo estadounidense George C. Williams se
convirtió en el principal defensor de esta idea como el mecanismo principal para
explicar la evolución de la vejez:
La selección de un gen que confiere una ventaja a cierta edad y una
desventaja a otra dependerá no solo de las magnitudes de los efectos
mismos, sino de los tiempos de esos efectos. Una ventaja durante un
periodo de probabilidad máxima de reproducción incrementará la
probabilidad total de reproducción más que una desventaja similarmente
proporcional que posteriormente pudiera minimizarla. Así la selección
natural frecuentemente maximizará el vigor en los jóvenes a expensas de
hacerlo posteriormente y de la misma manera producirá un vigor declinante
(vejez) durante la vida adulta.13
Ahora bien, la especificidad de la edad de la acción de genes se concibe a partir
de tres modelos: 1) efectos cualitativamente uniformes en todas las edades, bien
sean benéficos o deletéreos; 2) efectos variados, tanto benéficos como deletéreos,
en todas las edades; y 3) efectos estrictamente específicos de la edad, sean
benéficos o deletéreos. En los dos primeros casos, son modelos teóricos que
tienen algunos problemas, como el hecho de que se ignora la presión mutacional,
ya que esta puede afectar las frecuencias génicas, alterando la posibilidad de
efectos uniformes, o bien la imposibilidad para determinar desórdenes específicos
asociados a la edad. Una opción que puede sostener la acción de genes
específicos a la edad es la acumulación de mutaciones: a partir de evidencias
experimentales, sobre todo de los trabajos de Charlesworth, el envejecimiento es
el resultado de la acumulación de mutaciones que provocan efectos deletéreos en
la posibilidad de supervivencia de los organismos a una edad específica.
13
Williams 1957.
10
En todos los casos, sobra decirlo, la corroboración experimental fue muy
importante en la consolidación de estas propuestas. Los experimentos, como ya
se señalaba en la sección anterior, se realizaron con poblaciones de Drosophila,
cuyos resultados se han extrapolado a los seres humanos.
c. Moleculares y celulares
Dado que no hay una causa absoluta que explique el envejecimiento, es necesario
considerar otros mecanismos, como pueden ser los moleculares y celulares. A
partir del auge del enfoque reduccionista en la biología desde la década de 1960,
como parte de los avances derivados del descubrimiento del DNA, la cantidad de
evidencias experimentales derivadas de esos avances es cada día mayor. Ese
enfoque reduccionista impactó en el desarrollo de la gerontología, que recuperó
los avances de la biología molecular y celular para dar una mayor comprensión del
proceso de envejecimiento en los seres humanos.
Una de las primeras propuestas fue dada por el biólogo y cirujano francés
Alexis Carrel (1873-1944) en 1922, en la que planteaba que el envejecimiento era
una propiedad de los organismos que se explicaba enteramente en términos de la
fisiología. Sus experimentos con líneas germinales de células buscaban demostrar
la inmortalidad de esas líneas, a partir de un manejo de las condiciones que las
rodeaban. Esta idea de hecho fue corroborada muchos años después, en la
década de 1970 con experimentos en células cancerosas. Aunque en realidad, sí
hay un límite a la “inmortalidad” en las líneas celulares, como lo demostró el
anatomista estadounidense Leonard Hayflick (1928), considerado el padre de la
11
“citogerontología”. En pocas palabras, Hayflick descubrió que las células humanas
se dividían un número limitado de veces en condición in vitro, una idea que hasta
el día de hoy se conoce como “límite de Hayflick”.
Dado que con el envejecimiento comienza una serie de procesos de
deterioro paulatino de órganos y sus funciones asociadas, las investigaciones a
nivel celular han recibido particular atención. Uno de los descubrimientos más
interesantes que se ha dado es que las células normales están programadas para
un número determinado de divisiones; cada cromosoma posee en sus extremos
una serie de secuencias altamente repetitivas y no codificantes denominadas
telómeros. Debido al mecanismo de replicación del DNA, esos telómeros se van
acortando con cada división, esto debido a una enzima llamada telomerasa que
realiza la replicación telómerica. Sin embargo, la actividad de la telomerasa se da
en células embrionarias, y no en células somáticas, lo que conlleva un
acortamiento progresivo de los telómeros cromosómicos. Cuando el tamaño de los
telómeros llega a un cierto nivel mínimo, se desencadenan mecanismos que
conducen a la muerte celular. Por esta razón, el acortamiento telomérico se ha
asociado con el proceso de envejecimiento celular. De esta forma, el largo de los
telómeros representaría una especie de reloj genético que determinaría el tiempo
de vida de las células.
Hay también algunas propuestas alternativas a la propuesta de Hayflick,
como el artefacto de cultivo celular, la diferenciación espuria, y el auténtico
envejecimiento. Cuando se habla de artefactos, simplemente se refiere a la
deficiencia en las condiciones de los cultivos, como resultado directo de los
instrumentos que se utilizan para cultivos in vitro. La diferenciación espuria se
12
refiere al hecho de que la proliferación celular cesa en condiciones in vitro como
resultado de una diferenciación defectuosa, producto de las nuevas condiciones, o
en otras palabras, las células pierden capacidad mitótica como resultado de los
largos procesos de maduración, que pueden resultar en procesos caóticos. La
última opción es simplemente considerar que tanto en condiciones in vivo como in
vitro los procesos celulares de manera natural decaen con el paso del tiempo, y
las divisiones celulares resultan con la edad en diversos problemas que resultan
en el envejecimiento.
Con respecto a esto último, son numerosas las evidencias en diversos
organismos que a nivel celular existen similitudes en los procesos celulares. Así,
cuando como resultado de la mitosis celular las mitocondrias empiezan a mostrar
anormalidades, se da un decremento en la actividad respiratoria, que desciende a
su vez con la edad. Una degradación similar se da con la acumulación de
desechos (o lipofuscina), así como con los lisosomas, que son los responsables
de producir enzimas que permiten la digestión celular.
En términos generales, se puede afirmar que hay una correlación entre los
problemas que surgen en la mitosis celular con la edad, que a su vez afectan la
fisiología de los organismos, generando que a la larga los organismos presenten
decrementos en funciones básicas.
d. Envejecimiento de los organismos
Dentro de la gerontología, la fisiología ha sido el principal campo de investigación.
Bajo una perspectiva evolutiva, la fisiología no es la única causa del
13
envejecimiento, sobre todo si recordamos que éste es el resultado de un
decremento en la fuerza de la selección natural en poblaciones estructuradas en
grupos de edades específicos.
Una de las propuestas más simples es el desgaste. La tendencia de
cualquier organismo, y de todo lo que lo compone, es que tienden a moverse
hacia altos niveles de entropía, y dado que casi todos los organismos carecen de
sistemas de auto-renovación, con el paso del tiempo las células, las funciones se
van desgastando. Otra idea es el efecto degenerativo que provocan las
enfermedades infecciosas, en la medida que inyectan en los organismos toxinas
que pueden resultar dañinas, aunque es cierto que al día de hoy con los avances
farmacéuticos esto puede no ser concluyente. El ambiente puede también llegar a
jugar un papel importante, ya que por ejemplo se ha observado una influencia
directa entre la temperatura
y la longevidad en insectos, aunque pruebas
experimentales han demostrado diversas complicaciones en esa correlación, ya
que no todos los individuos se ven afectados de igual forma.
En general, la fisiología puede proveer de numerosos detalles útiles bajo
una visión evolutiva, sobre todo si se consideran los estudios comparativos con
otras especies, y no solo con los seres humanos.
4. Conclusiones
A pesar de que como se mencionó al principio, el envejecimiento se puede
considerar un auténtico rompecabezas para la biología evolutiva, son muchos los
avances que se han dado desde finales del siglo XIX. El planteamiento evolutivo
14
de Darwin sirvió de base para dar una nueva visión de los procesos naturales, y a
partir de ahí la posibilidad de nuevas explicaciones.
Pero a pesar de eso avances, son dos los grandes conflictos que se pueden
señalar sobre las explicaciones evolutivas del envejecimiento: muchos teóricos
ven a la vejez como el resultado de un programa genético específico diseñado por
la selección natural para eliminar individuos que después de la reproducción ya no
son necesarios, una visión sostenida particularmente a mediados del siglo XX. Por
otro lado, en la actualidad, el mayor consenso es ver a la vejez como un artefacto
de fuerzas que actúan para maximizar el éxito reproductivo en organismos con
reproducción sexual y que tienen somas mortales, en lo que se conoce como
“modelo epidemiológico”.14
Sin lugar a dudas, y cómo se ha podido ver a lo largo del trabajo, más que
una sola respuesta, son varias las perspectivas desde las que se puede abordar el
problema del envejecimiento, y es a partir de la conjunción de esas perspectivas
que se puede llegar a una explicación adecuada sobre el envejecimiento, no solo
en seres humanos sino también en otros organismos.
En general, lo que hay que tener claro es que desde una visión evolutiva
son varios los niveles a los que se puede explicar (genético, molecular, celular,
organísmico), además de que los procesos de envejecimiento pueden variar en
organismos como los insectos por influencias ambientales. Al final, la biología
evolutiva puede todavía aportar nuevas evidencias en la comprensión del
envejecimiento.
14
Crews 2003: 34.
15
5. Referencias
Charlesworth, B., Evolution in Age-Structured Populations (Cambridge: Cambridge
University Press: 1980).
Charlesworth, D., y B. Charlesworth, “Inbreeding depression and its evolutionary
consequences”, Annual Review of Ecological Systems, 18 (1987), 237-268.
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(Cambridge: Cambridge University Press: 2003).
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Medawar, Peter B., “Old age and natural death”, Modern Quarterly, 1(1946), 30-56.
Medawar, Peter B., An Unsolved Problem of Biology (Londres: H. K. Lewis: 1952).
Rose, Michael R., Evolutionary Biology of Aging (Oxford: Oxford University Press:
1991).
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editado por Edward B. Poulton, Selmar Schönland y Arthur E. Shipley
(Oxford: Clarendon Press: 1889).
Williams, George C. “Pleiotropy, natural selection, and the evolution of
senescence”, Evolution, 11 (1957), 398-411.
Wright, Sewall, “Genic and organismic selection”, Evolution, 34 (1980), 825-843.
16