El árbol enredado

Déjese atrapar por todos los desarrollos evolutivos desde los días de Darwin.

La forma en que los principales científicos del mundo piensan sobre la evolución ha cambiado mucho desde 1859, cuando Charles Darwin publicó su libro que cambió el juego, Sobre el origen de las especies . De hecho, tanto ha sucedido desde entonces que puede parecer abrumador tratar de ponerse al día.

Afortunadamente, tenemos a David Quammen, un autor que se especializa en hacer que los temas desafiantes sean accesibles y fascinantes. Aquí, Quammen guía a los lectores a través de las aguas turbias de la biología molecular y arroja luz sobre los principales desarrollos que han revelado que la historia de la vida es una red bastante compleja de genes y bacterias.

Si tenía la impresión de que el linaje de cualquier especie dada es una línea recta, piense de nuevo. Después de este resumen, ¡incluso puede comenzar a dudar si la palabra “organismo” tiene algún significado real!

En este resumen, descubrirá

• cuya figura del siglo XIX casi publicó su teoría evolutiva antes de Darwin;

 

• , que los primeros científicos del siglo XX estaban 50 años por delante del juego; y

 

• por qué la idea de un árbol evolutivo es obsoleta.

 

El concepto de un árbol de la vida tiene una larga historia entre científicos y naturalistas.

Hay una buena posibilidad de que, en algún momento, hayas visto una imagen del “árbol de la vida”. Es un dibujo en forma de árbol que representa la evolución de un tipo de vida, siguiendo el progreso de su vida. “Raíces” como una ameba primordial para un pez para un anfibio y más allá. En varios puntos a lo largo del camino, las ramas divergen del tronco primario, representando gusanos, reptiles, roedores y otros animales.

Estas ilustraciones han servido durante mucho tiempo como una herramienta útil, un modelo visual simple de un tema complejo.

Como muchas otras cosas en la ciencia, el concepto detrás del diagrama del árbol de la vida se remonta a Aristóteles. Mencionó el desarrollo progresivo de los animales en su libro Historia de los animales , escrito en el siglo IV a. C. Sin embargo, Aristóteles sugiere que el progreso en la naturaleza es similar a subir una escalera; Los organismos vivos comienzan como elementos como la tierra, el agua y el fuego, y evolucionan gradualmente hacia plantas, animales y luego humanos. En la cima de la escalera evolutiva, los humanos se convierten en seres celestiales. Toda la vida es parte de una “escalera al cielo”, por así decirlo.

Este modelo fue popular durante muchos siglos, y la “escalera de ascenso” incluso se hizo referencia en la carpintería del siglo XVI. Pero en 1745, los pensadores de la era de la Ilustración habían comenzado a usar más modelos con forma de árbol.

En este momento, los exploradores comenzaron a ver más del mundo. La información y el conocimiento se estaban extendiendo, y los académicos necesitaban más que una escala unidireccional para clasificar todas las diversas plantas y animales nuevos. Un árbol no era tanto una expresión perfecta de evolución como una forma práctica de clasificar la información biológica.

Como escribió el botánico francés Augustin Augier en 1801, un “árbol ilustrado parece ser la forma más adecuada de comprender el orden y la gradación” de la vida vegetal.

El árbol de la vida puede haber alcanzado su punto máximo con el ilustrador y biólogo dotado Ernst Haeckel. En la segunda mitad del siglo XIX, Haeckel publicó libros de varios volúmenes llenos de dibujos notablemente detallados de fascinantes criaturas microscópicas y más que unos pocos árboles de la vida.

Pero a diferencia del árbol de Augier, Haeckel dibujó árboles evolutivos que ilustraban el linaje preciso de los seres vivos. Produjo un árbol de vertebrados, moluscos, plantas y mamíferos, solo por nombrar algunos.

Haeckel estaba haciendo proclamas audaces, pero su trabajo era realmente una extensión de las ideas de otro hombre: las de Charles Darwin.

La teoría de la evolución de Darwin sigue siendo muy influyente.

A partir de 1831, Charles Darwin pasó casi cinco años a bordo del HMS Beagle, viajando más allá de las Islas Canarias y a lo largo de la costa de América del Sur hasta el archipiélago de Galápagos. Fue una experiencia que cambió la vida y generó suficiente material para varios libros, incluido el innovador libro de Darwin Sobre el origen de las especies , publicado en 1859.

Vale la pena señalar que Darwin había resuelto sus ideas sobre la evolución poco después de regresar de su viaje. Las anotaciones en sus cuadernos entre 1837 y 1838 le muestran cómo planifica los detalles de cómo las especies se adaptan a su entorno y transmiten rasgos favorables a su descendencia.

En el centro de esta teoría está la “selección natural”, que Darwin creía que era la fuerza impulsora detrás de la adaptación y la herencia de los rasgos. La selección natural a menudo se resume como “supervivencia del más apto”, lo que significa que solo las especies con rasgos beneficiosos para la supervivencia dentro de su entorno vivirán para transmitir esos rasgos a la próxima generación.

Pero cuando se trataba de anunciar sus ideas públicamente, Darwin se retrasó. Lo que parece haber empujado finalmente su mano fue un hombre llamado Alfred Russel Wallace. Wallace también había viajado por el mundo; había pasado años en el archipiélago malayo, y sus observaciones lo habían llevado a algunas de las mismas conclusiones sobre adaptación evolutiva y herencia que Darwin.

En febrero de 1858, Wallace esperaba publicar un artículo sobre sus propias ideas evolutivas, y a través de un socio mutuo el documento terminó en manos de Darwin. Inmediatamente, Darwin se sumió en la desesperación; Las ideas de Wallace eran extremadamente similares a aquellas en las que había estado sentado.

Sin embargo, ese verano, Darwin acordó unirse a Wallace y hacer una presentación en la Sociedad Linneana, una organización científica británica. Sin embargo, el clima era sofocante y su presentación tan aburrida que casi se ignoró. Casi un año y medio después, el libro de Darwin causó la impresión de que su presentación con Wallace no había podido crear. Esta vez, las ideas fueron escritas en un lenguaje claro y relatable, y rápidamente se convirtió en un best seller.

En estos días, todavía se habla de las ideas de Darwin, tanto en buenos como en malos términos. El autor ha realizado una investigación profunda sobre su trabajo, en gran parte para un libro anterior, y cree que Darwin merece su lugar en la historia. Como veremos en los capítulos siguientes, su idea principal, que la selección natural es la fuerza impulsora detrás de la evolución, puede ser incorrecta, pero eso no significa que todas sus observaciones deban ser ignoradas.

Nuestra comprensión de la evolución realmente cambió cuando los científicos comenzaron a buscar ideas en las moléculas.

A fines del siglo XIX, los microscopios estaban dando a los científicos una nueva y sorprendente perspectiva del mundo. Rápidamente, nuevas preguntas y respuestas revolucionarias comenzaron a acumularse.

De particular importancia fueron los descubrimientos separados realizados por el zoólogo ruso Constantin Merezhkowsky y el biólogo estadounidense Ivan E. Wallin.

Merezhkowsky es una figura polémica en la ciencia, gracias en parte al rastro de los cargos de abuso infantil que dejó detrás de él. Sin embargo, a principios de siglo, fue uno de los primeros en sugerir que las células podrían haber evolucionado a través de la simbiosis , es decir, que una célula podría absorber algo como una bacteria y comenzar a usarla como su órgano propio

De hecho, Merezhkowsky propuso que las células vegetales obtuvieran sus cloroplastos – orgánulos especializados que permiten la fotosíntesis – al absorber e internalizar una bacteria. Esto quedó claro para Merezhkowsky después de mirar las diatomeas , que se parecen a las algas unicelulares. Muchas diatomeas obtienen su energía a través de la fotosíntesis, y cuando Merezhkowsky las inspeccionó al microscopio, notó que sus cloroplastos se parecían mucho a las bacterias.

Esto llevó a una idea aún más grande, que Merezhkowsky presentó en un artículo de 1905: los cloroplastos no son “órganos de cosecha propia” que se desarrollaron en las células vegetales con el tiempo, como se pensaba. En cambio, las células vegetales alguna vez fueron las mismas que las células animales, pero luego absorbieron bacterias fotosintéticas y se convirtieron en células vegetales. Merezhkowsky incluso acuñó un término para la creación de nuevas formas de vida mediante la fusión de dos organismos separados: simbiogénesis .

En 1905, la idea de Merezhkowsky estaba bastante lejos, pero, más de 50 años después, esta teoría sobre cómo los cloroplastos llegaron a existir en las células vegetales se vería confirmada por los desarrollos en biología molecular.

Antes de que esto sucediera, sin embargo, había un científico al que no solo le gustaba la teoría de Merezhkowsky; no creía que fuera lo suficientemente lejos. El biólogo estadounidense Ivan E. Wallin también estaba mirando un microscopio y viendo lo que parecían bacterias. Pero en lugar de cloroplastos, Wallin estaba mirando mitocondrias , que es el orgánulo, u órgano pequeño, que da energía a las células al quemar nutrientes y oxígeno. Claramente, pensó Wallin, esto representaba otro caso de simbiosis. Y a él también se le demostraría que tenía razón.

A mediados de la década de 1920, Ivan E. Wallin produjo una serie de documentos proféticos que sugieren que la relación simbiótica entre bacterias y otros organismos ha sido responsable de los principales desarrollos en la vida en nuestro planeta.

Tras los descubrimientos sobre el ADN, se podría descubrir información más detallada sobre la historia de la vida.

En la década de 1960, algunos científicos mantenían viva la idea salvaje de que, en algún momento de la historia, las células habían capturado e incorporado bacterias. Comenzó con cloroplastos y mitocondrias, pero en 1966, la bióloga estadounidense Lynn Margulis sugirió que incluso las cosas onduladas en las células, como los flagelos o los cilios que los ayudan a moverse, también provenían de bacterias capturadas.

Un año después, Margulis publicó un libro que sugiere que todas las células eucariotas, es decir, células con núcleo, son el resultado de una simbiosis con bacterias.

Por interesantes que puedan parecer estas ideas, en ese momento, voces como las de Margulis eran minoría. La opinión popular en ese momento era que los organismos no absorbían e incorporaban otros organismos. Según el pensamiento darwinista, un organismo cambia lentamente con el tiempo, quizás con la ayuda de una mutación genética.

Sin embargo, nuestra comprensión de cómo se desarrollaron las células vegetales y animales cambió drásticamente a medida que el campo de la filogenética molecular comenzó a tomar forma. Este campo utiliza moléculas para estudiar la evolución, y fue básicamente inventado a fines de la década de 1950 por Francis Crick, una de las mentes brillantes que descubrió la verdadera naturaleza del ADN.

En 1953, Crick y su biólogo James Watson publicaron un artículo explicando cómo funciona la estructura de doble hélice del ADN. Originalmente se pensaba que era una molécula insignificante, se demostró que el ADN era el candidato más probable para el “mecanismo” que permite la reproducción de material genético.

Después de este descubrimiento inicial, Crick continuó explorando la naturaleza del ADN, al tiempo que prestó atención al ARN, la molécula involucrada en la creación de proteínas basadas en el modelo del ADN. Fue alrededor de 1957, cuando Crick estaba teorizando sobre cómo se construyen las proteínas a partir de la información del ADN, que también teorizó que estas proteínas, repletas de largas líneas de cientos de aminoácidos variables, podrían contener información útil sobre su linaje genético. Dado que la tecnología para leer un genoma completo aún estaba a décadas de distancia, esta parecía ser la mejor manera de acceder a la información.

La sugerencia casual de Crick es cómo comenzó la filogenética molecular, aunque el campo no recibió ese nombre hasta más tarde. Uno de los científicos más distinguidos en este campo fue Carl Woese, un hombre ansioso por ver qué tan lejos podría llegar al observar el “registro fósil interno” de una célula. Esto es lo que Woese llamó el ADN, ARN y aminoácidos que haría. inspeccionar como una especie de proteína “huella digital”.

Lo que revelaron estas huellas dactilares cambiaría el curso de la ciencia en las próximas décadas.

La “huella digital” bacteriana cambió aún más nuestra comprensión de la evolución.

Durante gran parte del siglo XX, las personas creían que los organismos son estables, que una vez que una especie se ramifica en el árbol de la vida, esa rama permanece singular y no se fusiona con otras ramas. Pero, en la década de 1970, este punto de vista fue cuestionado.

En ese momento, el microbiólogo Carl Woese tenía un laboratorio en la Universidad de Illinois, donde estaba haciendo un trabajo de vanguardia en la secuenciación del ARN de los microorganismos. Cuando comenzó su trabajo, los científicos tendieron a dividir el mundo vivo en dos categorías, proks y euks .

“Proks” es la abreviatura de procariota, que es básicamente el término para células que no tienen núcleos. “Euks” significa eucariotas, que son células que tienen núcleos. Por un tiempo, todo podría estar perfectamente organizado en una de estas categorías.

Luego vino el artículo de 1977 de Carl Woese, que describía el trabajo que había estado haciendo en “huellas digitales” metanógenos , organismos peculiares que tienden a aparecer en pantanos, así como en entornos más extremos, como alrededor respiraderos termales subacuáticos. Lo que descubrió fue que estos organismos no pueden clasificarse como euks o proks: son algo completamente diferente, una categoría que eventualmente se conocería como archaea .

Los métodos de huellas dactilares de Woese continuarían descubriendo revelaciones importantes. El biólogo molecular Ford Doolittle, en colaboración con la experta técnica de laboratorio de Woese, Linda Bonen, decidió dar seguimiento a la idea anterior de Lynn Margulis sobre los orígenes bacterianos de los cloroplastos. Y luego de una inspección más cercana, Doolittle y Bonen confirmaron que los cloroplastos eran bacterias capturadas que habían sido incorporadas a las células vegetales.

Pronto, el mismo equipo demostró que las mitocondrias también habían comenzado como una bacteria que, en algún momento, había sido internalizada por otro organismo a través de la simbiosis. Más tarde, en 1985, Carl Woese reveló que esta bacteria en particular era proteobacteria , como ahora se la llama, un tipo de bacteria púrpura parásita que todavía se encuentra comúnmente en la actualidad.

Independientemente, la ciencia convencional no estaba preparada para aceptar estos desarrollos sorprendentes, ya que sugería que la historia de la vida depende de algo que no debería suceder: la transferencia horizontal de genes.

El pensamiento predominante era que la información genética era una calle de sentido único, transmitida a la descendencia a través de la reproducción. Si Woese, Bonen y Doolittle estaban en lo correcto, el material genético había sido absorbido rutinariamente de una especie por otra, sin necesidad de reproducción. El árbol había comenzado a enredarse.

En la década de 1990, había árboles de la vida en competencia, y ya no se parecían en absoluto a los árboles.

A principios de los años ochenta, los científicos enfrentaron evidencia sólida de que la vida era más un mosaico, o un compuesto de elementos convergentes, de lo que se creía anteriormente. Como resultado, nuevos modelos de evolución – nuevos árboles – comenzaron a surgir en un intento de expresar esta nueva comprensión.

En 1980, Carl Woese y su colega George Fox presentaron lo que llamaron el “Gran árbol”, que fue la culminación de años de trabajo en la consolidación de arqueas como pertenecientes a su propio reino separado, o “dominio”, como Woese prefería para llamarlo

Woese actualizó el Big Tree en 1987 y 1990, pero comenzó con tres ramas principales, Eukarya, Bacteria y Archaea, todas derivadas de un área misteriosa llamada “Estado ancestral común”.

Ahora, dado que Archaea y Bacteria no tienen núcleos, la comunidad científica todavía consideraba que estos dos eran procariotas, una distinción que enfureció a Woese hasta el día de su muerte. Sugirió que la palabra “procariota” debería retirarse por completo. ¿Cuán significativo podría ser si se aplicara a dos dominios que son “completamente distintos entre sí”?

Lo que fue realmente provocativo fue que el árbol de Woese en 1990 también sugirió que Archaea y Eukarya tienen ascendencia común. Por extensión, esto significaba que todas las plantas y animales, incluidos los humanos, tienen un linaje que incluye las arqueas que Woese descubrió solo unos años antes.

Sin embargo, lo que Woese no previó fue que los años noventa presenciarían una avalancha de evidencia que apoyara la transferencia horizontal de genes (HGT). En este momento, se estaban utilizando herramientas más rápidas y precisas para la secuenciación del ADN y, a mediados de los 90, se revelaría todo el genoma humano, el conjunto completo de nuestro material genético. Se estaba volviendo mucho más fácil detectar secciones enteras de genes bacterianos o arqueológicos dentro del genoma de otro organismo. Esto se vería como evidencia de simbiosis y materiales genéticos externos que se han incorporado en algún momento de la historia del organismo.

Como resultado, muchos científicos vieron que el árbol de la vida no era un árbol en absoluto, y comenzaron a surgir nuevas ilustraciones para reflejar esto. Algunos sugirieron que el árbol estaba realmente más cerca de una red, o tal vez un arrecife de coral, con capas de secciones entrelazadas.

En 1999, Ford Doolittle publicó su propia versión del árbol de la vida, una que aún conservaba los dominios de Bacterias, Eukarya y Archaea de Woese. Pero, humorísticamente y desde el principio, las ramas están todas retorcidas, fusionándose y divergiendo entre sí para formar lo que él llamó “un árbol reticulado”.

Durante décadas, muchos científicos se resistieron a cualquier cosa que se alejara demasiado de la vieja forma darwiniana de pensar sobre la evolución. Pero a fines del siglo XX, había demasiada evidencia para ignorar.

La evidencia de la transferencia horizontal de genes ha cambiado la forma en que pensamos acerca de la evolución.

A veces un descubrimiento puede pasar desapercibido. O tal vez su significado solo queda claro mucho más tarde.

Considere la larga historia de pistas sobre la transferencia horizontal de genes (HGT). En 1928, un funcionario inglés llamado Fred Griffith descubrió que un tipo de bacteria muerta podría cobrar vida cuando se mezcla con un segundo tipo de bacteria. Ahora, la bacteria zombie es lo suficientemente sorprendente. Pero considere esto: cuando la bacteria resucitó, ¡regresó como ese segundo tipo de bacteria! No se suponía que una transformación como esta fuera posible.

¿O qué tal si las bacterias de repente se vuelven resistentes a las drogas? Este fenómeno ha sido reconocido durante décadas, pero recientemente recibió una gran atención, tanto como una amenaza para los humanos como un ejemplo de HGT.

Una de las documentaciones más significativas de bacterias resistentes a los antibióticos tuvo lugar en Japón después de la Segunda Guerra Mundial. Las condiciones en el país eran sombrías y la disentería se estaba extendiendo rápidamente. No solo eso, sino que la bacteria responsable, Shigella dysenteriae , estaba desarrollando rápidamente resistencia al tratamiento, primero a un medicamento, luego a dos medicamentos. A fines de la década de 1950, se enfrentaban a una superbacteria resistente a cuatro antibióticos diferentes.

Esta resistencia se estaba desarrollando tan rápido que no podía explicarse por las mutaciones darwinianas y la herencia normal. En estos días, se entiende más ampliamente que las bacterias pueden contener algo conocido como factores de resistencia transferibles , que son capaces de pasar rápidamente de una especie a otra, sin necesidad de herencia darwiniana.

El ejemplo de Shigella dysenteriae también nos muestra la motivación detrás de HGT, así como también la que está detrás de la evolución misma. Desde hace un tiempo, se ha vuelto más claro que los verdaderos agentes de supervivencia son los genes en lugar del organismo que los alberga.

Después de todo, hay ciertas proteínas, como la triptofanil-tRNA sintetasa, que se pueden encontrar en humanos y vacas, así como en bacterias. En 1997, Ford Doolittle, junto con su colega Jim Brown, hizo 66 árboles diferentes para rastrear 66 proteínas como esta; mostraron cómo tales genes tienen su propio linaje, un linaje independiente de especies particulares u organismos específicos. A veces los genes se mueven horizontalmente porque, como lo expresó Doolittle, los genes tienen “sus propios intereses egoístas”.

Teniendo en cuenta estos hechos, está prácticamente de moda criticar y desacreditar a Darwin, pero el autor, junto con otros miembros de la comunidad científica, desaconsejan esto. Darwin no podría haber sabido que HGT era incluso una opción. Así que todavía merece crédito por llevar a la ciencia en el camino correcto con la evolución; simplemente no dedujo el mecanismo detrás de la evolución correctamente, ¡ni pudo hacerlo!

En su forma más peligrosa, los intentos de desacreditar a Darwin a menudo juegan en manos de los creacionistas, por lo que incluso Richard Dawkins, un conocido ateo y autor de The Selfish Gene , desaconseja el ataque de Darwin.

Quedan muchas preguntas, pero está claro que nuestros conceptos de especie e individualidad son menos estables de lo que pensábamos.

Entonces, ¿qué significa todo esto para nosotros los humanos?

Incluso ante tanta evidencia de actividad de HGT en bacterias, había dudas sobre el impacto que tendría en animales y humanos. Otra creencia muy arraigada era que las líneas germinales de los animales, es decir, los óvulos, los espermatozoides y las células reproductivas, están bien protegidos de las influencias de las bacterias.

Por desgracia, este no es el caso. Las pruebas en la Universidad de Rochester mostraron que la bacteria Wolbachia, un grupo de bacterias parasitarias, apareció en los genomas de una variedad de insectos y animales invertebrados, como piojos y crustáceos. Se concluyó que la bacteria se dirigió a los ovarios y los testículos y se transmitió a la descendencia a través de óvulos infectados. Quizás lo más sorprendente fue cómo afectó a las moscas de la fruta: se descubrió que el genoma del insecto contenía casi todo el genoma de la bacteria.

En la década de 2000, HGT finalmente se generalizó. Pero quedan muchas preguntas sobre cuán profundamente este tipo de transferencia de genes ha afectado la historia de la vida. Algunas de las pruebas más recientes sugieren que, en el transcurso de millones de años, los genes “extraños” se han incorporado a “la identidad celular más profunda de plantas, hongos y animales”. Se han mudado de los cloroplastos y las mitocondrias y ahora pueden ser encontrado en los genomas esenciales de criaturas complejas.

Y luego están todos los microbios que habitan el cuerpo humano. Cuando sumas todos los microbios intestinales, sin mencionar los de las axilas, la piel y las pestañas, resulta que estás formado por más células microbianas que células “humanas”. Y entre todas estas pequeñas criaturas, HGT es constante.

Pero estos no son invasores: son esenciales para su salud, bienestar y funciones críticas, como la digestión de alimentos. Entonces, ¿eres un individuo o una red de organismos? Algunos científicos llegan a cuestionarse si la idea de un “organismo” sigue siendo válida.

Si bien algunos conceptos pueden ser menos concretos, parece claro que HGT no fue solo una casualidad hace cuatro mil millones de años para ayudar a construir células más complejas. Jugó un papel fundamental en la configuración de toda la vida tal como la conocemos.

Resumen final

El mensaje clave en este libro:

Mucho ha sucedido desde la publicación del libro de 1859 de Charles Darwin, Sobre el origen de las especies . Desde entonces, se ha demostrado que el material genético no requiere reproducción para pasar a otro organismo. En las últimas décadas, se ha demostrado que la transferencia horizontal de genes, el proceso de transmisión y absorción del material genético a través de la simbiosis, es un factor importante en la evolución de la vida en nuestro planeta. Dado el hecho de que esto ha ocurrido incluso entre especies distantes, es evidente que toda la vida en la Tierra está mucho más entrelazada de lo que habíamos pensado anteriormente.

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