La teoría de la evolución por selección natural de Darwin está incompleta sin la contribución del antihéroe Lamarck
Gran parte de la biología moderna se basa en la teoría de la evolución de Charles Darwin como un proceso de selección natural, cuando la naturaleza elige los organismos más fuertes y adaptables para la reproducción, el crecimiento de la población y la supervivencia. Este proceso también se llama adaptación, y adaptativos son aquellos rasgos que ayudan al cuerpo a sobrevivir mejor que otros. A medida que las nuevas modificaciones de los organismos cambian y echan raíces, las especies aparecen y se desarrollan. En la década de 1850, cuando Darwin describió el motor de la selección natural, aún no se conocían los mecanismos moleculares subyacentes. Pero los avances en genética y biología molecular del último siglo han esbozado los principios básicos de la teoría neodarwiniana moderna sobre cómo funciona la evolución: las secuencias de ADN mutan aleatoriamente,y aquellos organismos cuyo ADN se adapta mejor al medio ambiente se multiplican y dominan. Estas especies prevalecen hasta que las condiciones ambientales comienzan a cambiar y el motor de la evolución se pone en marcha nuevamente.
Pero si asumimos que otros mecanismos moleculares también juegan un papel en el desarrollo de las especies, entonces esta explicación de la evolución resulta incompleta. El problema con la teoría de Darwin es que mientras las especies desarrollan propiedades más adaptativas (denominadas fenotipos en biología), la velocidad a la que ocurren las mutaciones aleatorias en las secuencias de ADN es demasiado baja para explicar muchos de los cambios observados. Los científicos bien conscientes de este problema sugieren una serie de mecanismos genéticos compensatorios: deriva genética, cuando ocurren cambios genéticos graves dentro de un pequeño grupo de organismos, o epistasis, cuando un conjunto de genes suprime a otro. Y estos son solo dos de los muchos ejemplos.
Pero incluso con estos mecanismos en mente, la tasa de mutación genética entre organismos complejos como los humanos es significativamente más baja que la tasa de cambio en una variedad de rasgos, desde la regulación metabólica hasta la resistencia a las enfermedades. La rápida manifestación de una variedad de rasgos es difícil de explicar solo por los métodos de la genética clásica y la teoría neodarwiniana. Para citar al eminente biólogo evolutivo Jonathan BL Bard, parafraseando a TS Eliot: "Una sombra cayó entre el fenotipo y el genotipo".
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Los puntos problemáticos de la teoría de Darwin van más allá de la teoría de la evolución y se extienden a otras áreas de la biología y la biomedicina. Por ejemplo, si nuestros rasgos están determinados por la herencia, entonces ¿por qué los gemelos idénticos con el mismo conjunto de genes tienden a tener diferentes enfermedades? ¿Y por qué solo un pequeño número (a menudo menos del 1%) de los que padecen enfermedades específicas tienen mutaciones genéticas comunes? Si la tasa de mutaciones es aleatoria y uniforme, ¿por qué la proporción de muchas enfermedades se multiplicó por diez en solo un par de décadas? ¿Por qué cientos de tipos de contaminación ambiental cambian las circunstancias de la aparición de enfermedades, pero no la secuencia de ADN de los enfermos? En evolución y biomedicina, la tasa de formación de desviaciones de los rasgos fenotípicos es mucho mayor que la tasa de cambios genéticos y mutaciones, pero ¿por qué?
Algunas respuestas se pueden encontrar en las ideas de Jean-Baptiste Lamarck, publicadas 50 años antes de la publicación de la obra de Darwin. La teoría de Lamarck, que se ha ido al basurero de la historia desde hace mucho tiempo, argumentó, entre otras cosas, que "el medio ambiente modifica propiedades que luego heredan las nuevas generaciones". Lamarck fue profesor de zoología de invertebrados en el Museo Nacional de Historia Natural de París y, a finales del siglo XVIII y principios del XIX, estudió una variedad de organismos, incluidos insectos y gusanos. Fue él quien introdujo las palabras "biología" e "invertebrados" en el léxico científico, y también fue autor de varios libros sobre biología, invertebrados y evolución. A pesar de su distinguida carrera científica, Lamarck, con sus blasfemas ideas evolutivas, fue negado por muchos contemporáneos, así como por científicos durante los siguientes 200 años.
Inicialmente, Lamarck fue condenado como un hereje religioso, y en nuestro tiempo su nombre se recuerda solo como una broma, debido al conservadurismo de la ciencia, y especialmente a la inviolable teoría de la evolución de Darwin. Al final de su trayectoria científica, el propio Lamarck cambió sus creencias: incluso sin la confirmación del campo de la biología molecular, vio que los cambios aleatorios no podían convertirse en una prueba completa de su teoría.
La pregunta es la siguiente: si las mutaciones genéticas no solo se ven afectadas por la selección natural, entonces ¿cuáles son las fuerzas moleculares que dan forma al conjunto completo de cambios en los rasgos necesarios para completar el trabajo de la selección natural? Una de las pistas se encontró casi un siglo después de que Darwin presentara su teoría. En 1953, cuando James Watson y Francis Crick estaban desentrañando los misterios del ADN y la doble hélice, el biólogo evolutivo Conrad Waddington de la Universidad de Edimburgo informó que los estímulos químicos externos o los cambios de temperatura durante el desarrollo embrionario podrían provocan la aparición de diversas variantes de la estructura del ala en Drosophila. Los cambios que las acciones del científico provocaron en los organismos de una generación pasaron posteriormente a la descendencia. Para explicar este mecanismo de cambio rápido, Waddington acuñó el término moderno epigenética. Cabe señalar que Waddington era consciente de la importancia de su descubrimiento para la teoría de la evolución, incluso antes de que Watson y Crick dedujeran datos sobre la estructura del ADN. Los cambios en la estructura del ala de una generación de Drosophila confirmaron las ideas originales del hereje Lamarck. Resultó que el medio ambiente puede influir directamente en las características del organismo.que el medio ambiente puede afectar directamente las características del organismo.que el medio ambiente puede afectar directamente las características del organismo.
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Aunque Waddington describió el papel general de la epigenética, no sabía más sobre elementos y mecanismos moleculares que Darwin o Lamarck. Pero cuanto más profunda es la biología molecular decodifica la forma en que funciona la vida, más significativos se vuelven los conceptos de Waddington y Lamarck. De hecho, la inmensa mayoría de los factores ambientales no pueden afectar directamente la secuencia molecular del ADN, pero regulan muchos mecanismos epigenéticos que controlan las funciones del ADN: desencadenan o apagan la expresión génica, dictan las formas de expresión en las células de las proteínas, el producto de nuestros genes.
Hoy en día, existe una definición precisa de epigenética: es un conjunto de factores moleculares que determinan cómo funciona el ADN y qué genes se manifiestan, independientemente de la secuencia de ADN en sí. La epigenética incluye una serie de procesos moleculares que afectan significativamente la actividad del genoma sin cambiar la secuencia de ADN en los genes mismos.
Uno de los procesos más comunes de este tipo es la metilación del ADN, donde los componentes moleculares llamados grupos metilo (compuestos de metano) se unen al ADN, que activan y desactivan los genes y regulan la expresión génica. Se ha demostrado que los factores ambientales, como la temperatura y el estrés emocional, pueden alterar el curso de la metilación del ADN, y los cambios pueden convertirse en parte de un programa permanente y comenzar a ser heredados por generaciones posteriores. Este proceso se conoce como herencia epigenética.
Otro proceso epigenético importante descubierto en los últimos años es la modificación de histonas. Las histonas son proteínas que se adhieren al ADN y cambian su estructura, y el ADN, a su vez, se envuelve alrededor de las histonas como cuentas en una cuerda. La combinación de ADN e histonas se llama estructuras de cromatina, y las bobinas, bucles y cuerdas de la cromatina son una respuesta al estrés ambiental que puede alterar permanentemente la expresión génica.
Más recientemente, los científicos han documentado el proceso de metilación del ARN, en el que los grupos metilo se unen a las moléculas auxiliares, alterando la expresión génica y la producción de proteínas en las generaciones posteriores. Además, la acción de los denominados ARN no codificantes, pequeñas moléculas de ARN que se unen al ADN, al ARN y a las proteínas, también alteran la expresión génica independientemente de la secuencia de ADN.
Todos estos mecanismos de la epigenética son críticos y juegan un papel importante en la regulación molecular de las funciones del ADN. De esto se sigue que las normas de la biología nunca se basan únicamente en procesos genéticos o epigenéticos. Por el contrario, los procesos de la genética y la epigenética están entrelazados. Uno no funciona sin el otro.
De acuerdo con las leyes de la epigenética, para que un cambio tenga un impacto en la evolución, debe ser heredado por las generaciones posteriores en forma de secuencias de ADN o mutaciones genéticas. Pero la herencia epigenética no se correlaciona con muchas de las leyes de Mendel que se aplican a la genética clásica o la teoría evolutiva neodarwiniana. De acuerdo con estas reglas, las secuencias de ADN y los genes funcionan por separado, como partículas: durante la reproducción, las "partículas" de un padre se combinan al azar con un par del otro padre, lo que conduce a la aparición de una nueva secuencia de ADN y una nueva manifestación de rasgos hereditarios.
En contraste, la herencia epigenética ocurre cuando la línea germinal (esperma u óvulo) transmite información epigenética de una generación a la siguiente, incluso en ausencia de factores ambientales directos a largo plazo. Estos factores, como el estrés ambiental, son especialmente fuertes durante el desarrollo embrionario, por ejemplo, durante el período en que los órganos reproductores del feto se transforman en testículos en los machos y ovarios en las hembras, para producir espermatozoides y óvulos en una edad posterior. De hecho, los factores ambientales en este momento crítico pueden inducir cambios epigenéticos permanentes a través de la metilación del ADN, modificaciones de histonas y reordenamiento de ARN no codificantes.
En 2000, mi equipo de la Universidad de Washington recibió pruebas de esta forma no genética de herencia, y es bastante convincente. Los hallazgos, que mi grupo publicó en Science en 2005, mostraron que los productos químicos en el medio ambiente pueden promover la transmisión de ciertas enfermedades en tres generaciones de ratas y más, incluso sin una exposición prolongada. Posteriormente, es decir, en los últimos diez años, este fenómeno fue documentado por muchos laboratorios para diversas especies. Un ejemplo es un informe de Graham Burdge y su equipo de la Universidad de Southampton, Reino Unido, sobre cómo la sobrealimentación de ratas causó trastornos metabólicos epigenéticos durante las tres generaciones venideras.
En otro trabajo, Sibum Sung y sus colegas de la Universidad de Texas en Austin encontraron que la sequía y las fluctuaciones de temperatura provocan la evolución epigenética de las plantas, lo que lleva a generaciones de cambios en el crecimiento y la floración. Según una serie de estudios, el estrés ambiental puede contribuir a cambios epigenéticos que se transmiten a las generaciones posteriores y les provocan patologías. Un estudio reciente de Gerlinde Metz y sus colegas de la Universidad de Lethbridge en Canadá mostró que cuando las ratas preñadas eran encarceladas o obligadas a nadar, se producían daños epigenéticos que amenazaban a los recién nacidos. Este estrés genérico desencadenó una cadena de herencia epigenética de anomalías durante varias generaciones a lo largo de la línea de la mujer estresada. El papel del estrés ambiental en la herencia epigenética de enfermedades a lo largo de varias generaciones ahora está respaldado por varios otros estudios.
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La herencia epigenética bajo la influencia de factores ambientales se observa en plantas, insectos, peces, aves, roedores, cerdos y humanos. Por tanto, es un fenómeno muy persistente. Se demostró que la herencia epigenética transgeneracional de varios rasgos fenotípicos y enfermedades ocurre en la mayoría de los organismos en al menos diez generaciones, y los estudios más extensos han estudiado cientos de generaciones de plantas. Por ejemplo, incluso Carl Linnaeus en el siglo XVIII notó que la floración en las plantas puede ser causada por un aumento de la temperatura, y luego resultó que esto se debe a modificaciones de la metilación del ADN en la primera planta de la cadena, y el rasgo persiste durante cien generaciones. En los gusanos, los signos causados por cambios en la nutrición se extienden a lo largo de 50 generaciones. En mamíferos,cada generación de la cual vive más tiempo, hemos descubierto desviaciones de la norma causadas por la influencia de toxinas, extendiéndose a las siguientes diez generaciones. La mayoría de estos estudios muestran que los rasgos transgeneracionales continúan en lugar de degenerar. Incluso en el experimento de Waddington con moscas, se trataba de 16 generaciones, y todas tenían propiedades alteradas que continúan pasando de una generación a otra hasta el día de hoy.que continúan pasando de una generación a otra hasta el día de hoy.que continúan pasando de una generación a otra hasta el día de hoy.
Los cambios en el medio ambiente están literalmente cambiando la biología, y esto coincide en gran medida con la suposición de Lamarck. Incluso si la exposición es de corta duración, las modificaciones biológicas que se manifiestan en ciertos rasgos o enfermedades se transmiten entre generaciones.
El medio ambiente juega un papel fundamental en la evolución. En un sentido darwiniano, determina qué individuos y especies sobrevivirán en la implacable máquina de la selección natural. Pero una gran cantidad de factores ambientales también pueden influir directamente en la evolución y la biología, es decir, mediante la epigenética: las propiedades del cuerpo pueden cambiar bajo la influencia de la temperatura o la luz, o en respuesta a parámetros nutricionales como una dieta alta en grasas o restricción calórica. Una variedad de sustancias químicas y toxinas de las plantas y del medio ambiente en general pueden afectar los cambios fenotípicos y la salud.
Un ejemplo que estudiamos en nuestro laboratorio involucró efectos químicos sobre la variabilidad de signos y enfermedades. Examinamos la capacidad de la toxina vinclozolin, el fungicida más utilizado en la agricultura, para influir en los rasgos a través de cambios epigenéticos. Primero, expusimos a una rata hembra preñada a este fungicida, después de lo cual esperamos tres generaciones por su descendencia, sin usar más la toxina. Casi todos los varones mostraron una disminución en el número y la viabilidad de los espermatozoides y, con la edad, los casos de infertilidad. También observamos una serie de otras enfermedades tanto en hombres como en mujeres, tres generaciones separadas de la exposición directa a la toxina. Entre estas condiciones se encuentran anomalías en las funciones de los testículos, los ovarios, los riñones, la próstata, las glándulas mamarias y el cerebro. Los cambios epigenéticos correspondientes en los espermatozoides implican cambios en la metilación del ADN y la expresión de ARN no codificantes.
Nuestro estudio mostró que la exposición a la toxina vinclozolin condujo a la selección sexual tres generaciones antes. Para observar la selección sexual, o preferencia de pareja, que se ha considerado la principal fuerza impulsora de la evolución desde que Darwin presentó su teoría, las hembras de otras camadas tuvieron la oportunidad de elegir entre la descendencia masculina del individuo expuesto y otros machos. En la abrumadora mayoría de los casos, las mujeres eligieron a quienes carecían de cambios epigenéticos transgeneracionales, es decir, a los hombres cuyos ancestros no se vieron afectados por la toxina. En otras palabras, la influencia del fungicida cambió para siempre la epigenética de los espermatozoides de la descendencia, lo que, a su vez, indica la naturaleza hereditaria de las características de la selección sexual, que, como saben,busca reducir la propagación de genes en una población y afecta directamente la evolución a escala microevolutiva.
En otro estudio reciente, tocamos la escala macroevolutiva de evolución: la especiación. Uno de los ejemplos clásicos de especiación son los pinzones de Darwin en las Islas Galápagos. Un grupo de pinzones de la misma especie produjo dieciséis nuevas especies, que diferían en tamaño y tenían variabilidad en otros rasgos, como la estructura del pico. Nuestro equipo decidió explorar cinco especies diferentes. Seguimos las mutaciones de la secuencia de ADN de una especie a otra, pero el número de cambios epigenéticos en la metilación del ADN (epimutaciones) fue mayor y más correlacionado con la distancia filogenética entre especies (pedigrí). Aunque actualmente hay más énfasis en los conceptos genéticos neodarwinianos, nuestros hallazgos sugieren que la epigenética juega un papel en la especiación y evolución de los pinzones de Darwin.
El reconocimiento del papel de la epigenética en la evolución sigue creciendo. Un estudio interesante compara el ADN neandertal y humano, y está claro que las diferencias genéticas son mucho menos pronunciadas que las epigenéticas con respecto a los cambios en la metilación del ADN en los genomas. En resumen, la fusión de conceptos neolamarckianos y neodarwinianos en una sola teoría establece una base molecular mucho más eficiente para la evolución.
La evolución está influenciada tanto por mecanismos neodarwinianos como neolamarckianos, y parecen estar estrechamente relacionados. De hecho, dado que la epigenética ambiental puede aumentar la variabilidad de los rasgos dentro de una población, amplía las posibilidades de la selección natural, en la que los rasgos adaptativos dominan a todos los demás. La evolución neodarwiniana clásica se basa en la mutación genética y la variación genética como el mecanismo molecular principal que crea diversidad. A estos mecanismos se suma el fenómeno de la epigenética, que aumenta directamente el número de variaciones en los rasgos, lo que aumenta las posibilidades del medio de mediar en el proceso de evolución y selección natural.
Una consideración adicional crítica para nosotros es la capacidad de la epigenética para alterar la estabilidad del genoma y, por lo tanto, inducir directamente las mutaciones genéticas que se observan en la biología del cáncer. Tales mutaciones genéticas incluyen variaciones en el número de copias (el número de repeticiones de una secuencia corta de ADN) y mutaciones puntuales (cambios en los nucleótidos individuales fuera de la secuencia de ADN) en generaciones posteriores. Se sabe que casi todas las mutaciones genéticas tienen precursores epigenéticos, cambios que aumentan el grado de susceptibilidad a las mutaciones. Observamos cómo el impacto directo del medio ambiente en la primera generación no provocó mutaciones genéticas, sino que provocó cambios epigenéticos, y en generaciones posteriores se encontró un aumento en el número de mutaciones genéticas. Dado que la epigenética está asociada con la variabilidad de ambos rasgos,por lo que también con las mutaciones acelera el motor de la evolución, lo que no puede hacerse mediante mecanismos darwinianos por sí mismos.
Muchos son escépticos de una teoría unificada de la evolución, especialmente a la luz del paradigma del determinismo genético, que ha influido en las disciplinas biológicas durante más de 100 años. El determinismo genético ve al ADN como el bloque de construcción básico de la biología y a la secuencia del ADN como el control final a nivel molecular.
Probablemente, la figura mágica del determinismo genético fue la secuenciación del genoma humano, cuyo propósito era proporcionar una evidencia concluyente de la primacía del gen. Según las previsiones, los estudios de todo el genoma tenían como objetivo identificar marcadores biológicos de fenómenos de la vida normal y anormal y destacar los requisitos previos para las enfermedades. Pero después del advenimiento de la secuenciación, la hipótesis principal del determinismo genético, la afirmación de que la mayor parte de la biología y las enfermedades humanas pueden interpretarse a través del prisma de la genética, no ha sido confirmada.
La genética ha sido estudiada por muchas generaciones de científicos y el público, pero pocos han recurrido a la ciencia relativamente nueva de la epigenética: en la práctica, la inclusión de la epigenética en el estudio de los elementos moleculares de la biología y la evolución enfrentó oposición. Tanto Watson, que jugó un papel en el descubrimiento de la estructura del ADN, como Francis Collins, cuyo trabajo en la secuenciación del genoma del ADN ha sido significativo, inicialmente cuestionaron la importancia del factor epigenético, pero hoy ambos tienen una disposición más favorable. Francis Collins es ahora el director de los Institutos Nacionales de Salud de EE. UU. Sin embargo, no es sorprendente que después de 100 años de determinismo genético, muchos se estén resistiendo a los cambios de paradigma.
Un mes después de que presenté una teoría unificada de la evolución, y fue publicada en Genome Biology and Evolution en 2015, David Penny de la Universidad Massey de Nueva Zelanda sugirió que la epigenética es simplemente un componente genético sobre los rasgos heredados. Otras publicaciones recientes, como un artículo de Emma Whitelaw de la Universidad La Trobe de Australia, cuestionan el concepto de herencia epigenética lamarckiana en mamíferos.
A pesar de la oposición, estoy convencido de que hemos llegado a un punto en el que es inminente un cambio de paradigma. El reconocimiento de que la epigenética jugó un papel en la evolución no refuta la importancia de la genética. Cualquiera que tenga en cuenta las ideas neolamarckianas no está desafiando en absoluto la teoría neodarwiniana clásica. Las enseñanzas reconocidas son importantes y precisas, pero son piezas de material más amplio y detallado que amplía nuestra comprensión al integrar todas nuestras observaciones en un todo coherente. La teoría unificada muestra cómo el medio ambiente influye simultáneamente en la diversidad fenotípica y simplifica la selección natural, como se muestra en el diagrama anterior.
Cada vez más biólogos evolutivos muestran un interés creciente en el papel de la epigenética, ya se han creado varios modelos matemáticos que combinan la genética y la epigenética en un solo sistema, y este trabajo ha dado sus frutos con interés. Considerar la epigenética como un mecanismo molecular complementario ayuda a comprender fenómenos como la deriva genética, la asimilación genética (cuando un rasgo desarrollado en respuesta a las condiciones ambientales finalmente se codifica en los genes) e incluso la teoría de la evolución neutra, según la cual ocurren la mayoría de los cambios. no en respuesta a la selección natural, sino por casualidad. Al introducir un mecanismo molecular ampliado para la observación de los biólogos, los nuevos modelos crean un escenario más profundo, más fino y más preciso para la evolución general.
Tomados en conjunto, estos datos nos obligan a repensar el antiguo estándar, el determinismo genético, en busca de lagunas. En 1962, Thomas Kuhn sugirió que cuando surgen anomalías en el paradigma actual, es necesario prestar atención a los nuevos conocimientos: así nace la revolución científica.
Una teoría unificada de la evolución debería combinar aspectos neodarwinianos y neolamarckianos para ampliar nuestra comprensión de cómo el medio ambiente afecta el proceso evolutivo. Por el bien de Darwin, no se puede descartar la contribución de Lamarck hace más de 200 años. Por el contrario, debe tenerse en cuenta para crear una teoría más convincente y completa. Asimismo, la genética y la epigenética no pueden verse como áreas conflictivas, por el contrario, deben combinarse para obtener una gama más amplia de factores moleculares y con su ayuda explicar qué impulsa nuestra vida.
