Entre los anfibios, la salamandra Hydromantes es la campeona en velocidad de disparo de lengua. En menos de cinco milisegundos, puede atrapar a un insecto desafortunado en vuelo; esta vez incluye el trabajo de los músculos, el cartílago y partes del esqueleto. Si comparas esta anatomía balística con ranas y camaleones, estos últimos son balandras. David Wake, biólogo evolutivo de la Universidad de California, Berkeley, dice: “He pasado unos 50 años estudiando la evolución de las lenguas salamandras. Esto es realmente interesante, porque en general no se diferencian en alta velocidad, pero sin embargo pueden hacer el movimiento más rápido de los que están disponibles para los vertebrados que conozco . A lo largo de su desarrollo, la evolución ha encontrado una forma más eficiente de garantizar una caza exitosa con el lenguaje. Su adaptación aparentemente única parece serdesarrollado de forma independiente en tres especies de salamandras no relacionadas. Este es un ejemplo de evolución convergente, cuando diferentes individuos desarrollan independientemente adaptaciones biológicas similares bajo la influencia de los mismos factores ambientales. Las salamandras son un ejemplo favorito que Wake cita cuando se le hizo la pregunta de larga data sobre la biología evolutiva: si rebobina la cinta de la evolución, ¿se repetirá? Aparentemente esto es lo que sucedió en el caso de las salamandras; con otros organismos esto podría no haber sucedido.si rebobina la cinta de la evolución, ¿se repetirá? Aparentemente esto es lo que sucedió en el caso de las salamandras; con otros organismos esto podría no haber sucedido.si rebobina la cinta de la evolución, ¿se repetirá? Aparentemente esto es lo que sucedió en el caso de las salamandras; con otros organismos esto podría no haber sucedido.
Se sabe que esta pregunta fue planteada por primera vez por el biólogo evolutivo Stephen Jay Gould, recientemente fallecido, en 1989 en su libro Amazing Life: The Burgess Shales and the Nature of History, que se publicó en una era en la que la gente todavía escuchaba música en casetes. El libro habla de los fósiles encontrados en el esquisto de Burgess, restos de una miríada de animales extraños que vivieron en nuestro planeta hace unos 520 millones de años, durante el período Cámbrico. Casi todos los animales que existen hoy tienen antepasados que vivieron en el Cámbrico, pero no todos los animales de esa época tienen descendientes en nuestra era. Muchos individuos del Cámbrico se extinguieron porque no estaban suficientemente preparados para la lucha por la supervivencia, o porque estaban en el lugar equivocado en el momento equivocado cuando los volcanes entraron en erupción, cayeron meteoritos u ocurrieron otros eventos devastadores.
Gould vio la increíble variedad de restos de animales en Burgess y especuló que nuestra flora y fauna se verían diferentes si la historia se hubiera vuelto al revés. Sugirió que las mutaciones caóticas y las extinciones de especies, que él llamó "accidentes históricos", se construirían una encima de la otra, moviendo la evolución en una dirección u otra. Según Gould, la existencia de cualquier animal, incluidos los humanos, es un fenómeno raro, cuya repetición, en el caso de "rebobinar y lanzar" del período Cámbrico, es poco probable. En su libro, Gould se refiere a menudo al trabajo sobre el fósil de Burgess realizado por el paleontólogo Simon Conway Morris de la Universidad de Cambridge, pero el científico mismo está en total desacuerdo con el punto de vista de Gould.
Conway Morris cree que con el tiempo, la selección natural obliga a los organismos a experimentar una serie de adaptaciones para llenar los nichos ecológicos limitados de la Tierra. Esto lleva al hecho de que especies no relacionadas convergen consistentemente en la estructura corporal. “Los animales tienen que construirse a sí mismos de acuerdo con los requisitos físicos, químicos y biológicos de este mundo”, dijo. Conway está convencido de que tales restricciones hacen casi inevitable que en el caso de "rebobinar la cinta" la evolución tarde o temprano conduciría a la aparición de organismos similares a los que existen en nuestro mundo. Si nuestros antepasados monos no hubieran desarrollado un cerebro y la mente unida a él, según el científico, otra rama como los cuervos o los delfines podría ocupar el nicho en el que se encuentra ahora el hombre. Pero Gould no está de acuerdo.
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Ambos científicos reconocen que la aleatoriedad y la convergencia (desarrollo independiente hasta la aparición de signos similares - aproximadamente un nuevo por qué) tienen lugar en la evolución. En cambio, la discusión se centra en cuán únicas o repetibles son las adaptaciones clave como la mente humana. Mientras tanto, otros biólogos han abordado el rompecabezas y han demostrado cómo la convergencia y la aleatoriedad se afectan entre sí. Comprender la interacción de estas fuerzas puede ayudarnos a descubrir si todo lo que vive es el resultado de 7 mil millones de años de coincidencias, o si todos nosotros, humanos y salamandras, somos parte de la inevitabilidad, como la muerte o los impuestos.
En lugar de intentar recrear la historia utilizando fósiles, Richard Lenski, biólogo evolutivo de la Universidad de Michigan, decidió observar los fenómenos de convergencia y azar en tiempo real en el entorno controlado de su laboratorio. En 1988, dividió la población de bacterias Escherichia coli y las colocó en 12 reservorios separados de medios de cultivo líquidos, lo que les permitió crecer de forma independiente entre sí. Desde hace 26 años, cada pocos meses, él o uno de sus estudiantes ha estado congelando un lote de bacterias. Este kit de gérmenes congelados le da a Richard la capacidad de "reiniciar la película" del ciclo de vida de E. coli desde cualquier momento que desee simplemente descongelando una porción. Durante todo el proceso, puede comprobar,cómo cambian las bacterias, tanto en términos de genética como en términos de lo que solo se puede ver al microscopio. Lenski explica: "Todo el experimento se creó para probar qué tan repetible es la evolución".
En 11 reservorios de Lenski, E. coli creció en tamaño, pero las bacterias de la duodécima muestra se dividieron en dos ramas independientes, una con células grandes y la otra con células pequeñas. Lenski dice: “Los llamamos 'grandes' y 'pequeños'. Coexisten desde hace 50 mil generaciones”. Esto no ha sucedido en ninguna otra población; por tanto, podemos concluir que ocurrió un evento evolutivamente aleatorio. E incluso 26 años después, ningún otro ensayo ha repetido la aparición de tal rama. Así, en esta situación, el azar parece haber prevalecido sobre la convergencia.
En 2003, hubo otro episodio accidental. El número de bastoncillos en uno de los depósitos ha aumentado hasta tal punto que el medio de cultivo, normalmente transparente, se vuelve turbio. Al principio, Lenski decidió que había una contaminación normal del medio ambiente, pero resultó que E. coli, que normalmente solo comía glucosa disuelta en líquido, desarrolló la capacidad de consumir otro elemento contenido en los tanques: el citrato. Después de 15 años y 31.500 generaciones, solo una de las colonias pudo procesar esta sustancia. La cantidad de bacterias que contiene comenzó a crecer 5 veces más rápido que en otras colonias.
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Este "accidente histórico" le dio a Richard ya su graduado Zachary Blount la oportunidad de probar la probabilidad de que tal evento ocurriera nuevamente si "rebobinaban la cinta". Blount seleccionó del almacenamiento 72 muestras de barras congeladas recolectadas en diferentes etapas del experimento de una población que luego pudo incorporar citrato en su metabolismo. Los descongeló y estimuló su reproducción. Pronto, 4 de 72 muestras desarrollaron la misma capacidad para consumir citrato. Curiosamente, estas mutaciones solo ocurrieron en poblaciones congeladas después de un ciclo de 30,500 generaciones. El análisis genético mostró que no mucho antes de esto, varios genes pasaron por cambios que contribuyeron al surgimiento de la evolución con el metabolismo del citrato. En otras palabras, la capacidad de absorber citrato dependía de la aparición de otras mutaciones que lo precedieron. Creó una bifurcacióncambiando los posibles caminos que pueden tomar las generaciones futuras.
Conocido como el Experimento Evolutivo a Largo Plazo, este proyecto de E. coli ha atravesado 60.000 generaciones, lo que le ha dado a Richard un conjunto de datos sólidos del cual sacar conclusiones sobre las interacciones del azar y la convergencia en la evolución. Los cambios sutiles en el ADN de las bacterias, haciéndolos más grandes o más capaces de reproducirse rápidamente, se han convertido en eventos frecuentes en varios reservorios. Al mismo tiempo, Lenski presenció sucesos aleatorios "sorprendentes" en los que algo completamente diferente a los demás tuvo lugar en una de las poblaciones. Pero, como en el fenómeno de la convergencia, tales transformaciones no fueron completamente aleatorias.
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"No todo es posible", sea cual sea el proceso, explica Wake: "Los organismos se desarrollan en el contexto de características heredadas". Los animales no pueden transmitir mutaciones que sean destructivas o impidan la reproducción. En el caso de la salamandra Hydromantes, sus antepasados tuvieron que superar una limitación importante: para obtener sus lenguas de tiro, era necesario sacrificar sus pulmones. Esto se debe a que parte de este mecanismo se desarrolló a partir de músculos que utilizaban sus predecesores para bombear aire a los pulmones. Hoy, este músculo que alguna vez fue pequeño y débil se ha vuelto mucho más grande y fuerte. Se enrolla como un resorte alrededor del hueso en forma de cono en la parte posterior de la cavidad oral, y cuando el músculo se contrae, el hueso crea tensión, que dispara la lengua junto con su aparato óseo desde la boca. Así, los ancestros de Hydromantes no solo adquirieron una mutación,que se convirtió en un "lenguaje balístico". En cambio, esta adaptación siguió a una serie de cambios que primero le permitieron a la criatura superar su dependencia pulmonar del oxígeno y flotar hacia la superficie del agua. Cada cambio dependía del anterior.
Los camaleones, a su vez, retuvieron sus pulmones. En lugar de jugar con su anatomía, desarrollaron colágeno, lo que permitió que la lengua disparara a sus presas. A primera vista, los lenguajes de salamandras y camaleones son un ejemplo de convergencia, pero si miras de cerca, queda claro que no es así. Un camaleón tarda 20 milisegundos en disparar, que es el ritmo de un caracol en comparación con los cinco milisegundos de las salamandras. ¿Por qué los camaleones adquirieron lenguajes tan lentos? Respuesta: Se enfrentaron a un obstáculo en el camino de la evolución convergente. La lengua del camaleón es lo suficientemente rápida para que sobrevivan, pero carecen de la "estructura de rasgos heredados" para desarrollar la anatomía balística más mortal de las salamandras. Los camaleones han alcanzado un "pico de adaptación", como dicen los biólogos.
En experimentos con virus que infectan bacterias (bacteriófagos), el biólogo de Harvard David Liu también descubrió picos adaptativos. Estos picos limitan la capacidad de los organismos para converger en una estructura óptima. Explican por qué los accidentes no ocurren con frecuencia.
Liu quería saber si grupos idénticos de bacteriófagos podrían desarrollar independientemente la misma enzima si se les aplicaba la misma presión evolutiva. Aceleró la evolución de las proteínas en los virus utilizando un sistema que llamó PACE.
Durante el experimento, los virus que no produjeron una enzima que Liu necesitaba se eliminaron del experimento. Solo quedaron los que habían alcanzado la meta. Algunos de ellos resultaron en la enzima "mejor" que otros. En este caso, necesitaban la enzima polimerasa, que detecta una determinada secuencia de ADN y la convierte en ARN, y algunas polimerasas reconocieron la secuencia con mayor precisión que otras. Como el lenguaje comparativamente lento de los camaleones, estos virus han desarrollado adaptaciones que les permiten sobrevivir, pero les impiden obtener la mejor polimerasa. Algunos virus se atascaron en un pico bajo, otros subieron más alto.
Para comprender lo que los biólogos quieren decir con picos adaptativos, imagine un área cuya topografía represente niveles altos y bajos de potencial reproductivo. En el caso de los bacteriófagos de Liu, distintas poblaciones estudiaron la zona, adquiriendo distintas mutaciones. Algunos terminaron en pequeñas colinas, otros en montañas del tamaño del Everest. Y así empezaron a subir hasta la cima que consiguieron. Habiendo escalado una montaña baja, los virus no pueden moverse a otra más alta. Para hacer esto, primero tendrán que volver a bajar, reduciendo sus posibilidades de supervivencia con cada paso. Es muy difícil hacer esto, porque uno no debe olvidarse de la supervivencia del más apto. Qué mutación ocurrirá antes que otras, qué pico irá al cuerpo, este es un accidente histórico, que la evolución convergente solo puede superar con gran dificultad.si es que puede.
El momento de aparición de las mutaciones es importante. "Los primeros eventos aleatorios que crean una diferencia en el acervo genético pueden afectar significativamente si una mutación beneficiosa puede afectar en última instancia la supervivencia de un organismo", explica Liu. "Estos accidentes reducen la repetibilidad de la evolución". En este experimento, la aleatoriedad superó la convergencia. Los hechos que sucedieron evitaron que se repitiera.
Una forma en que la vida puede superar las limitaciones de los picos adaptativos fue descubierta por el estudio de organismos digitales realizado por biólogos informáticos de la Universidad Estatal de Michigan Chris Adami y Charles Ofria. Crearon el programa informático Avida, en el que los organismos digitales evolucionan en las condiciones establecidas por el experimentador. Los avidianos mutan, adquiriendo y perdiendo aleatoriamente líneas de código que les permiten resolver problemas matemáticos, lo que aumenta su capacidad de reproducción.
En un experimento, los Avidianos tuvieron la tarea de obtener la capacidad de resolver el complejo problema lógico de la "identidad bit a bit". Solo 4 de cada 50 poblaciones digitales han desarrollado el código necesario para realizar la operación. Todas las poblaciones exitosas recibieron inicialmente muchas mutaciones (líneas de código aleatorias) que complican la solución de problemas matemáticos y, por lo tanto, la reproducción. Por paradójico que parezca, Ophria descubrió que las mutaciones tempranas malas juegan un papel clave en la mejora de la aptitud en las generaciones posteriores, posiblemente porque crean diversidad genética a partir de la cual pueden surgir nuevas mutaciones aleatorias.
¿La rareza de alguna de las secuencias de eventos confirma que es poco probable que vuelvan a ocurrir los grandes giros en la evolución? Experimentalmente, esto es cierto, pero Conway Morris dice firmemente que no. “Es una tontería pensar que no hay accidentes en absoluto. La única pregunta es el tiempo . Él cree que con suficiente tiempo y genomas de mutación, la selección natural conducirá la vida a adaptaciones inevitables que se adaptan mejor al nicho ecológico de los organismos, independientemente de las posibilidades que surjan. Él cree que algún día todas las bacterias E. coli en el experimento de Lenski comenzarán a absorber citrato y todos los virus Liu escalarán su Monte Everest. Además, estos experimentos se llevaron a cabo en entornos muy simples y controlados, a diferencia de los complejos ecosistemas a los que se adapta la vida fuera del laboratorio. Difícil de decir,la influencia del mundo real habría cambiado los experimentos.
Hasta la fecha, el mayor defecto en todos los intentos de responder a la pregunta sobre la película de la vida es que los biólogos pueden sacar conclusiones de una sola biosfera: la Tierra. Un encuentro con un organismo extraterrestre nos diría mucho. Incluso si los organismos extraterrestres no tienen ADN, lo más probable es que muestren patrones evolutivos similares. Necesitarán que algún material se transmita a los descendientes, guiando el desarrollo de los organismos y cambiando con el tiempo. Como dice Lenski, "Lo que es cierto para E. coli es cierto para los microbios en todo el universo".
Por lo tanto, la misma interacción entre convergencia y azar se puede observar en otros planetas. Y si la vida extraterrestre está experimentando la presión evolutiva de un entorno similar al experimentado por la vida terrestre, las personas del futuro pueden encontrar extraterrestres que hayan desarrollado una inteligencia similar a la nuestra de manera convergente. Por otro lado, si se acumulan eventos aleatorios, llevando la vida por caminos únicos, como sugirió Gould, la vida extraterrestre puede ser inusualmente extraña.
Gould creía que los humanos son "un evento evolutivo extremadamente improbable". Como prueba, señaló que en los 2.500 millones de años de vida en la Tierra, la inteligencia humana apareció solo una vez. Consideró que la probabilidad de que otra especie desarrollara una inteligencia como la nuestra era fantasmalmente pequeña. Del hecho de que podemos ser la única especie inteligente del universo, podemos sacar conclusiones que van más allá de la biología. "Algunos ven esta posibilidad como una razón para la depresión", escribió Gould en The Wonderful Life. "Siempre la he considerado estimulante, fuente de libertad y, en consecuencia, responsabilidad moral".
Zach Zorich
La traducción fue realizada por el proyecto Nuevo
