Los vivos somos los muertos de vacaciones
Maurice Maeterlinck
Cuando una bacteria similar a Myxococcus xanthus inventó los primeros cadáveres, que eran células ingenuas que permitían que las egoistas estuviesen elevadas para poder propagarse en esporas, en ese momento, la muerte empezó a ser parte de la vida.
Hoy en día, existe una corriente de pensamiento, el transhumanismo, en el cual se propone que en el futuro, la muerte no sea destino, sino opción. En otras palabras, esta corriente de pensamiento aboga por la inmortalidad, al menos de aquellos que lo puedan pagar. Es un pensamiento muy atractivo entre muchos de los dueños de negocios de alta tecnología. Previamente ya hemos comentado qué problema supondría el tener una población de viejos ricos y poderosos y como el pueblo Yanomami de las selvas amazónicas de Venezuela y Brasil lo han resuelto elegantemente de la manera que ellos saben: con una historia que destila sabiduría.
La muerte ha existido desde el principio de los tiempos. Se morían aquellas mutaciones que no eran capaces de dejar descendencia, o que dejaban tan poca comparada con otros individuos que poco a poco iban siendo relegados en las poblaciones. La selección natural encarna a esa muerte con guadaña que elimina a aquellos genomas que no son demasiado eficientes en según que ambientes.
Para entender qué significa la selección natural en las clases empleamos una analogía con la selección artificial. La selección artificial funciona igual que la natural solo que en este caso es el granjero el que elimina a aquellos que no tienen la característica morfológica deseada. Por ejemplo, los perros, todas las razas proceden del lobo. El lobo y los perros son genéticamente similares, tanto que podemos cruzar perros con lobos todavía hoy en día y tener descendencia sana. Comparten más del 99.9% de los genes.
¿Cómo se llega a un pug, a un mastín o a un chihuahua a partir de lobos?
Las tribus actuales, como los Yanomami, siguen utilizando el método de domesticación que voy a describir. Suponemos que este método era utilizado por tribus durante el neolítico que es cuando se domesticó al perro. Las mujeres observaron que era más difícil quedarse embarazadas cuando estaban dando de lactar. De esa manera, cuando su hijo se destetaba es común que pongan a un animalito a mamar de sus pechos para continuar dando leche y de esta manera retrasar su nuevo embarazo. Esos animales crecían considerando a esas mujeres como sus madres naturales. Si en esa tribu, el uso que querían darle a ese perro es el de un animal que come las sobras y que se puede matar fácilmente cuando no hay otra cosa que comer, en cada camada que nace, y de media una perra pare ocho perritos, se mata a todos los perros menos al más pequeño y con menos pelo, a ese se le reserva para que cuando madure sexualmente pueda tener crías. Para una tribu, o una granja actual, es imposible mantener cada año a los ocho perros que nacen cada año. Si lo que quieres seleccionar fuese un perro guardián, en cada camada matarías a todos los perros y te quedarías solo con los más fuertes y robustos. De esa manera, a partir de un lobo se acaba teniendo una raza de mastines. Por lo tanto, aquellos que mueren son los primeros cadáveres. Su eliminación ayuda a que el genoma de esa especie vaya adaptándose cada vez mejor a la presión selectiva a la que está sometido.
Myxococcus xanthus y el nacimiento del cadáver
En el mundo bacteriano se ensaya la aparición del cadaver. Si partimos de una sóla bacteria de Myxococcus xantus y la dejamos tener, teóricamente toda la descendencia va a ser clónica ya que no existen las ventajas del sexo. ¿Podría haber mucha variabilidad intraespecífica al cabo de unas cuantas generaciones? ¿digamos un día?. Los experimentos de Richard Lenski con cultivos de larga duración de E. coli sugieren que puede haber mucha variabilidad intraespecífica a partir de un solo clon si se le deja tener las suficientes generaciones, estamos hablando de meses. Por esta razón, es poco probable que en 24 hr a partir de un clon la población sea diversa genéticamente. Probablemente para llegar a niveles en que la variabilidad intraespecífica llegue a ser notoria hagan falta más de un día. Si a la descendencia de 24 horas de crecimiento de Myxo se la pone en una placa con escasez de nutrientes entonces la bacteria comienza a formar un cuerpo fructífero. De ser una babosa (una colonia móvil de bacterias, una especie de manada de lobos) en busca de nutrientes pasa a ser una especie de seta. La mayor parte de las células del tallo son consideradas altruistas ya que forman el tallo para que las células egoístas se coloquen en la parte superior de la estructura para poder dispersarse lejos de la zona en la que las bacterias han detectado una falta de recursos. Las células egoístas tienen mayor probabilidad de llegar a un medio favorable. Serán favorecidas por la selección natural. Lo curioso es que estas células egoístas si las dejas crecer a su vez durante 24 h volverán a formar un cuerpo fructífero con células altruistas y células egoístas.
A nivel biológico el mejor y más exitoso ejemplo de mestizaje o de simbiosis es la aparición de la célula eucariota. De eso tratará el siguiente capítulo. Pero antes, tenemos que deleitarnos con un nuevo mecanismo por el cual la vida se organiza. Un mecanismo que fue desarrollado por las bacterias. En concreto, una de esas bacterias sociales,
Myxococcus xanthus, es la que los científicos emplean para descifrar un mecanismo que podríamos denominar "El poder de uno necesita la estupidez del otro". Esta frase pertenece al pastor luterano Dietrich Bonhoeffer
Un principio de este mecanismo es la multicelularidad, es decir, que exista un número alto de clones. Esto es novedoso porque para que la evolución basada en la competición ocurra tenemos que tener una población diversa. La diversidad genética es básica, bien por mutaciones, por recombinaciones, por sexo. La selección natural ocurre sobre una población diversa. El mecanismo "El poder de uno necesita la estupidez del otro" se genera a partir de la uniformidad de múltiples individuos
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Evolución por la estupidez del otro. Una célula, a la izquierda, se reproduce hasta formar un conglomerado clónico. De repente, por un mecanismo que todavía se está desentrañando, una de esas células se convierte en él, célula en rojo, y a partir de ese momento, yo y todas las que son como yo, células azules, vamos a trabajar para él.
Este es el mecanismo que desarrolla
Myxococcus xanthus en situaciones de estrés alimenticio. El protozoo eucariota
Dyctiostelium discoideum, también lo emplea. Lo emplean los insectos sociales de la clase hymenoptera como hormigas, abejas y avispas y los isópteros como las Termitas. Lo emplean las ratas topos. Y lo más asombroso... todos los seres pluricelulares utilizan este mecanismo... sí, los seres humanos también. Lo que voy a contar a continuación va a cambiar la forma en que, estimado lector, te ves a ti mismo.
Como trabajar con monos es complicado, hacerlo con bacterias es más sencillo. La bacteria social Myxococcus xanthus es una bacteria modelo y lo es gracias a su ciclo celular que consta de cuatro estadíos a saber:
Ciclo vital de Myxococcus xanthus. En la etapa 1, la bacteria crece por división binaria como lo hacen todas las bacterias, de una se divide en dos, esas dos en cuatro... Cada bacteria lleva una existencia individual. Este estadío es el que tiene lugar cuando hay abundancia de alimento. Cuando el alimento comienza a escasear, M. xanthus se agrupa en lo que se viene a llamar una "manada de lobos" 2. En este estadío M. xanthus forma un enjambre de células que van perseguir a bacterias de otras especies para rodearlas y eliminarlas mediante enzimas hidrolíticas para luego alimentarse de sus restos. Cuando la comida comienza a escasear de veras y ya no compensa hacer expediciones en busca de comida, las bacterias comienzan a formar un pedestal. En el tope de ese pedestal una serie de bacterias se van a convertir en esporas. Esas esporas se van a dispersar y si por casualidad una de ellas aterriza en un lugar en donde hay abundante alimento, la espora germina, es decir se abre, y de ella surge una nueva célula de Myxococcus (Veiicer et al. 2000)
El suicidio altruista Cuando los cultivos de bacterias comienzan a quedarse sin nutrientes, las bacterias dejan de dividirse. Sienten que vienen tiempos difíciles. Cuando la falta de alimento ya afecta a las funciones metabólicas básicas de la población, una parte de la población comete suicidio para alimentar al resto de la población. ¿Qué es lo que hace que unas se suiciden y otras persistan? Esta es una línea de investigación básica activa actualmente. ¿Debemos entender a las bacterias como individuos o como organismos sociales? De lo que resulte de estas investigaciones tendrá impacta en cómo los humanos nos vemos a nosotros mismos.
Las bacterias viven y mueren en compleja comunidades que recuerdan en muchos sentidos a un organismo multicelular. La liberación de feromonas hace que las bacterias de una población respondan de manera concertada cambiando patrones de expresión genética, un fenómeno que se llama percepción de quorum. Quorum es una palabra latina que se refiere a la cantidad necesaria de personas para tomar una decisión. Las bacterias pueden agregarse, unirse formando estructuras como los llamados biofilms, que son comunidades fuertemente unidas de células. Desde este punto de vista el suicidio puede ser beneficiosa para una comunidad bacteriana multicelular. Es el caso del suicidio cuando hay una infección vírica pero también en el caso de daño por factores tóxicos donde la célula que se suicida dona sus nutrientes y componentes celulares a sus vecinas en lugar de gastar recursos de sus vecinas en intentos inútiles de reparase a sí misma. Es interesante notar que en muchas especies de hormigas, cuando una de ella siente que está infectada por un virus toma el camino opuesto al hormiguero para morir sola alejada de sus congéneres.
Las células egoístas son un remedo de las células reproductivas, espermatozoides y óvulos, mientras que las células altruístas seríamos nosotros sin gónadas: un portador que sólo trata de pasar las células egoístas a la siguiente generación. Como decía el autor teatral Maurice Maeterlinck "Los vivos somos los muertos de vacaciones". Durante esas vacaciones que es nuestra vida buscamos desesperadamente un background genético (vease pareja) apropiado-a para mezclar genes y darle a nuestra descendencia mayores oportunidades de tener éxito en su vida. Pero... ¿Quién le enseña a las células a ser egoistas?
Si estas hormigas estuviesen huyendo de algo, por ejemplo fuego, o un depredador, la que se queda sola después de haber ayudado a los demás ¿Cómo la definiríamos?
Los virus nos enseñan egoísmo
Hay diferentes mecanismos para que una bacteria se suicide. Uno muy interesante es el de la toxina-antitoxina. Cada uno de estos módulos toxina-antitoxina consiste en dos genes que especifican la producción de dos componentes: una toxina estable y una antitoxina inestable que actúa de antídoto contra la toxina. Estos módulos se descubrieron por primera vez en E. coli y el origen de su existencia son los plásmidos. Los plásmidos son moléculas de ADN extracromosómico que se transmiten independientemente del ADN cromosómico de las bacterias y pueden ser considerados como parásitos. La cuestión es que si la bacteria pierde los plásmidos morirá porque la toxina es más estable, dura más tiempo, mientras que la antitoxina se degrada más rápido. El resultado es que la antitoxina ejecuta a la bacteria. Por eso se llama módulo de adicción porque la bacteria se hace adicta a la antitoxina, necesita la antitoxina para seguir viviendo. También podemos decir que se hace adicta al plásmido que produce ambas de manera que no puede deshacerse del plásmido sin perecer ella también.
Algunos virus bacteriófagos que infectan a las bacterias también producen módulos de adicción de este tipo que sirven para que la célula no pueda eliminarlos y para impedir las infecciones por otros virus. Si otro virus entra en la célula y hace desaparecer el fago inicial la bacteria completa desaparecerá y así no puede avanzar la infección por el virus competidor. Sistemas toxina-antitoxina similares a los módulos de adicción se han integrado en el cromosoma de las bacterias. El más conocido es el mazEF.
Otros bacteriófagos han desarrollado defensas antisuicidio, es decir, defensas contra estos sistema toxina-antitoxina. Estos virus tienen genes que producen un antídoto similar a la antitoxina del módulo de adicción, con lo que evita el suicidio de la bacteria. Pero no sólo eso, estos bacteriófagos son capaces de captura el sistema genético toxina-antitoxina y transferirlo a otras especies de bacterias que carecían de este sistema antifago. Esto parece contraproducente para el fago ya que proporciona a la bacteria un mecanismo de lucha contra ellos, pero si lo pensamos más despacio vemos que tiene lógica porque al transferir un sistema de defensa a otras bacterias -del que ellos tienen la llave-, los fagos se aseguran que esas bacterias sólo van a poder ser infectadas por ellos.
¿Qué es lo que te hace egoísta?
La confrontación. Interactuar de tú a tú con los demás. Saber que dependes exclusivamente de ti mismo. Que más vale que seas espabilado para distinguir amigos de enemigos. Que tienes que reproducirte rápido. En el caso de los virus es bastante fácil seguir estos preceptos. En el caso de las bacterias es fácil cuando interaccionan bacterias de distintas especies, pero ¿Qué pasa con poblaciones de la misma especie, del mismo clon? Es más sencillo engañarlas para que tengan comportamientos altruistas en favor del grupo. La homogeneidad hace que las bacterias clónicas dejen de ser totalmente individuos independientes para empezar a actuar como organismos sociales, similares a las colonias de hormigas o termitas, en donde los individuos trabajan y se reproducen como un grupo.
Te olvidas de que eres un individuo cuando hay mandatos de orden superior, como los mecanismos genéticos que hacen que te suicides para que tus moléculas sirvan para alimentar al resto de la colonia. Hemos visto como en el caso de los bacteriófagos de Pseudomonas aeruginosa presentan también comportamientos de suicidio a favor de la especie. El extremo de este comportamiento "altruista" somos los organismos pluricelulares, que no solo vivimos para mantener a las células sexuales hasta que sea el momento de generar nuestra descendencia, sino que, nuestras células son diferenciadas una y otra vez para formar tipos de células distintas: musculares, cardiacas, neuronas, adipocitos... capaces de formar tejidos y un organismo complejo entero.
Marionetas antes de ser cadáveres
Carlo Collodi (1826-1890), pseudónimo de Carlo Lorenzini, nació en Florencia, donde su padre era cocinero de una familia aristocrática no fue un escritor reconocido con una extensa obra. Sin embargo, su libro Pinocchio es el libro más impreso en el mundo después de los libros religiosos.
Niños convertidos en burro. Fotograma de la película Pinocho de Disney.
Es inquietante la historia de la Isla de los Juegos, en donde los niños "educados" en el ocio y entretenimiento acaban convertidos en los burros que tiran del carro del amo. Supongo que para un hijo de un cocinero de una familia aristocrática, escapar del destino de ser burro de carga era una cuestión vital. Al fin y al cabo, cuando nuestro padre ha muerto, no tenemos que esperar mucho a verlo en el espejo cuando envejecemos.
Nos queda claro que somos finitos, y que esto es necesario para que exista la infancia. Esta finitud no significa que seamos insignificantes. Al contrario, le da valor a un tiempo que es escaso. Lo que no debemos es ser esclavos. En el último libro que dio a la imprenta Immanuel Kant "
El conflicto de las facultades", propone que, la moral y la ética nace de la libertad; porque solamente en libertad se puede cumplir con el deber, que nace del derecho. Solamente, en libertad, en autonomía, el hombre es capaz de comprometerse. La autonomía es por tanto fundamental para definir la identidad.
Las células de los seres pluricelulares son marionetas del genoma de la especie. Ese
código genético que veíamos al principio, va generando proteínas que se van a unir al ADN activando unos genes, luego otros, esos genes darán proteínas que ordenadas en el espacio y el tiempo generarán seres maravillosos. Esos seres serán más simétricos, más hermosos, más espectaculares... y habrá los que no lo sean tanto, y no tendrán tanta suerte para pasar sus genes a las siguientes generaciones. Habrá quien no deje descendencia pero deje su mensaje, su ideas, sus obras. La cultura de los humanos comienza a perpetuarse de manera independiente a sus creadores, de una manera muy biológica. Este fenómeno de replicación cultural ha servido para que el biólogo Richard Dawkins acuñase el término meme. En las teorías sobre la difusión cultural, un meme es la unidad teórica más pequeña de información cultural transmisible de un individuo a otro, de una mente a otra, o de una generación a la siguiente. Igual que la evolución biológica se basa en la reduplicación de unidades de información llamadas «genes», la evolución cultural se basa en la reduplicación de unidades de información llamadas «memes». Pero, volvamos a la biología...
Cuando se forma el zigoto después de la fusión del espermatozoide con el óvulo, este comienza a dividirse, forma una morula, luego una blástula y por último una gástrula
De izquierda a derecha: morula, blástula y por último una gástrula
Los animales se van a dividir en dos grandes grupos: protóstomos y deuteróstomos. Básicamente en los deuteróstomos, la primera abertura del embrión (blastoporo) se convierte en ano. En cambio, en los protóstomos, se convierte en la boca.
A este grupo de células se las va a manejar diferenciándolas a distintos tipos de células. Es interesante observar cómo un grupo de genes, los genes Hox, han servido para diferenciar a los animales que tienen un eje anterior posterior, como es el caso humano. Los genes Hox evolucionaron a partir de uno ancestral gracias a las duplicaciones génicas. Estas duplicaciones acabaron formando los diferentes grupos de genes Hox. Los Hox se encuentran agrupados dentro de un cromosoma siguiendo un determinado orden y este mismo orden es el que siguen al expresarse en el organismo. Es decir, que el orden que muestran en el cromosoma se corresponde con el orden de expresión en el eje anteroposterior del animal. Es decir, los genes del extremo derecho se expresan antes y en la parte anterior del animal, y los del extremo izquierdo después y en la parte posterior. Esta propiedad se conoce como principio de colinearidad temporal y espacial, y se cumple en todos los grupos de genes Hox aun cuando éstos estén dispersos en el genoma.
Con el tiempo se descubrió que estaban presentes incluso en los animales que no mostraban un eje anteroposterior diferenciado, es decir, que no poseían una cabeza ni una cola como tal. Aunque no agrupados, existen homólogos de los genes Hox en las esponjas, medusas o ctenóforos
Vayamos por partes, como sugería Jack el Destripador. Si nos centramos en los genes Hox de los animales bilaterales , que básicamente son todos los animales excepto animales muy primitivos que viven en colonias como las esponjas, cnidarios (medusas y anémonas) y ctenóforos (similares a medusas) podemos construir un árbol filogenético que tenga un ancestro común como punto de partida. Este ancestro común lo se denomina ACB (Ancestro Común de los Bilaterales). Este ACB era un gusano marino de hace -550 ma. Este hipotético organismo ancestral ya era bilateral y mostraba las características propias de los animales bilaterales: un extremo anterior con boca, uno posterior con ano. Sus tejidos y órganos estaban más desarrollados que los grupos animales no bilaterales. Estas características las podéis observar en la siguiente imagen.
El ACB ya tenía tejido muscular (en naranja), un sistema nervioso central con un “protocerebro” (en amarillo), un órgano largo bombeador análogo al corazón (en azul) y órganos sensoriales y apéndices en la boca (en rojo y negro, respectivamente). A partir de este ACB surgirían todos los animales bilaterales que conocemos hoy día: por un lado los protóstomos y por otro los deuteróstomos (Lemons and McGinnis, 2006)
La increible diversificación y expansión de los animales con un eje antero-posterior definido que surgen a partir del ancestro ACB se debe a la evolución diversificadora de su grupo de genes Hox. En concreto nos referimos al grupo de ocho genes que en la siguiente figura se encuentra en la base de la bifurcación en dos grandes ramas del árbol genealógico.
En la base del árbol de la misma se muestra un cnidario con genes Hox dispersos. A continuación en la base de la que se bifurcan las dos ramas principales tenemos la organización del grupo de genes Hox del organismo ACB. La rama izquierda muestra los genes Hox fragmentados de los protóstomos, como el gusano plano Schistoma mansoni, causante de la esquistosomiasis, los nematodos o los insectos representados por la mosca de la fruta. La rama derecha muestra los deuteróstomos, que presentan grupos de genes Hox organizados linealmente en cromosomas (Lemons and McGinnis, 2006)
El número y organización de los genes Hox de un organismo están relacionados con su plan corporal. La evolución ha provocado numerosos cambios en el número de genes Hox, y esto ha contribuido a la evolución morfológica de los distintos grupos de animales. Algunos ejemplos son el complejo plan corporal de los vertebrados reflejo de su extraordinaria regulación, los 7 grupos de genes Hox de los peces (reflejo de su gran variedad morfológica), la escasez de genes Hox en nematodos y platelmintos (correlacionada con su arquitectura corporal tan simple), y un largo etcétera.
Los parásitos que siempre sufren una evolución característica que implica la pérdida de genes que nos les hacen falta. Tiene sentido. Demasiados genes para un ambiente tan constante y determinado como el cuerpo de un hospedador no harían más que interferir con esa solución de compromiso a la que llegan con su hospedador los parásitos muy evolucionados. Si los genes Hox están involucrados en simetría bilateral, extremidades... el parásito Schistosoma mansoni, que produce la enfermedad conocida como esquistosomiasis o bilharzia, tiene solo 4 genes Hox dispersos.
Los genes Hox son interesantes porque nos enseñan como se generan los múltiples patrones corporales de los vertebrados. Por ejemplo, el linaje de las serpientes hace varios millones de años los genes Hox10 perdieron la habilidad de suprimir el desarrollo de vértebras con costillas en la parte torácica y posterior. Este evento mutacional de supresión dio lugar a un esqueleto alargado y sin extremidades. De esta manera, vislumbramos los hilos que mueven a las marionetas pluricelulares.
Para saber más:
Velicer, G., Kroos, L. & Lenski, R. Developmental cheating in the social bacterium Myxococcus xanthus . Nature 404, 598–601 (2000). https://doi.org/10.1038/35007066
Domink Refract et al., Altruism can evolve when relatedness is low: evidence from bacteria committing suicide upon phage infection. 2013 Proc R Soc B 280: 20123035
Derek Lemons y William McGinnis (2006). Genomic evolution of Hox gene clusters. Science, 313 (5795), pp: 1918-1922.
Sistema toxina-antitoxina
El suicidio de las bacterias del blog Evolución y Neurociencias
La evolución de los genes Hox
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