Y sí, las cebras tienen melanina en su piel y pelo, y de sobras sabemos que las decora de forma espectacular. Por eso ha surgido la pregunta en algún alumno de 3º de la ESO: ¿Por qué la cebra es blanca y negra a rayas? Vamos a intentar dar un poco de luz a su curiosidad.

Lo primero que quiero decir es que la aparición de esta circunstancia en el fenotipo de las cebras no es nada especial. Es la consecuencia de una serie de cambios evolutivos que conformó a los ancestros de estos animales con una característica corporal que seguramente les ayudó a sobrevivir y multiplicarse en su hábitat. Las manchas en la piel no son esenciales para vivir, como lo demuestran la mayoría de animales. Pero sí puede dar un plus de competitividad en determinados nichos ecológicos.

Vayamos, pues, al inicio y busquemos la raíz filogenética de estos animales. Son del género Equus, junto a los caballos, asnos y onagros, y en la actualidad viven tres especies de cebras, aunque en 1883 se extinguió una cuarta, la Equus quagga quagga, cuya característica más llamativa era que presentaba una pauta de rayado solamente en la parte delantera de su cuerpo. Las otras tres especies vivas son la Equus quagga o cebra común, la Equus zebra o cebra de montaña y la Equus grevyi o cebra de Grevy, también conocida como cebra imperial. Como podemos ver en la imagen que sigue las tres disponen de un patrón de rayas muy específico y particular de la especie. Todo un juego de zonas melanizadas, las oscuras, y desmelanizadas, las claras.

Una especie de cebra extinta, la quagga quagga, y tres vivas. Observad el distinto patrón de rayado en todas ellas (Wikimedia: quagga quagga, dominio público; quagga, zebra CC BY-SA 3.0; grevy, CC BY 3.0)

El hecho de que sean todas rayadas nos puede hacer pensar que las tres especies provienen de un mismo animal ancestro en el que se produjo el cambio genético que dio paso a este especial tintado de piel y pelo. Pero no es así, como nos lo indica su árbol filogenético que vemos más abajo. Por ejemplo, el caballo africano es una especie intermedia entre la cebra de montaña y la común, mientras que la cebra de Grevy es más pariente del asno asiático que de las otras dos cebras. De este hecho, de estar barajadas las filogenias de las especies Equus, parece lógico deducir que estos animales proceden de un antecesor de piel oscura -al menos no blanca- como es la característica del resto de la familia Equidae. Incluso podemos apreciar en la extinta Equus quagga quagga cómo su fenotipo está a medio camino, o cómo, y es regla general, cuando una región decolorada entre dos negras se hace muy ancha, aparece una nueva pigmentada como queriendo afirmar que la desmelanización fuera secundaria frente a la melanización. Con lo que casi podemos asegurar que las cebras son…. negras con rayas blancas.

Filogenis del género Equus (imagen: paleos-blog, fair use)

Dicho lo anterior, la primera respuesta parcial a la pregunta planteada, ¿por qué la cebra es blanca y negra a rayas?, es la más tonta que se me ocurre: porque en algún momento hubo un cambio en la maquinaria genética, o en las condiciones epigenéticas, que lo promocionaron. Evidentemente, la causa inicial del tintado de los animales y de sus patrones son los genes, como veremos más abajo en el caso que nos trae. La duda sería si se produjo el necesario cambio tres veces -en cada una de las tres especies- de forma independiente en distintos momentos históricos o bien los genes estaban allí, en los “caballos” de África, a la espera de una circunstancia externa que promoviera su expresión hasta entonces oculta por innecesaria. Yo me inclino por lo último, aunque simplemente porque me parece más parsimonioso. Es lo que exige menos filigranas intelectuales para ser explicado.

De cualquier forma, esto debió suceder después de que los équidos, originales de Norteamérica, migraran a Eurasia y África hace ahora unos 2,3 millones de años. El primer fósil que se conoce con seguridad que corresponde a una cebra es de un animal de la especie grevy, y se ha encontrado en Kenia.

Desconozco si se ha hecho algún estudio génico sobre el fenotipo rayado de las cebras -aunque supongo que así debe de ser- pero sí del patrón de manchas de los gatos, domésticos y salvajes, y del color del pelaje de unos pequeños ratones, del género Peromyscus, el mamífero más extendido por la geografía de Norteamérica. Con toda seguridad se habrán realizado muchos más estudios e investigaciones, aunque con los dos mencionados nos es más que suficiente para darnos cuenta de la relación directa entre genes y patrón de colores en los animales, al menos en los mamíferos. Parece ser en el primer caso -los felinos- que el dibujo atigrado o punteado es resultado de la expresión secuencial de dos genes, el Taqpep y el Edn3. En el caso de los ratones se estudiaba el tono general de la coloración y se pudo determinar que dependía también de la acción de dos genes antagonistas, el Mc1r y el Agouti, este último responsable de si aparecen rayas o no.

Simetría en el patrón de rayado, definida a lo largo de la línea central dorsal del animal (imagen a partir de: Jonathan Bard, fair use)

En este momento no puedo dejar de mencionar a uno de los genios de las matemáticas, Alan Turing, que pergeñó un modelo que explicaba la formación de los patrones de dibujos en cualquier “objeto”. Hoy en día, con los avances en las técnicas de estudios biogenéticos, se está demostrando que lo que parecía una entelequia científica en su día, 1952, tiene visos de ser una pura realidad. La idea inicial es que todo patrón de “manchas” se produce cuando en un medio, como puede ser un tejido celular, aparecen dos morfógenos -sustancias participantes en la generación de las formas corporales- antagonistas, uno que favorece el crecimiento poblacional de los dos y el segundo que se difunde por el medio con más velocidad que el primero al que además inhibe su crecimiento. Los morfógenos pueden ser proteínas expresadas por dos genes complementarios en el juego, como el Mc1r y el Agouti mencionados más arriba para los ratones americanos.

El profesor Jonathan Bard de la Universidad de Edimburgo planteó en 1977 una hipótesis, que parece bien soportada por lo que se observa durante el desarrollo embrionario de las cebras, acerca de cómo se forman los patrones de rayas en las tres especies a lo largo del desarrollo del feto. Los pigmentos cutáneos son responsabilidad de los cromatóforos, unas células que provienen de una estructura muy inicial durante el proceso embrionario y que se redirigen con posterioridad a otras partes del organismo. El modelo de Bard preconiza que la diferencia en los patrones de rayas de las tres especies de cebras es consecuencia del diferente momento en que estos cromatóforos inician su emigración. Mientras que en los caballos eso se produce en la segunda semana de la gestación, en las cebras se produciría, dependiendo de en qué especie, entre la semana tres y la cinco. Si el patrón inicial de rayas en el embrión de las tres especies fuera el mismo, y si durante la embriogénesis en cada una de ellas fuera diferente el momento temporal en que se inicia este patrón -definida por la emigración de los cromatóforos-, las posteriores heterocronías en el crecimiento del cuerpo de los embriones serían las que darían la explicación del porqué de las diferencias de rayado en los adultos. Según esto, se puede pensar que el que inicia antes el proceso tiene más tiempo para ir modificando las franjas al crecer, en comparación con el que lo inicia más tarde.

El corazón de la teoría de Jonathan Bard. Tanto en (a) como en (b) y (c) la separación inicial del patrón de rayado es de 0,4 mm (imagen a partir de: Jonathan Bard, fair use)

Tenemos, por tanto, a los culpables de los trajes de rayas o manchas, sin dejar en el tintero de la responsabilidad a las condiciones ambientales que bendijeron la expresión particular de los genes iniciadores y que fomentaron su desarrollo y extensión. Porque cebras a rayas sólo las hay en África. Algo tendrá su biotopo para que haya sucedido sólo allí.

Pero ¿cuáles pudieron ser estas circunstancias ambientales? Las sabanas y montes del África central, un entorno soleado y caluroso, un mundo lleno de oportunidades pero peligroso, en donde los predadores, como el león, se sienten cómodos. Tanto como los millones de insectos que se aprovechan de los fluidos corporales de los abundantes mamíferos. Cualquier cambio que sirviera para sobrevivir mejor en este mundo sería bienvenido. Como lo fue el manchar la piel.

Hay opiniones para todos los gustos. La más generalizada es que la aparición de rayas en su pelaje les sirvió de camuflaje. Las ondulantes rayas de la cebra se funden con las ondulantes líneas de los tallos de las gramíneas de la sabana. No importa que sean de distinto color, ya que, al ser el león daltónico, lo que importa es el patrón de camuflaje. Incluso se afirma que el hecho de ir en rebaño un buen número de ellas puede confundir aún más al león, ya que no distingue individualidades en esta gran masa rayada.

También se aporta el motivo de selección sexual. Eso se traduce como que los machos mejor rayados son preferidos por las hembras. Y la verdad es que los pocos ejemplares que nacen sin rayas son apartados socialmente del rebaño, lo que les hace muy vulnerables y, por tanto, su “defecto” genético no se transmitirá con facilidad a la descendencia.

Una tercera opinión tiene que ver con la temperatura ambiente. Se ha comprobado que cuanto más caliente es el hábitat, más rayas tienen las cebras. Lo que parece más esotérico es el explicar por qué es eso así. Una hipótesis se basa en que las bandas oscuras absorben la luz, mientras que las claras la reflejan. Como consecuencia, las zonas oscuras están más calientes que las claras, lo que crea una corriente por convección en el aire que rodea el cuerpo del animal. Y, de hecho, la temperatura corporal de las cebras es menor que la de un monocromo antílope vecino del mismo tamaño corporal.

Más. Se ha descubierto también que el patrón de rayas de las cebras las hace poco atractivas a los insectos como las moscas. Lo cual, si es así, les debe mantener alejadas de algunas enfermedades. Pero ¿por qué es esto? Parece ser que la luz reflejada en un pelaje oscuro, como el de los caballos marrones y negros, está polarizada. Parece ser también que la luz polarizada es como un caramelo para los tábanos, unas malditas moscas que les pueden transmitir enfermedades y que, para el que ha sido picado alguna vez por uno de ellos, son simplemente inolvidables. La piel blanca no polariza la luz que le llega, por lo que es menos atractiva para la mosca del caballo. Y ésa sería la gran ventaja de las cebras.

Con eso acabo esta entrada en la que hemos analizado, desde diversos puntos de vista, el porqué las cebras son animales con el cuerpo manchado a rayas blancas y negras. Espero que en la próxima reunión con los amigos os ayude a ganar la tradicional apuesta de si son negras a rayas blancas o blancas a rayas negras.

El hecho del evidente éxito de los animales tetrápodos resalta la importancia de cómo pudo aparecer evolutivamente su particular característica: el tener cuatro extremidades pareadas, dos anteriores y dos caudales, especializadas en el movimiento. En la serie se explicó el desarrollo de ciertos órganos y sistemas importantes para la vida, como el sistema nervioso, el circulatorio, el ojo… y hoy lo complementamos con un relato acerca de la posible historia evolutiva de los cuatro miembros tetrápodos.

Reproducción artística de quién pudo ser de los primeros: El pez sarcopterigio Tiktaalik que vivió hace unos 375 millones de años (Wikimedia, dominio público)

He titulado la entrada de una forma que pretende incitar la curiosidad, aunque realmente debía haberlo hecho como: “La nada novedosa genética que desarrolla los miembros de los tetrápodos”, ya que resulta significativo el hecho de que el entramado génico que dirige el desarrollo de las extremidades de los tetrápodos -su morfología, su orientación espacial, las articulaciones con manos y pies, e incluso los dedos y su orden- tiene una antigüedad que puede remontarse incluso a épocas anteriores a la definición de la bilateralidad en el reino Animalia.

Siempre se ha supuesto que los cuatro miembros de los tetrápodos, pareados dos a dos, se consiguieron un poco por una presión de tipo lamarckiano sobre el genoma de aquellos peces lobulados y pulmonados que decidieron salir a dar un paseo por tierra firme. Con cuatro aletas pareadas usadas como cuatro patas pudo conseguir poblar el mundo terrestre. En la entrada 32 de esta serie se habla del individuo paradigma de este proceso: Tiktaalik, al que le llamamos “peztrápodo”, el eslabón perdido entre peces y tetrápodos. Era el heredero de los peces pulmonados y lobulados, y también de aquellos que anteriormente habían desarrollado un esqueleto óseo, los osteictios, a partir del cartilaginoso de los aún más ancestrales condríctios. Conocemos todo esto también de entradas anteriores.

Esquema de la filogenia de los animales craneados según Richard Dawkins (The ancestor’s tale)

Lo consiguieron con las cuatro extremidades y algunas conquistas más, como su capacidad pulmonar que le permitía absorber para su metabolismo el abundante oxígeno atmosférico libre. Ya sabemos de otra entrada, la número 31, que el pulmón proviene de un saco especializado que surgió en la faringe de ciertos peces en un momento muy ancestral. Venía a sustituir en su función la que hasta entonces realizaban las branquias. Ya los artrópodos de hace 550 millones de años del Cámbrico disponían de ellas. O los hemicordados que vivieron poco después, como Myllokunmingia, pariente del ya familiar^[1] para nosotros Haikouichthys, que disponía de hasta cinco o seis branquias. Estos órganos se asientan sobre un elemento rígido que se conoce como arco branquial. Como se suele disponer de varios de aquellos, la configuración suele ser de una sucesión de opérculos y arcos con sus correspondientes branquias.

De otras entradas sabemos también que los arcos branquiales y las branquias han sido los precursores evolutivos de especificidades anatómicas que hoy observamos en muchos animales, como lo son el cráneo, la mandíbula, el paladar, los huesos del oído o incluso la glándula tiroides.

Y me diréis… ¿a qué viene esta literatura de la anatomía branquial? Y lo que es más curioso, ¿por qué la entrelazo con las extremidades de los tetrápodos? Pues porque sí tienen que ver. O al menos lo creemos así, como se ha podido comprobar al estudiar el mecanismo genético que define el pareado de extremidades, o el que fija el posicionamiento y orientación de estos miembros o de los dedos. E incluso de la regulación de la propia ontogenia de estos últimos,^[2] o de los tobillos y muñecas.

Arcos branquiales (arco blanquecino) soportando las branquias (rojas) en un lucio (Wikimedia, CC BY-SA 3.0)

Dentro del patrón corporal de la bilateralidad, característica morfológica de la que ya hablábamos en la entrada 24 de esta serie, se ha logrado analizar^[3] en los animales con mandíbula, los gnatostomados, los posibles orígenes genéticos de los miembros “pareados”. Proceso anatómico que podríamos considerar un paso evolutivo anterior al desarrollo adecuado de cada miembro. Desarrollo éste último en el que llegará a definirse cuál deberá ir a la derecha o a la izquierda, cuál en posición rostral o caudal, el lugar preciso para el dedo primero o el último, o su tamaño… Duplicar especularmente ciertos apéndices corporales ha tenido que ser una realidad anterior.

Este proceso de pareado parece que está inducido por la acción del ácido retinoico, un derivado de la vitamina A. En lo referente a los miembros de los tetrápodos, su gestación durante los primeros momentos del desarrollo general embrionario es gestionada por un circuito regulador en el que intervienen dos actores que se retroalimentan: el gen morfógeno Sonic hedgehog y el factor de crecimiento fibroblástico 8, Fgf8. El morfógeno actúa como el arquitecto de la construcción supervisando y decidiendo la morfología de la estructura que se va formando, mientras que un operario, el factor de crecimiento, va generando esta estructura con las instrucciones del gen. Éste, a su vez, recibe influencias del “operario” para redirigir las pautas de la construcción, básicamente en lo referente a la definición del eje antero-posterior o la longitud y forma del miembro.

Pero curiosamente este mismo circuito regulador es el que interviene en el desarrollo de las estructuras branquiales, como se ha podido observar al estudiar su desarrollo durante el crecimiento de los embriones de las rayas, unos curiosos animales del orden de los peces cartilaginosos. Además, se ha comprobado en el laboratorio que bajo la inducción del ácido retinoico es posible generar fuera del lugar anatómico normal un duplicado especular de partes de esa estructura según el embrión va creciendo bajo las órdenes de la pareja Sonic hedge y Fgf8, de la misma manera que lo hace con los miembros de los tetrápodos o con las aletas de los peces.

Comparación del crecimiento homólogo de apéndices en animales de diversos filos. El ciclo genético regulador de su desarrollo es idéntico en los tres casos (imagen: modificada de J. Andrew Gillis, fair use)

Esta correlación, apoyada en el hecho de que las branquias evolutivamente son anteriores a los miembros pareados -aletas o patas-, permite hacer la hipótesis de que bien pudiera ser que la red de señales duplicadoras inducidas por el ácido retinoico en el desarrollo de las branquias fuera también cronológicamente anterior a la aparición de los apéndices a pares en los vertebrados. Es decir, que cuando los miembros pareados surgieron ya en los peces, el mecanismo de duplicación que se usó para crear este particular patrón esquelético hacía tiempo que era operativo. Fue tomado prestado del de las branquias o quizás del patrón de desarrollo de una estructura faríngea aún más antigua, que genéticamente ya actuaba en un ancestro de los vertebrados deuteróstomos, la familia en donde se incluyen a animales mucho más antiguos que los “con mandíbula”. Estaríamos hablando posiblemente de hace más de 650 millones de años.

Creemos tener, por tanto, una posible explicación genética del porqué de los miembros pareados. Pero claro está, estos deben desarrollarse en el lugar preciso del organismo. Ya sabemos, también desde la entrada 24 de esta serie, que los genes Hox son los responsables de la metamerización de los organismos –la segmentación secuencial de los cuerpos según su eje longitudinal- y de la expresión de los particulares y precisos órganos que corresponden a cada uno de los metámeros. Un juego de proteínas, en cuanto a tipos y concentraciones, y de influencias intercelulares a lo largo del proceso de ontogenia define qué va en cada sitio determinado del organismo. Y de esta manera un par de miembros aparece en lo que será el lugar de las extremidades anteriores y un par de miembros diferentes en el sitio homólogo para las inferiores, cada miembro en su lugar adecuado. Los genes Hox actúan en diversos organismos multicelulares, que incluyen gran variedad de líneas filogenéticas animales, incluidos la mayoría de los tunicados ¿desde su posible aparición hace 565 millones de años? Incluso la maquinaria genética de los Hox es anterior, ya que se encuentran en los genomas de hongos y plantas. Por lo que podemos vislumbrar, su existencia y función está anclada en un tiempo muy profundo, antes de la divergencia de estos reinos. En los animales posiblemente inició su operativa hace más de mil millones de años.

Los Hox definen el lugar preciso donde aparecerán las cuatro aletas o las cuatro patas, pero a fin de cuentas su trabajo tiene que ser el resultado de un proceso evolutivo: ¿cuál es la historia de dos aletas delante y dos aletas detrás?

Volvamos al ejemplo de los condrictios. Tiburones y rayas protegen sus agallas con una especie de alerones de piel rigidizados mediante un armazón de radios cartilaginosos. Podemos verlo en la imagen anterior, donde se presenta un corte radial de la estructura branquial de una raya, a la izquierda. Nos damos cuenta de lo más curioso de estas estructuras cuando observamos su disposición anatómica en el esqueleto del animal. La imagen siguiente es un dibujo con la belleza de los croquis antiguos, extraído de la publicación^[4] de 1866 “Anatomy of Vertebrates I. Fishes and Reptiles” realizada por el dibujante naturalista Owen Staples. En el se representan de forma exquisita los cinco arcos branquiales (ga) soportes de los radios branquiales en rojo (br). Las branquias (que  no aparecen el el dibujo) estarían unidas a los arcos y por detrás de los radios que son la estructura rigidizadora de los alerones que las protegen. Casi podemos considerar como el sexto arco branquial al cinturón pectoral -clavícula- (pg) en donde se soporta la aleta pectoral (pf) del tiburón.

Las cinco aletas protectoras de las branquias en un tiburón blanco (imagen: de la red, fair use) y  croquis de la parte anterior del esqueleto de un escualo (modificado de Owen Staples, uso público)

Es tan evidente lo que sugiere tal disposición de cartílagos que ya en 1859 el anatomista alemán Karl Gegenbaur, en su libro “Elementos de Anatomía Comparada”, había postulado la homología que había entre un arco branquial y las aletas o miembros de los vertebrados. Y que, por tanto, los últimos eran la etapa final del recorrido evolutivo del primero. Desgraciadamente no hay evidencias fósiles claras, eslabones definitivos que sustentan tal hipótesis. Además, sólo nos aclararía la realidad de un par de aletas anteriores, las pectorales, dejando al aire la realidad de las aletas pélvicas, en algunos peces muy alejadas de la zona branquial y soportadas por un hueso que podríamos calificar como “flotante” al estar embebido en la propia masa muscular del pez. Aunque tenemos una posible explicación.

Casi a la par de que Gegenbaur plantera su alternativa branquial, los biólogos británicos F. M. Balfour y J, K. Thacher abogaban por otra explicación conocida como “hipótesis del pliegue muscular y dérmico”.^[5] De forma muy resumida, la idea surge al observar a los primeros vertebrados de esqueleto cartilaginoso, filogenéticamente anteriores a los peces “con mandíbula”, como el que más arriba ya hemos mencionado Myllokunmingia, de hace 530 millones de años. Disponía de agallas y de una membrana lateral pareada que discurría a lo largo del cuerpo. Más tarde, cien millones de años después, comenzaron a poblar los mares los acantodios, conocidos de otra manera como tiburones espinosos, que alargaron su existencia otros 200 millones de años. Se conocen acantodios con membranas longitudinales pareadas, como las de Myllokunmingia, y acantodios con aletas pareadas filogenéticamente más modernas. Algo había pasado entre una forma y otra, lo que constituye el corazón de la hipótesis de Balfour y Thacher: aletas pectorales y aletas pélvicas son la reminiscencia de las membranas pareadas que discurrían a lo largo del cuerpo del pez.

Hipótesis del pliegue muscular y dérmico (Imagen: Neal y Rand, 1939, uso público)

La imagen anterior proviene también de un libro con solera: “Chordate anatomy” de los biólogos Herbert V. Neal y Herbert W. Rand, publicado en 1939.^[6] Representa la hipotética evolución de las aletas pareadas y su soporte en el esqueleto. La parte superior y media representan el paso desde un par de membranas longitudinales a dos pectorales y dos pélvicas, donde estas últimas serían el estadio particular ya conseguido por los tiburones. En la parte inferior se representa el caso particular de cómo se pudo pasar evolutivamente desde unas primitivas aletas pélvicas separadas a unas aletas fijadas por un hueso de cadera.

Gracias a las actuales técnicas de análisis genéticos podemos acercarnos más a la realidad de la hipótesis anterior.^[7] En la imagen de más abajo vemos que la gestión del desarrollo tanto de las membranas longitudinales como de las aletas pareadas recaen sobre un circuito regulador en el que intervienen hasta tres genes: Engrailed-1, T-box4/5 y nuestro conocido gen Sonic hedgehog. El primero podría participar en el desarrollo embrionario de la membrana longitudinal pareada, el segundo haría lo equivalente con los huesos basales de fijación de las aletas y, por fin, el tercero lo que haría es inducir el alargamiento de estos huesos basales que a la postre formarían las aletas fuera del cuerpo.

El más ancestral T-box4/5 no estaría relacionado con estas últimas tareas, tal como se observa en un pariente actual de los peces más primitivos, el anfioxo, que no tiene aletas pero sí la doble membrana longitudinal. El origen de las cuatro aletas pareadas se habría producido evolutivamente más tarde con la especialización de T-box4/5 para formar hueso y su posterior duplicación en T-box4 y T-box5, los cuales sí forman apéndices en puntos independientes del organismo. La larga aleta lateral longitudinal se reforzaría en estos cuatro puntos, mientras que la región ventral perdería su membrana.

Genes que intervienen en el desarrollo de las aletas de los peces (imagen: Kenneth Kardong, “Vertebrates” 2011, fair use)

Situado cada par de miembros en el lugar adecuado, el siguiente paso en el que parece lógico curiosear sería el que define el eje estructural y el patrón de forma individual de cada uno de esos miembros. No vamos a dar muchas novedades acerca de este tema, que ya salió al hablar de los miembros pareados: hay un circuito regulador retroalimentado entre el gen Sonic hedgehog y el factor de crecimiento Fgf-8 que en los tetrápodos, durante los estadios más temprano de su desarrollo embrionario, determina el eje antero-posterior de cada miembro y, por tanto, en qué lado del organismo debe ir; como también lo hace con la identidad de cada dedo –pulgar o meñique- o definiendo su lugar preciso en manos o pies. El mismo circuito regulador genético que participa en el desarrollo de las estructuras branquiales de los peces condríctios. Se han realizado multitud de esfuerzos y estudios,^[8] de los que han salido abundantes y repetidas conclusiones, todas ellas reforzando la tesis de la homología entre diversos aspectos del desarrollo embrionario de animales evolutivamente antiguos, como los condrictios, y otros de desarrollo posterior, como los modernos tetrápodos.

Todo ello nos permite pensar más seriamente en la veracidad de la hipótesis de Gegenbaur: los miembros de los tetrápodos puede que hayan evolucionado mediante la transformación de los arcos branquiales de un ancestro de los vertebrados. La base genética y química del proceso es idéntica, a pesar de que tenemos que reconocer que aún nos falta la pieza clave que nos daría la certeza, que sería el encontrar en el registro fósil un animal que corroborara la hipótesis: unos apéndices transición entre los radios de las branquias y los miembros pareados. Ahí queda Tiktaalik. Pero suena bien… no sería la primera vez que la evolución permite realizar diversas funciones usando la misma herramienta, lo que se conoce en biología como exaptación. Se habría aprovechado un mecanismo “diseñado” para poder respirar de forma que pudiera ser usado también para otra función tan distinta como es el desplazamiento. A mí la evolución me sigue asombrando.^[9]

Tenemos ya, por tanto, una explicación para el fenómeno de parear los miembros durante el proceso ontológico de los bilaterales vertebrados. También, dentro de este esquema de apéndices pares, creemos tener una explicación para la aparición de sus miembros motores. Dos delanteros y dos traseros. Vamos a hablar ahora de cómo se pudo pasar a desarrollar en estos miembros unas “subestructuras” óseas como son las muñecas o tobillos, las manos y pies o los dedos.^[10]

Sabemos que hace 365 millones de años algunos peces ya poseían los genes necesarios para el desarrollo de manos y pies, aunque no expresaran en ellos esta particularidad anatómica. Una vez más, al volver a épocas remotas nos encontramos procesos que hoy en día están aún operativos en formas de vida diferentes a las originales… ¿quién puede dudar de la evolución? Nos tenemos que fijar en los peces condrósteos, que posiblemente proceden de primitivos peces cartilaginosos -los tatarabuelos de tiburones y rayas- y ya presentan una cierta osificación de sus esqueletos. Aunque hay biólogos que prefieren pensar que proceden, tras una regresión del proceso de osificación, de los peces óseos. El pez espátula, un individuo de la familia de los esturiones -famosos por sus huevas-, sería un representante actual de uno de ellos.

Estos peces, que proceden de un primitivo linaje que se remonta a hace 415 millones de años, no han cambiado mucho morfológica y genéticamente desde entonces, por lo que se hacen idóneos si se tiene el propósito de comparar y buscar distinciones y homologías entre sus aletas y los miembros de los tetrápodos. Esas aletas tienen una particularidad anatómica que las diferencia de los mucho más evolucionados peces con esqueleto óseo: una aleta ósea más elaborada y similar a las presentes en los vertebrados más primitivos, como tiburones y otras especies extintas de peces. De nuevo los condríctios. En la evolución el déjà vu parece permanente.

Anatomía comparada de las aletas y patas (Esquema: Marcus C. Davis, fair use)

En la figura anterior podemos apreciar claramente la diferencia de la estructura ósea entre una aleta de un pez teleósteo, como es el pez cebra (Danio) -habitual personaje de los laboratorios- y una aleta de un pez condrósteo (Polyodon). En este último se aprecia una aleta ósea más elaborada, con más componentes que la del pez cebra. Aunque su extremo más basal puede resultar similar, la parte exterior tiene elementos nuevos de mayor longitud. Como ya hemos dicho, se asemeja más a la morfología presente en otras especies extintas de peces o en vertebrados actuales más primitivos, como pueden ser los tiburones.

Ya conocemos cómo durante el desarrollo embrionario de las aletas de los peces y de las extremidades de los tetrápodos intervienen los conocidos genes Hox. Cosa que hacen en dos etapas. La primera en el tiempo conforma la aleta simple, del tipo de la del pez cebra, o las patas sin extremidades de los tetrápodos. A esta fase funcional de los Hox se la considera el patrón más primitivo de expresión de estos genes en los más primitivos vertebrados, como lo es el pez cebra. No obstante, en los vertebrados tetrápodos se produce una segunda fase de expresión de los Hox, que ocurre con posterioridad en el desarrollo embrionario, en la que se gestan las manos y los pies.

La teoría aceptada en la comunidad científica mantiene que el patrón de la expresión del gen Hox visto en el pez cebra representa, en el caso de sus aletas, el estado más primitivo de cualquier vertebrado, y que el grupo de los tetrápodos añadió sobre este elaborado sistema una segunda fase que alteraba el patrón esquelético de la aleta para producir las manos y pies.

Dado que la aleta del pez espátula parece un estadio intermedio entre la del pez cebra y la de un tetrápodo primitivo, como el Tiltaalik roseae, parecía lógico que las tres fases estuvieran encadenadas en un proceso secuencial evolutivo. Se ha observado que a pesar de que la segunda fase de expresión de los Hox en el pez cebra no produce elementos adicionales, en el pez espátula se activa para completar su morfología aunque no tenga dedos, lo que revela que el patrón de actividad genética que se creía único en los vertebrados con manos y pies es, de hecho, mucho más general y primitivo, y que existía mucho antes de que hace 370 millones de años Tiktaalik empezara a abandonar el agua y a caminar sobre el suelo.

De peces a reptiles, pasando por Tiltaalik

A la vista de lo anterior esta claro que la capacidad de construir miembros con dedos existió durante mucho tiempo. Pero se necesitó un conjunto de cambios ambientales y ecológicos para que el patrón de genes que expresan las manos y los pies, y los dedos, pudiera asumir esta funcionalidad a pesar de que no era la suya original.

Demos, entonces, el último paso. Después de aparecer dos pares de extremidades, de posicionarse correctamente respecto del cuerpo, de adoptar cada una de ellas una eficaz morfología y de complementarse con una segunda fase de desarrollo en la que aparecen manos, pies, muñecas, tobillos y dedos, también eficientemente posicionados, ya sólo queda en el camino evolutivo el dejar a la heterocronía que trabaje imponiendo unos cambios de ritmo en los procesos de desarrollo corporal, desde la fase embrionaria a la adulta, que den lugar, dentro del mismo diseño, a la variabilidad que se observa en la forma y el tamaño de los organismos. Genética, epigenética y selección son sus responsables. La realidad de la heterocronía nos ha llevado por variados caminos evolutivos, todos ellos útiles y eficientes. Hablando de las extremidades de los tetrápodos, desde las alas de las aves a las palas zapadoras de los topos; de la ballesta del guepardo a la aleta del delfín; de la pezuña simple perisodáctila a la doble artiodáctila. De la robustez de una pata de elefante a la liviandad de la de un petirrojo, de la desproporción por corta en un perro salchicha a la desproporción por larga en la jirafa.

La misma estructura, los mismos componentes pero distintas formas. La heterocronía en funcionamiento.

Con eso damos por finalizado este breve relato de la evolución de las patas de los vertebrados. El rastro fósil nos ha dado unas pistas, ya que la progresión que se observa es clara entre las aletas de un pez, las extremidades del eslabón intermedio que representa Tiltaalik y los miembros de los vertebrados tetrápodos.

La genética nos ha permitido enfocar aún más ciertos procesos en donde hay un vacío del registro de fósiles… y nos ha llevado a procedimientos ancestrales que ya existían y operaban, alguno de ellos, posiblemente hace más de mil millones de años. Procedimientos que se han recuperado para la expresión de la morfología anatómica de estos magníficos adminículos que nos permiten desplazarnos y, al final de la línea evolutiva de complejidad funcional, manejar herramientas.

1. Apareció en la entrada número 19 de esta serie sobre la biografía de la Vida.
2. La ontogenia describe el desarrollo de un organismo, desde la fecundación de un cigoto durante reproducción sexual hasta su senescencia, pasando por la forma adulta.
3. Para más información acudid a ésta publicación de la revista PNAS de abril de 2009.
4. Que podéis disfrutar en éste enlace.
5. En éste enlace podéis encontrar una breve reseña sobre la mencionada hipótesis del pliegue muscular y dérmico.
6. Éste es el enlace donde podéis disfrutar de esta joya.
7. Para mayor información acudid a ésta publicación de PNAS de diciembre de 2009.
8. Añadimos por su actualidad éste o éste publicados en 2016.
9. En 2019 aparece una publicación en eLife en donde se afirma que cuando en las sepias en desarrollo se impide la activación de un gen que en los artrópodos designa la colocación dorsal (hacia arriba) y ventral (hacia abajo) de las patas, los cefalópodos formaron ventosas en el lado equivocado de sus tentáculos. Asimismo, que el gen que controla el número de dedos que se forman en los embriones humanos también controla el número de filas de ventosas que se desarrollan en la sepia.
10. Según lo expuesto en ésta publicación de la revista Integrativa & Comparative Biology de agosto de 2013.

Una posible explicación del inicio del software genético

En el mundo anterior al ARN los ácidos nucleicos, es decir, las moléculas equivalentes al ADN o ARN actual, debían ser del tipo de las ribozimas, una mezcla entre un ”ácido ribonucleico” y una “enzima“. Podríamos decir por tanto que serían sencillas moléculas de ARN con capacidad enzimática, incluso para autorreplicarse cuando actuaban sobre ellas mismas. A partir de las ribozimas se llegó a las modernas proteínas.

El paso de las ribozimas a las proteínas enzimáticas fue un proceso gradual de evolución entre estos dos tipos de polímeros, al final del cual una proteína heredó no sólo la función genérica de enzima, sino destacaría en una muy concreta y particular equivalente a la que desarrollaba la ribozima madre, como podía ser la regulación de alguna reacción química concreta.

 RIBOZIMA   –>    PROTEÍNA MODERNA   

En 1983 el biólogo húngaro Gánti Tibor argumentaba con la idea de que si buscamos en esta ruta que llevó de las ribozimas a las proteínas enzimáticas, ambas con funciones parecidas, encontraremos el origen del software genético, desde la duplicación de polímeros basada en pares de nucleótidos hasta el origen de la cadena de montaje de las proteínas que, como vimos al final de la entrada anterior, es el resultado de una relación entre nucleótidos, una ribozima y aminoácidos: los ARN mensajeros y de transferencia, en el ribosoma, capturando aminoácidos para formar las proteínas.

El proceso pudo ser como se describe a continuación, siguiendo una idea del también biólogo húngaro Eörs Szathmáry (ver la figura siguiente).

En la “sopa” del mundo bioquímico cuasi primitivo donde nos movemos coexistían de forma independiente los ácidos nucleicos tipo ribozimas con nucleótidos y aminoácidos. Eran unas más dentro del infinito número de moléculas que se estaban gestando en aquel ambiente. Los aminoácidos interactuarían con las ribozimas mediante espontáneas uniones químicas,  ayudándolas a mejorar la función enzimática y a facilitar su replicación.

 Paso 0.    LOS AMINOÁCIDOS AYUDAN A LAS RIBOZIMAS

¿Cómo consiguieron establecer esta colaboración? Las propias ribozimas (RZ1) se encargaron de catalizar una unión entre aminoácidos y nucleótidos, con el resultado final de que se iban formando unas “moléculas ayudantes”, técnicamente un cofactor, con la particularidad de que posteriormente algunas de ellas se adaptarían sobre otra ribozima.

Pasos 1 y 2.    AMINOÁCIDOS + NUCLEÓTIDOS + RIBOZIMAS   —–>  COFACTOR   —–>  UNIÓN DE COFACTOR CON OTRA RIBOZIMA

La estructura de unión entre aminoácidos del cofactor y una segunda ribozima (RZ2) la formaba la cadena de uno a varios nucleótidos del cofactor, que se unirían por el sistema de pares a los nucleótidos de la ribozima (RZ2). Estas uniones serían muy específicas a la vez que fácilmente reversibles, características que más tarde iban a ser cruciales en la replicación del ADN con la posterior traducción a proteínas. La teoría avalada por experimentos demuestra que una tríada de nucleótidos puede presentar las mejores características para este tipo de enganche. Lo que nos lleva a la idea de los codones del código genético.

Posible inicio de las diversas funciones del ARN según la teoría del biólogo Eörs Szathmáry (A partir del libro de John Maynard Smith “The major transitions in evolution”). En esta imagen las ribozimas, representadas por hexágonos, no ejercían función estructural, sino solamente la función de ayuda catalizadora.

En el proceso, representado en la figura anterior, nos encontramos ya con una ribozima (RZ1) catalizando un cofactor, la figura más ancestral de una enzima . Luego tenemos a un cofactor unido mediante pares de nucleótidos a una ribozima (RZ2), que ejerce una función de algo semejante a un ARN mensajero. En estas uniones nos encontramos con lo que probablemente serían tríadas de nucleótidos, una de las bases del código genético. Pero también podemos imaginar que este esquema podía repetirse de manera que se formara una cadena de varios aminoácidos, colateral a otra cadena de tripletes de nucleótidos, colateral a su vez a una tercera cadena, la de la ribozima.

Paso 3.   FORMACIÓN DE CADENAS DESUNIDAS DE AMINOÁCIDOS, TRIPLETES DE NUCLEÓTIDOS Y RIBOZIMAS

Otra ribozima (RZ3) debió catalizar la unión de los aminoácidos transformándolos en algo parecido a una primitiva cadena proteínica, de forma que, en primer lugar, la ribozima base ejercería la función de ARNm portador de la información; en segundo la cadena intermedia de nucleótidos formaría lo que puede considerarse un ancestro del ARNt de transferencia (interpreta la información del ARNm mensajero y la transforma en aminoácidos); y por fin las cadenas de aminoácidos catalizadas por la ribozima RZ3, antecedente del ribosoma, acabarían constituyendo oligopéptidos (proteínas o semejantes).

Paso 4.   UNIÓN DE LAS CADENAS FORMADAS EN EL PASO 3   —–>   FORMACIÓN DEL SOFTWARE GENÉTICO

El siguiente paso sería la reutilización de las cadenas de nucleótidos que quedarían libres tras el proceso. En este momento es cuando se debió diferenciar en la estructura del ribozima mensajero las fracciones que desarrollarán la “función gen”: algunas partes se comportarían mejor como mensajeros, perdiendo poco a poco su capacidad catalítica, mientras que otras partes seguirían con su función metabolizadora como enzima. Esta división aportaría ventajas en cuanto a la rapidez de la función enzimática y la reutilización de los mensajeros: el resultado pudo ser el inicio del ARNr (ribosómico) a partir de la ribozima RZ3.

La anterior hipótesis de Eörs Szathmáry puede ser plausible, aunque seguimos con incógnitas de las que desconocemos su solución: la duda se centra en el tamaño, ya que el ARNm es más largo que una ribozima y las proteínas son más largas que los oligopéptidos sintetizados en el proceso anterior.

Y ahora, una vez conocidas las bases generales de la genética a partir de lo dicho en esta entrada y en la anterior, pasaremos a analizar los principios universales de uno de sus principales subproductos, la herencia.

¿Por qué vamos a profundizar en las reglas de la herencia?

Precisamente por ser la base fundamental en el análisis de la evolución de las especies. La información genética de los padres se hereda. En el camino, los genes son intervenidos por múltiples factores externos que hacen que varíen, que añadan o que eliminen secuencias genéticas, resumiendo: que modifiquen el genotipo de los seres vivos. Y estas modificaciones heredadas son las que, conjuntamente con la presión ambiental, han conducido a la Vida desde la primera síntesis celular hasta la múltiple variedad de seres que conviven en la actualidad.

Las células se reproducen. De forma variada. Desde la solución más sencilla hasta seguir procesos más complejos. El objeto de la reproducción es, en definitiva, la continuidad de la cadena de cesión de información genética.

Reproducción por fisión binaria (Wikimedia, GNU FDL 1.2)

La solución más sencilla es “partirse por la mitad”, la fisión binaria, que es una forma asexuada de reproducirse adoptada por organismos muy elementales como las bacterias y algunas eucariotas unicelulares. Se duplica el material genético, se parte la membrana y el citoplasma, y se reparte todo en dos nuevos seres independientes. Este tipo de reproducción produce una tasa de crecimiento exponencial. Por ejemplo, bajo condiciones óptimas, la bacteria Escherichia coli se puede dividir una vez cada 20 minutos.

Las desarrolladas células eucariotas han optado por una división más compleja,  siguiendo dos necesidades fisiológicas. Por un lado, como componentes fundamentales de los organismos pluricelulares, precisan reemplazar células que han muerto o han perdido su funcionalidad, y así reparar los posibles daños del organismo al que pertenecen: en este caso deben hacer copias idénticas y situarlas en el lugar de las caídas en combate. Esto lo consiguen siguiendo el proceso de mitosis que se explica a continuación.

División por mitosis (Wikimedia, dominio público)

En la mitosis se generan dos células completamente idénticas a la madre y como hemos comentado es la base para el crecimiento y reparación de tejidos de un organismo complejo o bien la base de la reproducción asexuada. En el primer paso de la mitosis se produce la duplicación de los cromosomas. Inicialmente adoptan una forma semejante a un aspa con un punto central llamado centrómero. A la vez, se duplica un orgánulo del citoplasma que se llama centrosoma que es el que organiza el material del citoesqueleto celular, los microtúbulos. Los centrosomas duplicados tienen una forma de estrella con pelos que mientras van creciendo se desplazan cada uno hacia polos opuestos de la célula, generando una especie de huso de microtúbulos.

Fase intermedia de la mitosis.  Pueden verse los centrosomas ya separados y el huso, ambos en verde, al que ya están fijos los cromosomas  de color azul (Wikimedia, dominio público)

Posteriormente se desintegra la membrana nuclear quedando libres los cromosomas que se disponen en el plano ecuatorial de la célula. Allí se unen por su centrómero a uno de los microtúbulos del huso el cual va a actuar como cuerda tractora. Los centrosomas situados en los polos tiran de los cromosomas, que se dividen en dos, separando los dos juegos resultantes. Poco a poco los dos paquetes de cromosomas se van rodeando de una nueva membrana nuclear. Mientras, se va dividiendo también el citoplasma, tomando la célula una forma de cacahuete, hasta que finalmente se parte. Y así se consiguen dos nuevas células genéticamente clónicas. Etimológicamente mitosis viene del griego μιτον, “hebra” con el añadido de –sis, lo que quiere decir “en situación de, con aspecto de hebras”, en referencia al aspecto del huso.

Advertimos aquí que este procedimiento es el primer paso para la reproducción sexuada con transmisión de variedad genética. Esto se consigue a través del proceso llamado meiosis, que hace posible la existencia de células haploides que llevan la mitad de la dotación cromosómica de la especie a la que pertenece. De esta forma, tras el encuentro posterior de dos de este tipo de células, los gametos, se construirá una célula diploide completa con doble juego cromosómico.

División por meiosis. Obsérvese por el código de colores que hay intercambio de material genético entre cromosomas no homólogos (A partir de Wikimedia, dominio público)

Sin embargo, la meiosis es un proceso de división celular por el que una célula con dotación cromosómica doble (2n) experimenta dos divisiones sucesivas según un proceso de generación de huso y arrastre de cromosomas parecido al de la mitosis, con el resultado de generar cuatro células con un juego sencillo de cromosomas (n) cada una. En la primera división se duplican los cromosomas formando el aspa. En este estado, a diferencia de en la mitosis, cada pareja de aspas homólogas intercambian material genético por entrecruzamiento. Tras lo cual las parejas de aspas se ven sometidas a un proceso similar a la mitosis, generándose dos células con la mitad de los cromosomas, pero replicados en forma de aspa. En la segunda fase de la meiosis se completa otra mitosis partiéndose las aspas, apareciendo al final cuatro células haploides. Se comprende por tanto el significado etimológico de la palabra meiosis: del griego μείωσις , “disminución”.

Es importante hacer énfasis en lo que se dijo acerca de que en la primera fase del proceso de meiosis los cromosomas homólogos pueden entrecruzar sus genes (ver figura siguiente) por lo que el cromosoma heredado en el gameto casi con toda seguridad no tiene la misma secuencia de genes que en los cromosomas paternos o maternos originales. Eso ocurre físicamente porque los cromosomas paternos o maternos en la primera fase de sus meiosis se pueden tocar y solapar en parte, de forma que al dividirse se producen errores, ya que se unen fragmentos cromosómicos en donde no correspondería encontrarlos. Como si se barajase el material genético de cada par de cromosomas y se reconstruyeran de nuevo de forma aleatoria. El resultado es que en las células haploides hijas los cromosomas no tienen la misma información genética, no son clónicas, ni el mismo orden de genes que el de la cadena de la célula progenitora diploide.

Entrecruzamiento de dos cromosomas con intercambio de alelos, paso inicial de la meiosis 1

Con posterioridad, al juntarse los gametos masculinos y femeninos se reconstruyen las células diploides, emparejándose los cromosomas homólogos de ambos gametos. Disponen cada uno de la misma información genética que los padres respectivos pero diferentemente secuenciada y emparejada: el genotipo intrínseco es el mismo, pero el fenotipo, la futura manifestación externa del hijo, puede variar. En resumen, la meiosis es la solución que ha triunfado en los organismos más complejos a partir de la cual se producen gametos masculinos y femeninos, que con posterioridad se unen entremezclándo la dotación genética de las células progenitoras masculina y femenina. El resultado es la generación de un nuevo ser diploide con un acervo genético distinto al de los padres.

La primera persona que intuyó que en el proceso de la herencia había oculto algo parecido a lo comentado fue el monje agustino austriaco Gregor Mendel, que en el siglo XIX realizó una serie de ensayos con el entrecruzamiento de variedades de guisantes. Seleccionó siete características de estas plantas y vio la evolución de las mismas en las plantas hijas a través de diversas generaciones. Comprobó cómo se iban transmitiendo estas siete características de una generación a otra y con qué proporciones se repetían, desaparecían o se entremezclaban. Y sacó una serie de conclusiones^[1] experimentales que podían resumirse en que cuando cruzaba dos variedades puras –no híbridas- de una misma especie, los descendientes eran todos iguales e idénticos a uno u otro progenitor. Además constató que al cruzar entre sí los híbridos de la segunda generación, sus descendientes se repartían entre cuatro fenotipos diferentes, uno el de su abuela, otro el de su abuelo y los dos restantes el de sus progenitores directos. Mendel también observó que algunas veces no pasaba lo anterior, ya que  rasgos diferentes eran heredados de forma independiente unos de otros, de forma que el patrón de cómo se heredaba un rasgo no afectaba al patrón de herencia del otro. Se podía heredar uno sólo, o el otro, o bien los dos, sin una norma exacta y repetitiva. Pero nunca supo por qué sucedía lo que él observaba.

Lo atribuyó a unos factores que serían algo así como entidades independientes en el proceso de la herencia. Unos, los dominantes, se repetían generación tras generación y otros, los recesivos, desparecían. Hoy sabemos que estos factores son los genes, y sus recombinaciones son consecuencia de la existencia de los dos alelos que codifican cada característica. Los alelos son cada una de las formas alternativas que puede tener un gen y que se encuentran en el mismo lugar físico de cada cromosoma de la pareja de homólogos.

Tras este rápido repaso sobre la genética y la herencia estamos ahora en condiciones de recuperar la biografía de la Vida, que la habíamos dejado en un punto en que se había conquistado el núcleo celular y la estrategia de la reproducción sexuada que le conducirá al final por un excitante y variado camino. En la próxima entrada avanzaremos a través  del siguiente salto evolutivo de los ocho fundamentales en la serie de John Maynard: el paso hacia la multicelularidad por la que la célula eucariota se asocia. Hasta entonces.

1. Conocidas como las leyes de Mendel,  un  conjunto de reglas básicas sobre la transmisión por herencia genética de las características de los organismos padres a sus hijos.

Al acabar la entrada anterior de la serie la Biografía de la Vida habíamos dejado a unas células eucariotas que habían aprendido una habilidad que con el tiempo les va a abrir un mundo de desarrollo y complejidad: la reproducción sexuada. Hoy vamos a darnos un paseo por un campo teórico de la Vida. No hablaremos de organismos en particular, ni de habitantes de la biosfera, sino de algo compartido por todos, desde las bacterias a los elefantes africanos, pasando por las libélulas o las estrellas de mar: hablaremos de la genética.

La genética

No entenderíamos el proceso de la herencia si no profundizáramos antes en los mecanismos básicos de la genética: qué es un gen, como actúa el ADN, cuál es el diccionario universal para interpretar a los genes, etc…

El genotipo es la totalidad de la información genética que posee un organismo, que conjuntamente con el medio ambiente determina la forma de ser tanto física como de conducta de un individuo. Ya sabemos que no sólo se encuentra en los núcleos celulares de las eucariotas o en el nucleoide de las procariotas, sino también en otros orgánulos celulares como los ribosomas, las mitocondrias o los cloroplastos. Es un compendio de la historia evolutiva de cada individuo. Hay una parte de él que tiene una antigüedad de más de 3.500 millones de años, que le ha sido transmitida a través de millones de antecesores, y otra parte nueva, que es exclusiva de cada uno de ellos.

La información del genotipo se esconde en el ADN, y más concretamente en los genes, y se transmite mediante la herencia a la descendencia.

Pero ¿qué son los genes?

El ADN es el Ácido DesoxirriboNucleico. Es el tipo de molécula más compleja que se conoce, formada por una larga secuencia de nucleótidos, que contiene la información necesaria para poder controlar el metabolismo y la herencia en un ser vivo. El ADN es, en definitiva, el “sancta sanctorum” donde reside su información genética.

El nucleótido correspondiente a la base nitrogenada Adenina

Los nucleótidos son moléculas orgánicas formadas por la unión de un azúcar de cinco carbonos, una base nitrogenada y un grupo fosfato. En el ADN el azúcar es la desoxirribosa y las bases nitrogenadas son de cuatro tipos: adenina (A), guanina (G), citosina (C) y timina (T). Las cadenas del ARN son ligeramente diferentes ya que cambian el azúcar, que ahora es la ribosa, y la timina que pasa a uracilo (U). Tanto en el ADN como en el ARN los nucleótidos se unen entre sí mediante sus grupos fosfato.

Los nucleótidos son capaces de emparejarse mediante enlaces por puentes de hidrógeno^[1], siempre de la misma forma y siempre Adenina-Citosina y Guanina-Timina. Y no puede ser de otra manera por estrictas razones físicas de la configuración geométrica de sus moléculas. Las parejas de nucleótidos –parejas de bases- así conformadas se unen ahora entre sí a través de sus grupos fosfato. En la figura de más abajo se pueden ver ambos tipos de enlaces, los puentes de hidrógeno como una mera unión por aproximación de cargas negativas y positivas y el segundo como un enlace fosfodiéster^[2] En esta reacción se libera una molécula de agua y se forma un dinucleótido. en donde sí se comparten orbitales electrónicos entre moléculas.

Esta sencilla estructura se repite formando un largo polímero que se “retuerce” adoptando la forma de una doble cadena helicoidal que mide de 2,2 a 2,6 nanómetros (un nanómetro equivale a 10^-9metros) de ancho, mientras que un nucleótido tiene una longitud de 0,33 nanómetros. Aunque cada unidad individual de la hélice es muy pequeña, los polímeros de ADN pueden ser moléculas enormes que contienen millones de nucleótidos. Por ejemplo, el cromosoma humano más largo, el cromosoma número 1, tiene aproximadamente 250 millones de pares de bases. También se sabe que en algunos casos el ADN puede adoptar una configuración de cuatro hebras: “cuádruple hélice”. 

Esta doble hélice, con la ayuda de ciertas proteínas llamadas histonas, se enmadeja y se empaqueta hasta formar la cromatina en la situación habitual de la célula o como cromosomas cuando está en proceso de mitosis. La cromatina adopta una forma de fibras enrolladas que pueden variar en su grado de compactación. En su estado más laxo (eucromatina), se ve como una fibra delgada y dispersa, lo que permite el acceso al ADN para la transcripción. En su estado más compacto (heterocromatina), se enrolla de forma más densa y apretada, haciendo que el ADN sea menos accesible. Las dos formas de cromatina no son excluyentes, sino que coexisten dentro del núcleo de una misma célula.

Los biólogos James Watson y Francis Crick fueron los que en 1953 propusieron la estructura helicoidal para esta molécula, por lo que recibieron el premio Nobel de Medicina en 1962. A decir verdad ellos culminaron el trabajo de muchos científicos anteriores, desde el español y también premio Nobel Severo Ochoa hasta la británica Rosalind Franklin que les dejó la solución en bandeja.

La cadena helicoidal del ADN y detalle de los dos tipos de enlaces que le dan cohesión

Un gen está constituido por una determinada sucesión de nucleótidos de la molécula de ADN. Esta secuencia de nucleótidos puede ser, por ejemplo, la AATGGCCGTTAG, y su pareja “cremallera” de la hélice del ADN, la TTACCGGCAATC. La disposición ordenada de las cuatro bases constituye una información “digital” necesaria para la síntesis de las proteínas, aunque también informa sobre diversos tipos de ARN, ya sea mensajero, ribosómico o de transferencia. Por este motivo la cantidad de información se suele dar en pares de bases.

No obstante, no toda la secuencia de pares de bases de la cadena es útil a efectos de genera una proteína ya que unas partes codifican información (los exones) y otras no (los intrones). Hasta hace poco no se sabía muy bien el porqué de la ausencia de este tipo de funcionalidad de los intrones, aunque al hablar de la aparición del núcleo celular^[3] ya planteamos una teoría de su existencia y función. Pero los conocimientos de la genética están evolucionado enormemente en los últimos años. Ahora sabemos que los intrones no son tan inútiles como se postulaba pues, aunque no codifican proteínas directamente, son fundamentales para la regulación, diversidad y evolución genética. Lejos de ser inútiles, permiten que los genes sean más versátiles y adaptables. Así pues, un gen consistiría en una serie de exones entre los que se intercalan uno o varios intrones no codificantes. Hoy sabemos que cerca del 30% del ADN de las eucariotas está formado por intrones, mientras que las procariotas carecen de ellos.

Pero volvamos al genoma. La longitud del ADN es diferente para cada especie, de forma que incluso especies parecidas tienen cantidades de ADN muy diferentes entre sí, como se puede ver en la figura siguiente. El del hombre tiene unos 3.200 millones de pares, es decir, incorpora una información equivalente a 60.000 entradas como ésta que estás leyendo si cada par equivaliera a una letra, en los que se encuentra escrito todo el historial evolutivo de nuestra especie.

Longitud del genoma en pares de bases

Ahora bien, lo realmente significativo es el número de genes diferentes, ya que ello define en principio el potencial químico del ADN. El arroz tiene unos 40.000 genes, la mosca 13.900 y el hombre unos 21.000. Produce sorpresa la comparación entre el arroz y el hombre, por ejemplo, aunque se cree que la regulación de los genes humanos es más rica, compleja y eficiente. Y en ello tiene mucho que ver el ADN no codificante de proteínas y otros factores de regulación biológica en las células. El tamaño del genoma del Trillium, planta de la familia de los lirios, es más de 20 veces el de la planta del guisante y 30 veces el de los humanos. Algunas amebas unicelulares tienen un genoma 200 veces el tamaño del genoma humano. Estas incongruencias, que se conoce como la paradoja del valor C, pueden explicarse por la existencia del ADN no codificante, del que hablaremos unos pocos párrafos más adelante.

En la figura anterior hemos visto cómo a medida que se va avanzando en la escala evolutiva, parece como si el genoma tendiera generalmente a hacerse mayor. Aunque no es una regla perfecta entre familias sí lo es entre las especies dentro de una misma familia. Pero ¿cómo sucedió esto? ¿Cómo pudo ser que las antiguos ácidos nucleicos alargaran sus cadenas?

En otra entrada anterior,^[4] donde hablábamos de la “teoría del hidrógeno” de Martin y Müller, ya comentamos la aportación de las mitocondrias al ADN de sus hospedadoras. Ésta fue una vía, aunque también hay otras teorías.

Como la que explicaba ya en 1985 el biólogo Thomas Cavalier-Smith partiendo de la realidad apuntada un par de párrafos antes: un organismo más evolucionado desarrolla un metabolismo más complejo, que simplemente requiere un mayor espacio donde llevar a cabo su química, lo que al final supone una célula mayor. Como hay una correlación entre la actuación del ARN ribosómico en el citoplasma celular -en donde se fabrican las proteínas- y el ARN que transcribe el ADN en el núcleo, es preciso un núcleo más grande en una célula más grande. El proceso de mitosis (hablaremos de este tipo de división celular un poco más abajo) de un núcleo más grande, con sus estructuras de microtúbulos, centriolos y husos, pudo requerir cromosomas más largos. Esto no suponía un mayor número de genes, ya que se necesitaban los que se necesitaban. Así que el ADN creció duplicando y duplicando largas porciones de su cadena molecular. Es un hecho que casi la mitad del ADN de las células eucariotas consiste en secuencias de nucleótidos que se repiten centenares o miles de veces.

Pudo ser consecuencia de este desmedido crecimiento el que en las células eucariotas exista un exceso de ADN que no expresa directamente proteínas, el llamado ADN no codificante, del que sólo ahora empieza a conocerse algunas de sus funciones. En la especie humana sólo del 1 al 2 % del ADN son genes codificantes. En las células procariotas, sin embargo, se usa casi todo el ADN.

¿ADN basura? 

Hasta hace poco al ADN no codificante se le llamaba ADN “basura”, ya que se suponía que no desarrollaba ninguna función siendo el resultado de antiguas duplicaciones en la cadena del ADN y restos de genes desactivados. Sin embargo, en los últimos años está ganando fuerza la teoría de que todo ese material genético no codificante sí debe tener alguna funcionalidad, como pudiera ser el dotar al ADN de su forma y estabilidad fisicoquímica, o bien ejercer una función reguladora controlando el nivel de expresión génica, entre otras. En 2003 se inició el proyecto ENCODE (ENCyclopedia Of DNA Elements)^[5] que pretendía constituirse en una completa enciclopedia del ADN. Los estudios desarrollados han llegado a conclusiones que echan por tierra el concepto del ADN basura al concluir que por lo menos el 80% de la cadena de ADN considerada como “no codificante” tiene actividad biológica y hace que el ADN codificante se exprese, se active o se silencie. Es como si fuese un gran panel de control con millones de interruptores, que según se posicionen alteran el resultado final de la expresión de los genes “activos”. Es decir, que estos no funcionan de forma individual bajo el lema “un gen-una proteína”, sino que todo quedaría en manos de redes extensas de interacción entre grupos de genes.

De todas formas no debería extrañarnos la existencia del ADN “basura”, ya que debe ser consecuencia casi espontánea de la evolución. El comportamiento general de ésta no es que se corresponda ciertamente con algo ordenado, perfectamente diseñado en todos sus detalles y eficiente; al contrario, se comporta casi como una gran chapuza de recorta y pega. Los fenómenos de degeneración de algún gen y consiguiente pérdida de su funcionalidad, así como la inmersión de virus en las cadenas del ADN es una realidad que se ha venido produciendo a lo largo de toda nuestra historia genética. Y el hecho de que todas estas “imperfecciones” no hayan sido lavadas se debe en parte a que no son perjudiciales, no hacen daño en el funcionamiento metabólico, y tocarlas sin necesidad supone un riesgo de desequilibrio. Y en otra gran parte a que es pieza de una estrategia de diversidad, agilidad y duplicidades de soluciones: el “desorden” en la regulación y expresión génica no es un error sino un recurso evolutivo clave para la versatilidad, rapidez de respuesta y complejidad funcional en organismos superiores.

Porque la “indiferencia” de la evolución también tiene ventajas. A mayor longitud (¿mayor porcentaje de ADN basura?) mayores son las oportunidades. Cualquier modificación “indiferente” en la cadena de nucleótidos que conforman el ADN entra a formar parte en el acervo genético con futuribles. En el entorno ambiental del momento de la alteración la mutación se manifiesta como irrelevante. Pero en un entorno cambiante puede ser probable que en un futuro las nuevas condiciones medio ambientales den una oportunidad a un gen hace mucho tiempo mutado, incluidos los de la cadena de ADN no codificante, un gen que lleva consigo lo que en las nuevas circunstancias se manifiesta como una ventaja evolutiva. De esta manera podemos generalizar que a mayor longitud del ADN “basura” mayor es el número de mutaciones “indiferentes” que alberga y a la vez mayor es el número de oportunidades durmientes a la espera de activarse cuando el medio reconozca su ventaja. Quién sabe si esta pueda ser la defensa futura frente a enfermedades hoy en día incurables ¿Por qué hay individuos que no desarrollan una enfermedad aunque estén contagiados con el patógeno que la produce? Tengo que reconocer que esto último es una mera especulación mía pero bien pudiera ser.

La expresión génica es algo endiabladamente complejo

En los organismos eucariotas las secuencias codificadoras de exones dentro de un gen normalmente no son continuas, sino que^[6] están interrumpidas por las secuencias no codificadoras de intrones. Cuanto más evolucionada es una especie más cantidad de intrones tiene. Cuando se ha de codificar una proteína o un ARN, los intrones deben desacoplarse, y sabemos que lo hacen dentro del núcleo, para que la cadena de exones se reúna después antes de empezar su trabajo. Todo ello constituye lo que llamamos splicing, el empalme alternativo. Es, efectivamente, una fuente de posibles errores y cambios, aunque también es una fuente de versatilidad.

Transcripción de la secuencia codificadora del gen del ADN al ARN mensajero

Durante el proceso de splicing pueden producirse distintas alternativas de combinación de los exones -splicing alternativo-, de tal manera que a partir del mismo pre-ARN mensajero pueden obtenerse diferentes proteínas (ver figura siguiente). De esta forma, la cantidad y variabilidad de proteínas posibles aumenta considerablemente sin que lo tenga que hacer el número de genes. De hecho, se calcula que en el ser humano cerca del 50% de transcritos primarios son susceptibles de sufrir splicing alternativo. Llegando al caso extremo hoy por hoy conocido, el del gen Dscam de Drosophila, que presenta 38.000 variantes de splicing, y por tanto de proteínas subproducto, un número mayor que el del total de sus genes.

Esquema del funcionamiento del splicing alternativo, mediante el cual un mismo gen puede expresar diversas proteínas distintas

Lo anterior refuerza las conclusiones del ENCODE y pone patas arriba la idea, casi ley, de que a cada gen le corresponde una proteína. Las particularidades del proceso de expresión de los genes que exponemos a continuación ayudarán a reforzar el entendimiento del concepto anterior.

Tanto en procariotas como en eucariotas, al comienzo de la secuencia codificante de un gen aparece una sección de ADN denominada promotor, que es capaz de activar o desactivar la transcripción del gen, proceso que suele estar mediado por proteínas específicas llamadas factores de transcripción. Incluso los propios intrones participantes en el splicing pueden realizar estas funciones de regulación. Este proceso es casi como poner una llave en la cerradura y abrir la puerta (aunque la realidad no es tan mecánica).

Pero hay otra modalidad de expresión de genes por la que se abre la puerta con un mando a distancia. Es otro tipo de mecanismo de control que está constituido por los interruptores genéticos, que son estructuras distintas a los promotores y que están constituidos por dos elementos: los potenciadores y los factores de transcripción. Un potenciador, o intensificador, es un fragmento de la propia cadena de ADN no codificante, que puede encontrarse cerca del gen o alejado de él -incluso a miles de nucleótidos de distancia- y que presenta unos lugares específicos de unión física para los factores de transcripción. Cuando los factores de transcripción se unen al potenciador, el gen se «activa», produciéndose la transcripción. Los potenciadores son como un cerrojo wifi en donde tiene que entrar una llave determinada para que la trascripción tenga lugar.

Lo que parece tan sencillo tiene una segunda derivada decisiva para el organismo. Los factores de transcripción no dejan de ser unas proteínas más que requieren en su “fabricación” la acción de más genes. Con lo cual deberemos plantearnos la siguiente pregunta ¿quién regula a su vez los factores de transcripción? No debe resultar sorprendente el que al perseguir fisiológicamente este tema lleguemos a causas que encontramos, entre otros, en la situación química del medio citoplasmático, o en la influencia de las células vecinas, o en los niveles hormonales que permean todo el cuerpo, o incluso ¡lo que está sucediendo fuera de él, en su exterior!^[7] es decir, en el ambiente donde se encuentra inmersa la célula: los genes no completan su sentido si nos olvidamos del contexto del ambiente en donde se expresan. Realmente se observa que cuanto más complejo genómicamente es un organismo, mayor es el porcentaje del genoma dedicado a la regulación génica a cargo del ambiente. Lo que nos conecta con lo que habíamos dicho más arriba acerca de la capacidad codificadora de genes que encontramos en el ADN “basura”.

Pero los procesos reguladores se nos complican más al saber de la “plasticidad” de las proteínas y sus tendencias “promiscuas”. Las proteínas no siempre son rígidas ni exclusivas: pueden cambiar de forma (plasticidad) lo que les facilita el tener múltiples y evanescentes interacciones (promiscuidad) según las circunstancias, lo que les da versatilidad funcional y un papel clave en la complejidad biológica. La plasticidad les permite adaptarse a diferentes entornos o condiciones celulares, a interactuar con múltiples moléculas o a cambiar su actividad según el contexto; mientras que la promiscuidad les es útil para ahorrar recursos celulares, favorecer la evolución de nuevas funciones o participar en redes de señalización complejas^[8]. A diferencia de las proteínas rígidas que tienen una única forma funcional, muchas proteínas pueden “moldearse” dinámicamente. Esto es especialmente importante en procesos como la señalización celular (la “conversación” entre células), el reconocimiento molecular (la “conversación” entre moléculas), la catálisis enzimática o la respuesta al estrés. Esta flexibilidad les permite cumplir diversas funciones sin necesidad de cambiar su secuencia de aminoácidos. Es una propiedad crucial para la adaptación y la regulación biológica. Un ejemplo lo tenemos en la proteína p53 supresora de tumores. Su estructura es flexible y se reorganiza para interactuar con diferentes tipos de ADN, proteínas reguladoras y otros cofactores. Según el tipo de daño celular o señal externa, p53 adopta distintas conformaciones que determinan si la célula debe detenerse, repararse o entrar en apoptosis (muerte celular programada).

Algo semejante lo encontramos en la promiscuidad de las proteínas, que es la versátil capacidad funcional que tienen algunas de ellas -especialmente enzimas y proteínas reguladoras- para interactuar con múltiples socios moleculares o catalizar más de una reacción diferente. Esta promiscuidad no es un error del sistema sino una característica evolutivamente ventajosa, ya que permite eficiencia, reutilización funcional y mayor adaptabilidad en entornos cambiantes. Encontramos un ejemplo en citocromo P450, una familia altamente promiscua de enzimas presente en casi todos los organismos. Son capaces de reconocer y metabolizar una gran variedad de sustratos con estructuras químicas muy distintas. lo que se revela fundamental en el hígado humano, donde permite que el cuerpo procese y elimine múltiples sustancias sin necesidad de tener una enzima distinta para cada una.

Lo ampliamos. En el interior de la célula muchas proteínas no actúan de forma aislada sino que tienden a agruparse en conglomerados temporales que se forman y disuelven según las necesidades funcionales del momento. A diferencia de los complejos proteicos estables que tienen una estructura fija y función constante, estos conglomerados, también llamados condensados biomoleculares, son dinámicos y reversibles. Se comportan como gotas líquidas sin membrana, concentrando proteínas, ARN y otras moléculas específicas en espacios reducidos dentro del citoplasma o del núcleo. Los componentes de estos conglomerados entran y salen continuamente de la gota, lo que permite una renovación constante y una gran flexibilidad funcional. Esta dinamicidad es esencial para que la célula pueda adaptarse rápidamente a cambios internos o señales externas. Por ejemplo, en situaciones de estrés se forman ciertos condensados para secuestrar proteínas o ARN y protegerlos hasta que las condiciones vuelvan a ser favorables. Y en particular, en el núcleo se generan algún tipo de esos conglomerados que regulan la expresión génica, ensamblándose cerca de determinados genes para activar o silenciar su transcripción, y luego desapareciendo cuando ya no se necesitan. ¿Cómo lo consiguen? es materia aun no muy conocida.

Para completar la nómina de “perturbaciones” genéticas hay que comentar también las que introduce la cromatina. La plasticidad de la cromatina -su capacidad de cambiar entre estados más abiertos (eucromatina) o compactos (heterocromatina)- es clave para la regulación de la expresión génica, porque determina qué regiones del ADN están accesibles para ser leídas y transcritas. Cuando la cromatina se relaja, los factores de transcripción y la maquinaria celular pueden acceder al ADN, lo que favorece la activación de genes. En cambio, cuando se condensa, el ADN queda “oculto” y los genes en esa región suelen estar silenciados. Pero es que además se presta a modificaciones puntuales, esporádicas y temporales gracias a las que la expresión génica se adapta a diferentes funciones, tiempos y entornos. Por ejemplo, la reconfigura de la cromatina abre en la célula regiones de genes específicos necesarios para su nueva función o cierra otras regiones que ya no necesita, es decir,  que células con el mismo ADN puedan expresar genes distintos según su identidad.

Lo descrito hasta ahora nos permite entender cómo muchos genes tienen expresiones de lo más variopintas y nada específicas, provocadas por iniciadores y causas muy diversas. A la casuística de tener más de un potenciador y por lo tanto más de un «interruptor» que en buena medida depende del ambiente, se le añade la aleatoria diversidad que permite el splicing, o el difuso (por lo aun desconocido para nosotros) comportamiento de las especiales “habilidades” de las proteínas celulares o la versatilidad estructural de la cromatina… entre otras mil cosas sabidas y aun no entendidas. Esto permite que un único gen juegue su papel en distintos momentos, cuándo, y lugares del desarrollo del organismo, dónde, existiendo un control independiente para cada uno de ellos. Es como si los genes fueran una especie de subrutinas estándares dentro del software del ADN,^[9] a las que se acude cuando un programa más general requiere de su intervención. El ADN se comporta más como una caja de herramientas (genes) que como un ente con algún tipo de entes con una agencia precisa.

También sabemos que la regulación génica no está exclusivamente en manos de las proteínas sino también en las de cadenas de ARN regulador no codificante, expresadas por los propios genes. La regulación génica por ARN’s largos y cortos no codificantes es un mecanismo esencial que complementa y afina la expresión de los genes más allá del control directo del ADN. Y aunque no codifican proteínas, estos ARN cumplen funciones reguladoras potentes, actuando a distintos niveles del proceso génico. Los ARN de cadena corta no codificantes Incluyen principalmente los microARN (miARN) y los siARN (ARN pequeños de interferencia). Son moléculas de unos 20-25 nucleótidos que regulan la expresión post-transcripcionalmente, es decir, después de que el ARN mensajero (ARNm) ha sido producido. Mientras que los de cadena larga no codificantes, con más de 200 nucleótidos, ejercen una acción más diversa y menos comprendida que la de los ARN cortos. Pueden actuar en el núcleo o en el citoplasma y regulan la expresión génica de múltiples maneras: Modulando la estructura de la cromatina al reclutar proteínas que activan o silencian genes; interfiriendo con la transcripción al unirse al ADN o al ARN en formación; o secuestrando proteínas reguladoras o miARN al actuar como “esponjas” moleculares.

La complejidad que hemos intentado poner de manifiesto en los párrafos anteriores remacha lo erróneo de la visión tradicional de “un gen: una proteína: una función”. La regulación fisiológica es algo más, mucho más complejo. Parece como si la simple línea causal expuesta fuera mucho más rica, como si en cada nivel de complejidad biológico emergiera su propia dinámica causal autónoma que no precisara de la de niveles “inferiores” (o superiores), pero que convivieran a la vez sin ser excluyentes. Algo así como pasa en el mundo de la física en la que siendo el mismo dominio, la causalidad cuántica no tiene nada que ver con la causalidad química y esta con la biológica, aunque todas se necesiten. La emergencia de la causalidad en la regulación biológica surge de interacciones dinámicas, distribuidas y a múltiples niveles. En lugar de que un solo elemento dicte el resultado, es la red de relaciones entre genes, proteínas, metabolitos, señales y estructuras celulares la que genera comportamientos regulados y coherentes. Esta causalidad emergente no puede predecirse completamente a partir de las partes individuales, porque el todo tiene propiedades que van más allá de la suma de sus componentes. Por ejemplo, la diferenciación celular o la respuesta inmune no se explican únicamente por la presencia de ciertos genes, sino por cómo estos genes se activan o silencian en contextos específicos, influenciados por el entorno, la historia celular y otras señales. Vemos entonces como la biología moderna se está adentrando en una senda que deja atrás la idea de que la causalidad biológica es simple y jerárquica, al percatarse y reconocer que es compleja, contextual y emergente.

Como vemos, la expresión génica, y sus derivados aguas abajo, está configurado como un proceso complejo y sofisticado que permite que los organismos celulares alcancen fenotipos muy desarrollados. Pero no olvidemos sus inicios, que se remonta quizás en la simbiosis que creó las mitocondrias. Y con ellas los transposones, los intrones, con su capacidad de autorrecorte. La célula reaccionó de muchas maneras para aplacar el problema, entre otras aplicando el splicing aprendido de los transposones a los trozos en que quedaban divididos sus genes, proceso por el que no solamente limpiaba y reconstruía la cadena completa de un gen inicial, sino que en el proceso se producirían además errores que formarían nuevos genes, los cuales a su vez expresarían nuevas proteínas. Inicialmente los errores podrían tener poco efecto, pero con el tiempo la nueva proteína podría asumir una función novedosa. Es sorprendente cómo de forma fortuita la deriva de las eucariotas para combatir a los intrones hizo a sus genes más versátiles y más capaces de apoyar nuevas estrategias evolutivas.

Hay que avanzar. Hasta aquí hemos definido qué es el genotipo, cómo son los genes y algunos mecanismos de activación del proceso de transcripción o de expresión proteínica. Pasemos a ver cuáles son los códigos secretos que traducen la información inmersa en las secuencias de nucleótidos de los genes de forma que se den las instrucciones precisas para sintetizar una proteína.

El código genético

Todo funciona gracias a un manual de contraseñas llamado código genético. Por su sencillez resulta brillante y elegante. Por su universalidad resulta abrumador: todos los seres vivos utilizan este manual de reglas secretas, desde la más humilde bacteria a una cactácea, desde un hongo al mamífero más complejo, todos utilizan el mismo manual de traducción. Este código es muy ancestral y prácticamente no ha sufrido cambios, lo que indica un origen único y universal. Realmente es una prueba casi concluyente del origen común de los individuos vivos, de la existencia de un ancestro común. Fuera cual fuera el detonador del origen de la Vida.

Todo está basado en los codones o grupos repetitivos de tres nucleótidos seguidos, y en un mismo orden, en la cadena de un gen. Cada codón transcribe la orden de sintetizar uno de los 20 aminoácidos existentes en los organismos vivos.

Sabemos que cuatro son los nucleótidos formantes del ADN, adenina (A), timina (T), guanina (G) y citosina (C), y además el uracilo (U), que en el ARN sustituye a la timina. Si los agrupamos de tres en tres, con repetición, tendremos 64 (4³) posibles ternas, 64 posibles codones. Dado que solamente se deben sintetizar 20 aminoácidos está claro que a un mismo aminoácido le puede corresponder más de un codón, pero nunca un mismo codón expresará más de un único aminoácido. A eso se le llama una relación “degenerada”. Si no fuera así, la probabilidad de error en las traducciones que se realizan en los ribosomas sería muy elevada.

Hay tres ternas que codifican la orden de parada en el proceso de síntesis de la proteína. Y hay un codón, el AUG, que se corresponde con el aminoácido metionina, que codifica el inicio. Todos los procesos de traducción de una secuencia de nucleótidos en otra de aminoácidos comienzan por el reconocimiento del codón de iniciación. Así, todas las proteínas comenzaran por este aminoácido, AUG. De esta manera se asegura una correcta lectura de la secuencia de ternas de nucleótidos. El proceso termina cuando se llega a uno de los codones de parada.

Código genético: en el centro los aminoácidos que expresan cada terna de nucleótidos

Todo el proceso de síntesis de una proteína viene dirigido por un ARN mensajero (ARNm) y requiere una gran complejidad. Hay que recordar que el mensajero se crea por copia de un tramo de una de las cadenas de la hélice del ADN, siguiendo la regla de los pares homólogos de nucleótidos, G-C y A-U. Es lo que llamamos la transcripción. Una vez formado el ARN mensajero llega a los ribosomas, en donde se lleva a cabo físicamente la traducción, construyéndose así las proteínas según la secuencia de aminoácidos indicada por el mensajero y gracias a la aportación de los adecuados materiales –aminoácidos- que realiza un ARN de transferencia (ARNt). El ribosoma está constituido por otro tipo de ARN, el ribosómico (ARNr), unido a una serie de proteínas específicas. Hablaremos de este proceso unos párrafos más abajo.

Hay diversas teorías sobre la aparición de este código mágico, que inicialmente debió ser muy ambiguo, aunque ninguna concluyente. Realmente su origen es una más de las piezas desconocidas del mundo prebiótico y de la aparición de la Vida.

Una de las teorías más reconocidas es la que explica el origen de cada uno de los tres nucleótidos del codón. La primera letra estaría relacionada con el precursor del aminoácido concreto que sintetiza. La segunda letra del codón estaría relacionada con la hidrofobia o filia del aminoácido. La tercera letra está “degenerada” y no implicaría en principio ninguna información concreta. Pero dos posiciones, las dos primeras letras, a ocupar por cuatro letras –cuatro nucleótidos- da 16 posibilidades de información, lo que proporciona un potencial para expresar 15 aminoácidos más un codón de parada. Inicialmente, en los albores de la vida metabólica, sólo existirían 15 aminoácidos, que “compitieron” entre ellos por una tercera letra, como así parece que es en la realidad para los 15 aminoácidos más comunes. Los otros cinco aminoácidos posteriores -hasta los 20- tienen menos variación en la tercera posición, como el triptófano que sólo es secuenciado por un codón acabado en G. Esta tercera posición debió imponerse a través de mecanismos de selección natural, ya que se ha demostrado matemáticamente que la actual estructura del código genético es la que con mayor efectividad evita las posibles mutaciones y sus perjuicios: con ello se disminuirían, por un lado, los problemas de fidelidad en la replicación de la cadena ADN, al haberse diseñado codones con funciones similares, y por otro, los problemas de errores durante la traducción en el ribosoma, al interpretar varios codones distintos a aminoácidos semejantes. La distribución de la tercera letra tras las parejas iniciales fue como fabricar diversos comodines para una misma jugada, lo que habría dificultado el que sucedieran los errores.

¿Cuál es el proceso que desde la información codificada en la doble hélice del ADN nos conduce hasta el abanico de funciones dirigidas por moléculas de proteínas?

Proceso general desde la información genética a la síntesis de una proteína. Aquí se observa cómo la membrana del núcleo separa físicamente la labor de los intrones de la síntesis de proteínas

En líneas generales, la información que contiene el ADN en sus secuencias de nucleótidos se transcribe a un ARN mensajero de acuerdo al código de emparejamientos. Para ello una enzima ARN-polimerasa crea algo semejante a una burbuja que aísla la porción de ADN que se va a duplicar y separa sus hélices. En este espacio se va a generar el ARNm por copia homóloga de una de las cadenas del ADN abierto. Si el nucleótido del ADN es la Adenina, el ARNm que se está montando como una cremallera incorporará en esta posición un Uracilo. Si es una Guanina el diente del ARN será una Citosina. Y así según los posibles emparejamientos.

El ARNm así formado se le conoce como “pre ARN” ya que hay que procesarlo y limpiarlo de intrones para dejarlo sólo con los exones, según un proceso explicado un poco más arriba. El ARNm resultante sale del núcleo y se dirige al ribosoma para el siguiente paso: la traducción.

La traducción (ver el sentido de las flechas rosas de la figura siguiente) se realiza sobre el entramado de moléculas de ARNr ribosómico y proteínas que constituyen la estructura del ribosoma. El ARNm mensajero lleva las órdenes que son interpretadas por diversos ARN de transferencia, que, como disciplinados trabajadores, leen la instrucción de un codón y capturan el correspondiente aminoácido que incorporan a la cadena de la proteína que están fabricando.

Proceso de traducción en un ribosoma (Wikimedia, dominio público)

Y con esta bella imagen finalizamos por hoy. En la próxima entrada acabaremos el tema de la genética intentando explicar, por un lado, cómo pudo gestarse todo el juego de copias y replicaciones que hoy hemos conocido, y, por otro, los misterios de la división celular y la transmisión de la carga genética. Hasta pronto.

1. La molécula de agua es ligeramente dipolar ya que los protones del núcleo del oxígeno “atraen” al conjunto de los electrones de la molécula, dejándola como un imán. Esta bipolaridad es la que le permite constituir enlaces por puente de hidrógeno con otras moléculas también polares.
2. Un enlace fosfodiéster es un tipo de enlace químico covalente que se produce entre un grupo hidroxilo (OH^-) en el carbono 3′ y un grupo fosfato (PO₄³⁻ ) en el carbono 5′ del nucleótido entrante, formándose así un doble enlace éster.
3. En la entrad número 11 de esta serie, “Aparecen las células eucariotas”.
4. De nuevo se trata de la entrad número 11 de esta serie, “Aparecen las células eucariotas”.
5. Para los que tengáis más curiosidad podéis bucear por la web del proyecto ENCODE enlazando aquí o aquí.
6. Como ya sabemos de la entrada número 11 de esta serie.
7. Como nos comenta el neuroendocrinólogo estadounidense Robert Sapolsky en su interesante libro “Compórtate“, pag. 340: “Una hembra huele a su recién nacido… las moléculas olorosas que salen del bebé se unen a receptores situados en su nariz. Los receptores se activan y (muchos pasos después en el hipotálamo) se activa un factor de transcripción, conduciendo así la producción de más oxitocina… que provoca la bajada de la leche.“
8. Para profundizar más en este último tema recomiendo el revelador libro “How life works” de Philip Ball
9. Los informáticos conocen bien estas rutinas generales, como pueden ser la validación de una fecha, la ordenación de una lista, el cálculo de un dígito de control, etc.

A su ancestro común se le denomina el LECA: Last Eukaryotic Common Ancestor por similitud al LUCA, común ancestro de todos los seres vivos. Gracias al análisis^[1] de proteínas que las más antiguas arqueas han transmitido a las eucariotas, se ha determinado que el LECA tendría que ser más parecido a un Bikonta que a un Unikonta. Es decir, sería un ser unicelular con núcleo y dos flagelos. En 2015 se descubrió en el fondo del océano Ártico un nuevo tipo de arqueas cuyo genoma procariota, por lo que se sabe hoy en día, es el más parecido al eucariota. Se trataría de las Lockiarchaeota que podrían ser por tanto la imagen actual del LECA.

Es difícil de valorar cuándo debió aparecer LECA, ya que las células son blandas y tienen muy pocos elementos que puedan dejar un resto fósil. Muchas arqueas de la actualidad no disponen de paredes celulares (sólo membrana citoplasmática) y hay que suponer que así eran las más primitivas, de forma que estos organismos raramente han dejado fósiles reconocibles. Esto no quiere decir que el registro fósil del Precámbrico no pueda dar pistas sobre la evolución de las eucariotas. Y como anunciamos al acabar la entrada anterior vamos a ver cómo nos lleva mucho más adentro en la profundidad de la edad del planeta.

Acritarco (crédito de la imagen: Virginia Tech, astroseti.org, licencia Creative Commons) y Grypania spiralis (Wikipedia, GNU FDL 1.2)

Hasta hace poco se creía que las eucariotas más antiguas habían dejado unos fósiles conocidos como acritarcos. Se parecen a esporas o quistes producidos por las algas de hoy en día. El acritarco más antiguo se ha encontrado en China y tienen una edad comprendida entre 1.800 y 1.900 millones de años.

Sin embargo perdieron su récord al saberse que el fósil de Grypania spiralis es aún más antiguo. Grypania es una especie de organismo macroscópico con forma de cinta enrollada, y que se cree que quizás pertenezca a un temprano grupo eucariota. Se encontró en unas rocas hallados en la formación Negaunee Iron en Míchigan que están datadas en 2.100 millones de años.

En 2010 se ha reportado el descubrimiento en Gabón (África) de una serie de organismos, posiblemente ya eucariotas con costumbres coloniales, también de hace unos 2.100 millones de años.

Fósiles precámbricos de organismos eucariotas coloniales de Gabón (África) datados en 2.100 millones de años (Abderrazak El Albani et al, 2010, Nature, fair use)

Un poco posteriores, 1.900 millones de años, son los fósiles del yacimiento canadiense de Gunflint. La mayoría de los investigadores consideran que son antiguas bacterias aunque el biólogo alemán Wolfgang Kumbrein opina^[2] que se tratarían de las evidencias más tempranas de especímenes del reino taxonómico Fungi -los hongos-. En 2017 se reportó el descubrimiento en Chitrakoot -India central- de lo que con casi toda evidencia -en este caso ya hay una gran certidumbre- son algas rojas Rafatazmia chitrakootensis y Ramathallus lobatus incrustadas en estratos de estromatolitos datados en hace 1.600 millones de años, anteriores en mil años a lo que luego fue la gran “explosión” de vida en el Cambrico.^[3] De 400 millones de años más tarde proceden unas estructuras multicelulares llamadas Bangiomorpha pubescens, encontradas en el ártico canadiense, y que se interpretan también como probables algas rojas.

Imagen tomográfica por rayos X de algas rojas fósiles Rafatazmia chitrakootensis encontradas en el yacimiento indio de Chitrakoot mencionado en el texto. Ver nota 3 a pie de entrada (Imagen: Stefan Bengtson, fair use)

La aparición de Grypania spiralis o de los fósiles del Gabón se producía unos 200 o 300 millones de años después de que comenzara el incremento de la concentración de oxígeno atmosférico. En aquellos momentos el clima global y la dinámica de la corteza terrestre eran relativamente estables, mientras que el nivel de nutrientes a disposición de la cada vez más abundante masa de organismos vivos llegaba a ser relativamente escaso. Se supone que tales condiciones fueron motores favorecedores de la aparición de las eucariotas. Pudo ser que la disminución de nutrientes favoreciera la evolución de simbiosis entre células que, al complementarse reciclando unas a otras sus residuos metabólicos, suplementaban los cada vez más escasos aportes externos a sus necesidades alimenticias.

Y así se consiguió la pieza fundamental para que la evolución continuara.

Reproducción sexuada

Ya tenemos pues “inventada” la célula con núcleo. Era la condición necesaria para poder intentar el salto a una reproducción sexuada. Por reproducción sexuada entendemos aquella modalidad en la que la carga genética, normalmente de dos individuos, puede mezclarse abriendo una posibilidad de cambio adicional a la espontánea variación por mutación de los genes individuales. Todo se lleva a cabo a partir de la fusión de dos células haploides -las que tienen en su núcleo un solo juego cromosómico- dando una diploide-de doble juego cromosómico-.

Si lo pensamos, esta forma de supervivencia del acervo genómico paradójicamente supuso la entrada en escena del hecho de la muerte del individuo. Hasta entonces las bacterias generalmente se dividían en dos hijas, las dos exactamente iguales a la madre, con lo que podemos pensar que sobrevivían por duplicado… y así hasta el final de los tiempos. Sin embargo con la reproducción sexuada el genoma sobrevive en los hijos, pero los individuos progenitores desaparecen tarde o temprano. Esto que puede ser un gran dilema filosófico se ve sobrepasado por la “irracional” naturaleza, que nos lo plantea como un camino más de éxito para la Vida. Pasemos a diseccionar el contraintuitivo fenómeno de la reproducción sexuada.

Bryan Sykes, genetista de la universidad de Oxford, en su libro “La maldición de Adán” propone una teoría que explicaría el porqué de la aparición de la reproducción sexuada. Sería la condición necesaria para la supervivencia de los organismos complejos. Es una obviedad decir que en la biosfera conviven desde la más humilde bacteria hasta el mamífero más sofisticado. Y que ambos pueden estar en continua situación de agresión/defensa. La bacteria salmonela puede arruinar la vida al humano, aunque durante el largo camino de convivencia este último haya desarrollado mecanismos de protección. Sin embargo la velocidad del metabolismo suele ser directamente proporcional a la simplicidad del organismo que lo maneja. Es decir, una bacteria tiene una mayor probabilidad de desarrollar y acumular mutaciones en los códigos genéticos que le dictan sus estrategias de ataque. Mientras que un ser más organizado mantiene un metabolismo más lento y por tanto manifiesta una debilidad a la hora de ir acumulando mutaciones que le puedan servir para su defensa. La reproducción sexuada en estos últimos sería la respuesta para no ser alcanzado nunca por el agresor en esta carrera armamentística: el intercambio genético entre individuos, y con dos era suficiente, facilitaría la expansión a toda la población de las mutaciones que se manifestaban útiles para la defensa. Según esto la reproducción sexuada fue la clave imprescindible para que los organismos complejos pudieran sobrevivir a las enfermedades microbianas.

La senda evolutiva de la reproducción sexuada

Establecido un posible porqué, volvemos a las manos del maestro John Maynard que razona de la siguiente manera acerca de la senda evolutiva que llevó al detalle operativo de la reproducción sexuada, para él uno de los ocho hitos en el camino de la Vida:

Hubo un momento previo a todo el proceso que consistió en la ruptura del ADN circular de las procariotas en varios fragmentos lineales –los cromosomas-, lo que favorecería la velocidad de replicación, ya que ésta podía empezar en varios puntos a la vez (en el ADN circular de las procariotas siempre empieza por un punto fijo hasta completar la replicación del círculo).  Pudo ser que los transposones introducidos por las mitocondrias –y de los que ya hablamos la entrada anterior- favorecieran el corte del ADN circular en tramos lineales. La teoría de Maynard continúa a través de varios pasos evolutivos, siendo posiblemente el primero la duplicación de la carga cromosómica dentro de una célula -aparecen dos juegos idénticos de cromosomas-, proceso que se abrió camino ya que debía ser una circunstancia ventajosa para la corrección de errores del ADN. El siguiente eslabón sería una división tipo meiosis, algo semejante a la división simple de las bacterias, y que se explicará en una entrada posterior, por la que se generarían dos células “normales” haploides, que tendrían por tanto una carga genética simple, un solo juego de cromosomas. Una vez “inventadas” las células haploides, éstas podían fusionarse y dividirse mediante un solo paso de meiosis.

Lo anterior puede parecer un contrasentido. Las células habían conseguido duplicar sus cromosomas y sin embargo, con posterioridad, triunfa la vía de dividirse en dos cada una de las células hijas con una carga cromosómica única, para volverse a fusionar formando de nuevo una célula diploide: ¿el resultado final no era lo mismo, a fin de cuentas? Fue así por un detalle ventajoso: con la segunda vía a veces se generaban híbridos que eran más vigorosos que las copias exactas producidas tras la simple duplicación cromosómica, ya que se mezclaban mejor las cargas genéticas de ambos progenitores, permitiendo que las mutaciones buenas se reforzaran y las malas se aislaran y desaparecieron del acervo genético de la población.

La teoría de Maynard contempla una última modificación que nos lleva ya a la realidad actual: en la división celular se añadió un segundo paso de meiosis, quedando el primero como matraz en donde se producía una alteración favorable, quizás una de las más importantes, que se concretaba en un entrecruzamiento de cromosomas –del que hablaremos también en una entrada posterior-, lo que enriquecía aún más la probabilidad de variabilidad genética.

Con el anterior procedimiento quedaba asegurada una eficaz y segura transmisión de la carga genética de padres a hijos. Dos seres fusionan el material genético de sus gametos –célula sexual masculina o femenina- en una única célula que generará un nuevo individuo.

¿Dos gametos desiguales?

A lo largo de este camino se gestó también una modificación muy significativa: la anisogamia -”no, igual, gametos”-, la diferencia de tamaño entre los gametos masculinos y femeninos. Queda por explicar la aparente rareza.

Ya en 1972 G. A. Parker, R. R. Baker y V. G. F. Smith propusieron una teoría para explicarla.^[4] El éxito de un gameto depende de la posibilidad de encontrar una pareja. Para ello el organismo que los produce puede optar por dos soluciones. La primera consistiría en dotar a todos los gametos con su carga genética y suficiente “bagaje alimenticio” como para que, mientras le dure, pueda encontrar a su análogo.

Gametos femenino y masculino humanos mostrando en todo su esplendor la anisogamia (Wikispace, CC BY-SA 3.0)

En la otra alternativa se podría generar dos tipos de gametos. Unos muy móviles, ligeros sin tener que cargar con nutrientes, y en gran cantidad, con el objeto de aumentar la probabilidad de encontrar pareja por su número casi infinito. Por contra el segundo tipo de gametos serían grandes y escasos, con mucho alimento en sus mochilas, estáticos, puesto que no podrían cargar con su peso, a la espera de sus contrapartes que revoloteaban ágiles en su búsqueda. El éxito de ambos gametos dependió de la colaboración entre ellos mientras coevolucionaban: hay que suponer que en un estadio inicial debieron tener un tamaño semejante, hipotéticamente equidistante al de los del final del proceso evolutivo. A medida que se avanzaba por este camino se produjo una selección que favoreció la alternativa grande/pequeño, penalizando las soluciones intermedias demasiado grandes, pues eran poco móviles, y las demasiado pequeñas pues agotaban sus reservas antes de encontrar pareja.

Acudimos de nuevo al profesor Bryan Sykes que nos da una posible explicación de la coevolución de óvulos y espermatozoides que aparece en la anterior teoría. Se ha observado en la naturaleza que algunas algas verdes desarrollan dos estrategias de vida, la habitual como células haploides, y la de “emergencia” cuando las condiciones medioambientales se complican, que es cuando acuden a la fusión de dos individuos para crear una especie de espora. La fusión de los núcleos es pacífica pero no así la de los citoplasmas con su carga de organelos. Entre ellos se produce una batalla de aniquilación de forma que prácticamente sólo uno de los citoplasmas queda con sus mitocondrias y demás vecinos. Esta reacción suele ser muy común en la batalla entre células semejantes. Cuando la idea la traspasamos a los gametos que deben fusionarse, es fácil imaginar que en algún momento pudo llegarse al límite de la “sumisión”: Uno de ellos llegó a perder su citoplasma quedando como un saco portador de ADN nuclear y alguna mitocondria donde obtener la energía para mover el flagelo, mientras que el otro aportaba la morfología celular completa. Realmente este es el caso de espermatozoides y óvulos, machos y hembras ¿por qué no pudo ser algo parecido lo que llevó a la anisogamia?

El porqué del éxito

Hay que decir que existen otras estrategias diferentes a la reproducción sexuada para conseguir el objetivo de variabilidad en los genes. Podemos afirmar que la facultad de modificar la carga genética ya la dominaban los seres procariotas, puesto que las bacterias, y por diversos procedimientos, son capaces de intercambiar paquetes de genes en un proceso que no supone división celular. El producto de este intercambio entre dos organismos siguen siendo ellos mismos, aunque con un distinto camino  futuro que será dirigido por la nueva carga genética.

Lo anterior ha sido el detonante de alguna teoría. Ya que el intercambio lateral de genes, y por tanto el factor de diversidad, lo practicaban también las asexuales procariotas, ¿por qué la necesidad de inventar algo nuevo como el entrecruzamiento sexuado? Aquí cabe pensar que la reproducción sexuada apareció como una respuesta defensiva frente a las amenazas incorporadas por los intrones de las mitocondrias en las menguadas poblaciones iniciales de eucariotas. Al principio de la correspondiente simbiosis, la población de eucariotas era  pequeña en número y con pocos genes, ya que las células eran aún muy primitivas y no había habido tiempo suficiente como para que se hubieran producido muchas duplicaciones en su ADN. Por tanto, en aquellos momentos cualquier mutación dañina podía fácilmente alcanzar a todos los individuos. El cruce de sexos fue el gran truco que favoreció la erradicación de los genes nocivos. De ahí su éxito.

Parece pues que la reproducción sexuada fue un éxito anunciado, aunque no por ello nos podemos olvidar que presenta con respecto a la reproducción asexual ciertas desventajas relacionadas con la eficacia: el primer tipo de reproducción, la sexual, es menos rápida, menos prolífica y “malgasta” al 50% de la población, los machos, que no sirven para desarrollar embriones. Por otro lado el hecho de tener que ser “activo” en la búsqueda de la pareja requiere un mayor consumo energético. Pero la realidad es que, a pesar de estos problemas, la reproducción sexuada tendría sus ventajas, puesto que se dio el paso y además ha permanecido hasta el día de hoy. Veamos cuáles pudieron ser esas excelencias, adicionales y complementarias a la que nos explicaba el profesor Bryan Sykes unos párrafos más arriba.

Está claro que con la reproducción sexuada se obtiene una ventaja biológica al favorecer la variación genética entre los miembros de una especie, ya que la descendencia es el producto de los genes aportados por ambos progenitores en vez de ser una copia clónica de uno de ellos. Además, cuanto mayor es la variabilidad genética de una población, mayor es su tasa de evolución –simplemente por cuestión de número de genes capaces de mutar- y por tanto su capacidad para protegerse frente a posibles cambios en su entorno: si estos le fueran adversos, es más fácil que pueda existir al menos un grupo minoritario que consiga protegerse genéticamente, extendiendo esta ventaja adquirida al resto de la población que saldría así favorecida. Por el contrario, si la mutación no es beneficiosa, esta quedaría aislada en un grupo acotado de población, cuyos individuos tendrían serios problemas para sobrevivir, y por tanto se reproducirían menos o probablemente nunca, con lo que desaparecería el gen mutado en el acervo genético de la población total. La conclusión es que la reproducción sexual permite proteger las mutaciones beneficiosas y hacer desaparecer las dañinas más rápidamente. Un factor más que favorecía su implantación.

El camino hacia una reproducción sexuada

No se sabe muy bien cómo y cuándo la Vida comenzó a descubrir las grandes ventajas de la reproducción sexuada. No debió ser con la conocida y primitiva Grypania spiralis de hace 2.100 millones de años, aunque sí posiblemente con algún organismo intermedio entre los acritarcos, que pensamos fueron algo parecido a esporas, y los primeros fósiles conocidos de eucariotas: una larga temporada que abarca entre hace 1.800 y 1.200 millones de años. De hecho el organismo más antiguo conocido con reproducción sexual es el alga roja Bangiomorpha pubescebs en cuyos fósiles de hace 1.200 millones de años se distinguen perfectamente los dos sexos. Una vez más podemos hacer conjeturas sobre cómo debió ser el proceso del cambio basándonos en lo que podemos observar en la actualidad, estudiando las estrategias reproductivas de diversos seres unicelulares vivos, como las de las algas.

Las algas verdes más sencillas se reproducen por simple división celular mientras que las más complejas han transformado alguna de sus células vegetativas en reproductoras, llamadas zoosporas. Éstas disponen de unos flagelos que les permiten expandirse con mayor facilidad. En ambos casos la reproducción es aún asexuada.

El siguiente paso hacia la reproducción sexuada más compleja la podemos imaginar en la Chlamydomonas, un alga unicelular protegida por una gruesa pared celular. Ésta ha optado por aunar dos caminos reproductores: la simple división celular que produce clones de la madre, o también su transformación en gametos semejantes a las zoosporas. Estos gametos se aparean apareciendo al final del proceso una nueva especie de espora, con gran resistencia a las inclemencias ambientales. Estas “esporas” fructifican en condiciones óptimas, dando vida a varias algas. Se ha añadido un escalón de complejidad, al haberse incorporado al proceso la fusión de dos gametos prácticamente iguales.

A la izquierda Chlamydomonas (Wikimedia, dominio público) y a la derecha Spirogyra (Wikimedia, GNU FDL 1.2)

Algo parecido al anterior tipo de reproducción sexuada de un alga unicelular se repite en algas pluricelulares, como las filamentosas Spirogyra. En ellas se unen una célula cualquiera de un filamento con otra cualquiera de otro filamento dando un gameto que más tarde desarrollará otro nuevo filamento.  

Pero en otras algas filamentosas el proceso ha dado un nuevo paso por el que a partir de células normales se generan unas células intermedias especializadas semejantes a los gametos de la Spirogyra. Es el caso del alga Ulothrix.

Un tercer paso en el desarrollo de la reproducción sexual se da cuando las dos células especializadas que se unen para dar un cigoto son de distinta configuración y tamaño. Es el caso de otra alga filamentosa, el Oedogonium, en la que una célula grande, inmóvil y cargada de alimento se une a otra pequeña y móvil (gametos femenino y masculino respectivamente) para dar una especie de espora resistente.

Oedogonium mostrando un oogonio  femenino (células hinchadas) y anteridios  masculinos (células cortas apiladas) (Wikimedia, CC BY-SA 3.0)

En muchas plantas con sexos diferenciados aún continúa la alternancia de reproducción sexuada por gametos masculinos y femeninos con la asexuada por esporas -o semillas-. En este caso la reproducción sexuada permite a la especie el afianzar su dominio sobre el territorio previamente colonizado durante la fase asexual. Como ejemplo aclaratorio pensemos en las flores de las angiospermas con sus pistilos y ovarios en donde se producen, durante la parte sexuada del ciclo reproductivo, las células haploides, polen y óvulo, para en el mismo elemento estructural engendrar por fecundación las semillas diploides -en otras plantas esporas haploides- de las que se generarán nuevos individuos durante la parte asexuada del ciclo reproductor.

Tenemos que comentar un último refinamiento evolutivo manifestado en el hecho de que los propios organismos separaron su fenotipo por sexos acomodándose en cada uno de ellos sus formas y funciones a las diferentes estrategias, ya comentadas más arriba, de sus gametos específicos: los grandes, energéticos, escasos y sedentarios óvulos en los femeninos y los pequeños, abundantes y móviles gametos masculinos.

Recopilemos

El éxito del descubrimiento del núcleo celular, con su carga genética en los cromosomas, así como el de la reproducción sexuada, ampliaron en gran medida el abanico de la biodiversidad, tanto en variedad como en velocidad. Sin la reproducción sexuada posiblemente el mundo sería al cien por cien propiedad de las bacterias. Se abrió camino a una de las vías más potentes de renovación del acervo genético de los organismos vivos. Se sumó a los mecanismos que funcionaban hasta entonces, que en gran medida se centraban por un lado en los errores de la replicación del ADN, o bien en las mutaciones genéticas por acción de agentes externos, o en el intercambio horizontal de genes, que siguen practicando las bacterias hoy en día, o en un cuarto proceso que consistía en la acumulación masiva de genoma por simbiogénesis. Con la reproducción sexuada la baraja completaba un quinto palo para jugar la partida de la selección natural.

Todo comenzó en el Proterozoico, y por eso corresponde a este capítulo el que abandonemos por un momento la línea histórica del desarrollo de la Vida, para cumplir con la lógica curiosidad de qué es eso de la herencia, y cómo funciona. Es, pues, el momento de desvelar que son esas cosas de las que hemos hablado tanto sin presentarlas: hay que hablar ya de los genes, de las replicaciones de ADN, del proceso de traducción a proteínas, de los intrones, de la herencia, de las mitosis y las meiosis, del entrecruzamiento cromosómico, del código genético… realmente al escribir todas estas últimas frases veo que queda por aclarar mucha de la materia enunciada.

En la próxima entrada iremos sin más a por la teoría genética.

1. Aparece en esta publicación de la revista PNAS de octubre de 2014.
2. En este enlace podéis acceder a la publicación del mencionado artículo de Wolfgang Kumbrein.
3. En este enlace podéis conectar con la publicación de este descubrimiento aparecida en PLOS Biology de marzo 2017.
4. Teoría propuesta en esta publicación de ScienceDirect de septiembre de 1972.

Voy a escribir artículos sobre bioquímica y sobre química. Para empezar, pongo éste artículo que ya tenía escrito sobre el ADN basura, porque es un tema que siempre me ha llamado la atención.

Como ya sabéis, la molécula portadora del material genético es el ADN o ácido desoxirribonucleico. Por sus propiedades es capaz de replicarse fielmente, garantizando así la transmisión de la información genética a la descendencia. Su estructura fue motivo de controversia durante muchos años, hasta que en 1.953 James Watson y Francis Crick dedujeron el modelo de la doble hélice basándose en los experimentos de Rosalind Franklin. Un día me gustaría hablar del descubrimiento de la doble hélice, es una interesante historia (parece ser que Watson y Crick emplearon datos experimentales de Franklin sin su permiso).

La célula no usa directamente el ADN, porque éste se encuentra en el núcleo y las reacciones de la vida tienen lugar en el citoplasma. Para saltar esta barrera el ADN es transcrito a ARN (ácido ribonucleico), que sí puede salir del núcleo. Cuando lo hace, es traducido a la correspondiente proteína en los ribosomas.

En su día me explicaron este proceso con un bonito símil: el ADN es la biblioteca que recoge los planos de las distintas “máquinas” que tiene la célula. Pero como son unos libros únicos y muy valiosos, no dejan llevarlos a casa para que no se estropeen. Por ello, los “habitantes” de la célula sólo pueden hojearlos y tomar notas: las notas serían el ARN. Luego, fuera de la biblioteca, fabrican las máquinas según los apuntes tomados.

Según lo anterior, la principal función del material genético es almacenar la información que permite a la célula sintetizar sus proteínas. Pero lo curioso es que no todo el material genético sirve para codificar proteínas: en el hombre sólo el 1,5-2 % del material genético codifica proteínas: el 98 % del ADN es “ADN basura” (para los entendidos, no he considerado los intrones, o regiones que están incluidas dentro de un gen pero no se traducen a proteínas, porque estrictamente no son ADN codificante). Y además es curioso saber que más del 70 % del material genético está formado por ¡¡repeticiones!!

La pregunta que se hace la ciencia es la siguiente: si la naturaleza tiende a la “ley del mínimo esfuerzo” (ser vago no está mal… es simplemente hacer caso del instinto dictado por la madre naturaleza…), ¿por qué “se esfuerza” en copiar tanto material “inútil”, despilfarrando energía? ¿O esto nos quiere decir que realmente es tan importante o más que el ADN génico? Y más aún: ¿por qué el resto de los seres vivos cuyo genoma ha sido secuenciado total o parcialmente (E. coli, C. elegans, S. cerevisiae, D. melanogaster, e incluso la rata) tienen mucho menos ADN basura que nosotros?

Algunas regiones específicas del material “basura” tienen funciones concretas, como el regular qué proteínas se transcriben y cuáles no (esto es muy importante: cualquier error se traduce en una enfermedad); pero los mecanismos por los que actúan no están del todo claros o son bastante complejos.

También es posible que el ADN basura tenga más funciones, pero hoy día no se conocen… Por ello, su finalidad es una incógnita y la búsqueda de la misma es una de las grandes líneas de investigación de la genética. Si queréis dedicaros a la genética… ¡ya sabéis una cosa que podéis estudiar!

Para acabar, un enlace, aunque en inglés (no hay entrada específica para el “ADN basura” en la Wikipedia castellana): http://en.wikipedia.org/wiki/Junk_DNA