La biología evolutiva del desarrollo, un matrimonio polémico pero inevitable
¿Tiene el organismo individual alguna importancia para la evolución de su especie? ¿O es cada individuo el simple reflejo de su material genético, donde están los cambios importantes? Víctor R. Hernández llena el hueco que dejó la biología tradicional entre los genes y el organismo, entre la teoría de la evolución y la del desarrollo de un individuo, presentándonos la disciplina llamada evo-devo: la biología evolutiva del desarrollo.
Víctor R. Hernández Marroquín
La máxima de salón de clases que reza: «La ontogenia recapitula la filogenia» es uno de los primeros intentos de unir la embriología con la evolución. Sin embargo, los primeros intentos de hacerlo fueron disparos con balas de salva. Tuvieron que pasar más de 150 años para que el estudio del desarrollo de los seres vivos volviera a pujar por ser parte integral de la teoría evolutiva. La biología del desarrollo es una disciplina con fundamentos sólidos, con programas de investigación propios y que atraviesa todos los reinos de la vida. Siendo así, ¿por qué no fue parte integral del estudio de la evolución desde el principio? Recientemente, muchas voces afirman que la biología del desarrollo y la evolución son la una para la otra. Otras se preguntan si esa unión realmente puede darle frutos carnosos a la teoría evolutiva. En este texto, hablaremos sobre todas estas cuestiones que rodean esta novel disciplina llamada biología evolutiva del desarrollo o, de forma abreviada, evo-devo.
Otra historia de la vida
Por un lado están los genes, seguros en su caja fuerte llamada núcleo, y por el otro el organismo, que vive retozante en su ambiente natural. No se hablan mucho. Los primeros se encargan de producir al segundo, el cual tiene como encomienda reproducirse lo más repetida y eficientemente posible. Más o menos así va la historia de la vida, ¿verdad?
En realidad a esta historia le falta un ingrediente narrativo esencial. Esta historia no nos cuenta cómo es que los genes producen un organismo. A esta historia le falta el desarrollo.
Comencemos una nueva historia y hagámoslo con una sola célula. Esta célula en particular nació cuando un óvulo y un espermatozoide se fusionaron. Estamos hablando de un óvulo fecundado o cigoto. El genoma de esta célula se copiará cada vez que ésta se divida. Cuando el cigoto se convierta en un organismo de millones y millones de células, cada una de ellas tendrá prácticamente el mismo genoma. A pesar de eso, cada una de esas células tendrá una individualidad inalienable. Y lo que es más, se formarán tejidos que agruparán células similares, órganos que agruparán tejidos emparentados, sistemas que agruparán órganos que funcionarán de forma común. En esta nueva historia, los genes no producen un organismo de la nada. En esta historia, el organismo se desarrolla.
Aunque se puede pensar que el desarrollo es un fenómeno automático, pues parece ocurrir siempre bajo las condiciones adecuadas, lo cierto es que no tiene nada de directo ni de simple, y mucho menos de trivial. En el camino que va de un cigoto a un organismo, las células que van naciendo tienen que coordinarse para dividirse a tiempo, para crecer justo lo necesario, para adquirir la identidad correcta según su posición y tiempo de existencia, e incluso para sacrificarse por las demás si es preciso. No nos dejemos engañar por su hermosa sencillez: el desarrollo es un proceso tan complejo que nunca da dos resultados completamente iguales. Pregúntenles a sus gemelos más cercanos.
En los últimos años, la biología molecular, la biología celular, la genética, la medicina, la biología computacional y otras disciplinas que no menciono por ignorancia han contribuido al avance del estudio del desarrollo. Estos avances van desde la identificación de genes reguladores del desarrollo hasta la generación de modelos computacionales que explican la formación de arreglos complejos autoorganizantes, pasando por la cartografía de los linajes celulares en los embriones o el entendimiento de lo dañinos que pueden ser para éstos ciertos compuestos ambientales que resultan inocuos para los organismos adultos. La biología del desarrollo ha tenido una expansión experimental y conceptual tan importante que algunos de los temas científicos más candentes del momento son en la forma y en el fondo temas sobre el desarrollo. Hablar de células madre es hablar del desarrollo; hablar de reprogramación celular, de clonación e incluso del más reciente premio Nobel de medicina es hablar de desarrollo.
Con un crecimiento tan extenso, para muchos resulta natural que esta disciplina toque la puerta de la disciplina rectora de la biología. Evolución y desarrollo parecen ser una combinación que puede resultar sumamente provechosa para ambas partes. Y entonces la verdadera pregunta es ¿en serio no se conocían antes? Y si en efecto se conocían, ¿por qué se malogró la unión?
El embrión escondido
En los años setenta, la dicotomía entre genes y organismos estaba instalada casi por completo, principalmente gracias al texto de Richard Dawkins El gen egoísta. Sin embargo, la visión de Dawkins de los organismos como meros recipientes para la transmisión de los genes se puede remontar a los albores de la Síntesis moderna, la teoría evolutiva predominante hasta hoy.
La Síntesis moderna toma su nombre de ser una fusión entre las ideas de Darwin sobre evolución por variación y selección natural y la flamante genética de poblaciones, cuyo principal pilar es la genética mendeliana. Durante el fervor inicial de esta teoría, se afirmaba que la genética mendeliana era lo que el darwinismo estaba esperando. Con ella, la teoría evolutiva estaría completa.
La idea de los sintéticos era que la selección natural se vuelve el fenómeno evolutivo más poderoso siempre y cuando la variación que opera en los organismos fuera al mismo tiempo heredable e influyera en las probabilidades de supervivencia y reproducción. Hasta antes de Mendel, los darwinistas no habían encontrado una forma de unir ambos tipos de variación. El entendimiento de que los alelos mendelianos podían portarse como unidades hereditarias discretas y sin embargo dar lugar a fenotipos con variación continua fue la clave para el nacimiento de la Síntesis. A esos factores hereditarios discretos se les llamó genes. Algunos años después, el modelo del ADN de Watson, Crick y Franklin vino a darle corporeidad al concepto hasta entonces abstracto de un gen.
A partir de ese momento, todo en evolución fue genes y ADN por una simple razón, que en palabras del biólogo evolutivo Ernst Mayr suena incluso más lapidaria: «Únicamente la parte heredable de la variación tiene un papel en la evolución» (Mayr, 2001: 89). Si pensamos que el desarrollo se trata precisamente de la construcción de la variación que no es heredable, entenderemos por qué se le segregó de la Síntesis moderna.
Sin embargo, una cosa es la Síntesis moderna y otra la biología evolutiva. Mientras una multitud de genetistas, zoólogos, botánicos, paleontólogos y hasta filósofos se volcaban a la Síntesis, hubo embriólogos que no se dejaron amedrentar y produjeron sus propias síntesis en las que incluían integralmente al desarrollo. Los relatos históricos más recientes (Gilbert, 2003; Olsson et al., 2010) identifican una importante corriente de pensamiento sobre biología del desarrollo que corrió paralela a los avances occidentales del siglo XX en la biología evolutiva. Esta corriente, localizada principalmente en Alemania y Rusia, abreva de las teorías de Ernst Haeckel (el autor de la máxima que abrió este texto) sobre la recapitulación y su importancia en la evolución. Oscar Hertwig, Ludwig Plate y Viktor Franz, herederos académicos de Haeckel, rápidamente se distanciaron de las ideas políticas del embriólogo alemán, pero siguieron usando la ontogenia y los estudios sobre ella como base de sus programas de investigación en biología del desarrollo. Estos autores, especialmente Hertwig, lograron avances teóricos importantes para la integración de la biología del desarrollo en la teoría evolutiva. La razón por la cual dichos avances no resonaron en la Síntesis probablemente se encuentre en el predominante anglocentrismo que caracterizó a esa etapa de la historia de la teoría evolutiva.
No fue sino hasta 1977, cuando Stephen J. Gould rescató las fuentes germánicas en su obra Filogenia y ontogenia¸ que los biólogos evolutivos al oeste de la cortina de hierro comenzaron a cavilar más seriamente esas temáticas. Paralelamente, las aportaciones tempranas de los rusos Alexei N. Sewertzoff e Ivan I. Schmalhausen, con un aire sorprendentemente moderno, recibieron una fría acogida en Occidente. Esto se explicaría porque su nacionalidad inmediatamente les asociaba con el lysenkismo, acérrimo enemigo de la flamante Síntesis. De acuerdo con Scott Gilbert (2003), una segregación por razones políticas parece también haber sido la suerte de las ideas de Conrad Waddington, las cuales son consideradas ahora el anillo de compromiso del matrimonio entre desarrollo y evolución.
Así, por múltiples razones, el embrión de la biología evolutiva del desarrollo se mantuvo escondido durante casi 150 años, pero ahora ha resurgido y pretende formar un organismo integral. ¿Cuáles serían sus principales rasgos fenotípicos?
Evolución y desarrollo, lado a lado, son mucho más que dos
El matrimonio entre evolución y desarrollo se basa en dos votos nupciales. El primero dice que puesto que los organismos son producto del desarrollo antes que de los genes en solitario, la evolución debe entenderse no como cambios en los genes sino como cambios en el desarrollo. El segundo argumento dice que la evolución más importante no sucede en los genes en sí, sino en cómo éstos son regulados para formar un organismo. Así, las regiones reguladoras y los genes reguladores son el foco de estudio de la disciplina que se ha llamado biología evolutiva del desarrollo o evo-devo (evolution-development, en inglés).
«La ontogenia recapitula la filogenia» es la frase más burda para describir una de las principales preocupaciones de la evo-devo. En la idea de Haeckel, el desarrollo de los organismos es un reflejo de su historia evolutiva. Como veremos, la recapitulación es una idea no completamente exacta, pero ilustra una de las principales preguntas que la evo-devo intenta resolver: ¿cuáles son los programas de desarrollo conservados entre todos los organismos?
Para abordar esa pregunta, debemos recordar que los programas de desarrollo no son un paseo por el parque. Involucran la acción concertada en tiempo y espacio de cientos o miles de genes. El acercamiento más básico sería comparar entre especies los genes que coordinan esa acción concertada. A la fecha, existen muchos análisis filogeńeticos de los llamados genes maestros del desarrollo (cuyo título magistral recae en una familia llamada Homeobox, en animales, y en otra llamada MADS-box, en plantas). Dichos análisis buscan no sólo diferencias en las secuencias codificantes, sino en el número de copias presentes del mismo gen de un grupo o de toda la familia. Lo que se ha encontrado hasta la fecha ha emocionado mucho a la comunidad científica, porque no sólo se ha descubierto que los genes maestros están compartidos por todos los organismos de sus reinos respectivos, sino que parecen ser maestros de las mismas materias. En experimentos propios de científicos locos, se han introducido genes que regulan el desarrollo de las patas en los ratones dentro de la cabeza de moscas de la fruta. Lo que sucede es que la mosca desarrolla patas en lugar de antenas (Malicki et al., 1990, Cell). Es decir, no se trata de que el gen maestro sepa hacer una pata de ratón, sino que sabe decirle al organismo en el que se encuentra cómo hacer una pata.
A la par, se tiene creciente interés en saber cómo se ha conservado el patrón temporal y espacial de expresión de los genes reguladores. Para obtener esa información, numerosos científicos se han quemado las pestañas aplicando las técnicas de biología molecular y celular más vanguardistas a diferentes organismos. Las buenas noticias son que sus desvelos han comenzado a rendir frutos y ahora se cuenta con la información necesaria para comparar patrones de expresión entre numerosas especies. Con ello, se ha confirmado el modelo de reloj de arena sobre la divergencia embriológica. Según un modelo que liga la ontogenia y la filogenia, las etapas embrionarias más tempranas de los vertebrados son las más compartidas por todos ellos. Luego, conforme menos emparentadas estén dos especies, más divergirán sus series de desarrollo. La representación gráfica de este fenómeno sería la de un embudo, con las etapas tempranas en la punta del embudo y los programas divergentes en la boca. Sin embargo, en mucha evidencia morfológica se han encontrado numerosas diferencias en las etapas más tempranas del desarrollo embrionario, pero también en las más tardías. Las etapas intermedias parecen ser las más compartidas, y se les ha llamado filotípicas, por ser las más conservadas entre los filos de animales. La representación gráfica de este modelo es la de un reloj de arena. Los recientes estudios de patrones de expresión de genes reguladores confirman la idea, pues los momentos en los que los genes se expresan de manera más similar entre las diferentes especies son los momentos medios del desarrollo embrionario.
Más allá de los sorprendentes avances empíricos, la evo-devo ha tenido interesantes aportes conceptuales para amarrar la unión entre evolución y desarrollo. Sobre todo, se ha preocupado por describir cómo la variación genética, niña de los ojos de la Síntesis moderna, se convierte en variación fenotípica, el verdadero blanco de la selección natural. Para ello, ha recurrido a conceptos desarrollados desde el siglo pasado por los científicos mencionados en la sección anterior: Waddington, Schmaulhausen o Hertwig. En la evo-devo se reconoce que no toda la variación genética se traduce en variación fenotípica (canalización genética), así como la variación en las condiciones ambientales no siempre produce cambios en los fenotipos (canalización ambiental); se reconoce que el desarrollo de un organismo es sensible a sus condiciones ambientales (plasticidad del desarrollo) y que los fenotipos producidos por esa sensibilidad pueden promover la fijación de alelos que los produzcan ya sin las condiciones ambientales originales (asimilación genética).
Paralelamente, se han hecho estudios que podrían abonar para que se le reconozca un papel integral a la biología del desarrollo dentro de la teoría evolutiva. Dichos estudios se centran en aplicar la genética de poblaciones a las entidades hereditarias del desarrollo, como los genes reguladores o los patrones de expresión génica. Encontrar diferencias entre individuos de una misma población en estos rasgos significa encontrar la materia prima para la evolución por cambios en el desarrollo.
Con todas estas contribuciones al estudio de la evolución, resulta claro que el matrimonio entre la biología del desarrollo y la evolutiva será separado hasta la muerte. Las razones por las que este emparejamiento todavía no es parte integral de la teoría evolutiva son todavía oscuras. Dichas razones podrían residir en la esfera de lo político o simplemente provenir de la dinámica social dentro de la ciencia. Tal vez haga falta una obra densa pero contundente (propongo que se llame El Origen del desarrollo de las especies) que pueda integrar evolución y desarrollo sin lugar a dudas. Lo cierto es que las contribuciones de la biología del desarrollo al estudio de la evolución son innegables y representan una verdadera oportunidad para ampliar nuestra concepción, no sólo de los procesos evolutivos, sino de los seres vivos en su totalidad.
Si todo sale bien, este matrimonio pronto engendrará hijos. Si todo sale aún mejor, esos hijos podrán alterar el estudio de la evolución definitivamente.
Referencias
Dawkins, R., 1976 (1990). El gen egoísta: las bases genéticas de nuestra conducta. Salvat Editores.
Mayr, E. 2001. What evolution is. Phoenix (Orion).
Gilbert, S., 2003. «The morphogenesis of evolutionary developmental biology». Int. J. Dev. Biol., núm. 47, pp. 467-477.
Olsson, L., G. S. Levit y U. Hossfeld, 2010. «Evolutionary developmental biology: its concepts and history with a focus on Russian and German contributions». Naturwissenschaften, núm. 97, pp. 951-969.
Gould, S. J., 1977 (2010). Ontogenia y filogenia: la ley fundamental biogenética. Crítica.
Malicki, J., K. Schughart y W. McGinnis, 1990. «Mouse Hox-2.2 specifies thoracic segmental identity in Drosophila embryos and larvae». Cell, núm. 63 (5), pp. 961-967.
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Víctor Rogelio Hernández Marroquín es un biólogo egresado de la Facultad de Ciencias de la UNAM. Actualmente cursa la maestría en Ciencias Biológicas en la misma universidad, con un proyecto sobre genética del desarrollo de plantas. En el pasado superó una versión de la prueba de Turing en la que fingía que sabía de evolución y sus lectores tenían que discernir si realmente sabía o sólo simulaba. Le gustan la música, las caminatas largas en la playa y los clichés para describir a las personas. Es colaborador de Historias Cienciacionales. Tiene una relación simbiótica con su perro Gerundio.
