Armas, sexo y personajes de cuento: una historia evolutiva

En la “Hipótesis de la Reina Roja”, en honor al famoso diálogo entre dos personajes del cuento de Alicia a través del espejo, Alicia observa que la Reina Roja corre continuamente sin llegar a alguna parte. Alicia pregunta y la reina le indica que en su país todo el mundo está siempre corriendo lo más rápido y el mayor tiempo posible para permanecer en el mismo lugar

POR La Ciencia y sus Demonios

En la “Hipótesis de la Reina Roja”, en honor al famoso diálogo entre dos personajes del cuento de Alicia a través del espejo, Alicia observa que la Reina Roja corre continuamente sin llegar a alguna parte. Alicia pregunta y la reina le indica que en su país todo el mundo está siempre corriendo lo más rápido y el mayor tiempo posible para permanecer en el mismo lugar

Reina_1Innovar para crecer (www.fhios.es)

¿Qué tiene que ver el sexo con la carrera de armamentos y qué relación pueden tener estos dos tan en principios diferentes conceptos con los disparatados personajes de Lewis Carroll y los estudios sobre evolución?

Al principio de la vida la reproducción fue únicamente asexual: una bacteria o una arquea por ejemplo simplemente duplicaban su material genético, dando lugar a dos células clónicas que podían repetir el proceso indefinidamente en una perpetuación prácticamente inmortal. Pero de pronto, hace unos mil millones de años, algunos organismos empezaron a reproducirse de una manera extraña y complicada: mediante el sexo. Y desde el punto de vista evolutivo este proceso presenta varias desventajas a la hora de la perpetuación de los genes respecto a la simple y eficaz reproducción asexual.

El primero es el costo de la meiosis: la mitad de los genes de un individuo parental se pierden al engendrar cada nuevo hijo, de tal manera que si un padre/madre quiere asegurarse que todos sus genes vayan a pasar a la siguiente generación, por mero azar necesita criar muchos más de dos hijos (por ejemplo si queremos asegurarnos que al lanzar una moneda vamos a sacar al menos una cara y una cruz, habitualmente necesitaremos más de dos tiradas); en el caso que nos ocupa además hay que tener en cuenta el número de cromosomas de cada especie, por lo que en la práctica en organismos superiores es casi imposible que un individuo pueda transmitir todos sus cromosomas, y por tanto, todos sus genes a la siguiente generación.

La segunda es el costo evolutivo de producir machos: en la mayoría de las especies sexuales los machos (que suelen ser alrededor de la mitad de la población) tienen una muy baja o casi nula contribución en la supervivencia de la progenie, por lo que la reproducción sexual puede ser altamente ineficiente ya que en la práctica un macho puede fecundar a multitud de hembras. Y la tercera desventaja: el sexo implica una búsqueda de pareja, generalmente un cortejo y un posterior apareamiento, y todo ello supone en términos evolutivos una gran inversión en tiempo y en esfuerzo, recursos que de otra manera podrían haber sido utilizados por el organismo para cubrir mejor sus necesidades básicas: buscar comida o agua o evitar depredadores.

Es por ello que a cambio el sexo suele ser tan placentero e intenso (aunque muchas veces sea por un brevísimo lapso), porque sólo hay que imaginar a ese pavo real desplegando esa vistosa cola, esas tan poco prácticas por enormes cornamentas o esos cantos o llamadas de cortejo tan llamativos (e imprudentes) que despliegan los machos de multitud de especies, fenómenos que en todos los casos parecen decir: depredadores, estoy aquí distraído con el sexo y por tanto disponible para convertirme en su próxima cena. Entonces, la pregunta que lleva intrigando a investigadores de las más diversas ramas durante mucho tiempo es por qué si miles y miles de especies son asexuadas o partenogénicas (muchas de ellas multicelulares), por qué sin embargo otras miles de especies se reproducen a través de ese ineficiente y costoso invento evolutivo llamado sexo.

 

Reina_2El cambio es lo único constante (www.fotolog.com)

A lo largo de las décadas diferentes investigadores han desarrollado distintas hipótesis para intentar explicar este aparente problema evolutivo. De todas ellas, la que parece tener mayor aceptación dentro de la comunidad actual data nada menos que de los ya lejanos años 70 del siglo pasado, aunque sólo hasta épocas muy recientes es cuando ha recibido el suficiente respaldo experimental. Recibe el carrolliano nombre de la “Hipótesis de la Reina Roja” en honor al famoso diálogo entre dos personajes del cuento de Alicia a través del espejo: Alicia observa que la Reina Roja corre sin llegar a alguna parte. Alicia le pregunta y la reina le indica que en su país todo el mundo está siempre corriendo lo más rápido y el mayor tiempo posible para seguir estando en el mismo lugar.

Teniendo en cuenta este símil de ficción, el Dr. Van Valen propuso en 1973 que la principal fuerza evolutiva que actúa sobre la vida no eran las alteraciones en el medio ambiente, sino la presión a la que se ve sometida una especie por el resto de las otras con las que se relaciona o compite. Por ejemplo, los conejos o las gacelas se enfrentan a lo que se podría considerar desde el punto de vista humano a una carrera armamentística en el tiempo (similar a la desarrollada por las dos grandes superpotencias nucleares durante la Guerra Fría) con sus depredadores, los zorros o los guepardos, en la que ambos lados están en constante desarrollo; así las mejoras en velocidad, resistencia o astucia de una de las partes obliga a la otra a nuevas innovaciones so pena de quedar relegados y acabar en la extinción.

Es decir, hay que correr (nunca mejor dicho) para quedarse en el mismo sitio: algunos depredadores cazan a algunas presas y ambas especies se mantienen perpetuamente en un equilibrio metaestable, que sin embargo en cualquier momento (cuando alguna de las dos especies competidoras obtenga una ventaja importante) puede desequilibrar la contienda llevando a la extinción bien a la especie depredadora o a la presa.

Y si esta relación puede estar más o menos igualada entre organismos con tasas de mutación y reproducción similares, hay una interacción evolutiva donde es más evidente y desigual esta perpetua carrera armamentista: el enfrentamiento entre hospedador y patógeno. Esto es así porque estos últimos suelen ser organismos pequeños cuando no microscópicos (virus, bacterias o parásitos) con altísimas tasas reproductivas y gran capacidad de variación (mutaciones), mientras que los hospedadores (mamíferos, aves, reptiles, etcétera) suelen ser especies con ciclos reproductivos muchísimo más largos y relativas bajas tasas de crecimiento poblacional.

Así, en esta desigual lucha, mientras que el hospedador puede necesitar años o incluso décadas para cerrar un ciclo reproductivo, dar ese tiempo a microorganismos que mutan casi de manera instantánea y se reproducen de forma exponencial podría abocar a la extinción inmediata a cualquier especie de hospedador, a no ser que se disponga de algún arma secreta. Y es aquí donde entra en juego el sexo.

 

Reina_3Foro Crashoil. El síndrome de la reina Roja (foro-crashoil.2321837.n4.nabble.com)

Porque el sexo no es más que la mezcla al azar de cromosomas y fragmentos de cromosomas, y por tanto de las aptitudes, que han ido desarrollando los individuos de una determinada especie a lo largo de millones de años de evolución. Así, un hijo nunca será idéntico a ninguno de sus dos padres y en poblaciones lo suficientemente grandes no existirán nunca dos individuos iguales. Entonces al ser relativamente distintos todos los miembros de una especie sexual tendrán diferentes capacidades frente a un cambio en el entorno o en las relaciones/luchas con otras especies y ello dificulta que por ejemplo un nuevo patógeno pueda eliminar al conjunto de la especie.

¿Y esta hipótesis puede ser confirmada? Pues existe una especie de caracoles (Potamopyrgus antipodarum) que vive en lagos de Nueva Zelanda, algunos de ellos forman un entorno estable mientras que otras charcas son fuertemente variables. Este caracol puede reproducirse indistintamente de manera sexual y asexual. Pues bien, Potamopyrgus antipodarum tiende a reproducirse asexualmente en los lagos estables y de manera sexual en los variables. Es más, cuando se analizó la presencia de parásitos naturales de este caracol en las distintas poblaciones se observó que la reproducción sexual iba ligada a la presencia de altas concentraciones de patógenos, mientras que la asexual predominaba en entornos más libres de estos parásitos. Estudios posteriores con ciertas especies de peces y sus patógenos han corroborado esa correlación.

Más recientemente, un grupo de investigadores testó la Hipótesis de la Reina Roja en un sistema de laboratorio más controlado que la mera observación de campo. Seleccionaron a la bacteria Serratia marcescens capaz de infectar al nematodo Caenorhabditis elegans, de tal manera que este letal patógeno puede matar al gusano en IntroFIG1unas 24 horas, aunque ya se conocía que el hospedador era capaz de evolucionar rápidamente en presencia de la bacteria. Además en condiciones naturales Caenorhabditis elegans puede reproducirse de manera tanto sexual como asexual.

Mediante manipulación genética en el laboratorio los investigadores obtuvieron varias cepas diferentes de Caenorhabditis elegans que podían reproducirse exclusivamente de una u otra manera: sexual o asexual. Cuando la bacteria era introducida en el entorno del gusano, todas los poblaciones que se reproducían de manera asexual acababan extinguiéndose al cabo de varias generaciones en algo similar a una pandemia global, mientras que por el contrario todas las cepas que se podían reproducir de manera sexual mimetizaban el comportamiento de una epidemia normal: algunos individuos morían por la infección mientras que otros eran capaces de sobreponerse a la bacteria y en conjunto las poblaciones sexuales no llegaron nunca a extinguirse.

 

Reina_4Reflejos de Alicia: la imaginación de Lewis Carroll en tiempo presente (www.diariodecultura.com.ar)

Y si los patógenos son fundamentales a la hora de decidir qué individuos sobreviven y cuáles mueren y hasta la propia supervivencia o extinción de cada especie parasitada, entonces en esta ecuación entra en juego un nuevo elemento: el sistema inmune, conjunto complejísimo de proteínas, células y tejidos especializados que se desarrollado a lo largo de la evolución para eliminar virus, bacterias o parásitos de los diferentes organismos hospedadores. Y dentro de esta complicada red fisiológica existe un componente del que ya he hablado en una entrada previa: el Complejo Principal de Histocompatibilidad (MHC), el conjunto de proteínas más altamente polimórfico de cualquier especie y pieza defensiva fundamental del hospedador en su carrera armamentista frente al patógeno.

Por ejemplo, en humanos, especie que se ha expandido por todo el globo, colonizando todos y cada uno de los ecosistemas terrestres y que ha modificado sus relaciones con el resto de los animales, facilitando de manera explosiva el paso de las más diversas zoonosis al ser humano convirtiéndolas en terribles pandemias: viruela, sarampión, tos ferina, peste bubónica y ese casi infinito listado de patógenos que han matado a miles de millones de seres humanos desde que inventamos (no se sabe si con gran acierto o como la peor de las pesadillas) la agricultura y la ganadería, presenta más de 10 mil alelos diferentes de MHC. Y se conoce que alelos distintos MHC sirven para controlar más o menos eficientemente a diferentes patógenos individuales. Así entonces, de cada pareja reproductora humana surge una descendencia con mezclas diferentes de MHC, que aumentan la diversidad inmunológica dificultado en la práctica el que un determinado patógeno pueda llegar a matar a la mayoría de los humanos a los que infecte.

Y todo ese exuberante polimorfismo se ha generado en una especie (los Sapiens) con tan sólo unos 150 mil años de historia evolutiva y que ha pasado por quizás varios cuellos de botella demográficos que casi nos llevaron a la extinción, donde sobrevivieron únicamente unos pocos miles de nuestros resistentes ancestros. Así, todo ello es una muestra de la increíble presión selectiva que ejercen los patógenos y de la tremenda potencia que tiene el sexo al permitir la mezcla aleatoria de mitades de genomas parentales en cada nueva generación.

 

Reina_5La Reina de Corazones. Noelia Cabo (www.ediciona.com)

Y volviendo a nuestro mundo de ficción ¿el MHC puede dar más información acerca de la Hipótesis de la Reina Roja? Diferentes especies de roedores: ratas y ratones presentan también un elevado polimorfismo de MHC, prueba de que estos mamíferos se encuentran inmersos en una carrera armamentista frente a sus propios patógenos. Pero hay una especie de roedores muy particular: la rata topo lampiña, un feo animal sin pelo y prácticamente ciego que vive en pequeñas colonias eusociales matriarcales en las galerías subterráneas que cava con sus afiladas garras y dientes. Pues bien, esta tan extraña especie tiene un MHC muy poco polimórfico, señal de que por su aislado modo de vida está expuesta a muy pocos patógenos.

¿Y adivinan como es su comportamiento sexual? Pues dentro del complejo mundo de los mamíferos es lo más parecido que hay a una colonia de abejas o a un hormiguero: una hembra alfa es la madre de toda la descendencia y donde el resto de las hembras: hermanas, hijas y nietas de esta “reina” junto con la gran mayoría de los machos son estériles gracias a diversas feromonas que secreta la hembra alfa. Es decir, esa especie ha reducido el sexo a su mínima expresión dentro del callejón evolutivo que significa ser un mamífero. Una característica adicional de esta especie es que presenta una longevidad extraordinaria dentro de su orden (alrededor de 30 años de media), lo que podría estar relacionado con el hecho de la práctica desaparición del sexo en la inmensa mayoría de los miembros de la especie, que les ahorraría gastar muchas energías en tan costoso proceso.

En resumen, todos estos estudios se encuentran en consonancia con la hipótesis carrolliana, mostrando además el costo del sexo: aquellas especies que pueden, lo abandonan o lo limitan a la menor oportunidad; aquellas otras que viven en entornos impredecibles por estar sujetos a la presión de otras especies, generalmente patógenos deben malgastar enormes cantidades de tiempo, recursos y energía en el sexo, para así poder mantener la mínima variabilidad genética que permita que algunos miembros de la especie puedan sobrevivir a los siempre letales y cambiantes patógenos.

 

Septiembre 1, 2015.