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» » La evolución como oportunidad

Referencia : QUANTA.Magazine.org .
por Wynne Parry, 4 de septiembre 2013

La evolución está llena de ejemplos de oportunismo. Los anfitriones infectados por virus encuentran nuevos usos para el material genético que los agentes de la enfermedad han dejado atrás, las enzimas metabólicas, de alguna manera, llegaron a refractar los rayos de luz a través del cristalino del ojo, los mamíferos aprovecharon las suturas entre huesos del cráneo para ayudar a pasar sus crías a través del canal del parto, y las plumas aparecieron en los fósiles antes de que los ancestros de las aves modernas tomaran los cielos.

En casos como estos, la evolución lo ha hecho por cooptación, un rasgo existente que se dedica a un nuevo uso cuando surgen las circunstancias adecuadas. Estos casos ofrecen la lección de que el uso actual de un rasgo no siempre explica su origen.

En 1982, Stephen Jay Gould y Elizabeth Vrba dieron un nombre a este fenómeno: exaptación. Tal como lo describieron, es la contrapartida al concepto más conocido de adaptación. Mientras las exaptaciones son rasgos que se han alistado para nuevos usos, las adaptaciones se han ido formado por selección natural para su función actual.

El orden y la disposición de los huesos de las cuatro extremidades de animales terrestres son una exaptación para caminar sobre la tierra, ya que estos miembros se desarrollaron originalmente para navegar por agua, por el contrario, los cambios en la forma de los huesos y la musculatura son adaptaciones, explicaban Gould y Vrba.

El concepto ha sido motivo de controversia desde que apareció, en gran parte por la dificultad para distinguir entre las fuerzas de exaptación y la de adaptación dentro del contexto histórico de la evolución. Hasta hace poco, las evidencias para una cooptación de rasgos se ha limitado a estudios de casos particulares, como la evolución de las plumas. Pero una serie de ejemplos de características morfológicas, de comportamiento y cada vez más, reinos moleculares, han llevado a algunos biólogos a sospechar que este fenómeno puede jugar un papel mucho más importante en la evolución de lo que se aprecia en general.

Un +nuevo estudio en Nature ofrece lo que puede ser el primer intento por identificar exhaustivamente las posibles exaptaciones. Los resultados del estudio, centrado en el metabolismo, complementan casos los anecdóticos y dan un primer paso hacia la cuantificación de esta contribución llamada exaptación, al menos dentro de este sistema, los investigadores dijeron que no participaron en este trabajo.

Los científicos utilizaron modelos computacionales para crear sistemas metabólicos aleatorios, ajustados para utilizar un tipo de combustible que, a menudo, tenían el potencial latente de utilizar otros combustibles que nunca antes se habían consumido. Por lo tanto, un hipotético organismo, privado de su fuente de alimento habitual, podría manejar muy bien un segundo combustible completamente nuevo. En este escenario, esa capacidad de cambiar de combustible da lugar a una exaptación.

"Creo que cada vez está más claro que la exaptación es muy importante en la evolución de los procesos biológicamente importantes", señaló Joe Thornton, biólogo evolucionista molecular de la Universidad de Chicago y de la Universidad de Oregon, que no participó en el estudio. "En la actualidad existe un creciente cuerpo de evidencias indicando la importancia real de estos procesos que Gould y Vrba señalan."

Buscando el potencial oculto

Identificar una exaptación requiere de una mirada retrospectiva a la historia, que no es fácil de hacer con la mayoría de rasgos biológicos. Andreas Wagner y Aditya Barve, de la Universidad de Zurich, eludieron este problema simulando la evolución y comprobando los resultados. Se centraron en el metabolismo, y usaroo una representación computacional de las redes de reacciones que utilizan los organismos para descomponer los alimentos y producir las moléculas necesarias para la supervivencia y el crecimiento.

Querían saber si una red adaptada a usar una fuente de carbono en particular, como es la glucosa, podría también utilizar otras fuentes de carbono, como la adenosina o el acetato.

Debido a que un estudio de este alcance no es factible usando organismos reales, Barve y Wagner comenzaron con el modelo 1.397 --una red de reacción utilizado por la bacteria E. coli. Desde este punto de partida, buscaron la evolución de la red mediante el intercambio de esta red de reacción sustituyéndola por una reacción seleccionada al azar del montón de reacciones metabólicas conocidas. (Aunque la ciencia no ha documentado cada reacción metabólica en la naturaleza, el metabolismo es relativamente bien entendido y es más fácil trabajar con él, y más universal que otros sistemas).

Crearon un requisito para este intercambio: La red debía seguir siendo capaz de utilizar la glucosa . Este requisito sirvió como sustituto de la selección natural, y se filtraron los intercambios disfuncionales.

Barve y Wagner produjeron 500 nuevas redes metabólicas, cada una con el resultado de 5.000 intercambios. Se evaluaron a continuación cada uno de ellas, preguntando si se podría metabolizar cualquiera de las otras 49 fuentes de carbono, además de la glucosa. La conclusión fue que el 96 por ciento de las redes podían emplear múltiples fuentes de carbono. El promedio de estas redes es que podían utilizar casi cinco de ellas. En otras palabras, una adaptación (viabilidad de la glucosa) estuvo acompañada por múltiples exaptaciones potenciales.

Los resultados no se limitaron a las redes de glucosa​​. Wagner y Barve repitieron el experimento para seleccionar la capacidad de utilizar cada una de las otras 49 moléculas de fuente de carbono, y hallaron que la mayoría de estas aleatorias redes creadas podían funcionar con múltiples fuentes de carbono.

También encontraron que esta flexibilidad no podía ser fácilmente explicada por la llamada ‘proximidad metabólica’ entre las fuentes de carbono. En otras palabras, una red que podía utilizar la glucosa no tenía una predisposición fiable que la hiciera capaz de utilizar una molécula que fácilmente podría estar hecha a partir de la glucosa. " Si esa era la única explicación de la incidencia de la exaptación, eso no sería interesante", dijo Wagner. "Sino una consecuencia necesaria de la forma en que funciona la bioquímica."

En vez de eso, la complejidad de la red apareció para determinar su flexibilidad. Cuanto más reacciones tiene una red, mayor es su potencial para la exaptación. "Muchos de estos organismos no podrían realmente estar diseñados de una manera más simple", dijo Wagner. "Este resultado sugiere que la complejidad puede tener importantes subproductos, es decir, rasgos que son potencialmente beneficiosos."
-- Más allá del metabolismo
 El cristalino del ojo está lleno de proteínas llamados cristalinos, que refractan los rayos de luz y los enfocan sobre la retina. Los cristalinos parecen haber tomado prestadas estas funciones de otras relacionadas. Por ejemplo, el cristalino alphaB se encuentra en el corazón y en otros lugares, donde protege a otras proteínas del estrés, señalaba Joram Piatigorsky, científico del National Eye Institute at the National Institutes of Health. Otros cristalinos pueden catalizar reacciones metabólicas.
El trabajo de Barve y de Wagner se suma a un número creciente de ejemplos de exaptación a nivel molecular. Thornton, por ejemplo, ha estudiado la evolución de las hormonas y sus receptores, los cuales encajan a la perfección. En las circunstancias adecuadas, él se encontró que la mitad de asociaciones pueden ser cooptadas para dar lugar a un nuevo sistema de receptores hormonales.

Hace treinta y un años, Gould y Vrba sugirieron que las secuencias repetitivas de ADN, conocidas como transposones, se originaron a partir de virus, sin servir en principio para ninguna función concreta, pero que se pudieron utilizar con gran ventaja más adelante. Desde entonces, la investigación ha demostrado que los transposones desempeñaban un papel importante en la evolución del embarazo. "Vienen de los virus, pero pueden ser utilizados para algo para lo que no estaban construidos", subrayó Günter Wagner, un biólogo evolutivo de la Universidad de Yale, y ex asesor doctoral de Andreas Wagner. Ambas funciones no están relacionadas.

Reequilibrio

El estudio sugiere que el metabolismo que una parte saludable de nuevos rasgos consiguen empezar como exaptaciones. De hecho, la relación se distorsiona en gran medida de esa manera, las redes seleccionadas para un rasgo, la viabilidad de la glucosa, tenían de promedio casi cinco rasgos no adaptados que, potencialmente, podrían aprovechar. Barve y Wagner argumentan que, esto nos debe llevar a un replanteamiento de las hipótesis sobre el origen de los rasgos beneficiosos.

Wagner lo explicó mediante un escenario: imagina que un microbiólogo aísla una nueva bacteria, y encuentra que la bacteria es viable en una fuente de carbono bastante común. "Así pues, este microbiólogo diría, bueno, la bacteria es viable en esta fuente de carbono porque es una adaptación, esto ha ayudado a la bacteria a sobrevivir en el pasado", contaba Wagner. "Pero nuestras observaciones dicen que esto no es necesariamente cierto. Tal vez sólo sean rasgos subproducidos."

Andreas Wagner
"Si nos aferramos a lo general, será muy difícil distinguir los rasgos que son adaptaciones de los que no lo son", espetó Wagner.

Incluso antes de este estudio, ambos conceptos, adaptación y exaptación (trazado de rasgos no adaptativos o rasgos adaptados para otro propósito), son difíciles de separar. Gould y Vrba reconocieron que uno puede conducir a otro, y que cualquier característica compleja contiene ambos.

Sin embargo, otros dicen que es imposible distinguir la adaptación de la exaptación, reinterpretando la definición de exaptación redundante de Gould y Vrba. "Nada fue diseñado para lo que actualmente hoy se utiliza", decía Greger Larson, biólogo evolutivo de la Universidad de Durham. Él y sus colegas, identifican una disminución en el uso de la exaptación, relativa a la adaptación, en la literatura de la biología evolutiva, y culpa a esta tendencia de una falta de distinción clara, ante lo que propone la redefinición del término.

El desconocimiento de las presiones de la selección en el pasado hacen que sea difícil decir si cualquier rasgo fue alguna vez verdaderamente adaptativo. Las alas de aves y murciélagos podrían llamarse exaptaciones de brazos, sin embargo, los cambios estructurales que siguieron no pueden ser llamados adaptaciones porque "estamos hablando de un incidente histórico, no es algo que pueda probarse", rebatía Marcos Norell, paleontólogo de vertebrados en el Museo americano de Historia Natural, que estudió con Vrba.

No obstante, no cabe duda que la exaptación y la adaptación son fenómenos significativos realmente distintos, aunque tal distinción puede ser sutil. "Tanto es así que, casi todo es trata de una modificación de alguna forma anterior", escribió Thornton. "Aunque eso no es lo importante.". El factor determinante, según él y otros, es la acción de la selección natural.

Thornton ofreció dos ejemplos: Si nuevas mutaciones permiten a una enzima desintoxicar un plaguicida presente en el medio ambiente, la actividad de desintoxicación es una adaptación, es decir, surge como resultado de la selección natural. Por otro lado, si una hormona, una vez encargada de la regulación de un solo proceso es cooptada por regular un segundo proceso, eso es una exaptación, porque la hormona no ha evolucionado por selección natural para regular dicho segundo proceso.

La fuerza del enfoque teórico de Barve y de Wagner ha sido sin duda alguna que podían demostrar el potencial de la exaptación fuera de cualquier contexto histórico. Al ensamblar aleatoriamente redes metabólicas, fueron capaces de dejar de lado el bagaje evolutivo que acompañaría a unos microbios reales. Sin embargo, para evaluar realmente el papel de la exaptación en la evolución, se tendrá que validar estos resultados en los organismos vivos. Eso es lo que esperan hacer a continuación, pero exactamente cómo, eso está por verse. "Estamos en ello", dijo Wagner. "El problema harto difícil."


- Imagen 1) Las plumas son el ejemplo clásico de una función cooptada, o exaptación. Aparecen en el registro fósil de los ancestros voladores de las aves modernas, y más tarde se convirtieron en instrumentos de vuelo para las aves.
- Imagen 2) Todos los jóvenes vertebrados tienen suturas en el cráneo, pero los mamíferos, incluidos los humanos, los utilizan para facilitar el paso a través del canal de parto. Por esta razón, las suturas son una exaptación para el parto en los mamíferos .
- Imagen 3) La mayoría de las redes metabólicas generadas durante un estudio modelado (representado aquí como nodos), a pesar de ser seleccionados por su capacidad para procesar la glucosa, también podría utilizar otros tipos de combustible. Las conexiones entre los nodos muestran que ambas redes son viables sobre el mismo combustible. Ilustración creada por Aditya Barve usando Gephi.
- Imagen 4) Andreas Wagner, de la Universidad de Zurich , ayudó a identificar el amplio potencial de exaptación en una red metabólica. Cortesía de Andreas Wagner.

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