Sobre el origen de la multicelularidad
Pero ha habido varios momentos en la historia biológica de este planeta en los que la cooperación también jugó un papel esencial. Si una teoría reciente está en lo cierto, LUCA podría haber sido una sopa de protocélulas colaborativas. Más tarde, en algún momento del pasado, las bacterias dejaron de depredarse unas a otras en algún momento para tener una relación simbiótica. Eso permitió la aparición de orgánulos celulares y de la célula eucariota. Pero hubo un evento trascendental que permitió la aparición de seres multicelulares a partir de las celulares, un cambio brusco, "saltacional" desde el punto de vista evolutivo, que fue posibilitado por la colaboración entre células. Las células eucariotas dejaron de vivir por su cuenta y riesgo, formaron un organismo y se especializaron, delegando la reproducción a sólo unas pocas de ellas. No es fácil explicar esta transición desde el punto vista evolutivo y la presencia del cáncer nos recuerda qué pasa cuando algunas células deciden ir por su cuenta y riesgo sin tener consideración hacia las demás células que forman el cuerpo.
Una célula que engañe y obtenga una ventaja evolutiva de ello será seleccionada y los genes que determinan ese comportamiento se propagarán por la población hasta que todas las células sean unas oportunistas, aunque ya no quede ninguna de la que aprovecharse.
Incluso los sociólogos han aprendido que la cooperación es algo que es difícil que evolucione debido al gran poder del engaño.
Esta dificultad en explicar la multicelularidad reside en que casi todas las células del cuerpo mueren sin reproducirse y sólo las privilegiadas que producen óvulos o espermatozoides lo hacen y pueden pasar sus genes a la siguiente generación. Pero, ¿cómo consiguió la evolución hacer que las células llegaran a ese nivel de cooperación? Un cuerpo multicelular, como el humano, es algo increíblemente cooperativo.
Uno de los modelos típicos que se utilizan para el estudio de estas cuestiones es el moho mucilaginoso Dictyostelium discoideum, una ameba social. Es un ejemplo precioso de organismo a medio camino entre vida unicelular y multicelular.
Estas amebas viven en muchos ecosistemas del planeta, desde la Antártida a los desiertos pasando por las selvas tropicales. Hacen su vida como seres individuales alimentándose de bacterias hasta que la comida escasea. Entonces, gracias a unas señales químicas, se juntan y crean una agregado de decenas de miles de células que más tarde forma un tallo con un cuerpo fructífero en su cúspide, que es la única parte que se reproduce al producir esporas. Mientras tanto, el resto de las células mueren sin descendencia. Sólo el 80% de las células del tallo se reproducen. El 20% de las células restantes se sacrifica sin reproducción.
En un sistema como este puede ocurrir que haya células que se aprovechen de las demás para así reproducirse a costa de otras que se quedan sin descendencia. ¿Cómo consiguen engañar unas amebas a las demás? Entre varias posibilidades esta, por ejemplo, la presencia de ciertas mutaciones que hagan que las moléculas de adhesión que las células usan para unirse unas a otras sean menos pegajosas. De este modo, una célula mutante se podría deslizar con más facilidad hacia el cuerpo fructífero.
Joan Strassmann y David Queller de Washington University en St. Louis y sus colaboradores han realizado experimentos con este moho para saber más sobre la cooperación en esta especie y sobre el origen de la multicelularidad.
Estos investigadores hicieron varios cultivos con poblaciones con diversos grados de parentesco. Encontraron que en casi todos los casos los descendientes engañaban a sus antepasados y que cuando las amebas descendientes se cultivaban a partir de clones individuales un tercio de ellos eran incapaces de formar cuerpos fructíferos. En otras palabras, muchos de los mutantes eran obligados a engañar al haber perdido la habilidad de formar sus propios cuerpos fructíferos, así que sólo les quedaba el comportamiento oportunista y valerse de las que sí sabían cooperar. Digamos que si las amebas están en un grupo cosmopolita y variado, entonces las células oportunistas pueden propagarse a expensas de las demás.
Según estos investigadores el resultado muestra que las mutaciones "egoístas" que amenazan la multicelularidad se dan de manera natural e incluso son favorecidas siempre y cuando la población de amebas permanezca genéticamente diversa.
Pero esto se da en el laboratorio con poblaciones artificialmente diseñadas. En las más de 2000 muestras naturales analizadas no encontraron estos oportunistas obligados. Además, se sabe que en el mundo natural las amebas del cuerpo fructífero están muy emparentadas o son clónicas.
¿Qué impide en la Naturaleza que las poblaciones de amebas degeneren en grupos de "tonto el último"? La clave está en el ritmo de aparición de una mutación egoísta, y el éxito que tengan esta mutación a la hora de proliferar dependerá de la selección.
Estos investigadores también realizaron un experimento de acumulación de mutaciones con 90 linajes distintos. En ausencia de selección todos los casos, salvo en las mutaciones más severas, se daba la capacidad de fructificar y esto terminaba siendo algo permanente en el genoma del linaje.
Los datos obtenidos les permitieron, a través de la estadística, poner una cota superior al ritmo en el que las mutaciones transforman cooperadores en oportunistas. Descubrieron que este ritmo es lo suficientemente bajo como para que el engaño nunca sea un problema en los cuerpos fructíferos del mundo natural que son creados con amebas descendientes de una sola espora.
Es decir, si el grupo deriva de una sola célula entonces no hay explotación de unas células sobre otras. La excepción serán las células mutantes nuevas que aparezcan y que pueden vivir a cuenta de las demás en grupos cooperativos. Esto puede suponer un problema si la frecuencia a la que aparece este tipo de mutación es lo suficientemente alto.
Los cálculos que han realizado les han permitido saber cuántas veces se puede dividir una ameba hasta que teóricamente el engaño termine siendo un problema. Estos científicos han deducido que partiendo de sólo una célula se necesitan 100 generaciones en las que las células se pueden dividir de manera segura antes de todo degenere en un "tonto el último".
¿Qué pasa si se deja a una ameba dividirse hasta que se produzcan tantas células como hay en un humano, en un elefante o en una ballena azul?, ¿conseguirán las células oportunistas destruir la cooperación? Resulta ser que no. Aunque una colonia de moho mucilaginoso con la misma masa que una ballena no se da en la Naturaleza, resulta que incluso a ese nivel de reproducción no aparecerían los aprovechados.
Estos experimentos sugieren cómo durante el curso de la evolución los organismos consiguieron salir de la trampa del engaño y mantuvieron el nivel de cooperación multicelular que un cuerpo demanda.
Según estos investigadores, los cuellos de botella poblacionales eliminan la diversidad y reinician la población a partir de una sola célula y esto es un poderoso estabilizador de la cooperación celular.
Traduciendo esto a las células de nuestro cuerpo, se podría decir que las células de la sangre o del hígado ayudan a nuestros espermatozoides a transmitir sus genes porque pasamos en el momento de la concepción por el cuello de botella de una célula solitaria. Las células de nuestro hígado no atacan a nuestros espermatozoides porque todas las células son genéticamente idénticas y descendientes del mismo óvulo fertilizado.
Es el cuello de botella de la célula única producida tras la fecundación la que produce una población altamente emparentada que permite la cooperación.
Una célula que engañe y obtenga una ventaja evolutiva de ello será seleccionada y los genes que determinan ese comportamiento se propagarán por la población hasta que todas las células sean unas oportunistas, aunque ya no quede ninguna de la que aprovecharse.
Incluso los sociólogos han aprendido que la cooperación es algo que es difícil que evolucione debido al gran poder del engaño.
Esta dificultad en explicar la multicelularidad reside en que casi todas las células del cuerpo mueren sin reproducirse y sólo las privilegiadas que producen óvulos o espermatozoides lo hacen y pueden pasar sus genes a la siguiente generación. Pero, ¿cómo consiguió la evolución hacer que las células llegaran a ese nivel de cooperación? Un cuerpo multicelular, como el humano, es algo increíblemente cooperativo.
Uno de los modelos típicos que se utilizan para el estudio de estas cuestiones es el moho mucilaginoso Dictyostelium discoideum, una ameba social. Es un ejemplo precioso de organismo a medio camino entre vida unicelular y multicelular.
Estas amebas viven en muchos ecosistemas del planeta, desde la Antártida a los desiertos pasando por las selvas tropicales. Hacen su vida como seres individuales alimentándose de bacterias hasta que la comida escasea. Entonces, gracias a unas señales químicas, se juntan y crean una agregado de decenas de miles de células que más tarde forma un tallo con un cuerpo fructífero en su cúspide, que es la única parte que se reproduce al producir esporas. Mientras tanto, el resto de las células mueren sin descendencia. Sólo el 80% de las células del tallo se reproducen. El 20% de las células restantes se sacrifica sin reproducción.
En un sistema como este puede ocurrir que haya células que se aprovechen de las demás para así reproducirse a costa de otras que se quedan sin descendencia. ¿Cómo consiguen engañar unas amebas a las demás? Entre varias posibilidades esta, por ejemplo, la presencia de ciertas mutaciones que hagan que las moléculas de adhesión que las células usan para unirse unas a otras sean menos pegajosas. De este modo, una célula mutante se podría deslizar con más facilidad hacia el cuerpo fructífero.
Joan Strassmann y David Queller de Washington University en St. Louis y sus colaboradores han realizado experimentos con este moho para saber más sobre la cooperación en esta especie y sobre el origen de la multicelularidad.
Estos investigadores hicieron varios cultivos con poblaciones con diversos grados de parentesco. Encontraron que en casi todos los casos los descendientes engañaban a sus antepasados y que cuando las amebas descendientes se cultivaban a partir de clones individuales un tercio de ellos eran incapaces de formar cuerpos fructíferos. En otras palabras, muchos de los mutantes eran obligados a engañar al haber perdido la habilidad de formar sus propios cuerpos fructíferos, así que sólo les quedaba el comportamiento oportunista y valerse de las que sí sabían cooperar. Digamos que si las amebas están en un grupo cosmopolita y variado, entonces las células oportunistas pueden propagarse a expensas de las demás.
Según estos investigadores el resultado muestra que las mutaciones "egoístas" que amenazan la multicelularidad se dan de manera natural e incluso son favorecidas siempre y cuando la población de amebas permanezca genéticamente diversa.
Pero esto se da en el laboratorio con poblaciones artificialmente diseñadas. En las más de 2000 muestras naturales analizadas no encontraron estos oportunistas obligados. Además, se sabe que en el mundo natural las amebas del cuerpo fructífero están muy emparentadas o son clónicas.
¿Qué impide en la Naturaleza que las poblaciones de amebas degeneren en grupos de "tonto el último"? La clave está en el ritmo de aparición de una mutación egoísta, y el éxito que tengan esta mutación a la hora de proliferar dependerá de la selección.
Estos investigadores también realizaron un experimento de acumulación de mutaciones con 90 linajes distintos. En ausencia de selección todos los casos, salvo en las mutaciones más severas, se daba la capacidad de fructificar y esto terminaba siendo algo permanente en el genoma del linaje.
Los datos obtenidos les permitieron, a través de la estadística, poner una cota superior al ritmo en el que las mutaciones transforman cooperadores en oportunistas. Descubrieron que este ritmo es lo suficientemente bajo como para que el engaño nunca sea un problema en los cuerpos fructíferos del mundo natural que son creados con amebas descendientes de una sola espora.
Es decir, si el grupo deriva de una sola célula entonces no hay explotación de unas células sobre otras. La excepción serán las células mutantes nuevas que aparezcan y que pueden vivir a cuenta de las demás en grupos cooperativos. Esto puede suponer un problema si la frecuencia a la que aparece este tipo de mutación es lo suficientemente alto.
Los cálculos que han realizado les han permitido saber cuántas veces se puede dividir una ameba hasta que teóricamente el engaño termine siendo un problema. Estos científicos han deducido que partiendo de sólo una célula se necesitan 100 generaciones en las que las células se pueden dividir de manera segura antes de todo degenere en un "tonto el último".
¿Qué pasa si se deja a una ameba dividirse hasta que se produzcan tantas células como hay en un humano, en un elefante o en una ballena azul?, ¿conseguirán las células oportunistas destruir la cooperación? Resulta ser que no. Aunque una colonia de moho mucilaginoso con la misma masa que una ballena no se da en la Naturaleza, resulta que incluso a ese nivel de reproducción no aparecerían los aprovechados.
Estos experimentos sugieren cómo durante el curso de la evolución los organismos consiguieron salir de la trampa del engaño y mantuvieron el nivel de cooperación multicelular que un cuerpo demanda.
Según estos investigadores, los cuellos de botella poblacionales eliminan la diversidad y reinician la población a partir de una sola célula y esto es un poderoso estabilizador de la cooperación celular.
Traduciendo esto a las células de nuestro cuerpo, se podría decir que las células de la sangre o del hígado ayudan a nuestros espermatozoides a transmitir sus genes porque pasamos en el momento de la concepción por el cuello de botella de una célula solitaria. Las células de nuestro hígado no atacan a nuestros espermatozoides porque todas las células son genéticamente idénticas y descendientes del mismo óvulo fertilizado.
Es el cuello de botella de la célula única producida tras la fecundación la que produce una población altamente emparentada que permite la cooperación.
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