The Origins of Evolutionary Innovations, de Andreas Wagner

Este es el nuevo paradigma de la biología evolutiva. El magnífico libro de Wagner compendia con lucidez y una impresionante visión global todo el conocimiento actual sobre cómo se produce la innovación en evolución. No necesita invocar sucesos improbables o tiempos larguísimos, ni siquiera presiones de selección violentas o poblaciones que son diezmadas para dar paso a la siguiente invención. Solo se necesita partir de cambios en su mayor parte menores en las macromoléculas (RNA y proteínas) o en las redes de interacción moleculares (metabolismos y redes de regulación genómica) que están en la base del funcionamiento celular. Esta obra socava alguans bases conceptuales y buena parte del imaginario que nos legó el tan aclamado Neodarwinismo. Hemos cambiado de siglo y es hora de dar un paso más.

Evolution in four dimensions, de Eva Jablonka y Marion J. Lamb

Por mucho que intenten venderlo como tal, decir que este libro es de divulgación sería como decir que El Origen de las Especies también lo es. Evolution in four dimensions es una completa revisión de la teoría evolutiva, de un calado tal que obliga a replantearse el "simple" esquema de replicador, mutación y selección. El argumento principal del libro es que en los mecanismos que generan la variabilidad hay mucho, muchísimo más que un puñado de cambios fortuitos en los genes. Por eso sus autoras califican su teoría de neolamarckista, pese a que se declaran darwinistas convencidas (ya expliqué en otra entrada que no hay contradicción en eso) y a que admiten que, hasta donde se sabe (o se sabía hace siete años), no hay mecanismo conocido de trasvase de mutaciones del soma a la línea germinal en seres de reproducción sexual. La idea es mucho más profunda. Lo que defienden las autoras de este libro es que la transmisión de caracteres adquiridos actúa mediante mecanismos mucho más sutiles, variados y poderosos que ese. De hecho, incluso si ese trasvase a la línea germinal se descubriera, no sería sino una anécdota dentro del esquema general de mecanismos que dotan de plasticidad a los seres vivos.

La primera parte del libro describe con todo detalle esas cuatro dimensiones de la evolución: la genética, la epigenética, la etológica y la simbólica. Y en todas ellas las autoras nos hablan de los mecanismos que originan la variabilidad. Hay muchas sorpresas (al menos para mí) en esta parte, donde uno aprende cómo el genoma focaliza y "tunea" la mutación, concentrándola en ciertas regiones y ajustando su tasa, aprovechando para ello los defectos de los mecanismos reparadores de ADN (siempre a base de selección darwiniana, por supuesto). También descubre uno las variadas formas (metilación, marcas en la cromatina o un sistema de cadenas de ARN especiales) en que el genoma se modifica a sí mismo (en su mayor parte actuando sobre su regulación), lo que causa, entre otras cosas, la diferenciación celular. Algunas de estas marcas se transmiten, de hecho, a la siguiente generación, transmitiendo de este modo algunas de las adaptaciones adquiridas en la vida del individuo (es, tal vez, el mecanismo más claramente lamarckiano). Aprendemos que no sólo heredamos el ADN: la membrana celular, por ejemplo, se replica a sí misma, no la produce el ADN, y con ella hay muchos otros elementos no genéticos que se transmiten (por ejemplo la mitocondria).  Y sorprende no menos saber que la alimentación materna influye en las marcas genéticas que se transmiten a la progenie, con las cuales se influye, entre otras cosas, en la inclinación o el rechazo hacia ciertos alimentos. Pero no solo: las adaptaciones "culturales" (a una nueva forma de vida en un nuevo nicho, por ejemplo) o simbólicas (a través del lenguaje y todo el entorno "virtual" que éste conlleva) hacen que surjan adaptaciones totalmente  nuevas con el paso de las generaciones.

Ahora bien, aunque ya se apunte algo en esta primera parte, el meollo de la teoría aparece claramente expuesto en la segunda parte del libro, donde se describen las interacciones entre estas cuatro dimensiones de la evolución; donde se nos cuenta cómo no solo los cambios genéticos inducen cambios fenotípicos o culturales, sino que también los cambios culturales y los epigenéticos acaban modificando los genes de manera que se asimilen, cumpliendo así con el principio lamarckiano de adquisición de caracteres a través de su uso. Y aquí es donde llegamos al punto filipino. La clave de todo el asunto es la capa de regulación que se interpone entre el genotipo y el fenotipo. Me explico. A un genotipo no le corresponde un fenotipo como si del número de referencia de un catálogo se tratara, sino que aquél se expresa en este porque hay un complejísimo entramado de interacciones entre proteínas que son producidas por los genes y que a su vez activan o inhiben genes, y de resultas de todo aparece un individuo con todos sus caracteres resultantes. La existencia de esta capa de regulación conlleva varias cosas. Por un lado, el fenotipo resulta muy robusto a cambios en el genotipo; o dicho de otro modo, hay una enorme redundancia en el genoma. Hay montones de genes que no se expresan, y montes de ellos que da igual que se expresen o no (esto explica por qué el knock out de genes a veces da como resultado que el 80% de los genes parecen no hacer absolutamente nada). Como siempre, esta redundancia hace que haya muchos individuos fenotípicamente iguales que, sin embargo, tienen genotipos muy diferentes. Y por otro lado, el ambiente ejerce una influencia decisiva en el sistema regulatorio y, por tanto, condiciona de forma clave el fenotipo, de manera que individuos con idéntico genotipo pero sometidos a distintos ambientes expresan fenotipos diferentes. Y la etología, el entorno cutural y el simbólico son parte fundamental de ese ambiente que condiciona el fenotipo. Esta es, para mí, la idea clave. Debido al estress inducido por un cambio (voluntario o no) en el ambiente el sistema regulatorio se altera, caracteres dormidos se activan, y descendientes de individuos que eran fenotípicamente iguales empiezan a mostrar diferencias en multitud de caracteres. En ese momento entra en juego la selección rescatando las variedades más aptas, de manera que, tras unas cuantas generaciones, los individuos han experimentado cambios adaptativos irreversibles que los hacen más adecuados para el nuevo entorno en que se desarrollan. La rapidez a la que esto ocurre no es ni siquiera comparable a la lentitud con la que actúa el clásico mecanismo de mutación aleatoria.

El libro es un ensayo magnífico, bien argumentado, bien sustanciado con experimentos, ejemplos y datos, y el resultado es un enfoque radicalmente nuevo de la teoría evolutiva. Un nuevo planteamiento que pide a gritos la elaboración de modelos que hagan encajar las piezas y permitan aportar una descripción cuantitativa del mismo. Porque ante este esquema de cosas, la genética de poblaciones se queda muy corta. Varios mensajes me han quedado claros de este libro. Entre ellos, que tengo que leer los trabajos de Waddington y que ya no puedo posponer más leer The origins of order, de Kauffman (para lo que tendré que armarme de valor porque es un ladrillo). En definitiva, Evolution in four dimensions es una lectura obligada para todo aquél que quiera tener una opinión solvente sobre la evolución.

P.D.: Para saber más del libro y de la teoría que defiende, nada mejor que oír a Eva Jablonka defenderlo.

Lamarck's signature, de Edward J. Steele, Robyn A. Lindley y Robert V. Blanden

La controversia entre el lamarckismo y el darwinismo es tan antigua como ficticia; una reliquia histórica, vaya. El darwinismo afirma que, en un entorno de recursos limitados, si las entidades que se mantienen de ellos se reproducen con variaciones, aquellas variedades que lo hacen más eficazmente, con el tiempo acaban dominando la población y llevando a las demás a la extinción. Formulado así, el darwinismo es un teorema matemático que no es difícil demostrar. Como se puede ver, el darwinismo no habla de los mecanismos de la herencia, la gran ausente de El origen de las especies, más allá de decir que los hijos se parecen a los padres.

Por su parte el lamarckismo es la hipótesis de que los caracteres adquiridos se heredan. Y aunque Lamarck lo propuso como el mecanismo básico de la evolución de los seres vivos, en realidad es una hipótesis sobre un mecanismo hereditario. Por lo tanto, lamarckismo y darwinismo no son incompatibles (como nos hacen creer los libros de texto); tanto es así, que el propio Darwin, diez años después de la publicación de El origen, propuso un mecanismo lamarckiano como fuente de las variaciones en la herencia: la teoría de la pangénesis. Su idea básica es que la interacción con el entorno genera en los órganos unos corpúsculos que llevan información de esta interacción a los órganos reproductores y la trasmiten a la progenie. Siempre se ha presentado la pangénesis como una capitulación del gran científico, y los neodarwinistas omiten hablar de ella como de algo embarazoso.  La realidad es que no hubo tal capitulación: Darwin desconocía la genética y buscaba justificar su teoría, consciente de que la herencia de caracteres adquiridos en absoluto se contradice con ella.

La antítesis del lamarckismo es la genética, tal como se formuló a mediados del pasado siglo, tras el descubrimiento de la estructura del ADN, y concretamente la "barrera de Weissmann", lo que conocemos hoy como el "dogma central de la biología molecular", a saber, que la información genética pasa del ADN al ARN y de éste a las proteínas, pero nunca a la inversa. La barrera de Weissmann (que éste "demostró" en unos famosos experimentos con ratones; véase la figura) impide que la interacción con el entorno pueda ser codificada y transferida a la progenie.

Pero hoy sabemos que el dogma es falso. El descubrimiento de los retrovirus (cuyo ejemplo más famoso es el VIH), la retrotranscriptasa (que traspasa información del ARN al ADN y que los vertebrados llevamos codificada en nuestro propio ADN) y la desconcertante existencia de mutitud de retrovirus muy antiguos en nuestro código genético, han dejado una trampilla (¡más bien una puerta de doble hoja!) abierta a la vieja hipótesis de Lamarck. De eso trata este libro.

En la búsqueda de evidencias de lamarckismo, dos de los autores del libro (Edward Steele y Robert Bladen, la tercera es una periodista) han dedicado su vida a estudiar el sistema inmunológico de los vertebrados. Y en este estudio, los hechos experimentales apuntan a un trasvase de información del soma a la línea germinal. El libro es una maravilla. Hace poco Mario se quejaba de esa divulgación que omite las ecuaciones para vender al gran público. Si este libro fuera de física, estaría repleto de ecuciones. Es divulgación como a mí me gusta: sin arredrarse en meterse en harina, para evitar dejar al lector con la miel en los labios (algo que muy frecuentemente ocurre en la divulgación "blanda"). Así que cuando terminas has aprendido muchas cosas. De hecho, el siguiente paso es estudiar el sistema inmune en un libro de texto. La contrapartida es que resulta duro de leer: a menudo he tenido que releer párrafos enteros para enterarme de todos los intríngulis moleculares. Sin embargo no es tan duro como leer un artículo; pese a lo que pueda parecer, los autores han hecho un enorme esfuerzo para simplificar los detalles farragosos y no emborronar las ideas, y a mi juicio lo han logrado. El libro se puede leer.

Aunque solo tratara del sistema inmunológico, el libro merecería la pena. De hecho, seis de los siete capítulos más un epílogo están dedicados a explicar todo lo que en 1998 se sabía del mismo. Y os aseguro que más de una vez el relato te deja con la boca abierta. Es, en dos palabras, im-presionante. Pero va más allá, porque la idea que defienden los autores es que la barrera de Weissmann se "salta", al menos en lo que se refiere a la inmunización; es decir, una parte de los resultados de nuestra lucha contra los patógenos se la pasamos a nuestros hijos. He de decir que las pruebas de esto aún no son (o no eran) concluyentes, pero la evidencia es abrumadora. De hecho, empecinarse en sostener un punto de vista neodarwiniano en la evolución del sistema inmunológico empieza a parecer fundamentalista. En el último capítulo y en el epílogo los autores especulan con otras posibles pruebas de herencia de caracteres adquiridos, y aquí he de decir que las pruebas resultan mucho menos convincentes. Pero hay un argumento fortísimo (a mi juicio) en favor del lamarckismo, y es este: es posible. La existencia (demostrada) de retrotranscripción en nuestro ADN y la presencia de retrovirus hacen posible la transferencia de genes, no ya entre especies, sino entre distintas células dentro del propio cuerpo. Ante eso, empeñarse en que no existe tal transferencia a la línea germinal me parece a mí que es más bien la hipótesis que hay que probar.

La lectura del libro resulta fascinante por otro motivo: os aseguro que, como físico, ser testigo de los encendidos debates en la biología resulta, cuanto menos, una experiencia sociológica incomparable. No hay nada que se le parezca en la física. Por supuesto, a los autores los han tachado de todo, como os podéis imaginar, y ellos arrementen contra los neodarwinistas con el mismo furor. Fijaos hasta dónde llega la cosa, que Dawkins, el "bulldog del neodarwinismo", ante la abrumadora evidencia de la presunta transferencia del soma a la línea germinal, llega a decir que, de demostrarse definitivamente, eso querría decir que, contra lo que creíamos, ¡los leucocitos forman parte del sistema reproductivo! Con un par. Mi opinión es que la lamentable falta de ecuaciones que soporten las teorías en biología hace que estas discusiones lleguen hasta el terreno personal. Fascinante, como os digo.

En fin, que el libro es muy, muy recomendable. La única pega es que es información un tanto obsoleta, ya que la edición es de 1998, y de entonces a acá la evidencia en favor de "gorileos" en el ADN es tan abrumadora que seguro que el debate está ya más decantado. En todo caso, el libro merece leerse aunque solo sea por su descripción del sistema inmunológico.

Genesis machines - The new science of biocomputing, de Martyn Amos

Seguramente todos habréis oído hablar del ordenador cuántico. Es inevitable. Cada pequeño avance producido en ese campo desde que David Deutsch parió la idea, por nimio que fuera, ha sido anunciado a bombo y platillo. Y estamos a thousand fucking miles (como diría mi amigo Marcellus Wallace) de ver nada parecido a una computación cuántica digna de ese nombre. De lo que no estoy tan seguro es de que hayáis oído hablar de computación basada en ADN. Y os aseguro que antes veremos wetware que q-ware. Porque el campo ha experimentado un avance espectacular en muy pocos años y, a diferencia de la computación cuántica, los avances y la diversificación se están produciendo a un ritmo vertiginoso. La primera vez que oí hablar de este asunto (ya no recuerdo por qué) se trataba de un experimento de Adleman (la A de la criptografía de clave pública RSA) en el que conseguía encontrar el camino hamiltoniano de un grafo (un problema de clase NP) utilizando para ello cadenas de ADN, ATP, enzimas y electroforesis en gel. Apareció un artículo divulgativo en el número de octubre de 1998 de la revista Investigación y Ciencia.  El artículo me dejó con la boca abierta. Algo después leí en Nature que el grupo de Shapiro en el Insituto Weizmann de Israel había construido una máquina de Turing con ADN que era capaz de determinar la paridad del número de bases de un cierto tipo (no recuerdo si A, C, G o T) de una cadena formada por dos de esas bases. Por aquél entonces oí hablar de un libro de Springer sobre computación con ADN de Martyn Amos (al que hasta hace poco no he podido echarle el guante), y ese nombre reapareció un día navegando por Amazon asociado al libro que presento (que, por cierto, no compré en Amazon, sino en Iberlibro, por algo así como 4 euros).

Ya ha pasado el verano, así que leo con más parsimonia, y llevo con este libro algo más de un mes. Me atasqué al acabar el penúltimo capítulo (no por el libro, sino por otros menesteres) y por entonces andaba con la idea de ir elaborando esta entrada del blog, con un enfoque muy distinto al que ahora quiero darle. Mi impresión del libro entonces no era muy buena. El libro me había decepcionado en bastantes aspectos. Por ejemplo, tiene 7 capítulos y un epílogo, y hasta el capítulo 4 no menciona el experimento de Adleman, pionero de este negocio. Se pasa los tres primeros capítulos contando la historia de la computación desde von Neumann hasta nuestros día, entreverada, para mi desesperación, con anécdotas de la historia y el carácter de sus protagonistas. Cuando arranca el capítulo 4 empezando a hablar de Adleman y su experimento, de pronto interrumpe la narración para hacer una larga digresión acerca del descubrimiento de la PCR (polymerase chain reaction), crucial, qué duda cabe, en este negocio, pero inapropiada en ese momento porque corta el ritmo del relato. La digresión es, una vez más, prolija en cotilleos, chascarrillos y demás anécdotas insufribles que te hacen morderte las uñas, desesperado por que entre de nuevo en materia. El capítulo 5 trata del experimento de Shapiro y de otros que  lo siguieron, pero de nuevo viene todo envasado en experiencias autobiográficas, sus impresiones personales mientras hacía su tesis, y demás gilipolleces de las que estaba empezando a hartarme. Total, que durante 200 páginas no leí nada nuevo, y el capítulo 6, que sí tenía material nuevo, estaba bien, pero no justificaba el esfuerzo. Ahí fue donde tuve que interrumpir la lectura. Y sigo pensando que yo habría escrito este libro de una forma muy distinta. Dejando de lado lo que aprendí en este capítulo 6 (al que, por cierto, le faltan figuras por un tubo que aclaren las espesas descripciones de los mecanismos moleculares) sobre computación con ADN, lo que más interesante me pareció hasta el momento fue una reflexión que el autor hace en el capítulo introductorio tratando de convencernos de que la computación trasciende el silicio; que la biología es computación, y que tenemos que abrir nuestra mente y mirar con otros ojos lo que antes veíamos como vida, para empezar a verlo como algoritmia. Es una reflexión bien defendida y apoyada con ejemplos.

Y entonces, hace un par de días, retomé la lectura en el capítulo 7. Lo he devorado literalmente. Lo que cuenta ese capítulo es fascinante. Es ahí donde se elabora esa idea de la biología como computación. He aprendido que la biología de sistemas se puede ver como el diseño de circuitos biológicos. He descubierto que hay una base de datos de acceso libre donde están publicados todos los circuitos biológicos elementales que se van construyendo, para formar una especie de catálogo para ingenieros que quieran construir wetware. He sabido que se han diseñado circuitos luminosos intermitentes con bacterias, que se puede hacer que éstas se dispongan formando dibujos (el anagrama de Nature o un corazón, por ejemplo) o que se las puede tunear para que se suiciden cuando su población alcance un cierto nivel. Me he enterado de que se han aplicado algoritmos evolutivos (¡cómo no!) para hacer que los circuitos biológicos diseñados in vitro funcionen perfectamente también in vivo. Y por último, lo que me ha parecido más alucinante de todo. ¿Os acordáis de aquéllos bichejos unicelulares de la Biología de primero de BUP llamados paramecios? Son representantes canónicos de una gran familia denominada "ciliados" (¿adivináis por qué?). Estos individuos tienen dos (repito, dos) núcleos, uno grande, el normal, y uno pequeño, que es... ¡la versión .zip del grande! Cuando se duplican, los ciliados dividen ese pequeño núcleo, que entonces se descomprime y reconstruye el núcleo normal (el que codifica las proteínas). Pero ahí no queda todo: las condiciones ambientales influyen en la descompresión, de manera que este pequeño núcleo se reensambla de mil formas distintas para adaptarse al entorno en que se encuentra el bicho. Y nosotros que los mirábamos en el instituto con la arrogancia y el desprecio de eucariotas evolucionados... Cómo ha surgido semejante mecanismo es hoy por hoy un enigma evolutivo.

Sólo el capítulo 7 justifica el libro entero, y todas mis apreciaciones del principio quedan en ridiculeces comparadas con la nueva visión de la biología y de la computación que uno adquiere al leerlo. No diré que es dinero bien gastado, porque me costó como 4 cafés, pero lo habría sido incluso si hubiese costado diez veces más. Ni que decir tiene que después de leer esto uno se queda con ganas de más. Y hasta con ganas de dejarlo todo y ponerse a hacer computación con bacterias...