La Evolución Biológica ¡En matraz!

Visto en Evo-devo.

Cuando hablamos de evolución solemos pensar siempre en fósiles, en anatomía comparada, y sobretodo en genética (¡Mutantes!). En efecto, tanto los fósiles, como los estudios de anatomía comparada, y los análisis genéticos, son y han sido muy importantes para estudiar el fenómeno de la evolución biológica.

Existe otra forma para estudiar la evolución de los seres vivos, una muy, pero muy asombrosa: la experimentación. Al momento de hablar acerca de experimentos y evolución solemos comentar que, dado que es un proceso muy lento, para poder observar la evolución de por ejemplo un elefante, necesitamos de millones de años, algo que no podemos hacer porque apenas y llegamos a vivir unas cuantas décadas. Esta limitación de millones de años se da por un factor: el ritmo con que aparecen nuevas generaciones en cada especie.

¿Existen organismos que puedan lograr muchas generaciones en menos tiempo? Claro que los hay, son los organismos microscópicos, como bacterias y protozoos, los cuales pueden generar miles de generaciones en pocos días. Gracias a ellos es que se han llevado a cabo experimentos evolutivos, imagina tener cientos o hasta miles de generaciones en pocos días y/o pocos años.

Veamos algunos ejemplos, antes les recomiendo que lean mi artículo ¿Qué es la evolución biológica? para entender algunos conceptos.

LAS BACTERIAS DE LENSKI

Richard Lenski es un microbiólogo y biólogo evolutivo de la universidad de Michigan, él y su equipo han hecho historia con su experimento a largo plazo de evolución, el cual dio inicio en Febrero de 1988.

Aislaron en matraces a 12 poblaciones de la bacteria Escheriachia coli (ratón de laboratorio para microbiólogos y biomédicos), cada día tomaban una muestra de cada cultivo bacteriano, dicha muestra era transferida a un nuevo matraz, para así formar nuevas poblaciones, mientras que las poblaciones originales eran congeladas para así poder compararlas con sus descendientes; usando este método llegaron en el año 2010 a un total de 50,000 generaciones.

Durante todo ese tiempo, y luego de tantas generaciones transcurridas, las bacterias evolucionaron. Entre los cambios que acumularon por mutaciones hubo mejoras en el aprovechamiento de la glucosa (su alimento principal), un aumento en el tamaño de cada organismo, y el cambio más impresionante, el cual le sucedió a un grupo en específico: la capacidad para alimentarse de citrato en condiciones aeróbicas. E. Coli no se alimenta de citrato, y menos en condiciones aeróbicas, osease en presencia de oxigeno.

Micrografía de Escherichia coli, hecha con microscopio electrónico de barrido (MEB). Tomada de Wikimedia Commons.

Al respecto el estudio (publicado en el año 2009 en nature) dice:

"Here we sequence genomes sampled through 40,000 generations from a laboratory population of Escherichia coli. Although adaptation decelerated sharply, genomic evolution was nearly constant for 20,000 generations. Such clock-like regularity is usually viewed as the signature of neutral evolution, but several lines of evidence indicate that almost all of these mutations were beneficial. This same population later evolved an elevated mutation rate and accumulated hundreds of additional mutations dominated by a neutral signature."

Aquí secuenciamos genomas de unas 40.000 generaciones de una población en laboratorio de Escherichia coli. A pesar de que la adaptación desaceleró bruscamente, la evolución genómica era casi constante para 20.000 generaciones. Tal regularidad tipo reloj se ve normalmente en la evolución neutral, pero varias líneas de evidencia indican que casi la totalidad de estas mutaciones son beneficiosas. Esta misma población después evolucionó con una elevada tasa de mutación, y acumuló cientos de mutaciones principalmente neutrales.

-Genome evolution and adaptation in a long-term experiment with Escherichia coli

Con evolución neutral se refieren a mutaciones y cambios que no perjudican ni benefician a los organismos en un determinado ambiente, un organismo puede tener una versión de un gen diferente a la de sus antepasados, pero dicha versión le es igual de funcional. Éste es un debate entre biólogos evolutivos, si la mayoría de las mutaciones son neutrales, pero unas pocas llegan a ser benéficas, o si al contrario la mayoría son benéficas.

Más información:

http://evolution.berkeley.edu/evolibrary/article/0_0_0/misconcep_08_sp

EL HONGO PLURICELULAR DE RATCLIFF

La multicelularidad es una forma de organización presente en diversos seres vivos, específicamente en eucariontes, consistente en la unión y cooperación de miles a millones de células para conformar un organismo entero. Esta forma de existir es lo que permite la división de tareas y de tejidos, gracias a lo cual seres como nosotros podemos respirar, alimentarnos, movernos, reproducirnos, crecer, e incluso pensar.

La condición multicelular, o pluricelular, está presente en al menos 6 grupos diferentes de eucariontes, dependiendo de la visión taxonómica que se siga: Animales (Metazoa), Algas rojas (Rodhophyta), Algas pardas (Heterocontophyta), Hongos (Mycota), Algas verdes y plantas (Chlorophyta y Plantae).

Una célula eucariota es por sí sola un organismo en miniatura, de ahí que existan eucariontes unicelulares, los protistas. El cómo fue que protistas ancestrales se unieron mutuamente para compartir tareas, hasta acabar siendo un único organismo, es una de las interrogantes más apasionantes en biología evolutiva.

Micrografía de la levadura Saccharomyces cerevisiae. Tomada de Wikimedia Commons.

Entre los investigadores que trabajan en el estudio de la pluricelularidad se encuentra William C. Ratcliff, quien hace uso de la evolución experimental para sacar a la luz respuestas.

En el año 2012 se publicó un estudio llevado a cabo por el doctor Ratcliff y colaboradores, su trabajo consistió en reproducir y aislar cepas del hongo unicelular Saccharomyces cerevisiae (una levadura utilizada para producir pan, fermentar cerveza y vino) durante sesenta días, para ésto, sometieron a las poblaciones del hongo a centrifugación, como resultado se estratificaron, quedando en el fondo grupos con tendencia a formar aglomeraciones, estos cúmulos fueron colocados en medios de cultivo distintos, día tras día luego de cada centrifugación; dicha presión de selección dio como resultado cambios en la morfología de los hongos, que se parecían más a esferas de nieve, y lo más sorprendente: los primeros pasos hacia la pluricelularidad.

Los investigadores notaron que las cepas empezaban a formar cúmulos luego de la división celular, es decir que una sola célula daba lugar a un nuevo cúmulo, pues sus descendientes permanecían adheridos, en lugar de que diferentes células se unieran al azar en la formación de una aglomeración, lo que demostró que las aglomeraciones tenían semejanza genética, y que la tendencia a la aglomeración tuvo su origen en el cambio genético por la presión de selección.

Los cúmulos no crecían sin control, llegaba un momento en el cual un cúmulo formaba un porpágulo, y a partir de éste crecía un nuevo cúmulo, el cual no formaba propágulos hasta que alcanzara el tamaño paterno, estamos hablando de que estos cúmulos se reproducían cual si fueran ya un organismo multicelular independiente, e incluso pasaban por una etapa “juvenil” y otra de maduración reproductiva.

Propágulo: cualquier estructura asexuada o sexuada que sirve para la diseminación, propagación o multiplicación de un organismo.

http://www.plantasyhongos.es/glosario/propagulo.htm

El otro rasgo asombroso que los investigadores notaron fue que los cúmulos presentaban apoptosis, es decir que algunas de las células sufrían una muerte programada, este fenómeno es crucial en la vida de todos los organismos pluricelulares, pues participa en el desarrollo y crecimiento de los individuos, y en respuestas inmunitarias contra patógenos.

Las observaciones al microscopio revelaron que la apoptosis brindaba la ventaja adaptativa de mayor reproducción, pues aquellos cúmulos que mostraban muerte celular programada producían propágulos pequeños, lo que se traducía en una mayor cantidad de descendientes en menor tiempo, algo ventajoso con respecto a aquellos cúmulos cuyos propágulos eran de tamaño similar al cúmulo paterno, cuya reproducción tardaba más y era menos.

En resumen, los investigadores lograron lo imposible: mediante selección artificial consiguieron que a partir de organismos unicelulares evolucionaran organismos multicelulares, ¡una transición evolutiva que muchos investigadores consideraban más complicada! Tan sólo usando una centrífugadora, unos tubos de ensayo, medios de cultivo ricos en nutrientes y algunas cepas de levaduras ¡Y no llevó más que sesenta días!

PROTOZOOS PREDADORES DE BORAAS

En 1998 Martin E. Boraas y su equipo llevaron a cabo un pequeño experimento, en el cual descubrieron que la depredación por parte de un protozoario ciliado (Ochromonas vallescia) resultó en la evolución de ocho cúmulos celulares a partir de un antepasado unicelular del alga Chlorella vulgaris. El artículo, publicado en 1998 por la revista Evolutionary ecology dice:

Chlorella vulgaris. Wiki Commons.

"Predation was a powerful selective force promoting increased morphological complexity in a unicellular prey held in constant environmental conditions. The green alga, Chlorella vulgaris, is a well-studied eukaryote, which has retained its normal unicellular form in cultures in our laboratories for thousands of generations. For the experiments reported here, steady-state unicellular C. vulgaris continuous cultures were inoculated with the predator Ochromonas vallescia, a phagotrophic flagellated protist (‘flagellate’). Within less than 100 generations of the prey, a multicellular Chlorella growth form became dominant in the culture (subsequently repeated in other cultures). The prey Chlorella first formed globose clusters of tens to hundreds of cells. After about 10–20 generations in the presence of the phagotroph, eight-celled colonies predominated. These colonies retained the eight-celled form indefinitely in continuous culture and when plated onto agar. These self-replicating, stable colonies were virtually immune to predation by the flagellate"

La predación fue una poderosa fuerza selectiva al promover el incremento en la complejidad morfológica de una presa unicelular en un ambiente de constante cambio. La alga verde Chlorella vulgaris, es un eucarionte bien estudiado, que ha mantenido su común forma unicelular durante miles de generaciones en los medios de cultivo de nuestros laboratorios. Para el experimento que aquí reportamos, inoculamos los medios de cultivo de Chlorella vulgaris con un predador, Ochromonas vallescia, un protista flagelado fagotrófico. Luego de apenas 100 generaciones de predación, una forma multicelular de Chlorella se volvió dominante en un medio de cultivo (esto se repitió en otros medios de cultivo). La depredada Chlorella primero formó cúmulos globosos, de decenas a cientos de células. Pasadas unas 10 a 20 generaciones en la presencia del fagótrofo, predominaban colonias de ocho células. Estas colonias retuvieron la forma de ocho células indefinidamente en los sucesivos medios de cultivo, entonces fueron plantadas en agar. Estas colonias autorreplicantes fueron virtualmente inmunes a la predación de los flagelados.

Fagótrofo: Células que obtienen sus nutrientes por la ingestión de otras células.

Flagelado: El flagelo es una estructura locomotora.

Agar: Nutriente obtenido de algas rojas.

Esto ha sido todo por ahora, en otras entradas ahondaré más acerca de este tema que es la evolución experimental.

Recomendaciones literarias

¿Origen evolutivo de los organismos pluricelulares? La ciencia y sus demonios.

Científicos replican un importante paso evolutivo en el laboratorio. Francisco P. Chávez.

El hecho evolutivo en un experimento. La ciencia y sus demonios.

Evolución: el mayor espectáculo sobre la tierra. Richard Dawkins.

Referencias

Welcome to the E. coli Long-term Experimental Evolution Project Site http://myxo.css.msu.edu/ecoli/

Phagotrophy by a flagellate selects for colonial prey: A possible origin of multicellularity. MARTIN E. Boraas, DIANNE B. Seale, JOSEPH E. Boxhorn

Experimental evolution of multicellularity. William C. Ratcliff.