Las biomoléculas cambian (Parte V). De cómo las biomoléculas nos cuentan la historia evolutiva.

¿En qué se parecen un cocodrilo y un tomate? ¡En nada! ¡Son muy diferentes! Seguramente esa es la respuesta en la que todos pensamos al ver esta pregunta. Pero si todos los seres vivos, desde las pequeñas bacterias hasta las enormes ballenas azules, evolucionamos a partir de un único ancestro común hace muchísimos años, significa que todos los seres vivos tenemos relaciones de parentezco y formamos parte de un único árbol de la vida. Entonces ¿cómo podemos describir el lejano parentezco evolutivo en este árbol entre un cocodrilo y un tomate si no se parecen en nada?Esta es la quinta y última entrada de la serie “Las biomoléculas cambian”, donde revisaremos cómo los genes y su cambio a través del tiempo nos pueden narrar la historia evolutiva. Si quieres leer las entradas anteriores, aquí están los enlaces:

Parte I. Conociendo a las mutaciones.

Parte II. Mutaciones Puntuales: lo bueno, lo malo y lo interesante.

Parte III. Un reloj de DNA.

Parte IV. Genes, alas de pájaros y sistemática.

Como vimos anteriormente, en los seres vivos hay algunos caracteres que podemos comparar entre una especie y otra y nos permiten hacer inferencias evolutivas (los homólogos), mientras que hay otros que no (los análogos). Desde que Darwin dijera que la clasificación de las especies debe reflejar sus relaciones de parentezco, es decir, su historia evolutiva, los biólogos se han preguntado cómo hacer esto efectivo. Han habido tres métodos principales para clasificar a los seres vivos:

Clásico o evolucionista. La idea es muy sencilla: La mejor clasificación es la que el experto diga. Así de simple. ¿Cuál es la clasificación correcta de las plantas? La que diga el botánico. ¿Y la de los animales? La que diga el zoologo. ¡Imagínate cuántas confusiones, desacuerdos y malos entendidos provoca esto! Unos expertos podían opinar una cosa, otros otra, otros más otra…

Fenético o feneticista. Consiste en hacer comparaciones de parecido físico y de ahí deducir el parentezco evolutivo, es decir, entre más se parezcan dos especies distintas, más cercanas deben ser evolutivamente hablando. A diferencia del método clásico, tiene un criterio unificador, pero la desventaja es que no reconoce los caracteres homólogos de los análogos.

Cladista. Es parecido al feneticista, pero considera un factor más: la máxima parsimonia, es decir, se busca hacer una clasificación no sólo en base a cuáles organismos son los más parecidos entre sí, sino que además se busca delucidar el camino evolutivo más sencillo, es decir, el que necesite menos cambios. Tiene la ventaja de que es más fácil reconocer los caracteres análogos de los homólogos.

Pareciera que con esto ya podemos trabajar a gusto, ¿no? Digo, ya tenemos nuestros métodos, ¡entonces manos a la obra!… ¿Y qué pasó con el cocodrilo y el tomate? Podemos comparar las patas del cocodrilo con las aletas de la ballena, pero ¿tiene sentido compararlas con las hojas del tomate? ¡No! Actualmente las clasificaciones ya no se hacen sólamente por el parecido físico, sino también por el molecular. Puede que los cocodrilos no tengan frutos que podamos comparar con los de las plantas, pero lo que ambos tienen son genes y otras secuencias de DNA, así como proteínas muchas de las cuales son compartidas desde las pequeñas bacterias hasta el ser humano. ¿Recuerdas que los genes y las proteínas pueden ser homólogos si derivan de un ancestro común? Además, como habíamos visto, las mutaciones en los genes se van acumulando a lo largo del tiempo y produciendo neofuncionalizaciones, por lo que entre más alejados sea la historia evolutiva de dos taxones, se verá reflejado con una mayor cantidad de diferencias (mutaciones) en las secuencias de DNA y de proteínas; por lo contrario, si dos taxones son muy cercanos filogenéticamente, la divergencia será mucho más reciente y por lo tanto los genes no serán tan diferentes, pues se habrán acumulando pocas mutaciones. De este modo, comparando el parecido de las secuencias de nucleótidos en los genes o de aminoácidos en las proteínas, podemos determinar qué tan cercana o alejada es una especie de otra.

Por ejemplo, si tenemos las siguientes secuencias de DNA de 20 nucleótidos

Secuencia 1.  A-A-T-C-G-G-A-T-A-C-G-T-A-G-C-A-T-C-A-G

Secuencia 2. G-A-T-C-G-A-A-T-A-C-G-T-A-G-C-A-C-C-A-G

Secuencia 3. C-A-T-C-G-T-C-T-A-A-G-T-A-C-C-A-A-C-A-C

Secuencia 4. T-A-T-C-G-T-C-T-A-A-G-T-A-C-C-A-A-C-A-T


A simple vista podemos observar que las cuatro secuencias son parecidas entre sí, pero tienen algunas diferencias. Si nos ponemos a contabilizar, podemos ver que hay unas más parecidas que otras:

Las secuencias 1 y 2 tienen 3 diferencias.

Las secuencias 1 y 3 tienen 7 diferencias.

Las secuencias 1 y 4 tienen 7 diferencias.

Las secuencias 2 y 3 tienen 7 diferencias.

Las secuencias 2 y 4 tienen 7 diferencias.

Las secuencias 3 y 4 tienen 2 diferencias.

En base a esto, podemos deducir que las secuencias 1 y 2 provienen de genes más cercanos entre ellos que respecto a las secuencias 3 y 4, y a su vez, 3 y 4 son mucho más cercanas entre si que con 1 y con 2. De este modo podemos representar los parecidos por medio de un árbol filogenético, en el cual cada rama terminal indica una especie, secuencia, taxón etc. de las que se están estudiando, y estas ramas a su vez se agrupan en ramas más grandes de acuerdo con qué tan parecidas sean. Si dos ramas están muy cercanas, quiere decir que su parecido es alto, pero si dos ramas grandes se juntan casi a la base del árbol quiere decir que los taxones contenidos en estas ramas son muy distantes entre sí. Cada rama de este modo es un grupo o taxón, y entre más grande sea la rama (es decir, entre más cercana a la base y alejada de los extremos terminales) mayor jerarquía tiene este taxón o grupo (figura 1).

Figura1. Este es un árbol simplificado en que se muestra las relaciones de parentesco entre las 4 secuencias utilizadas en el ejemplo anterior. Podemos ver cómo la secuencia 1 y 2 son mucho más cercanas entre sí, por lo que sus dos ramas se agrupan en una rama más grande; así como 3 y 4 son cercanas y sus ramas se agrupan en otra rama más grande separada de la que abarca a 1 y a 2. De este modo podemos hacer dos grupos o taxones pequeños: El taxón 1 que envuelve a la secuencia 1 y a la 2, y el taxón 2 que abarca a la secuencia 3 y a la 4. El taxón 3 es de mayor jerarquía y abarca a los taxones 1 y 2.

De esta forma no sólo se pueden comparar especies cercanas, sino que se pueden usar las biomoléculas como caracteres para deducir historias evolutivas que incluyan no a todos los seres vivos del planeta, incluyendo a los cocodrilos y a los tomates en una sola historia (figura 2).

Figura 2. Árbol filogenético de la vida en que se muestran los tres grandes dominios de los seres vivos. Estas relaciones se obtuvieron por medio de estudios moleculares.

Sin embargo no es tan fácil como suena. Como mencioné en la entrada anterior, hay que tener cuidado con los genes homólogos, pues nos pueden engañar muy fácilmente. De hecho la primera vez que se implementó un análisis filogenético basándose en secuencias de biomoléculas, los científicos creyeron que esta técnica era un fraude, pues les dieron resultados tan absurdos como que el humano está más emparentado con algunos reptiles que con algunos monos, o que hay aves más cercanas a los gorilas que los chimpancés, por lo que en un principio se creyó que el método era inútil.

Los genes utilizados fueron los de las globinas, pero en ese entonces no se sabía que habían tres cadenas diferentes de globinas: dos de la hemoglobina estaba formada (alfa y beta), los cuales son resultado de duplicaciones, y otra globina similar llamada mioglobina. Por esto, no se dicriminó si la globina humana utilizada era la misma que la usada de los chimpanchés, otros mamíferos, las aves, los reptiles… El resultado fue un desastre completo. Posteriormente el experimento se repitió, pero en esta ocasión se consideraron y utilizaron los tres tipos de globina. El resultado fue mucho más congruente (figura 3).

Figura 3. Dos árboles filogenéticos obtenidos por análisis de las secuencias de globina. El árbol A muestra muchas incongruencias, pues no se consideraron los diferentes tipos de globinas, meintras que en el B se puede apreciar un mucho mayor sentido, pues se consideraron todos los tipos de globinas.

Estas confusiones se dieron debido a que en un principio no se consideró un punto muy importante: no es lo mismo un árbol de genes que uno de especies. Los genes pueden cambiar mucho antes o mucho después de que las especies, e incluso por los eventos de duplicación, los genes pueden separarse sin necesidad de que las especies lo hagan. Así se dan casos como el de las globinas: si se analizan las secuencias de éstas podemos observar que, por ejemplo, la globina alfa del humano es más parecida a la alfa del chimpancé que a la beta del mismo humano; esto se debe a que los dos tipos de globinas (alfa y beta) son parálogos y se separaron mucho antes que las especies humano y chimpancé, mientras que al ser más reciente la separación de las especies, las globinas del mismo tipo en las dos especies diferentes (alfa y alfa o beta y beta) son ortólogas y son más parecidas (figura 4).

Figura 4. No es lo mismo un árbol de especies que uno de genes. En este diagrama se muestra el árbol de genes con lineas negras delgadas, y el árbol de especies en lineas beige más gruesas. Se puede apreciar cómo las duplicaciones no necesariamente implican una especiación, y que a veces los genes entre dos especies son más parecidos que los genes diferentes dentro de una misma especie. Por ejemplo, aquí el gen C2 es más cercano al C3 que a los demás, pero es más cercano al B2 que al gen C1.

No podemos ser tan reduccionistas como para decir que las secuencias de las biomoléculas son la única o la mejor forma de esclarecer definitivamente los asuntos de filogenia y evolución de las especies; no podemos descartar los caracteres morfológicos, fisiológicos, ecológicos y de otros tipos, además de que si nos guiáramos ciegamente por las biomoléculas encontraríamos muchas dificultades en nuestro camino. Pero sin lugar a dudas, la filogenia molecular es una herramienta muy útil para los biólogos modernos y, quién sabe, quizás en un futuro, en conjunción de los esfuerzos de la biología comparada y la molecular, podamos narrar con mucha mayor precisión la historia de la vida.

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