Biomusings - Español

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En tu boca hay miles de millones de bacterias, creciendo en tus dientes y debajo de tus encías. Estos microbios no están solos, aislados en una burbuja, sino en interacción constante entre ellos y con tus células humanas. Sin duda, dichas interacciones son importantes, pues determinan el comportamiento de los microbios individuales, la composición de tu microbioma oral, y últimamente, el desarrollo de caries y enfermedad de las encías. Pero conceptualizar dichas interacciones y entender su impacto es un reto enorme.



Como ecóloga microbiana, yo no puedo estudiar las millones de posibles interacciones por pares entre las cientos de especies dentro de nuestro microbioma oral, menos aún todas las interacciones de orden superior. En lugar de eso, debo de priorizar mis esfuerzos. Asumo que debido a la estructura espacial de la microbiota oral, no todas las interacciones posibles se concretan. Más aún, muchas de las interacciones probablemente tienen un impacto minúsculo en el comportamiento general de la comunidad, en la evolución de los microbios involucrados, o en la progresión de las enfermedades. Sin embargo, esto aún deja lugar a la investigación de muchas incógnitas sobre interacciones importantes. ¿Cuándo y cómo interactúan los microbios en una comunidad? Y, quizás más importante, ¿cuándo y cómo dichas interacciones importan?



Dichas preguntas no son únicas para la microbiota oral. Un mejor entendimiento de las interacciones microbianas es importante para todos los ecosistemas, desde nuestro microbioma, a las comunidades microbianas asociadas a suelos y plantas, hasta los microbios que regulan el reciclaje de carbono en nuestros océanos. Existe un valor básico en la ciencia para entender dichas comunidades complejas e importantes. Adicionalmente, los científicos hipotetizan que la alteración de interacciones clave nos permiten cambiar comunidades, por ejemplo, de un estado de enfermedad a uno sano. Determinar si esto es realizable requiere que los investigadores identifiquemos las interacciones y sus implicaciones a escalas ecológicas y evolutivas. Por eso, aún cuando mi investigación se centra en la microbiota oral por su importancia en la salud humana, la facilidad de su estudio, y las dinámicas temporales y espaciales interesantes, espero que mi trabajo sea relevante para distintos sistemas.

Recientemente, en colaboración con mis colegas, estudié las interacciones formadas por el patógeno oral Aggregatibacter actinomycetemcomitans (Aa) en coinfección pareada con otros 25 microbios en un modelo de infección en abscesos de ratón. Cada uno de esos 25 microbios alteró el conjunto de genes que Aa requería para sobrevivir en el absceso, lo que implica que cada uno de ellos interactuó con Aa de una manera particular. Más aún, encontramos que cada interacción alteró los genes esenciales de Aa en una forma única. 



Muchas de las interacciones en los experimentos con Aa fueron indirectas, probablemente mediadas a través del ratón y su sistema inmune. Este tipo de interacción, transmitida a través de un huésped eucariótico, el ambiente, u otros miembros de la comunidad microbiana, son sin duda comunes. Por ejemplo, existen diversas publicaciones que enfatizan el rol que juega el pH en estructurar las comunidades microbianas en el suelo. Los microbios, incluidos los miembros transitorios en una comunidad, pueden alterar el pH, lo cual impacta la composición de una comunidad e incluso su resistencia a antibióticos. 



En mis experimentos de coinfección, otras interacciones pudieron ser directamente entre Aa y el microbio co-infeccioso, mediadas a través de procesos como alimentación cruzada, la competencia explotadora, o la guerra química. Sin embargo, es difícil saber cuándo existen interacciones directas entre microbios. Los microbios deben estar cercanos, en escala micrométrica, para poder interactuar mediante mecanismos conocidos. La comunicación microbiana a través de moléculas o contacto intercelular usualmente requiere un espacio reducido entre las células, lo mismo para la alimentación cruzada o la guerra química dependiente de contacto. Sin embargo, si los microbios no están cercanos, ¿ello significa que simplemente florecen en diferentes microambientes y que no interactúan?, ¿o significa que alguna vez estuvieron en estrecha proximidad, pero se han distanciado debido a interacciones negativas?



Las interacciones dentro de una comunidad microbiana son complejas, y su definición no es trivial. Experimentos bien pensados y análisis detallados continúan revelando fascinantes interacciones claves que son importantes para la salud humana o el funcionamiento de un ecosistema. Más aún, todavía seguimos descubriendo nuevos mecanismos utilizados por los microbios para competir o cooperar. Este trabajo es fundamental, pues nos informa sobre cómo las interacciones pueden alterar la ecología de las comunidades microbianas, las trayectorias evolutivas, e incluso procesos al nivel de ecosistemas. 



En particular, trabajo reciente a través de distintos ambientes ha iluminado la importancia de interacciones microbio-a-microbio en la estructura ecológica de sus comunidades. Por definición, las interacciones son esenciaes para la ecología de comunidades, pues influyen aspectos como su composición y función, hasta su estabilidad, e incluso la habilidad de organismos para invadir.

En escalas evolutivas, mucho trabajo reciente ha enfatizado la importancia de interacciones polimicrobianas. Mientras estudios en evolución a largo plazo en especies individuales aisladas han sido innovadores y críticamente informativos, otros estudios también han demostrado que las trayectorias evolutivas difieren cuando los organismos están dentro de una comunidad. Por ejemplo, la presencia de una comunidad puede reducir la tasa evolutiva de resistencia a antibióticos, lo cual es un problema global importante. También, en comunidades que degradan biomasa vegetal, los resultados para organismos focales variaron dependiendo de la diversidad en la comunidad. Todos estos estudios nos recuerdan que una comunidad es determinante para la evolución microbiana. 



“Las interacciones dentro de una comunidad microbiana son complejas, y su definición no es trivial”

Para complicar aún más la situación, las interacciones entre diversas especies también evolucionan. Este fenómeno se ha estudiado en comunidades simples donde, por ejemplo, mutualismos obligatorios evolucionaron para tener una interacción tanto más estable como productiva. La evolución de la estabilidad también ha sido observada en interacciones simples de alimentación cruzada. Sin embargo, como mencioné antes, la diversidad funcional y taxonómica de la comunidad misma influye en las trayectorias evolutivas, por lo cual queda la duda si dichos patrones se extienden a escalas mayores.

Dichos ejemplos demuestran que las interacciones son críticamente importantes en ecología microbiana y evolutiva. Sin embargo, en muchos casos, no se conoce cuáles interacciones influyen en el comportamiento o en las trayectorias evolutivas. Es un momento fascinante para la ecología microbiana pues continuamos integrando las crónicas sobre las interacciones microbianas y sus consecuencias. Todo el trabajo mencionado es importante y prometedor, pues nos lleva a un mejor entendimiento de las interacciones microbianas que definen nuestras vidas.

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Cuando pensamos en los sellos distintivos de sociedades y civilizaciones complejas —agricultura, división del trabajo, arquitectura, lenguaje, y, en la era moderna, democracia— atribuímos frecuentemente dichas características únicamente a humanos. Tendemos a pensar que dichos logros nos distinguen de otras especies y que son testamento de nuestro dominio en la Tierra. La historia que le contamos a nuestros alumnos es que la "civilización" comenzó aproximadamente 5,000 años atrás cuando grupos de cazadores recolectores dieron lugar a grupos humanos más complejos que practicaban la agricultura.

Pero al hacer eso, omitimos el hecho de que sociedades de hormigas en el Amazonas descubrieron la agricultura unos 50 millones de años antes, en una transición de cazadoras-recolectoras a agricultoras de hongos, y que hay muchas otras especies que viven en sociedades complejas con las mismas dinámicas y atributos que vemos como los pináculos de la existencia humana. Los humanos, finalmente, son animales, y las dinámicas que gobiernan otras sociedades animales no están restringidas a humanos. Por lo tanto, el intercambio de ideas entre las ciencias sociales y biológicas nos puede llevar a un entendimiento más completo de la vida en sociedad.

Los fundadores de la sociología reconocieron la importancia de ver más allá de los humanos para entender qué es una sociedad. Auguste Comte, quien acuñó el término “sociología”, argumentó que estudiar sociedades animales podría darnos pistas sobre la naturaleza social de la humanidad. Otro de los fundadores, Émile Durkheim, usó las ideas de Darwin y paralelos biológicos para argumentar sobre las “leyes naturales” de la evolución social que resultan en la división del trabajo y en la especialización económica en humanos. Sin embargo, siglos después, la biología y la sociología constituyen disciplinas independientes, y la investigación que incluye a ambas no es común. En mi trabajo, busco tender un puente entre las dos disciplinas a través del uso de modelado computacional. El modelado computacional permite preguntar escenarios del tipo “qué pasaría si”: por ejemplo, puedo simular sociedades en las que los individuos siguen un conjunto de reglas o comportamientos, y puedo observar cómo esas reglas afectan la organización del grupo. Además de ayudar en la búsqueda de explicaciones posibles a los patrones que observamos en sociedades, esto nos puede ayudar a crear predicciones para guiar trabajo futuro (por ejemplo, si todos los individuos hacen X, podemos esperar observar Y).

Para ilustrar cómo la extensión del estudio de sociedades más allá de la humana puede brindarnos nuevas perspectivas, consideremos la especie que Aristóteles declaró como parte de los “animales políticos”, junto a los humanos: las abejas melíferas. Milenios después, estudios rigorosos han revelado la sofisticada y quizás política vida dentro de una colmena. Ocasionalmente, las abejas necesitan mover la colmena a un nuevo sitio, lo cual inicia un proceso de decisión colectiva. Abejas exploradoras vuelan a distintos sitios en busca de lugares adecuados para la nueva colonia. Cuando encuentran un sitio, regresan a la colmena y comienzan una danza que les avisa a otras abejas sobre el sitio nuevo. El ángulo de la danza indica la dirección del nuevo sitio, la longitud que toma la danza indica la distancia, y el número de repeticiones indica la calidad del nuevo sitio. La danza de las abejas exploradoras llama la atención de otras abejas, que van y verifican por sí mismas. Cuando regresan, si están de acuerdo con la primera abeja, se unen a su danza para promover el nuevo sitio. Este proceso toma varios días, pues diferentes abejas compiten para promover distintos sitios, con el fin de ganarse el voto de las abejas indecisas. Una vez que sólo queda una facción, y que todas las abejas hacen la misma danza en favor de un sitio, toda la colonia vuela hacia allá.

“Los fundadores de la sociología reconocieron la importancia de ver más allá de los humanos para entender qué es una sociedad.”

Esta forma de democracia directa unánime no siempre resulta sin problemas, lo cual nos indica que hay que ser cautelosos. Quizás resulte familiar para quienes viven la política moderna en Estados Unidos, donde dos sitios logran ganar un grupo similar de fervientes partidarios danzando a favor de su grupo. Este punto muerto —o, en términos de ciencia política, polarización de la opinión— dentro del grupo puede tener consecuencias devastadoras. El biólogo Thomas Seely, quien está detrás de muchas de las observaciones que mencioné sobre las abejas, una vez vió a una colmena tan indecisa entre dos sitios que terminó partiéndose en dos grupos separados. Lo que hizo la situación aún peor, es que la abeja reina se perdió entre el caos de los grupos en competencia. Al perder a la reina, quien tiene la responsabilidad exclusiva de crear progenie para la colmena, la colonia perdió su futuro. Después de que los grupos buscaron en vano a su reina, eventualmente se disolvieron con el viento, lo que terminó con la existencia de dicha sociedad.

A pesar de esta descripción siniestra, la partición de una colmena es un suceso extremadamente raro gracias a la dinámica social de las abejas. Los biólogos han encontrado que los puntos muertos se evitan porque los individuos que reportan sobre nuevos sitios encontrados en general regresan con dudas. Esto previene que las abejas estén comprometidas a una sola opción y promueve que puedan cambiar de opinión con el tiempo. Pero, ¿por qué tendrían las abejas que cambiar de opinión? Las exploradoras que reportan en favor de un sitio específico buscan a abejas que reportan en favor de otros sitios, y cuando las encuentran, secretan una señal que hace que dichas abejas dejen de reportar sobre sus sitios —un proceso conocido como inhibición cruzada. Al reflexionar sobre nuestras propias democracias modernas, dicho proceso sería similar a que los que apoyan a un candidato buscaran a los seguidores de otro candidato para convencerlos de que ya no lo hagan (lo cual no significa que inmediatamente muestren su apoyo hacia un candidato alternativo). Esta dinámica social previene que las sociedades lleguen a un punto muerto con grupos igual de numerosos, lo que es evidente por los cientos de miles de años en que las abejas han utilizado esta dinámica para hacer decisiones exitosas sobre sus grupos.

Pero justo como las sociedades animales nos proveen con pistas sobre nuestra propia dinámica social, el conocimiento sobre nuestras propias sociedades puede también informar a la biología. Por cientos de años, las ciencias sociales han documentado la dinámica social de nuestra especie; quizás es el tiempo de que algunos de esos conceptos se apliquen a otras sociedades complejas. Para ilustrar este potencial, consideremos a las hormigas, que típicamente viven en sociedades grandes e impersonales, de miles de individuos. En la primera mitad de mi tesis, utilicé modelos computacionales para estudiar cómo la división del trabajo —especialización de individuos hacia ciertas tareas, de modo que cumplen un rol de forraje o de nursería, por ejemplo— emerge en colectivos, particularmente en colonias de insectos sociales, exclusivamente a través de auto-organización. A pesar de que identificamos a una “reina” que pone huevos, ella no tiene control sobre los trabajadores de la colonia. En su lugar, las colonias están organizadas democráticamente, típicamente con individuos que siguen pistas locales para tomar decisiones sobre qué tarea tienen que hacer para ayudar a la colonia.

Me empecé a interesar en cómo las interacciones sociales entre individuos podrían influir en las tareas en las que cada invididuo se especializa. Al leer trabajo de modelado, me encontré con un cuerpo literario en la intersección entre sociología y ciencias políticas que se enfocaba a la polarización política. Los modelos en sociología mostraban que si los individuos desarrollan opiniones similares a aquéllos con los que interactúan, y además tienen a interactuar con individuos de opiniones similares, entonces se forma un circuito de retroalimentación que conlleva a que el grupo se separe en dos subgrupos que tienen opiniones opuestas. Dado que la polarización política causa que los individuos actúen de manera predecible —e.g., sólo votan por una posición o partido— parecía haber un paralelo con la división del trabajo, donde los individuos actúan predeciblemente y se especializan en una o pocas tareas.

Utilizamos esta dinámica general —una combinación de influencia social y de sesgo hacia interacciones con individuos similares— en un modelo de división del trabajo que sabíamos podía explicar el comportamiento de las hormigas. Y encontramos que el ciclo de retroalimentación causó que la división del trabajo emergiera, aún cuando los individuos eran inicialmente idénticos, con el resultado de que los individuos se especializaron en una sola tarea. Más aún, las redes sociales “polarizadas” que emergieron como resultado de dichas dinámicas sociales formaron grupos en que individuos dejaron de interactuar con individuos que hacían otras labores. Este patrón de interacción es similar a lo que se ve en las redes sociales de hormigas, y por lo tanto la dinámica social que probamos podría servir para entender mejor cómo la estructura de redes sociales y de división del trabajo están entrelazadas en colonias de insectos. De manera más general, nuestros resultados sugieren que la polarización política y la división del trabajo podrían producirse con los mismos procesos. Dado que las interacciones sociales son ubicuas en cualquier sociedad, vale preguntarse si el mismo proceso también guía otras formas de organización social.

Al final, deberíamos de considerar el intercambio de ideas entre la biología y las ciencias sociales como una vía bidireccional, pues aún existen muchas ideas donde la combinación de los dos dominios puede revelar nuevas pistas. No sólo las hormigas tienen una estructura social similar a la nuestra, también los delfines, peces, chimpancés, y aves (donde los individuos forman grupos basados en factores como edad, tamaño, personalidad, entre otros). ¿Podrían esas sociedades animales ayudarnos a entender cómo funciona nuestra propia organización? ¿Podrían la sociología y la psicología ayudar a entender por qué los animales tienden a asociarse con otros similares? También, hay un nuevo campo de estudio que explora cómo la arquitectura y el espacio influyen en el comportamiento de sus habitantes, tanto en edificios de oficinas como en hormigueros.

El estado actual de la ciencia —repleto con poder computacional suficiente para simular comportamientos complejos, algoritmos que siguen el comportamiento de miles de individuos simultáneamente tanto en colmenas como en el internet, y las nuevas formas de acceder a la ciencia desde fuera de nuestras disciplinas— parece que ofrece una nueva oportunidad de colaboración entre científicos del comportamiento. Aunque la estructura de la ciencia nos fuerce a asociarnos con aquéllos dentro de nuestro propio dominio, espero que encontremos maneras de cruzar las barreras disciplinarias. Finalente, para encontrar un hilo común en la vida social tanto de los humanos como de otras especies, necesitamos ampliar nuestro panorama.

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La mayoría de nosotros crece creyendo que explotar a otros es malo. No hay que robar. No hay que mentir. Y sobre todo: no debemos explotar lo grupos de los que formamos parte, ya sea nuestra familia, nuestros amigos, o incluso la humanidad. La implicación es que la cooperación y la confianza se extinguirían si dicho comportamiento fuera a propagarse —llevando a la caída no sólo del grupo, sino también de los explotadores [Kant manda saludos].

Como han indicado varios economistas, existen medidas, principalmente a través del diseño de instituciones, que las poblaciones humanas toman para prevenir la propagación cultural de la explotación. Pero, ¿qué pueden hacer organismos no humanos para evitar la propagación de explotadores: es decir, grupos de individuos que —a diferencia de cooperadores en el grupo— no contribuyen al bien colectivo? ¿Cómo es posible que organismos multicelulares como nosotros hayan evolucionado, si no somos más que un grupo altamente integrado de células individuales? Resulta que la respuesta a esas preguntas nos puede forzar a ver a los explotadores no como una condena, ¡sino como los salvadores de la cooperación!

Mientras economistas y filósofos se han preguntado frecuentemente cómo la cooperación entre humanos es posible (ver Veit 2019), los biólogos han estado principalmente preocupados con una pregunta distinta: si los explotadores se benefician de sus acciones al costo de otros y entonces siempre van a superar a los cooperadores, entonces ¿Cómo es posible que la cooperación pueda evolucionar y persistir por un periodo extenso de tiempo? ¿No debería la evolución eventualmente eliminar a los cooperadores de las poblaciones en favor de los explotadores? La respuesta tradicional ha sido similar a la de los ecónomos —encontrar mecanismos o explorar las condiciones que ayudan a la persistencia de cooperadores (por ejemplo Michod 1999). En mucho del trabajo tradicional en biología, los explotadores habían sido vistos como un mal incuestionable. Herramientas en economía como la teoría de juegos se habían usado, de manera exitosa, en biología (ver Veit 2019). Pero a través de este proceso los biólogos heredaron las explicaciones agenciales comunes en economía —haciéndolos ciegos a potenciales roles positivos de los ‘explotadores’.

El biólogo evolutivo Paul Rainey, en una serie de publicaciones influyentes con colegas (2003, 2007, 2010, 2014), argumentó que dicha visión es muy estrecha —que, de hecho, tergiversa la importancia del conflicto en evolución. A través de un experimento emocionante sobre un posible mecanismo para la evolución de la multicelularidad, que fue eventualmente publicado por Nature (ver Hammerschmidt et al. 2014), se argumentó que los explotadores —aunque inicialmente quebrantaron la cooperación— últimamente restauraron la cooperación y, de hecho, la fortalecieron dentro del grupo.

Los autores argumentaron que el problema para la evolución de la multicelularidad es que las células cooperadores se encuentran frecuentemente unidas entre sí. No pueden dispersarse cuando los explotadores llegan. Entonces, los explotadores ocupan la población (debido a su mayor tasa replicativa) y eventualmente la dominan —llevando a la caída de todos.

Sin embargo, organismos genuinamente multicelulares son más que un grupo de células cooperativas. Están integrados en formas particulares de modo que hay codependencia, división de labor, y tienen células especializadas (de la línea germinal) que son responsables de la reproducción de los individuos.

Al contrario de los cooperadores, los explotadores en poblaciones ancestrales, debido a la falta de producción de ‘pegamento celular’ (un bien común), pueden desprenderse de otras células. Si son capaces de producir células que sí se unen y cooperan, ya sea por medio de un switch genético o mutación en las células hijas, entonces un nuevo organismo colectivo puede formarse. Esta es una posible solución a los múltiples problemas de los biólogos: cooperación entre células individuales y un mecanismo de reproducción a nivel colectivo. Se obtiene un ciclo de vida y un nuevo nivel de organización en donde la selección natural puede actuar. Antes de Paul Rainey, sin embargo, nadie había formulado la hipótesis simple de que los ‘explotadores’ podrían jugar el papel de propágulos, es decir, funcionar como el sistema reproductivo del grupo. ¿Por qué?

La respuesta reside en lo que algunos consideran una manera perniciosa de pensar, común en biología. Como ya mencioné, los biólogos estaban ansiosos por aplicar las herramientas de economía en problemas biológicos. ¿Será este el error que eventualmente llevó a la introducción del pensamiento agencial (ver Godfrey-Smith 2009) en biología? Yo argumentaría que la cuestión es al revés. Los humanos aprecian las explicaciones agenciales y se han vuelto adictos a las narrativas que involucran agentes, metas, y propósitos (ver Rosenberg 2011 y Veit 2018). Constantemente buscamos describir el comportamiento de nuestros compañeros humanos como orientado a metas, y especulamos sobre otros deseos y creencias escondidos. Todos estamos equipados con esta teoría de la mente, conocida también como ‘psicología popular’ y que ha sido criticada por muchos como científicamente equivocada. A pesar de que los humanos la hemos usado por miles de años, parece haber poco o nada de mejora en cómo predecimos y explicamos el comportamiento de otros dentro de los últimos cientos de años (en la vida ordinaria).

“¿Cómo es posible que organismos multicelulares como nosotros hayan evolucionado, si no somos más que un grupo altamente integrado de células individuales?”

¿Qué justificación tenemos en biología para tratar organismos, genes, y la naturaleza como agentes? Los biólogos frecuentemente argumentan que este pensamiento agencial es simplemente metafórico. Nos ayuda a formular hipótesis nuevas y a ordenar nuestro pensamiento. De hecho, yo he defendido esta manera de pensar en una publicación con Daniel Dennett (famoso por su defensa de lo que llama ‘la postura intencional’), y con otros filósofos ‘Denettianos’ (Veit et al. por aparecer). Pero reconocer la utilidad de dicho modo de pensar no puede ser una carta ilimitada para ‘sacarse del apuro’. Como muestra el trabajo de Rainey, esta manera de pensar puede no sólo ser equivocada, sino también puede prevernirnos ver hipótesis alternativas, lo que es el centro de la defensa del pensamiento agencial como heurística. En su lugar, deberíamos acoger un pluralismo de modelos (ver Veit 2019) que nos ayude a generar hipótesis nuevas, sin tener que adoptar el modelo heurístico TAN seriamente. Al adoptar una variedad de modelos distintos, podemos dejar decidir a las investigaciones empíricas sobre cuál debe ser el futuro de las investigaciones teóricas.

No obstante, al final puede ser que tengamos que decidir entre aceptar que los ‘explotadores’ no son siempre malos, o la rendición total de nuestro lenguage intencional.

Si todo esto te ha parecido de interés, puede ser que quieras leer el trabajo de donde he basado mis opiniones: “Evolution of multicellularity: cheating done right“ (Veit 2019).

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¿Ha vuelto el Lamarckismo? Las discusiones actuales, específicamente en el campo de la epigenética, parecen sugerir que este es el caso. Los científicos, así como los divulgadores de la ciencia, describen numerosos ejemplos de la herencia de los rasgos adquiridos como la reivindicación de Lamarck. ¿Qué significa, sin embargo, calificar a un proceso como herencia "Lamarckiana"? ¿Y por qué estamos tan tentados de conectar descubrimientos recientes con las ideas de un filósofo natural que escribió un libro mal recibido, la Philosophie Zoologique, hace más de 200 años?

A continuación, abordaré varias preguntas. ¿Qué significa que Lamarck está de vuelta? ¿Son todos los casos de herencia de rasgos adquiridos casos de Lamarckismo? ¿Qué tiene de problemático llamar a un fenómeno Lamarckiano? Y, finalmente, si es problemático, ¿por qué usar la palabra?

En los últimos años, he intentado rechazar un uso muy descuidado del término "Lamarckiano". Frecuentemente, ejemplos de herencia de rasgos adquiridos son genéricamente caracterizados como Lamarckianos. Sin embargo, esto es un error, ya que Lamarck no inventó la idea de la herencia de rasgos adquiridos. Lo novedoso con Lamarck es que propuso un mecanismo: si una facultad específica de un organismo se usa ampliamente, se aumentará, y este aumento se puede transmitir a las generaciones posteriores. Del mismo modo, si una facultad queda en desuso, se reducirá, y esta reducción se puede transmitir a las generaciones posteriores. Llamo a esta base mecanistica el "paradigma de uso/desuso".

Si bien hay diversas instancias de herencia de rasgos adquiridos, creo que sólo aquellas operadas por un proceso de uso/desuso deberían llamarse Lamarckianas. Esto a menudo requiere una interpretación "molecularizada" de los términos "uso", "desuso", "aumento", "reducción" y "facultad". Es decir, necesitamos establecer correspondencias entre estos términos y entidades y mecanismos moleculares.

Los sistemas de herencia que involucran la competencia son ejemplos candidatos para un proceso de uso/desuso. Imagina escenarios en los que un recurso específico es limitado. Este recurso regula la amplificación y persistencia de entidades moleculares específicas a través de las generaciones. No todas las entidades moleculares que compiten por el recurso limitado lograrán interactuar con él. La interacción con un recurso limitado por parte de una entidad significa su "uso" y da como resultado la amplificación y el aumento de dicha entidad en generaciones posteriores. No interactuar significa "desuso" y da como resultado la reducción de la entidad en las generaciones posteriores. Recientemente he identificado dos ejemplos de tales sistemas de herencia gobernados por uso/desuso: la herencia de ARN pequeño en el gusano C. elegans y el sistema CRISPR/Cas en el dominio Bacteria.

Hasta ahora, he respondido dos de las cuatro preguntas:

¿Qué significa que Lamarck está de vuelta? ¡La identificación de sistemas hereditarios gobernados por uso/desuso!

¿Son todos los casos de herencia de adquiridos un caso de Lamarckismo? No, ¡hay que restringir este término sólo para los procesos gobernados por uso/desuso!

La siguiente pregunta que debemos abordar es cuál es el problema con el uso del término "Lamarckiano". Se podría argumentar que la operacionalización que proporcioné es bastante inocente. Sin embargo, es importante tener en cuenta que los términos tienen una historia, y esto es cierto para el término "Lamarckiano". Una cuestión vinculada a su historia es la "teleología". Parte de la posición de Lamarck era la idea de que los organismos tienen una tendencia innata a evolucionar hacia un objetivo definido, como el aumento de la complejidad. Además, el concepto del organismo está fuertemente asociado con una idea de agencia. Por lo tanto, en un marco Lamarckiano, se concibe que el organismo tiende hacia una mayor complejidad.

“Lamarck no inventó la idea de la herencia de rasgos adquiridos”

Tanto la teleología como el organismo como actor no son conceptos necesariamente aunados a la herencia de los rasgos adquiridos. Aún así, el uso del término "Lamarckiano" podría reintroducir inconscientemente estos conceptos.

En el párrafo anterior examiné qué podría salir mal cuando usamos el término "Lamarckiano". Por último, nos queda discutir por qué aún deberíamos llamar a algunos casos de herencia "Lamarckianos". Muchos términos utilizados constantemente por los biólogos tienen una historia muy antigua, y han tenido diferentes significados y connotaciones a través del tiempo. Esto es cierto para conceptos como "organismo", "mecanismo" o "el gen", por nombrar algunos ejemplos. Sin embargo, la práctica demuestra que es posible utilizar estos términos con éxito y, en el mejor de los casos, ser consciente de su historia. Además, podemos usar ese conocimiento para comprender las ideas preconcebidas y las formas predominantes de representación de estos conceptos. Como no podemos escapar de la historia de los términos que usamos, debemos tener en cuenta la forma en que los usamos. Explicar la connotación buscada es mejor que tratar de mantener la biología "estéril" de su propia historia.

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Los microorganismos, incluidos virus, bacterias, arqueas y algunos hongos, son ubicuos y ocupan diversos nichos y ecosistemas. Se asocian de manera estable o transitoria con todos los macrobios en la Tierra, y esta interacción a veces da lugar a conexiones muy cercanas e íntimas. De hecho, algunos microorganismos llevan los genes que codifican rasgos fenotípicos muy importantes para sus huéspedes (animales y plantas), algunos de los cuales son necesarios para actividades importantes como nutrición, desarrollo, protección contra parásitos, tolerancia térmica, entre otros.

A la luz de estos hallazgos, un grupo de biólogos y filósofos ha acuñado recientemente los conceptos de "holobionte" y "hologenoma". Holobionte se refiere a la entidad ecológica de un huésped macrobiano más el conjunto de microorganismos que componen su microbioma. El hologenoma se refiere a la colección de genes de esta unidad ecológica (genoma del huésped más genes del microbioma). El objetivo de este ensayo es explicar las implicaciones biológicas de la perspectiva del hologenoma. Mostraré por qué, si los biólogos quieren tener una imagen completa del proceso evolutivo, deberían prestar más atención a los efectos evolutivos del microbioma en la evolución animal y vegetal.

El concepto de hologenoma reconceptualiza a los huéspedes como comunidades o ecosistemas de organismos genéticamente diversos. Como resultado, la variación en las composiciones del holobionte (ya sea a nivel del huésped, a nivel del microbioma, o en ambos niveles) puede conducir a cambios neutros o selectivos (adaptativos o maladaptativos) en la composición del hologenoma a lo largo de múltiples generaciones. Un punto clave del concepto de hologenoma es que la respuesta a la selección no sólo puede ocurrir en el genoma del huésped, sino también en los microbios del huésped, lo cual sugiere que el holobionte es un nivel (o unidad) de selección evolutiva.

Quienes proponen el concepto de hologenoma asumen una visión jerárquica de varios niveles del proceso evolutivo (la selección se produce en múltiples niveles, incluido el del holobionte). También aceptan que el hologenoma puede formarse tanto por fuerzas de selección como de neutralidad (la selección no es el único proceso que determina las trayectorias evolutivas); así, el concepto de hologenoma no requiere necesariamente la coespeciación del huésped y sus microbios. Su punto es que la amplia variedad de especializaciones (dietéticas, conductuales, ecológicas, etc.) que vemos en los macrobios puede ser el resultado de una selección o un proceso de deriva en el genoma del huésped y/o en los componentes genéticos del microbioma, y por tanto ambos niveles deben ser estudiados.

En mi investigación, introduje los conceptos de "recurrencia de rasgos" o "estabilidad de rasgos", para describir esta perspectiva. Esta terminología pone énfasis en los genes del microbioma que transgeneracionalmente dan lugar al fenómeno de la recurrencia del rasgo fenotípico en el holobionte. La peculiaridad de la perspectiva de la estabilidad de los rasgos es que no requiere que los taxones bacterianos (o genomas) que contienen los genes con efectos fenotípicos sobre el holobionte se conserven de forma transgeneracional: sólo los genes relevantes deben conservarse de manera consistente. Esto significa que en última instancia lo que importa es la preservación de los efectos fenotípicos, independientemente de los taxones que los llevan.

 

Para la perspectiva de la estabilidad de los rasgos, por lo tanto, el microbioma no debe tomarse simplemente como parte del entorno del huésped, sino que debe integrarse con él como un "genoma extendido" u hologenoma.

Permíteme usar un ejemplo que resalta la importancia de la perspectiva del hologenoma para caracterizar adecuadamente la evolución animal. En un reciente trabajo de investigación sobre el origen evolutivo de la especialización dietética de la sangre en murciélagos vampiros comunes (orden Chiroptera), la Dra. Mendoza y sus colegas demostraron que los genes en el genoma del huésped, así como los genes en el microbioma habían sido moldeados de formas específicas para hacer frente a los desafíos alimentarios que plantea la hematofagia (dieta obligatoria basada en chupar sangre). Su investigación se realizó en tres etapas:

•         Primero, observaron que los genes en el genoma del murciélago vampiro eran insuficientes para explicar algunas de sus adaptaciones a la hematofagia, incluida la capacidad de tratar con patógenos transmitidos por la sangre, o la adaptación a una dieta basada en proteínas.

•         Segundo, observaron que el microbioma del murciélago vampiro era funcionalmente diferente de los microbiomas de los murciélagos frugívoros, insectívoros y carnívoros, lo que indica la especificidad de éste microbioma a la hematofagia.

•         Tercero, demostraron que parte de los genes funcionales divergentes en el microbioma de vampiro estaban directamente relacionados con la hematofagia. Concretamente, dichos genes desempeñan un papel importante en los desafíos dietéticos asociados con el estilo de vida hematófago.

La Dra. Mendoza y sus colaboradores concluyeron que el microbioma había desempeñado un papel evolutivo sustancial en la evolución de los murciélagos vampiros. Esto los llevó a concluir también, que algunos de los genes del microbioma, a pesar de no estar físicamente integrados en el genoma del murciélago, evolucionaron como parte de un "genoma extendido del murciélago".
La principal lección que podemos aprender de esta investigación es que los genomas de animales y plantas tienen la capacidad de "externalizar" parte de sus recursos genéticos, en lugar de incorporarlos dentro de su estructura molecular. Al "externalizar" estos recursos, una entidad emergente, el hologenoma, resulta de la suma del genoma animal o vegetal, más los genes codificados en su microbioma. Esta entidad emergente puede experimentar selección (y mutación, neutralidad, deriva, etc.).

A través de este proceso de externalización, adaptaciones complejas en los huéspedes se vuelven factibles sin la necesidad de cambios genómicos sustanciales, dependiendo en algunos casos sólo de los cambios en la composición genética de sus microbiomas. Como los cambios en las composiciones genéticas del microbioma pueden ocurrir (y propagarse) más rápidamente que los cambios en el genoma del huésped, la posibilidad de evolución hologenómica abre una vía completamente nueva para la evolución de animales y plantas, incluidas nuevas formas de hacer frente a desafíos ambientales repentinos como el cambio climático.

“Como los cambios en las composiciones genéticas del microbioma pueden ocurrir (y propagarse) más rápidamente que los cambios en el genoma del huésped, la posibilidad de evolución hologenómica abre una vía completamente nueva para la evolución de plantas y animales...”

Se acerca el momento de la perspectiva del hologenoma y, por lo tanto, es hora de que los biólogos se den cuenta de que la mejor manera de pensar adecuadamente la evolución animal y vegetal requiere tener en cuenta los efectos selectivos importantes del microbioma en la evolución de genomas animales y vegetales.

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Desde que era niña, he estado fascinada con la vida en el universo. ¿Quién no ha pasado horas pensando en qué habrá allá afuera, si estamos solos, o de dónde venimos?

En mi caso, también he reflexionado sobre qué tan distinta podría ser la vida, al nivel más básico, y sobre las circunstancias que dieron lugar a la vida en primer lugar. Decidí que como el único ejemplo que tenemos de la vida es aquí en la Tierra, debería de entender dicho ejemplo en primer lugar. Así fue como decidí estudiar bioquímica para luego embarcarme en la investigación del origen de la vida en la Tierra en un programa de doctorado en química prebiótica.

Cuando empecé mi programa de doctorado, pensaba que las moléculas que constituyen nuestra biología, y la química biológica en general, se habían generado por puro azahar, y que fácilmente la vida podría haber escogido un camino distinto. Pero cuando terminé, mi punto de vista había cambiado un poco. Para ser clara, aún pienso que cuando encontremos vida en otro planeta, será basada en química completamente distinta a la nuestra; no hay razón para pensar que las biomoléculas que usamos son las únicas que pueden cumplir dicho rol. Sin embargo, podría ser que no hubo muchas avenidas químicas en la Tierra primigenia. Déjame explicar cómo mi investigación cambió mi opinión sobre esto.

Hice mi doctorado en la University College London con Matthew Powner, y en nuestro laboratorio, uno de los intereses principales era entender cómo los bloques de construcción del ácido ribonucleico (ARN) podrían ensamblarse desde moléculas simples que existían (probablemente) en la Tierra primigenia. En particular, queríamos entender cuáles condiciones favorecían la aparición selectiva de los compuestos que nos interesaban, sin muchos otros compuestos similares. Una de las reacciones que hacía en el laboratorio requería producir los potenciales precursores de ribonucleótidos que de antemano contienen el anillo de azúcar del nucleótido final. Este motivo de azúcar podría encontrarse en una de cuatro orientaciones (diestereoisómeros): xilosa, arabinosa, lixosa, y ribosa (que, como reconocerás, es la ‘R’ del RNA).

Muy pronto me sorprendió cómo el precursor que contenía la ribosa era formado de manera preferente. Este patrón se mantuvo bajo distintas condiciones de la reacción: pH variable, distintos precursores, temperatura, etc. Resulta que, hay una razón para que la vida utilice ácidos ribonucleicos, en lugar de ácidos lixonucleicos u otros: la química. Por ejemplo, sin entrar en muchos detalles químicos, las moléculas que contienen ribosa son más estables en estos casos, y menos rígidas que otras conformaciones, lo cual las hacen el producto favorecido en la reacción.

Ello me hizo pensar sobre qué otras características de nuestra bioquímica no se debieron solamente al azahar. Después de mi doctorado, tuve la oportunidad de trabajar con Jim Cleaves en el Earth Life Science Institute en Tokyo, en un breve proyecto de biología computacional con un amplio grupo internacional de trabajo. El proyecto trataba de entender por qué en nuestra biología utilizamos 20 aminoácidos (los canónicos), cuando existen muchísimos otros. Para ello nos fijamos en qué tan bien los 20 aminoácidos canónicos cubren el espacio químico (definido aquí como el intervalo en las carga, hidrofobicidad, y masa), en comparación a grupos de 20 otros aminoácidos escogidos al azahar. Resulta que el grupo de aminoácidos canónicos cubre mejor dicho espacio químico: más uniformemente, y más extensivamente (la mayoría de las veces). Lo mismo resulta si tomamos subgrupos de los aminoácidos canónicos y los comparamos con grupos aleatorios del mismo tamaño. Esto podría explicar por qué la vida utiliza esos 20 aminoácidos en específico, pues parecen ser mejores en sus roles que otros grupos de aminoácidos.

Bien, quizás la bioquímica en la Tierra no es completamente aleatoria, y quizás existe una razón (química) de por qué utilizamos las biomoléculas que utilizamos. Pero ¿qué pasaría con la vida en otros planetas?, ¿qué sucedería si empezamos con condiciones completamente distintas, distintas moléculas – qué patrones se conservarían?, ¿qué cambiaría?, ¿habrían cosas universales para todas las biologías posibles?, y aún más importante, ¿cómo podríamos encontrar dichas leyes universales de la biología si solamente tenemos un ejemplo de vida para investigar?

Esas son las preguntas que la comunidad astrobiológica está preguntando, y en las que estoy tratando de contribuir. Ahora he dejado el trabajo experimental, y estoy utilizando otro tipo de herramienta poderosa para esos problemas: modelado. El modelado teórico y computacional nos permite explorar nuevos espacios y, por ejemplo, “retroceder el reloj” una y otra vez, para ver cómo las cosas pueden suceder de manera distinta, o de manera similar, a través de varios experimentos. ¿Existen cosas que dependen de la trayectoria y también debidas al azahar?, ¿existen cosas que se conservan a través de repetidos experimentos e incluso a través de diferentes experimentos?

Desde luego, aún no sabemos qué incorporar al principio en los modelos para replicar las condiciones iniciales en el origen de la vida (aquí o en otro planeta). Pero podemos hacer simplificaciones, proponer hipótesis para ciertos fenómenos, y comprobarlas. Ahora mismo, estoy utilizando dichas herramientas para entender si podemos distinguir entre polímeros que se producen de manera abiótica (aleatoriamente, sin selección) y aquéllos que se producen a través de procesos biológicos. Los polímeros con los que trabajo no son sofisticados modelos químicos que se parecen al ADN o a las proteínas, sino cadenas de ceros y unos. Aún cuando el modelo es simple, podemos obtener información interesante sobre cómo las diferentes formas de ensamblar polímeros, y las condiciones ambientales, influyen en la población de productos en una forma particular.

Las respuestas que obtengamos a partir de dichos modelos pueden ayudarnos a entender mejor qué hay que buscar cuando buscamos vida en otros planetas, porque últimamente, no sabemos. No sabemos qué tan distinta puede ser la vida allá y no sabemos realmente qué debemos buscar. Pero, al tratar de entender los patrones de la vida en la Tierra, ojalá podamos también entender un poco más sobre la vida en general, lo que nos puede guiar para buscar vida en el universo.