domingo, 18 de octubre de 2015

Embriología y Genética en la evolución

La interdisciplina es una metodología científica que ha sido muy poco utilizada, aunque siempre se ha hablado de su necesidad y, de forma menos elaborada, se ha realizado bajo los parámetros de la multidisciplina. La Biología evolutiva, como ciencia ampliamente usada, se ha desarrollado siguiendo estas carencias de método. Desde el desarrollo de la Teoría sintética a principios del siglo XX, y gracias al desarrollo de la Genética, los cambios evolutivos se centraron en las mutaciones genéticas y de la influencia medioambiental (física, cultural y geográfica). El uso de otras ciencias, como la Embriología, fue desechado sin mucho fundamento, lógico (o no tanto) para su época, pero en la actualidad hay que replantearse su actuación en los procesos de cambio morfológico. Igualmente, la Epigenética parece tener algo que decir en los procesos evolutivos, aunque en este caso si es lógico que en el periodo de formación del Neodarwinismo no se tuviera en cuenta, dado el limitado desarrollo de la Biología en general. No es descabellado pensar que la evolución debe de estudiarse por métodos interdisciplinarios realizados por diversa ciencias (Genética, Embriología y Epigenética), y aplicarla a la concepción de evolución en mosaico que cada especie tiene como acervo particular y, posiblemente, único. En esta entrada analizaré brevemente las causas del porqué se abandono la embriología como uno de los motores del desarrollo evolutivo, cuanto en sus comienzos fue usada con gran entusiasmo.

La Embriología en la evolución

La Embriología es una de sus disciplinas que, desde un principio, el Neodarwinismo excluyó de sus estudios a pesar de la importancia que tuvo en la génesis de las ideas evolutivas. La propia teoría evolutiva expuesta por Darwin recibió una gran influencia de los datos embriológicos que se tenían en la época, los cuales parecían indicar que el desarrollo del embrión era comparable, hasta cierto límite, a un despliegue rápido de las formas elementales de sus antepasados evolutivos, produciendo un retrato dinámico de la historia filogenética de la especie. Tal interés puede comprobarse 1820 cuando el biólogo y naturista Karl Reinhold Ernst von Baer se diese cuenta de la semejanza de los embriones correspondientes a diversas especies de animales, los cuales en las primeras etapas de su desarrollo ontogénico, presentaban un diseño común. Parece ser que tal conclusión la obtuvo por medio de un sencillo accidente, pues al caerse las etiquetas identificativas de las botellas donde conservaba los embriones de pájaros, lagartos y mamíferos, no pudo con posteridad identificar a cada uno de ellos.

Copia de Romanes (1892de los dibujos embriológicos de Haeckel.
Esta idea tuvo como expresión límite la ley de la biogenética o recapitulación, creada en 1866 por el médico y naturalista Ernst Haeckel, en la que expuso: “El desarrollo embriogénico de un ser vivo actual es un resumen abreviado de las fases por las que ha pasado el desarrollo paleontológico del grupo al que pertenece la especie estudiada. La ontogenia es una repetición, una recapitulación breve y rápida de la filogenia, conforme a las leyes de la herencia y de la adaptación”. Sin embargo, existió una dificultad teórica y práctica importante en la demostración de tal ley, por lo que, a pesar de los poco ortodoxos intentos de su autor, no fue posible evitar que tal corriente de estudio fuese desechada (Pennisi, 1997).

Tras el desarrollo de la Genética, en la elaboración de la Teoría sintética sólo se tuvo en cuenta la variación que se producía dentro de las poblaciones de genes de cada especie, olvidándose las posibilidades que la embriología ofrecía como posible causa de ciertos cambios anatómicos, a pesar que diversos autores insistían en la importancia que representaba en los procesos evolutivos. En este sentido, tenemos la premisa elaborada por el biólogo Walter Garstang (1922), el cual anticipa una visión evolutiva que parece renacer en la actualidad: “La ontogénesis no recapitula la filogenia; la crea”. En esta línea J. Huxley (1942) fue menos estricto al escribir: “La ontogenia no recapitula la filogenia, pero puede revelarla y reiterar un esquema de estructura ancestral”. Siguiendo estas ideas, el genetista Richard Goldschmidt (1933, 1940) indicaba que la aparición de nuevas formas morfológicas podría ser el resultado de cambios genéticos que afecten a la ontogenia inicial (embriogénesis), cambiando el desarrollo posterior por otras vías diferentes. Estos cambios, sólo serían viables si se tienen los suficientes mecanismos reguladores que pueden mantener la fisiología fetal, dentro de los límites adecuados, hasta el nacimiento y después del mismo.

No obstante, debido a la falta de conocimientos sobre la actuación genética en la embriogénesis, y al camino diferente y sin relación entre sí que llevaron ambas ciencias (la falta de interdisciplina es tan antigua como la misma ciencia), sólo se utilizó el concepto de variación genética dentro del estudio de las poblaciones, estudiando matemáticamente sus variaciones como causa de la paulatina implantación de nuevos caracteres morfológicos.

Una de las principales causas de esta incomprensible separación teórica, radica en que desde principios del siglo XX se intentó explicar el desarrollo embriológico de los seres vivos por métodos experimentales, con el fin de extraer los mecanismos generales que aclarasen las formas en que tienen lugar su producción. En estos estudios no se planteó nunca la existencia de un control genético del propio proceso embriológico, limitándose su explicación a intervenciones mecánicas o químicas, con lo que ambas disciplinas, Genética y Embriología, siguieron caminos diferentes. Este hecho es un ejemplo claro de cómo diversas ciencias que tienen un fin común, como es el conocimiento del ser humano en su integridad, al tener metodologías diferentes divergen en sus estudios, impidiendo el avance científico en sus aspectos más globalizadores.

Genética y Embriología

Sin duda son dos ciencias que están íntimamente relacionadas en la acción de la formación de los seres vivos, pero su relación no ha podido ser demostrada hasta finales del siglo pasado. Sólo cuando se vio que ambos procesos biológicos estaban íntimamente relacionados en sus mecanismos de control, fue cuando se tomó en cuenta la relación entre mutación y desarrollo embriológico con los fenómenos evolutivos. La unión de ambas disciplinas (Genética y Embriología) ha generado en la actualidad un nuevo campo científico denominado como Biología del Desarrollo, de la cual parte la propia Genética del Desarrollo. El congreso Internacional de Genética de 1963, fue el primero que dedicó una sección específica a la Genética del Desarrollo.

Como es lógico, enseguida se relacionó le existencia de genes reguladores de la morfogénesis embrionaria con los conceptos de heterocronías. Desde 1910 se conocen cambios genéticos o mutaciones que son capaces de alterar la organización y situación de diversas estructuras anatómicas. Las primeras en conocerse fueron las que mostraban el desarrollo de un determinado elemento anatómico en un lugar topográfico equivocado, dentro de la embriogénesis de la mosca del vinagre (Drosophila melanogaster). Se comprobó cómo se desarrollaba una mandíbula en el lugar topográfico donde debía de haber una anténula. A este tipo de alteraciones se las denominó mutaciones homeóticas, y los genes que debían de regular tal proceso se les llamó homeóticos u Hox. Estos genes tienen una importancia capital en el desarrollo correcto de todo ser vivo, pues, al ser los responsables de la identidad posicional, indican a las células del embrión en que región anatómica se encuentran y que estructura anatómica deben desarrollar. Por tanto, no producen en sí mismos nada, sino que indican a los genes estructurales el lugar, la tasa y/o el tiempo de actuación que deben de tener. Estos genes homeóticos o reguladores producen determinadas proteínas, que funcionan como controladores de la acción de otros genes dentro del proceso de desarrollo embriológico de los seres vivos. Aunque su conocimiento en la actualidad esté limitado a la regulación del esquema corporal en las primeras fases del desarrollo ontogénico (Jacob, 1998), es lógico pensar que los que conocemos, u otros aún no descubiertos, deben de tener funciones específicas en las siguientes fases embriológicas, que afectaran a todos los órganos y, por supuesto, al cerebro (Changeux, 1985; Flórez et al. 1999). Habrá que esperar su confirmación con el desarrollo científico de los próximos años, pues el auge investigador en estas tareas de embriogénesis tiene un gran futuro. A pesar de que aún son necesarios numerosos estudios sobre este campo, podemos afirmar que el desarrollo embrionario u ontogénico sería el resultado de la acción, jerarquizada y organizada de los genes reguladores, que indicarían a los múltiples genes estructurales dónde, cuándo y cuánto pueden comenzar a operar en el proceso embriogénico.

El conocimiento de la acción de estos característicos genes les confiere un valor muy importante como posible causa del cambio evolutivo. Su descubrimiento permite comprender mejor el mecanismo de acción de los conceptos de heterocronías, como fuente de muchas de las variaciones morfológicas (García Barreno, 2000). Puede decirse que, en gran medida, cuando vemos que una especie ha evolucionado en otra, lo que observamos es que su desarrollo ontogénico o embriológico ha cambiado (Sinha, 1996). Por tanto, hay que considerar a la embriogénesis como un proceso dinámico por medio del cual se produce la formación de los nuevos seres vivos, estando sometida a las leyes biológicas que regulan su desarrollo. Estas leyes limitan los cambios morfológicos a un estrecho margen de posibilidades de variación, pues toda alteración en este período ontogénico de desarrollo podría afectar globalmente a la fisiología del ser en formación. Si el cambio no consigue mantener un mínimo de estabilidad fisiológica, se llega fácilmente a imposibilitar la continuidad del desarrollo fetal, provocando el aborto. Hay que considerar a la embriogénesis como un proceso dinámico por medio del cual se produce la formación de los nuevos seres vivos, estando sometida a las leyes biológicas que regulan su desarrollo. No es de extrañar el avance de la Biología evolutiva del desarrollo (Evo-Devo. Evolution-Development), la cual camina en la actualidad por estos derroteros (Sean, 2005).


Cambios morfológicos relacionados con la embriología

Con la acción de los genes reguladores se conoció que durante la fase de formación embrionaria se producen cambios morfológicos en cascada durante el curso de su desarrollo. Todo cambio morfológico producido por la mutación de uno o varios genes reguladores o acción epigenética, en un determinado momento de la ontogenia fetal, va a repercutir en las siguientes fases de la embriogénesis, sin que sean precisas nuevas alteraciones genéticas. Cuando conocemos la producción de un cambio evolutivo, lo que se ha manifestado es un cambio en la ontogenia o embriogénesis de ese ser (Sinha, 1996).
Los cambios producidos por la acción de los genes reguladores tienen lugar no sólo en el órgano regulado por estos genes, sino también en las estructuras corporales que, en su desarrollo, tienen como base de inicio o configuración la anatomía anteriormente alterada. Así, un cambio morfológico producido por una mutación de un gen regulador, en un determinado momento de la ontogenia fetal, va a repercutir en las siguientes fases de la embriogénesis, sin que sean preciso nuevas alteraciones genéticas (Gilbert, 1985). Por tanto, es preciso distinguir dos tipos de cambios anatómicos en función de su origen:

- Primario, producido por la acción directa de la mutación genética, ya sea en los genes reguladores como en los estructurales.
- Secundario, como consecuencia indirecta de los cambios genéticos producidos con anterioridad, en función de la continuación del proceso embriológico.

Pondré un claro ejemplo muy relacionado con los temas que tratamos, y de gran interés en el mundo paleontológico y arqueológico. Existe una determinante relación entre el desarrollo ontogénico del cerebro y las diferentes partes del cráneo (base, neurocráneo y cara), de tal forma que la alteración del encéfalo debe de repercutir en la forma estructural de los huesos de la cabeza (Changeux, 1985; Lieberman, et al. 2000). La función de esta compleja estructura ósea es la de proteger al cerebro, por lo que debe ajustarse lo más exactamente posible a su forma anatómica, hecho que nos permite estudiar la impronta que el cerebro realiza en la cara interna de los huesos craneales (endomoldes). Sin embargo, el desarrollo óseo del cráneo no debe de interferir en el normal crecimiento cerebral, por lo que su definitiva forma anatómica estaría en gran parte condicionada por la configuración morfológica final del sistema nervioso central. La forma del cráneo no depende en exclusiva de la acción de los genes estructurales que la forman, sino que participa de la propia dinámica ontogénica del cerebro humano (Le Gros Clark, 1967; Orts Llorca, 1977). Así, pequeñas y específicas mutaciones genéticas pueden producir cambios morfológicos importantes y relativamente rápidas repercusiones ontológicas y evolutivas (Gould y Lewontin, 1979; Bogin, 1999; Churchill, 1998).

Un trabajo reciente sobre los efectos de mutaciones en los genes homeóticos u Hox es el caso del gen ARHGAP11B existente en los Neandertales y Humanos anatómicamente modernos (Florio et al. 2015) que explica parte del mecanismo de evolución cerebral. Otro ejemplo sería el gen TRNP1, el cual parece ser el responsable de la producción de pliegues o girificación del córtex cerebral, ya que se expresa en niveles bajos en las zonas con pliegues y en niveles altos en las zonas más lisas (Stahl et al. 2013).

Todas estas consideraciones podrían explicar la poca diferencia genética que existe entre especies próximas. Tal es el caso del ser humano y el chimpancé, cuya diferencia genética se sitúa alrededor del 1,5%, como los genetistas Mary Claire King y Allan Wilson lo dieron a conocer (King y Wilson, 1975; Sibley y Alhquist, 1984).

Conclusiones

Vista la trascendencia que tienen algunos genes en los procesos de formación anatómica durante la embriogénesis, no podemos considerar como causa única del cambio anatómico al aspecto genético inicial y su transformación en formas adultas. Hay que tener en cuenta las etapas intermedias de desarrollo, que tienen mucho que ver con la formación y transformación de las diferentes especies. La embriogénesis es un proceso dinámico por medio del cual se produce la formación de los nuevos seres vivos, estando sometida a las leyes biológicas que regulan su desarrollo. Estas leyes limitan los cambios morfológicos a un estrecho margen de posibilidades de variación, pues toda alteración en este período ontogénico de desarrollo afecta a la fisiología del ser en formación, Así, si el cambio no consigue mantener un mínimo de estabilidad fisiológica, se llega fácilmente a imposibilitar la continuidad del desarrollo fetal, provocando el aborto (Alberch, 1980, 1982; Devillers, Chaline y Laurin, 1989).

Debemos valorar, con todas sus consecuencias, los conceptos de las heterocronías dentro de la propia dinámica de la embriogénesis, pues no todos los cambios anatómicos deben de tener un origen basado en el simple cambio genético como causa directa que lo justifique. Un cambio morfológico producido por una alteración en un gen regulador, en un determinado momento de la ontogenia fetal, va a repercutir en las siguientes fases de la embriogénesis, sin que sean preciso nuevas alteraciones genéticas (Gilbert, 1989).

Las heterocronías, la embriología y la evolución en mosaico, son las piezas clave en las formas evolutivas humanas, pero sólo podemos poner nombre a cada proceso evolutivo, al analizar en lo posible las causas genéticas que lo produjeron (hecho que aún hoy no es posible, pero puede que se logre en un período no demasiado largo), o los cambios anatómicos a los que dio lugar, método que aunque más indirecto puede orientarnos sobre las causas del cambio morfológico.

Estas relativamente recientes vías de investigación sobre los mecanismos evolutivos están desarrollando un concepto de evolución entendido como un proceso multifactorial de gran complejidad, donde los mecanismos de producción del cambio anatómico son consecuencia de la acción conjunta de diversos factores. En este contexto evolutivo, el origen de los procesos cognitivos humanos (autoconciencia, simbolismo, lenguaje, etc.) serían la consecuencia de una exaptación evolutiva, manifestándose como una capacidad cognitiva emergente que aparece después de realizados los cambios neurológicos que lo posibilitan, pero que no fueron creados evolutivamente para tal fin (Gould y Lewontin, 1984; Schlaug et al. 1994). La manifestación y desarrollo de las capacidades cognitivas dependerían en gran medida de las características medioambientales, siendo la base evolutiva elegida por la Psicología cognitiva (procesamiento de la información).


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