1.6: Los orígenes, la evolución, la especiación, la diversidad y la unidad de la vida
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La cuestión de cómo comenzó la vida ha estado con nosotros desde los inicios o la historia registrada. Ahora se acepta que hubo un tiempo, por breve o largo que fuera, cuando la tierra era un planeta sin vida (prebiótico). Los orígenes de la vida en la tierra datan de hace unos 3.7-4.1 mil millones de años en condiciones que favorecieron la formación de la primera célula, la primera entidad con todas las propiedades de la vida. Pero, ¿no podrían esas mismas condiciones haber generado múltiples células de forma independiente, cada una con todas las propiedades de la vida? Si es así, ¿de cuál de estos descendió la vida, tal y como la conocemos hoy en día? Si había una o más “primeras células” diferentes, la evolución (una propiedad de la vida) solo comenzó con esas células.
El hecho de que no haya evidencia de células de origen independiente puede reflejar que nunca existieron. Alternativamente, la célula que llamamos nuestro antepasado tuvo éxito evolutivamente a expensas de otras formas de vida, que así se extinguieron. En cualquier caso, cualquiera que sea el aspecto de este exitoso ancestro, sus descendientes habrían evolucionado apariencias, químicas y fisiologías bastante diferentes. Estas células descendientes habrían encontrado diferentes soluciones genéticas y bioquímicas para lograr y mantener las propiedades de la vida. Uno de estos descendientes desarrolló las soluciones que vemos vigentes en todas las células y organismos vivos hoy en día, incluyendo un código genético común (universal) para almacenar la información de la vida, así como un mecanismo común para recuperar la información codificada. Francis Crick llamó es común el “Dogma Central” de la biología. Esa célula ancestral se llama nuestro Último Ancestro Común Universal, o LUCA.
116 El Código Genético Universal 117 Orígenes de la Vida 118 Orígenes de la Vida vs Evolución
En otra parte consideramos con más detalle cómo pensamos sobre los orígenes de la vida. Por ahora, nuestro enfoque está en la evolución, la propiedad de la vida que es la base de la especiación y la diversidad de la vida.
La selección natural fue la teoría de Charles Darwin sobre cómo la evolución condujo a la diversidad estructural de las especies. Nuevas especies surgen cuando los rasgos beneficiosos se seleccionan naturalmente de individuos genéticamente diferentes en una población, con la selección concomitante de individuos menos aptos de poblaciones a lo largo del tiempo. Si la selección natural actúa sobre los individuos, la evolución es el resultado de la persistencia y propagación de cambios seleccionados heredables a través de generaciones sucesivas en una población. La evolución se refleja como un incremento en la diversidad y complejidad en todos los niveles de organización biológica, desde especies hasta organismos individuales y moléculas. Para una lectura fácil sobre la evolución de los ojos (cuya propia existencia según los creacionistas solo podría haberse formado por el diseño inteligente de un creador), vea el artículo en National Geographic de E. Yong (Feb., 2016, con hermosa fotografía de D. Littschwager).
La especiación repetida ocurre con la divergencia continua de formas de vida desde una célula ancestral a través de la selección natural y la evolución. Nuestras estructuras celulares compartidas, ácidos nucleicos, proteínas y químicas metabólicas (la 'unidad' de la vida) apoyan nuestra ascendencia común con toda la vida. Estas características compartidas se remontan a nuestro LUCA! La mayoría de los seres vivos incluso comparten algunos comportamientos tempranos. Toma nuestro reloj biológico, una adaptación a los ciclos diarios de luz y oscuridad de 24 horas de nuestro planeta que han existido desde los orígenes de la vida; ¡todos los organismos estudiados hasta ahora parecen tener uno!. El descubrimiento de los fundamentos genéticos y moleculares de los ritmos circadianos (esos ciclos diarios) le valió a Jeffrey C. Hall, Michael Rosbash y Michael W. Young el Premio Nobel de Medicina o Fisiología 2017 (haga clic en Estudios moleculares de ritmos circadianos gana el Premio Nobel para obtener más información)!
Las relaciones moleculares comunes a todos los seres vivos confirman en gran medida lo que hemos aprendido de las especies representadas en el registro fósil. Los rasgos morfológicos, bioquímicos y genéticos que se comparten entre especies se definen como homólogos, y pueden ser utilizados para reconstruir historias evolutivas. La biodiversidad que los científicos (en particular, los ambientalistas) tratan de proteger es el resultado de millones de años de especiación y extinción. La biodiversidad necesita protección contra la aceleración no deseada de la evolución derivada de la actividad humana, incluidas las extinciones flagrantes (piense en las palomas pasajeras) y las extinciones cercanas (piense en el bisonte estadounidense a fines del siglo XIX). Piense también en las consecuencias de la introducción de especies acuáticas y terrestres invasoras y los efectos del cambio climático.
Veamos la unidad bioquímica y genética entre las cosas vivas. Ya hemos considerado lo que sucede cuando las células se hacen más grandes en evolución cuando tratamos de explicar cómo las células más grandes dividieron sus labores entre estructuras intracelulares y orgánulos más pequeños. Cuando las células eucariotas evolucionaron a organismos multicelulares, se hizo necesario que las diferentes células se comunicaran entre sí y respondieran a las señales ambientales.
Algunas células evolucionaron mecanismos para “hablar” directamente con las células adyacentes y otras evolucionaron para transmitir señales eléctricas (neuronales) a otras células y tejidos. Aún otras células producían hormonas para comunicarse con células a las que no tenían apego físico. A medida que las especies se diversificaron para vivir en hábitats muy diferentes, también evolucionaron requerimientos nutricionales muy diferentes, junto con vías bioquímicas más extensas y elaboradas para digerir sus nutrientes y capturar su energía química. Sin embargo, a pesar de miles de millones de años de evolución obvia y asombrosa diversificación, la genética y bioquímica subyacentes de los seres vivos en este planeta no ha cambiado notablemente. A principios del siglo XX, Albert Kluyver reconoció por primera vez que las células y los organismos varían en apariencia de forma a pesar de la unidad bioquímica esencial de todos los organismos (ver Albert Kluyver en Wikipedia). Esta unidad en medio de la diversidad de la vida es una paradoja de la vida que profundizaremos en este curso.
A. La variación genética, la base de la selección natural
El ADN contiene las instrucciones genéticas para la estructura y función de las células y organismos. Cuando y dónde se utilizan las instrucciones genéticas de una célula u organismo (es decir, para hacer ARN y proteínas) están reguladas. La variación genética es el resultado de mutaciones aleatorias. La diversidad genética derivada de las mutaciones es, a su vez, la base de la selección natural durante la evolución.
B. El genoma: instrucciones genéticas completas de un organismo
Hemos visto que cada célula de un organismo lleva el ADN incluyendo secuencias génicas y otros tipos de ADN. El genoma de un organismo es la totalidad de su material genético (ADN, o para algunos virus, ARN). El genoma de una cepa experimental común de E. coli fue secuenciado en 1997 (Blattner FR et al. 1997 La secuencia completa del genoma de Escherichia coli K-12. Ciencia 277:1452-1474). La secuenciación del genoma humano se completó en 2001, muy por delante del calendario previsto (Venter JC 2001 La secuencia del genoma humano. Ciencia 291:1304-1351). Como hemos visto en la re-clasificación de la vida de cinco reinos en tres dominios, las comparaciones de secuencias de ácidos nucleicos pueden decirnos mucho sobre la evolución. Ahora sabemos que la evolución depende no sólo de las secuencias génicas, sino también, en una escala mucho mayor, de la estructura de los genomas. La secuenciación genómica ha confirmado no solo la variación genética entre especies, sino también una variación considerable entre individuos de la misma especie. La variación genética dentro de las especies es de hecho la materia prima de la evolución. Es claro a partir de estudios genómicos que los genomas han sido moldeados y modelados (o remodelados) en evolución. Consideraremos la remodelación del genoma con más detalle en otros lugares.
C. Los 'fósiles' genómicos pueden confirmar las relaciones evolutivas.
Se sabía desde hacía algún tiempo que la secuenciación de genes y proteínas podía revelar relaciones evolutivas e incluso relaciones familiares. Lea acerca de una demostración temprana de tales relaciones basada en comparaciones de secuencias de aminoácidos a lo largo del tiempo evolutivo en Zuckerkandl E y Pauling L. (1965) Moléculas como documentos de teoría evolutiva. J. Theor. Biol. 8:357-366. Ahora es posible extraer ADN de huesos y dientes fósiles, permitiendo comparaciones de especies existentes y extintas. El ADN se ha extraído de los restos fósiles de humanos, otros homínidos y muchos animales. La secuenciación del ADN revela nuestra relación entre nosotros, con nuestros antepasados homínidos y con animales desde insectos hasta ranas, ratones, chimpancés, neandertales y... Desafortunadamente, el ADN de organismos mucho mayores de 10,000 años suele estar tan dañado o simplemente ausente, esa construcción de relaciones más allá de ese tiempo es imposible . Ahora en un giro inteligente, usando lo que sabemos de las secuencias génicas de especies vivas hoy en día, los investigadores recientemente 'construyeron' una filogenia genética sugiriendo las secuencias de genes de algunos de nuestros progenitores desaparecidos hace mucho tiempo, incluidas las bacterias (haga clic aquí para obtener más información: Descifrando genómico Fósiles). La comparación de estas secuencias de ADN ancestrales 'reconstruidas' sugiere cuándo se diversificaron los organismos fotosintéticos y cuándo nuestro planeta oxigénico se hizo realidad.