Evolución en 40000 generaciones

Estudian el hecho evolutivo en durante 40000 generaciones de bacterias. Un experimento que, hasta ahora, ha durado 21 años.

Cultivo de E. coli realizado por Richard Lenski. Foto: Greg Kohuth, Michigan State University.

Hace 150 años que Darwin propuso los mecanismos mediante los cuales se produce la evolución de las especies. Pero ver a éstos en acción es complicado para unos seres, los humanos, que viven poco tiempo. Bajo nuestra perspectiva temporal la evolución de la vida animal en la Tierra se produce a un ritmo pavorosamente lento. Incluso desde la emergencia de los primeros organismos pluricelulares hasta la aparición del ser humano han pasado solamente unos 600 millones de años. La sustitución de unas especies por otras, las extinciones masivas o la conquista de la tierra firme se dieron en ese periodo de tiempo, pero nos cuesta imaginar la escala de tiempo implicada.

Si un humano tiene una esperanza de vida de 75 años y asumimos que en un año se corresponde a un centímetro, entonces 20 cm serían recorridos por cada generación, 0,75 metros en una vida humana y para recorrer esos 600 millones de años habría que recorrer 6000 km, que es casi el radio terrestre. Para que transcurran 40.000 generaciones, y que la evolución tenga un efecto significativo sobre el ser humano, habría que esperar 800.000 años (8 km según la analogía). Demasiado tiempo para unos simples mortales.

Pero si en lugar de seres humanos u otros seres complejos utilizamos seres cuyas generaciones se den a un ritmo más rápido quizás se pueda ver la evolución en marcha. En el caso de la bacteria E. coli esas 40000 generaciones necesitan de 21 años. Esto es precisamente lo que ha hecho un grupo de investigadores de Michigan State University: un experimento evolutivo de 21 años de duración con E. coli.

El experimento no sólo demuestra el papel de la selección natural en la evolución, sino que puede dar lugar a nuevos avances en investigación médica según sus autores. Richard Lenski y sus colaboradores documentan los procesos del experimento y su análisis en la revista Nature.

El experimento comenzó en 1988 en cultivos bacterianos de E. coli, que son bacterias de rápida reproducción y clásicas en experimentos genéticos. Supusieron que si alguna mutación daba a algunas células una ventaja competitiva sobre el resto a la hora de hacerse con los nutrientes, tarde o temprano éstas debían de dominar sobre el resto.

Aunque hay muchas pruebas que demuestran los mecanismos darwinistas de la evolución, nunca se ha había hecho un estudio a este nivel de detalle. Según Lenski ha sido maravilloso ser capaces de mostrar de manera precisa cómo la selección natural ha ido cambiando el genoma de estas bacterias a lo largo de miles de generaciones.

De manera periódica estos investigadores tomaban muestras que congelaban para su estudio posterior en el que se secuenciaba su genoma. Pudieron ver que al cabo de 20.000 generaciones se habían producido sólo 45 mutaciones en las células supervivientes, aquellas mutaciones que precisamente daban una ventaja adaptativa, precisamente lo predicho por la teoría de Darwin.

Este experimento es único a la hora de responder a cuestiones críticas, como aquellas acerca de la tasa de cambio en el genoma bacteriano. Según el investigador principal el acoplamiento entre genoma y evolución bajo la adaptación es complejo y puede ser contraintuitivo.

El genoma, según el experimento, evolucionaba a un ritmo sorprendentemente constante en la primera mitad del tiempo de estudio, incluso cuando la adaptación de las bacterias disminuía. Entonces una nueva de tasa de mutación apareció súbitamente y una nueva dinámica de relación entre el ambiente y el genoma se estableció. Una mutación relacionada con el metabolismo del ADN apareció al cabo de 26000 generaciones, produciendo un aumento dramático de la tasa de mutación en todas las partes del genoma. El número de mutaciones saltó a partir de entonces, alcanzando las 653 mutaciones al llegar a la generación 40.000. Lo interesante es que la mayoría de estas mutaciones tardías no ayudaban a la hora de mejorar la adaptación de las bacterias.

Una habilidad que surgió evolutivamente en una de las poblaciones fue la capacidad de metabolizar un azúcar que E. coli normalmente no puede metabolizar. A partir de entonces toda la población terminó por adquirir y transmitir este nuevo rasgo.

Según Jeffrey Barrick las mutaciones genéticas del ADN humano están relacionadas con algunos tipos de cáncer y su progreso es muy similar a un proceso evolutivo. De este modo todo lo que se pueda aprender de este experimento puede ser útil a la hora de comprender mejor el curso de este tipo de enfermedades. Otro aspecto interesante podría ser saber el tempo y evolución de determinadas cepas bacterianas perjudiciales para el ser humano y su relación con su tratamiento con antibióticos.

Miles de generaciones después las bacterias de este experimento siguen evolucionando y quizás nos digan más cosas en el futuro.

Este experimento recuerda en algunos aspectos al realizado en época por Martin Boraas de University of Wisconsin en Milwaukee. Él y sus colaboradores tomaron un alga (Chlorella vulgaris), que vive casi siempre como ser unicelular, y lo cultivaron aisladamente en el laboratorio durante 1000 generaciones. Después introdujeron un depredador unicelular flagelado (Ochromonas vallescia), que se alimentaba de ellas englobándolas de manera similar a como lo hacen las amebas. Al cabo de 200 generaciones las algas evolucionaron formando agregados de muchas células para así evitar ser comidas. Con el paso del tiempo el número de células que formaban el agregado de algas se estabilizó en 8 células, número que parece ser óptimo a la hora de evitar ser comidas. Una vez retiraron al depredador las algas continuaron viviendo como agregados (¿seres pluricelulares?) de 8 células. Quizás la aparición de seres de pluricelulares se debió a un mecanismo similar.

Como dice Lenski, en este tipo de estudios pasa lo mismo que ocurre en otros campos de la ciencia: responden a ciertas preguntas, pero hacen aparecer otras nuevas.

Fuentes y referencias:
- Notas de prensa.
- Vídeo con entrevista al investigador.
- Artículo original (resumen).
- Sobre la aparición de pluricelulares (pdf).