La Ciencia y sus Demonios

In Science we trust

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Nada en biología tiene sentido excepto a luz de la evolución

Theodosius Dobzhansky (1900-1975), genético ruso.

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Desde mi punto de vista, la pregunta que encabeza esta entrada no tiene sentido. Me explico, personalmente considero que la actividad científica no debe regirse por la aplicación práctica o potencial utilidad que puedan tener sus hallazgos. Para mí, el propio conocimiento es un fin en sí mismo, tiene valor propio, aprender es algo tan bueno y saludable como el deporte, una tarde de charla con los amigos o una buena lectura. Porque para mí el conocimiento es al mismo tiempo una fuente para el crecimiento personal, una cinta para ejercitar la actividad mental y algo divertido y entretenido.

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Es el placer de descubrir lo que convierte a la ciencia en algo que merece la pena. Sin embargo, hay mucha gente que no piensa así y que considera que algo solo vale la pena si otorga beneficios tangibles (capital, nuevas tecnologías, mejora de la salud humana, etc.). Otros van un poco más lejos, piensan que la ciencia en general es un gasto prescindible, al tiempo que consideran a los científicos como gente únicamente interesada en vaguear sobre sus poltronas (olvidando que a los equipos de investigación se les exigen requisitos marcados por la excelencia para obtener financiación). Y en el lugar más extremo tenemos a los movimientos marcadamente anticientíficos, que ven en los científicos a enviados del mal y en la evolución una herejía que solo ha aportado dolor y sufrimiento a la humanidad.

 Bueno, pues esta entrada solo pretende adentrarse en algo que va más allá del obvio placer que procura el descubrimiento, intentaré mostrar que incluso un tema que parece tan poco práctico como lo es el estudio de la evolución biológica, cuyas apariencias no parecen ir mucho más allá de contarnos como era el pasado y como este ha forjado lo que vemos hoy, tiene importantes implicaciones para el hiper-tecnológico humano moderno.

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Empecemos yendo directamente al grano. El estudio de la evolución es útil. Lo suficiente como para que distintos grupos de científicos forjaran una revista especializada en el tema, una revista de revisión por pares cuya meta es concentrar aquellos estudios enfocados en las utilidades y aplicaciones que tiene el estudio de la evolución biológica. Dicha revista, fundada en el año 2008, se llama «Evolutionary Applications» (“Aplicaciones evolutivas”) y en el momento de publicar esta entrada cuenta con un factor de impacto de 4,153. El factor de impacto es una medida que más o menos viene a decir que importancia tienen los artículos publicados en determinada revista sobre el mundo académico, siendo un factor superior a 4 un valor bastante alto para una revista especializada tan joven y no enfocada en exclusiva a la biomedicina. Además, se trata de una revista de acceso abierto, por lo que cualquier persona puede consultar sus artículos.

 ¿Qué tipos de artículos científicos puedes encontrar en «Evolutionary Applications»? Pues hay bastante diversidad aunque el foco de convergencia sea común. Por ejemplo, miremos el número publicado en julio de 2013 (enlace), que se correspondería con la revista número 5 del volumen 6. En un vistazo rápido se pueden ver artículos relacionados con la evolución de distintos tipos de plagas (insectos y “malas hierbas”), la gestión de pesquerías, así como la dinámica de alguna especie que está en recesión en su lugar de origen. Pero todo ello no es sino la punta del iceberg… En los siguientes siete apartados, veremos algunas de las utilidades de la biología evolutiva.

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1.- Biomedicina (I).

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Esta quizás pueda considerarse una de las ramas de la ciencia más importantes actualmente, ya que se centra en exclusiva en el ser humano y en todos aquellos factores que afectan a su más preciado bien: una vida sana. Este mundo está muy lejos de ser un paraíso, incluso ahora que hemos mejorado tanto las condiciones con respecto al Medievo: distintos virus, bacterias, protistas y otros parásitos siguen acechando, causando dolor, sufrimiento y muerte; existen cosas terribles como el cáncer y distintos tipos de enfermedades autoinmunes que son muy difíciles de afrontar; por si esto fuera poco seguimos teniendo accidentes, lesiones y otros daños físicos.

Por fortuna, varios de dichos males se pueden paliar de algún modo, incluso con la posibilidad de cura. Y en dicho proceso un factor muy importante es el buen conocimiento de nuestro cuerpo y de sus enemigos, jugando en este último caso un papel clave la biología evolutiva. Por ejemplo, hablemos de patógenos. Cuando Alexander Flemming publicó sus hallazgos sobre la penicilina allá por 1929 y este antibiótico tan natural (no olvidemos que después de todo es sintetizado por los hongos del género Penicillium, es su sistema para defenderse de sus bacterianos competidores) se popularizó, supuso una revolución que permitió que muchas infecciones bacterianas, mortales hasta entonces, remitiesen.

Hoy las cosas han cambiado. La penicilina original es casi inútil frente a la mayoría de bacterias patógenas. Y aunque desde los años 30 se han descubierto y fabricado muchísimos nuevos tipos de antibióticos, cada año es preciso actualizar el arsenal, ya que por desgracia todo nuevo antibiótico tiene fecha de caducidad. Esto sucede porque las bacterias no cesan de evolucionar. Gracias a su increíble capacidad para reproducirse y engendrar nuevas generaciones en cuestión de horas, en poco tiempo proliferan pequeños números de bacterias resistentes a los nuevos antibióticos. No pasará mucho tiempo hasta que esos números antes reducidos puedan ser contados por millones. Como colofón final, las bacterias resistentes pueden transferir dicha resistencia a bacterias no resistentes mediante múltiples vías.

Por culpa de tal capacidad evolutiva, mucho más elevada que la nuestra, prácticamente da igual que nuevo antibiótico sea creado, este solo nos permitirá ganar un poco más de tiempo en esta guerra contra los patógenos. Una guerra en la que por ahora estamos en tablas. El gran peligro que conllevan las legiones de bacterias resistentes radica en que nos podrían hacer retroceder siglos en calidad de vida y salud pública, es decir, volver a aquella época donde una septicemia derivada de una herida cualesquiera podía matarte. Ni hablar entonces de intervenciones quirúrgicas. Por ello es fundamental no abusar de los antibióticos y solo deben usarse bajo prescripción médica. Visto este panorama, no sería de extrañar que un gran número de grupos de investigación hayan centrado su atención en este asunto. A continuación presento unos pocos ejemplos, aunque en google académico (pulsar aquí) se puede encontrar un millón más:

• Davies, J. 1994. Inactivation of antibiotics and the dissemination of resistance genes. Science 294 (5157): 375-382. Artículo disponible aquí en pdf.

• Levin, B. R. et. al. 2000. Compensatory Mutations, Antibiotic Resistance and the Population Genetics of Adaptive Evolution in Bacteria. Genetics 154 (3): 985-997. Artículo disponible aquí en pdf.

• Davies, J. & Davies, D. 2010. Origins and Evolution of Antibiotic Resistance. Microbiology and Molecular Biology Reviews 74 (3): 417-433. Artículo disponible aquí en pdf.

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Decía el filósofo y militar chino Sun Tzu en su libro “El Arte de la Guerra” algo así como “conócete a ti mismo y conoce a tu enemigo y en cien batallas no correrás peligro”. Lo cual en biomedicina tiene todo el sentido del mundo. Para hacer frente a los patógenos y a su capacidad evolutiva, es preciso estudiarlos a fondo y escudriñar sus estrategias. La primera fase es profundizar en el conocimiento de la evolución de la resistencia bacteriana, desde sus orígenes en forma de mutaciones fortuitas hasta el asentamiento de la resistencia gracias a la llamada selección natural (ver enlace); este buen entendimiento podría permitir incluso predecir cómo y dónde van a aparecer las siguientes resistencias (ver enlace), lo que de tener éxito, permitiría a nuestra especie adelantarse a los movimientos de sus enemigos.

Con esta información sobre la mesa, es posible empezar a pensar en cómo combatir a las resistencias bacterianas. Por ejemplo, en la ya mentada «Evolutionary Applications» puede encontrarse un artículo que apuesta por combatir la aparición de resistencias creando terapias que combinarían antibióticos con bacteriófagos (virus especializados en consumir y destruir bacterias), la razón es interesante: resistir al antibiótico supone un estrés para la bacteria, en consecuencia, en presencia de antibióticos la bacteria es más débil de lo habitual y más vulnerable al ataque vírico (ver enlace). En «La Ciencia y sus Demonios» este tema no es nuevo, ha sido tratado en esta entrada y en esta otra entrada.

Una estrategia alternativa, esta vez publicada en la revista científica «PLOS Biology», ofrece otro modo de combatir la aparición de resistencias. Esta estrategia seguramente sorprendería al creacionista medio: inhibir la capacidad de mutación de la bacteria; es decir, impedir que puedan mutar. Sorprendente por un lado, en realidad es algo de cajón desde un punto de vista evolutivo: si se lograra impedir que las bacterias patógenas mutasen, se destruiría su principal medio para adquirir aquellos cambios que les permitirían evolucionar hacia la aparición de la resistencia (ver enlace). De todos modos, estos trabajos son pequeñas luces de esperanza enfrentadas a un oscuro futuro, la batalla aún continua y son precisos muchos más estudios.

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2.- Biomedicina (y II).

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La aparición de las resistencias bacterianas no es el único campo de la biomedicina donde el estudio de la evolución de los seres vivos tiene algo que decir, otro importante ejemplo es la infatigable lucha contra el cáncer, tema también tratado por este blog (ver esta entrada). Temible enfermedad y una de las pesadillas de nuestro mundo, actualmente el cáncer es entendido como un anómalo comportamiento de células pertenecientes a nuestro propio cuerpo, donde mutaciones mediante, dejan de estar sometidas a las restricciones que controlan su crecimiento y multiplicación. Libres de tales restricciones, las células pre-cancerosas crecen y se multiplican de forma descontrolada. El organismo cuenta con mecanismos para destruir a este tipo de células, pero el verdadero desencadenamiento del cáncer comienza cuando mediante procesos de mutación y selección dichas células logran saltarse todas y cada una de dichas barreras defensivas.

Estos mismos procesos de mutación y selección son también los causantes de que las células cancerosas se vuelvan resistentes a la quimioterapia. En cierto modo, se comportan de un modo similar a las bacterias resistentes, pero con una salvedad cruel y fatídica para nosotros: una bacteria es lo suficientemente diferente de nosotros como para que existan compuestos mortales para ellas y poco nocivos para nosotros. Por el contrario, las células cancerosas son células de nuestro propio cuerpo; por lo ello aquellos compuestos que las dañan también nos dañan a nosotros. Por esa razón la quimioterapia, eficiente contra algunos cánceres, es un tratamiento tan agresivo.

Son esos procesos de mutación y selección los que hacen del cáncer una enfermedad que puede entenderse desde un prisma evolutivo: cada vez que las células cancerosas se multiplican mutan y, tal y como sucede con las bacterias y sus resistencias, cada nueva mutación es una oportunidad para sobrepasar una nueva línea de defensa del organismo o para ganar resistencia al tratamiento ofrecido. Por ello pueden encontrarse estudios enfocados sobre la visión del cáncer desde una perspectiva evolutiva, cuyo objetivo es ofrecer nuevas vías para entender y combatir esta enfermedad:

• Vineis, P. 2003. Cancer as an evolutionary process at the cell level: an epidemiological perspective. Carcinogenesis 24 (1): 1-6. Artículo de acceso libre.

• Crespi, B. & Summers, K. 2005. Evolutionary biology of cancer. Trends in Ecology & Evolution 20 (10): 545-552. Disponible aquí en pdf.

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.Este tipo de estudios suponen un avance, porque al igual que el entender la evolución de las resistencias en las bacterias patógenas ayuda a combatirlas de forma más eficiente, una comprensión más profunda del funcionamiento evolutivo del cáncer como enfermedad es lo que nos ayudaría a combatirlo con mayor eficacia. En ese sentido, la revista «Evolutionary Applications» dedica un monográfico al tema, «Evolutionary Applications – Special Issue: Evolution and Cancer» (ver enlace), que agrupa distintos artículos centrados en cómo el cáncer se origina y evoluciona en el interior de nuestro cuerpo. Este enfoque permite a los científicos centrarse en “varios de los retos más prometedores y las perspectivas de futuro en el sentido de la investigación interdisciplinaria en la guerra contra el cáncer”.

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3.- Gestión, control y manejo de plagas.

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No puede negarse que, desde el mero punto de vista de interés económico y producción de alimentos, las plagas en sus diversos aspectos son un enorme problema: compiten con nuestros cultivos o bien directamente los devoran, los enferman y/o reducen su producción. Solamente los invertebrados (principalmente insectos, caracoles y unos gusanos llamados nematodos) suponían hace siete años pérdidas anuales de 14 mil millones de dólares únicamente en los Estados Unidos; mientras que las llamadas “malas hierbas” cuestan en ese mismo país anualmente sobre 37 mil millones de dólares.

Por ello también se invierten recursos en investigar cómo combatir eficientemente dichas plagas, lo cual implica también conocer cómo evolucionan. De hecho en el pasado número de julio 2013 (volumen 6 número 5) de «Evolutionary Applications» dedica algunos artículos al tema, como:

• Kirk, H. et al. 2013. Molecular genetics and genomics generate new insights into invertebrate pest invasions. Evolutionary Applications 6 (5): 842-856.

• Okada, M. et al. 2013. Evolution and spread of glyphosate resistance in Conyza canadensis in California. Evolutionary Applications 6 (5): 761-777.

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Los argumentos esgrimidos son los siguientes: en Estados Unidos (como en otros muchos países) la globalización y el cambio climático pueden permitir la llegada de nuevas plagas a los campos de cultivo, estos factores también pueden cambiar el comportamiento de las plagas ya existentes. Porque las plagas no son entidades estáticas: cambian con el tiempo, se adaptan a nuevos climas y las nuevas generaciones podrían atacar a plantas que no atacaban sus ancestros.

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Este último fenómeno, el salto de una especie a otra, ha sido posible de observar en laboratorio. El escarabajo Callosobruchus maculatus (F.) es un especialista en devorar semillas de legumbres silvestres, pero tiene muchas dificultades con la lenteja cultivada: si se crian las larvas de este escarabajo con semillas de lenteja solo sobreviven entre un 0 y un 2% de todas ellas. Sin embargo, los científicos utilizaron a los supervivientes (por pocos que fuesen) como reproductores para las nuevas generaciones. El resultado fue sorprendente, en solo cinco generaciones las larvas podían desarrollarse sobre semillas de lenteja con una supervivencia del 65%; y sobrepasaron el 85% de supervivencia en poco más de 20 generaciones. Este experimento demuestra claramente que se necesita poco tiempo para que una especie animal pueda convertirse en una nueva plaga para un cultivo determinado. Para ampliar esta información:

• Messina, F. J. et al. 2009. An experimentally induced host shift in a seed beetle. Entomologia Experimentalis et Applicata 132 (1): 39–49. Artículo disponible aquí en pdf.

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Pero no solo existen estos problemas. En las plagas también evolucionan las resistencias frente a los llamados pesticidas. Por ejemplo, en Estados Unidos una hierba conocida por el nombre de Conyza canadensis (L.) Cronquist, en base a distintas mutaciones y eventos de selección, ha logrado desarrollar resistencia a un importante herbicida llamado glifosato, por lo que su uso es un acto inútil frente esta planta. En ese sentido, al igual que sucede con las bacterias, el entendimiento de la evolución de la resistencia a los herbicidas podría posibilitar la realización de programas de control de “malas hierbas” más eficientes, dichos programas deberían de reducir en lo posible la aparición de nuevas resistencias y además controlar las poblaciones de plantas resistentes ya presentes (ver enlace).

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4.- Mejorando lo presente: la súper-domesticación.

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La evolución no solo permite que las entidades enemigas de los intereses de la humanidad desarrollen nuevas defensas ante cada ataque que les lanzamos. También ha permitido la aparición de la civilización tal y como la conocemos. A lo tonto, el ser humano ha estado usando los principios de la evolución biológica desde hace alrededor de trece mil años sin darse cuenta. Se trata de la domesticación, el proceso por el cual seres antes silvestres han sido convertidos en criaturas que no pueden sobrevivir sin el Homo sapiens, ya que este primate bípedo lampiño tiene gran interés en los productos que ofrecen dichas criaturas. La domesticación es un tema que ha sido tratado ampliamente en la serie «El Huerto Evolutivo», por lo que únicamente se hablará ligeramente de él en este apartado.

En lo que respecta a la agricultura, hay datos que hacen sospechar que fue inventada de forma independiente hasta nueve veces por varias civilizaciones (o preámbulos de civilizaciones) distintas: Creciente Fértil (Oriente Medio y Próximo), China, Mesoamérica, Andes/Amazonia, este de los Estados Unidos, Sahel (África), oeste de África, Etiopía y la isla de Nueva Guinea en Oceanía; cubriendo un lapso temporal de trece mil a siete mil años. Tal proceso ha cambiado mucho a las especies vegetales sometidas bajo domesticación: han pasado de producir frutos pequeños a frutos grandes, de sabor amargo a sabor dulce, de productivas a extraordinariamente productivas, de difíciles de cosechar a fáciles de cosechar, de estar adaptadas a climas cálidos a ser capaces de sobrevivir en climas fríos (y viceversa), e incluso se han generado nuevas especies previamente inexistentes en la naturaleza.

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En el caso de la ganadería, los pollos y gallinas han sido seleccionados para ser más grandes que su contraparte silvestre, las vacas y toros son más pequeños que su ahora extinto ancestro el uro euroasiático (Bos primigenius), las ovejas han perdido los pelos rizados exteriores (el kemp) y mantenido y desarrollado sus suaves pelos interiores (la lana). Y quizás una de las facetas más curiosas de la domesticación animal es el atontamiento de tales bichos: por lo general los animales domésticos tienen cerebros más pequeños y órganos de los sentidos mucho menos agudos que los de su contraparte silvestre; para algunos científicos esto es resultado de la carencia de selección de órganos agudos una vez el ser humano toma el papel de protector; personalmente veo otra posible faceta: interesa que el ganado sea tonto, después de todo al pastor no le interesa un ganado “capaz de pensar” y si uno que sea dócil y fácilmente manipulable.

De cara al futuro, ahora que los efectos de miles de años de domesticación son más que patentes una vez se compara al ser doméstico con su progenitor silvestre, existen otras vías por las que interesan conocer los eventos que han influido en la adquisición de los caracteres que observamos hoy en los seres domésticos. Por ejemplo, hay grandes expectativas de conocer como ha sido eliminado el amargo sabor de ciertos frutos, con objeto de quizás posibilitar la eliminación de dicho sabor en plantas hoy silvestres que tal vez puedan ser aprovechadas. También podría permitir aumentar la productividad, algo importante en un mundo cada vez más lleno de personas y con márgenes cada vez más estrechos para amortiguar un lapso temporal de mala productividad de alimentos.

Igualmente, la biología está entrando en una nueva era donde es posible entender la influencia de la genética sobre los cultivos, con el desarrollo de nuevas tecnologías para la mejora vegetal. En ese sentido, se entiende por «súper-domesticación» a aquellos eventos de modificación que no pueden realizarse sin el uso de estas tecnologías. Las cuales permiten la creación de plantas con nuevas capacidades de resistencia frente a plagas o frente a condiciones extremas (elevadas o muy bajas temperaturas, exceso o carencia de agua, suelos salobres, etc.); información presente en muchos casos en forma de genes de su contraparte silvestre, que se han perdido en las versiones domésticas a causa de la selección impuesta por la domesticación.

Para ampliar información, se puede contar con los siguientes enlaces:

• Diamond, J. 2002. Evolution, consequences and future of plant and animal domestication. Nature 418: 700-707. Disponible aquí y acá en formato pdf.

• Vaughan, D. A. 2007. From Crop Domestication to Super-domestication. Annals of Botany 100 (5): 893-901. Artículo de acceso libre.

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5.- Gestión de recursos naturales: pesquerías.

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La cosa no solo va de biomedicina, plagas o su opuesto, la mejora (desde nuestro antropocentrista punto de vista) de los seres que hemos domesticado. También va de aprovechamiento de recursos naturales y de su gestión. Por ejemplo, los recursos pesqueros. Sin ir más lejos y publicado este verano en «Evolutionary Applications»:

• Pukk, L. et al. 2013. Genetic and life-history changes associated with fisheries-induced population collapse. Evolutionary Applications 6 (5): 749-760.

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En este caso particular, la perca europea (Perca fluviatilis Linnaeus, 1758) ha sido muy explotada en el Mar Báltico. Como consecuencia su estado no pinta demasiado bien, una fuerza selectiva como la pesca intensiva durante más de veinte años ha provocado que los peces sean por término medio más pequeños y de maduración más temprana. Aunque por fortuna la especie no parece haber llegado al colapso (gracias a la inmigración de nuevas percas desde otras áreas), según los autores se hace preciso la comprensión de cómo funciona la evolución a nivel de poblaciones: intercambio genético, presión selectiva y riqueza genética de la especie; con el fin de garantizar una pesca sostenible.

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También es posible hablar de pasta gansa: la gestión pesquera realizada hasta ahora puede provocar que la productividad y efectividad de la pesca sea cada vez menor. Explicado de una forma sencilla, el asunto vendría a ser un “efecto domesticación” a la inversa: los primates lampiños conocidos como humanos han domesticado gran número de especies animales y vegetales, durante este proceso siempre se han dejado a los animales que producen más cantidad de recursos (carne, leche o lana) y a las plantas más productivas (que dan mayores cantidades de grano o frutos más grandes y sabrosos) como reproductores, de modo que generación tras generación se han logrado animales y plantas más y más productivos.

Con la actividad pesquera pasa justo lo contrario: se pescan los especímenes más grandes, aplicándose además campañas de prohibición de captura de peces pequeños. Como consecuencia, tras años de presión pesquera en contra de los animales de mayor tamaño y edad, se ofrece una selección positiva a favor de aquellos que logran madurar a edades más tempranas y a tamaños más pequeños (ya que son estos jóvenes enanos los que quedan para reproducirse antes de la próxima campaña). En consecuencia, tras varias generaciones de jóvenes y pequeños supervivientes (a la hora de reproducirse), las distintas especies de interés pesquero son por término medio más pequeñas y de maduración más temprana que sus ancestros. Este fenómeno podría traducirse al castellano como «evolución inducida por la pesca» o como «evolución pesquera inducida» (en inglés «fisheries-induced evolution»).

Otros autores argumentan que el efecto de la «evolución pesquera inducida» no tiene porque ser precisamente malo económicamente, siempre y cuando se apliquen modelos de gestión pesquera que tengan en cuenta la capacidad de la especie para amortiguar tal presión y evolucionar para compensar rápidamente las pérdidas producidas por la pesca; por lo que con una velocidad de crecimiento y maduración lo suficientemente rápidas, debería de ser posible una pesca donde los animales extraídos se compensen con los nuevos peces producidos. Dicho en una sola palabra: equilibrio.

En ese sentido, los estudios enfocados sobre la capacidad de los peces para soportar la presión pesquera y de evolucionar rápidamente como mecanismo de defensa, son cruciales para encontrar ese punto óptimo que permita la pesca de determinadas especies de forma sostenible, para no llevarlas al colapso. Para más información, pueden leerse sendos artículos científicos:

• Eikeset, A. M. et al. 2013. Economic repercussions of fisheries-induced evolution. PNAS 110 (30): 12259-12264. Artículo de acceso libre.

• Kuparinen, A. & Hutchings, J. A. 2012. Consequences of fisheries-induced evolution for population productivity and recovery potential. Proceedings of the Royal Society B 279 (1738): 2571-2579. Artículo de acceso libre.

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6.- Nuevos compuestos: evolución artificial.

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El matemático y astrofísico inglés Fred Hoyle (1915 – 2001) es una reconocida figura de la astrofísica, recibió el premio Nobel por sus contribuciones al descubrimiento de los pulsares y también es uno de los padres de la «nucleosíntesis», el modelo que explica el origen de todos los elementos químicos como fruto de reacciones nucleares ocurridas en el corazón de las estrellas. También fue una persona muy controvertida aún en campos de la ciencia bastante alejados al suyo: no consideraba al Big Bang un modelo serio; no consideraba que el petróleo pudiese originarse desde materia orgánica; veía al Archaeopteryx como un fake y finalmente consideraba que en la vida no pudo haberse originado en la Tierra sino que tuvo que venir obligatoriamente desde el espacio. De esta última postura viene su famosa frase:

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“La probabilidad de que formas de vida superior pudieran haber emergido de esta manera es comparable a la probabilidad de que un tornado pasando sobre un montón de chatarra arme un Boeing 747 en base a los materiales encontrados allí”

Fred Hoyle & Chandra Wickramasinghe. 1982/1984. Evolution from Space.

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Si saco a colación a esta extravagante frase de Hoyle es porque en este apartado se hablará de números muy grandes. Para desgracia de su autor, dicha frase se ha convertido en un vituperio con el que se le recordará en la posteridad, actualmente se la conoce como «la falacia de Hoyle». Tal expresión deriva de un cálculo realizado por dicho autor, según el cual, las probabilidades de que por azar se formaran todas las proteínas de un ser vivo (cogiendo los aminoácidos aleatoriamente y uniéndolos a ciegas) serían como mínimo de 10^40.000, es decir, un uno seguido de 40.000 ceros, un número tan inmenso como inimaginable, muchísimo mayor que un googol.

Claro que dicha frase levantó polvareda, una de las críticas apunta a un fallo en la lógica de Hoyle: vale, le aceptamos que la vida no pudo originarse en la Tierra porque las probabilidades son ínfimas, pero entonces… ¿qué hacemos con dichas probabilidades en el lugar donde originalmente se forjó la vida?

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Esa sería la crítica de aquel que le gusta hurgar en las auto-contradicciones. Mas hay otra crítica bastante más seria: una errónea visión el funcionamiento de la química y la evolución. Las moléculas no funcionan por estricto azar, siguen una serie de reglas y patrones ante distintas situaciones, por lo que aunque el origen de la vida sigue siendo un misterio, las moléculas que componen la vida seguramente solo precisan de las condiciones adecuadas para ensamblarse. Aunque este es un  tema peliagudo por ahora.

En cambio, la evolución no funciona por mero y exclusivo azar. Hablemos de números grandes. Por ejemplo, una pequeña proteína de tan solo 100 aminoácidos y cuya secuencia le permite una función concreta. Si quisiésemos fabricar de novo una proteína de 100 aminoácidos con la misma función, cogiendo a ciegas los aminoácidos y pegándolos uno tras otro para formar dicha proteína, tendríamos 20¹⁰⁰ combinaciones posibles. En consecuencia, las probabilidades de obtener por azar nuestra secuencia objetivo es de un uno seguido de 130 ceros, un número que supera al total estimado de átomos presentes en todo el Universo.

Dicho número es un número tan inmensamente grande que resultaría imposible crear de novo proteínas útiles, previamente inexistentes en la naturaleza, si se experimentara combinando aminoácidos exclusivamente mediante el azar. De hacerlo así, para fabricar una proteína de 100 aminoácidos con una función ideal x empleando únicamente el azar, las probabilidades de lograrlo en cada intento serían muy inferiores a una entre un trillón de trillones. Por ello los científicos deben echar mano de los mecanismos evolutivos para conseguir nuevas proteínas de funciones interesantes: mutación y selección. Tomándose una serie de secuencias genéticas al azar, alguna engendrará alguna proteína cuya función sea parecida a la buscada (aunque muy débil e ineficientemente); esta secuencia se utilizará como base para generar nuevas secuencias asociadas a nuevas proteínas, entre las cuáles debe de haber alguna que realice la función buscada de forma ligeramente más eficiente. Repitiendo este proceso indefinidas veces, generación tras generación, se irán obteniendo proteínas más y más cercanas al objetivo deseado.

Adicionalmente, dada la inmensa cantidad de nuevas secuencias posibles, muchos científicos piensan que la naturaleza solo ha explorado una fracción infinitesimal de todas las proteínas posibles, es más, la naturaleza solo se ha permitido la existencia de proteínas con importancia biológica; con lo cual esta rama de la biotecnología abre un campo de posibilidades nunca imaginadas. Curiosamente, aunque esto es algo que sorprendería a un creacionista más que a alguien que entienda como funciona más o menos la evolución, una de las técnicas empleadas para optimizar el ritmo de creación de nuevas proteínas es incrementando de la tasa de mutación, ya que al aumentar el ritmo de introducción de cambios, también aumentan las probabilidades de crear proteínas con nuevas funciones. En cualquier caso, para los científicos las proteínas son entidades “remarcadamente evolucionables”.

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Para los científicos no hay ninguna duda de que la «evolución dirigida» o «evolución artificial», que aplica directa y desvergonzadamente los mismos principios que rigen la evolución biológica, aunque se oriente desde los laboratorios, es uno de los métodos más eficaces y fiables de cara a la ingeniería y fabricación de nuevas proteínas útiles para casi cualquier cosa. Sí, se llama «evolución dirigida», pero es porque la enfocamos hacia la búsqueda de funciones predeterminadas, en realidad sus bases son exactamente las mismas que las observadas en el medio natural: mutación y selección.

Nada de esto es invención, este tipo de trabajos ha dado grandes frutos y a veces de naturaleza bastante insospechada. Gracias a estas técnicas se han creado nuevas proteínas fluorescentes, que ahora resultan imprescindibles en todo tipo de investigaciones biomédicas (biología del desarrollo, enfermedades autoinmunes, cáncer, SIDA, etc.); se han podido modificar ciertas enzimas, como algunas «lipasas» o el «citocromo P450», las cuales tienen un gran interés desde el punto de vista de la química orgánica, la biorremediación (eliminación de contaminantes empleando elementos orgánicos), la síntesis de nuevos polímeros (que incluyen desde plásticos hasta fibras sintéticas) y la creación de herramientas de diagnóstico médico e incluso medicinas.

La industria también ha mostrado un enorme interés en esta rama de la biotecnología. Actualmente las «enzimas industriales» (proteínas modificadas mediante «evolución dirigida» con objeto de usarse en la industria) suponen más de 500 compuestos cubriendo alrededor de 50 aplicaciones, desde la elaboración de detergentes hasta cerveza, de modo que ahora dichas enzimas son un elemento indispensable de muchas reacciones químicas realizadas en la industria. Se ha calculado que en el año 2000 estas enzimas movían un valor anual de 1.500 millones de dólares americanos, siendo aplicadas en tres segmentos industriales: 65% para fabricación de distintos compuestos, incluyendo producción de detergentes, textiles, cuero, fabricación de papel y almidones; 25% para alimentación, incluyendo bebidas alcohólicas, aceites e industria panadera; finalmente el 10% se destinaba al engorde de animales.

Creo que sobrarían palabras para decir que la aplicación directa de la evolución es algo más que útil para la mujer y el hombre modernos: mueve mucho dinero y se aplica en tecnologías que usamos día sí y día también en nuestra vida cotidiana. Para ampliar un poco más (y así de paso pongo algo de bibliografía al respecto):

• Cherry, J. R. & Findantsef, A. L. 2003. Directed evolution of industrial enzymes: an update. Current Opinion in Biotechnology 14 (4): 438–443. Disponible aquí en pdf.

• Romero, P. A. & Arnold, F. H. 2009. Exploring protein fitness landscapes by directed evolution. Nature Reviews Molecular Cell Biology 10: 866-876. Artículo disponible aquí y acá en pdf.

• Brustad, E. . & Arnold, F. H. 2011. Optimizing non-natural protein function with directed evolution. Current Opinion in Chemical Biology 15 (2): 201–210. Disponible aquí en pdf.

• Dalby, P. A. 2011. Strategy and success for the directed evolution of enzymes. Current Opinion in Structural Biology 21 (4): 473–480. Disponible aquí en pdf.

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7.- Computación, diseño y robótica.

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Por si acaso todo lo anterior no fuera suficiente, la evolución biológica ha sido aplicada en un área que no está directamente relacionada con la biología ni con los seres vivos: la tecnología pura y dura, la ciencia de la computación, así como dos ramas básicas e íntimamente ligadas a ella: el diseño y la robótica. Desde aquí quiero indicar una cosa: no estoy muy curtido en este tema, por ello si cometo algún error, por favor, hacédmelo saber y gustosamente lo corregiré ¡Gracias!

 En el sentido de la tecnología pura y dura, la aplicación de la biología evolutiva ha dado lugar a la llamada «computación evolutiva»  (del inglés «Computational Evolution», basada en el uso de los llamados «algoritmos evolutivos»  (del inglés «Evolutionary Algorithms», EAs). Los «algoritmos evolutivos» vendrían a ser un conjunto de reglas matemáticas cuyo objetivo es la búsqueda de soluciones a un problema concreto, aplicando para ello las reglas del cambio heredable (imitando a la mutación o a la reproducción sexual) y la selección natural (en este enlace hay algo más de información).

 Simplificando, creo que se podría decir que la «computación evolutiva» se basa en la elaboración de software (programas de ordenador, por decirlo de algún modo) cuya meta es la búsqueda de soluciones a problemas concretos. En uno de tales programas coexisten varios subprogramas que proponen soluciones distintas al problema a resolver; de todas ellas el programa seleccionará el subprograma que ofrece la solución más óptima de todas las presentadas. A continuación, el programa elimina todos los subprogramas excepto aquel que ha ofrecido la solución más óptima, este subprograma “superviviente” será el copiado por el programa principal pero con ligeras variantes, copias imperfectas de ese mismo subprograma. Luego cada una de dichas copias ofrecerá una solución al mismo problema, se volverá a seleccionar al subprograma que ofrece la solución más óptima y vuelta a empezar. El objetivo es que tras varias generaciones se ofrezcan soluciones cada vez más perfectas a un problema concreto y determinado.

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Por ejemplo, se puede pretender un vehículo que pueda superar distintos obstáculos en un entorno simulado. El programa puede generar los más dispares vehículos imaginables en una tanda que podría considerarse la generación 0. De todos los vehículos generados aleatoriamente, el más eficiente (con mejor puntuación) sería seleccionado como base a modificar para generar nuevos vehículos. De modo que de forma automatizada, en una centena de generaciones pueden generarse vehículos muy eficientes que partieron de un modelo original generado aleatoriamente y poco eficiente. Este es la base de un pequeño juego de ordenador llamado BoxCar2D (que podéis ver en este enlace).

El humilde simulador BoxCar2D también permite observar un par de fenómenos habituales de la evolución biológica y cuya consecuencia es fruto lógico de la ausencia de un «diseñador»:

• 1.- Tras varias generaciones los vehículos llegan a un «diseño» que muy raramente logra batir el record alcanzado. Se podría decir que han alcanzado el máximo de eficiencia posible de lograr.

• 2.- Sin embargo, reiniciando esa misma partida de nuevo, es posible generar vehículos cuyo «diseño» supera con mucho el record alcanzado anteriormente; dichos vehículos también tienen un «diseño» distinto al anteriormente mencionado.

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Esto sucede porque la evolución no predice el futuro y los nuevos seres se basan en sus ancestros. Por ello, en términos evolutivos un insecto nunca podrá alcanzar el máximo tamaño de los mamíferos y los mamíferos el tamaño mínimo de los insectos; ambos grupos animales están limitados por su «diseño» y su evolución solo actuará desde tal base. En este mismo simulador también puede ocurrir otro fenómeno observado en el mundo natural: se generan «diseños» similares pero de origen muy distinto. En biología este fenómeno se llama convergencia evolutiva.

Sin duda este simulador parece un juego. Y lo es. Pero en el mundo real se han empleado estas técnicas para mejorar el diseño de coches de fórmula uno, mejoras que han resultado eficientes al menos en las simulaciones. Bien mediante la mejora del diseño aerodinámico del vehículo o bien modificaciones más generales como la suspensión, la posición de las ruedas, el peso del vehículo, limitaciones a las revoluciones o el peso del combustible, entre otras. Cabría por ver si estos diseños son igualmente funcionales en el mundo real. Aunque no solo fórmula uno, la computación evolutiva se está utilizando para mejorar los vehículos en ámbitos menos especializados:

• Sun, S.  2009. Airfoil Shape Optimization for a Formula One Car Front Wing Using Multi-Objective Genetic Algorithm. Royal Melbourne Institute of Technology. Artículo de acceso libre.

• Wloch, K. & Bentley, P. J. 2004. Optimising the Performance of a Formula One Car Using a Genetic Algorithm. Parallel Problem Solving from Nature – PPSN VIII. Lecture Notes in Computer Science 3242: 702-711. Artículo disponible aquí y acá en pdf.

• Baumal, A. E. et al. 1998. Application of genetic algorithms to the design optimization of an active vehicle suspension system. Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering 163 (1–4): 87–94. Artículo disponible aquí en pdf.

• Castillo, J. J. et al. 2013. Optimal Design of Motorcycle Rear Suspension Systems Using Genetic Algorithms. New Trends in Mechanism and Machine Science, Mechanisms and Machine Science 7: 181-189.

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Tampoco puedo olvidar al viejo programa de ordenador llamado “Weasel” (comadreja), creado originalmente por Richard Dawkins como contra-argumento a la falacia de considerar la evolución como una entidad completamente aleatoria, algo así como «un mono con una máquina de escribir intentando redactar Hamlet«. Dicho programa no pretende ser un simulador de la evolución biológica, sino más bien una demostración bastante simple de como el cambio aleatorio sumado a la selección no aleatoria puede generar construcciones complejas. Dicho programa también está disponible en internet, de hecho lo puedes disfrutar en este enlace. En dicho programa escribes una frase determinada y el objetivo del programa es, mediante la generación aleatoria de letras, seleccionar el conjunto de letras y dígitos más similar a tu frase previamente escrita, siendo este conjunto de letras la progenitora de conjuntos de letras y dígitos similares pero ligeramente modificados. Generación tras generación, el programa logra escribir la frase que Vd. escribió originalmente. Y dicho sea de paso, esto es algo más difícil de lograr (aunque automatizado y veloz gracias a la capacidad de procesamiento de datos de los computadores) que sintetizar de novo una proteína con una función determinada.

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Sin embargo, el potencial de aplicación directa de estas técnicas es inmenso: diseño automatizado de software; diseño automatizado de equipamiento industrial; mejora de la bioinformática (lectura de secuencias de DNA, RNA, etc); aplicación en el estudio del movimiento de fluidos, la climatología o de partículas a nivel atómico; creación de programas informáticos con capacidad de auto-aprendizaje y con ello avances de la llamada inteligencia artificial; optimización de los sistemas de telecomunicaciones; optimización de la regulación del tráfico; gestión de horarios y optimización del trabajo; diseño industrial de automóviles; e incluso diseño de reactores nucleares (aquí en castellano, aquí noticia original); etc. En realidad esta es una lista corta y resumida, en los siguientes enlaces: pulsar aquí o pulsar acá; pueden encontrar muchas más utilidades de esta tecnología.

Pero sin duda, una de las ramificaciones más interesantes de la «computación evolutiva» es su aplicación en la robótica, esa rama de la ciencia dedicada al diseño, construcción, operación, disposición estructural, manufactura y aplicación de robots, esas máquinas cuyo funcionamiento automatizado está destinado a un fin concreto. Por ejemplo, una división del Departamento de Ingeniería Mecánica de la Universidad Cornell (Estados Unidos) cuenta con el llamado Cornell Creative Machines Lab (enlace totalmente recomendado), el cual aplica la «computación evolutiva» para el diseño de nuevas máquinas y robots; entre otras cosas la «computación evolutiva» les permite mejorar la locomoción de sus máquinas en las tres dimensiones del espacio, diseñar nuevas posibilidades para aprovechar la energía eólica, la creación de máquinas formadas por múltiples piezas con posibilidad de autoensamblaje e incluso están estudiando como fabricar máquinas con posibilidad de auto-replicación.

Y para profundizar un poco más:

• Banzhaf, W. et al. 2006. From artificial evolution to computational evolution: a research agenda. Nature Reviews Genetics 7: 729-735. Disponible aquí y acá en pdf.

• Bongard, J. C. 2013. Evolutionary Robotics. Communications of the ACM 56 (8): 74-83. Artículo de acceso libre (muy interesante).

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Para terminar y en relación directa con este tema, entre el 23 y el 25 de abril del año 2014 se celebrará en Granada (España) el congreso científico-técnico EvoStar (ver enlace aquí), un compedio de cinco congresos de carácter técnico y científico, celebrados simultáneamente y dedicados a la «computación evolutiva» y sus aplicaciones. Dicho congreso será coordinado gracias al «Granada Excellence Network of Innovation Laboratories» (GENIL) (enlace) de la Universidad de Granada (UGR) (enlace). En el programa de dicho congreso se puede apreciar el gran número de potenciales aplicaciones de esta rama de la investigación científica basada en los fundamentos de la evolución biológica (ver enlace). Después de lo visto… ¿queda alguien que siga pensando que la biología evolutiva no sirve para nada?

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Y aquí lo dejamos. Espero que hayáis disfrutado con esta entrada y que al menos, pueda haber demostrado que la biología evolutiva va más allá de explicar nuestros orígenes y la biodiversidad planetaria; sino que también es un campo muy fructífero desde el punto de vista de sus aplicaciones directas y utilidades con respecto a la vida humana. La biología evolutiva hoy día es fundamental para el entendimiento de las resistencias de plagas y enfermedades, para la comprensión del cáncer, ayuda notoriamente a la mejora de los productos agrícolas y gestión de recursos naturales; sin olvidar la síntesis de nuevas proteínas de interés industrial y su aplicación directa en la robótica y computación. Es un campo bien abonado que, como en todo, ¡precisa de más estudios!

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Recomendación: ¿Para qué sirve la teoría de la evolución? – Artículo publicado por Manuel en el blog “Un planeta con canas”.

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BONUS TRACK. Computación evolutiva, más allá de la robótica.