La teoría de la variación facilitada demuestra cómo sistemas biológicos aparentemente complejos pueden surgir a través de un número limitado de cambios genéticos reguladores, mediante la reutilización diferencial de componentes de desarrollo preexistentes. [1] [2] La teoría fue presentada en 2005 por Marc W. Kirschner (profesor y presidente del Departamento de Biología de Sistemas de la Facultad de Medicina de Harvard ) y John C. Gerhart (profesor de la Escuela de Graduados de la Universidad de California, Berkeley ).
La teoría de la variación facilitada aborda la naturaleza y la función de la variación fenotípica en la evolución . Los avances recientes en la biología del desarrollo celular y evolutivo arrojan luz sobre una serie de mecanismos para generar novedad. La mayoría de los rasgos anatómicos y fisiológicos que han evolucionado desde el Cámbrico son, según Kirschner y Gerhart, el resultado de cambios regulatorios en el uso de varios componentes centrales conservados que funcionan en el desarrollo y la fisiología. [2] Los rasgos nuevos surgen como paquetes nuevos de componentes centrales modulares, lo que requiere un cambio genético modesto en los elementos reguladores. La modularidad y adaptabilidad de los sistemas de desarrollo reduce el número de cambios regulatorios necesarios para generar variación fenotípica adaptativa, aumenta la probabilidad de que la mutación genética sea viable y permite a los organismos responder de manera flexible a entornos nuevos. De esta manera, los procesos centrales conservados facilitan la generación de variación fenotípica adaptativa, que la selección natural propaga posteriormente. [1] [2]
La teoría de la variación facilitada consta de varios elementos. [1] [2] Los organismos se construyen a partir de un conjunto de módulos altamente conservados llamados "procesos centrales" que funcionan en el desarrollo y la fisiología, y han permanecido prácticamente inalterados durante millones (en algunos casos, miles de millones) de años. La mutación genética conduce a cambios regulatorios en el paquete de componentes centrales (es decir, nuevas combinaciones, cantidades y estados funcionales de esos componentes) exhibidos por un organismo. Finalmente, las combinaciones, cantidades y estados alterados de los componentes conservados funcionan para desarrollar y operar un nuevo rasgo sobre el cual actúa la selección natural. Debido a su organización modular, adaptabilidad (por ejemplo, que surge a través de procesos exploratorios) y compartimentación, los sistemas de desarrollo tienden a producir variación fenotípica facilitada (es decir, funcional y adaptativa) cuando se ven desafiados por la mutación genética o nuevas condiciones ambientales.
Los animales están formados por un conjunto de componentes (por ejemplo, piezas de Lego). La mayoría de los componentes básicos se conservan en diversos filos del reino animal. Algunos ejemplos de componentes básicos son:
Los procesos centrales adicionales, como la formación de apéndices y extremidades en los artrópodos y tetrápodos, respectivamente, son combinaciones de diferentes procesos centrales conservados vinculados en nuevas configuraciones reguladoras y conservados en su totalidad.
Los diferentes procesos centrales se vinculan, a través de una regulación diferencial, en diferentes combinaciones y operan en diferentes cantidades, estados, momentos y lugares, para generar nuevos rasgos anatómicos y fisiológicos. Estos vínculos reguladores se pueden crear y cambiar fácilmente, un fenómeno que Kirschner y Gerhart llaman “vínculo regulador débil”. Las señales reguladoras pueden activar y desactivar los componentes centrales para provocar respuestas complejas. Aunque la señal parece controlar la respuesta, por lo general el proceso central que responde puede producir el resultado por sí mismo, pero se inhibe a sí mismo de hacerlo. Todo lo que hace la señal es interferir con esta autoinhibición. El cambio regulatorio se efectúa fácilmente porque los procesos centrales conservados tienen un comportamiento similar al de un interruptor y resultados alternativos ya incorporados, lo que significa que la regulación no necesita coevolucionar con el resultado funcional.
Algunos procesos centrales conservados, denominados "procesos exploratorios", tienen la capacidad de generar muchos resultados o estados fenotípicos diferentes. Algunos ejemplos son:
Los procesos exploratorios generan primero una gran cantidad de variación fisiológica, a menudo al azar, y luego seleccionan o estabilizan las más útiles, mientras que el resto desaparece o se extingue. Por lo tanto, los procesos exploratorios se asemejan a un proceso darwiniano que opera durante el desarrollo.
Por ejemplo, a medida que se desarrolla el sistema vascular, los vasos sanguíneos se expanden hacia regiones con un suministro insuficiente de oxígeno. No existe un mapa predeterminado genéticamente especificado para la distribución de los vasos sanguíneos en el cuerpo, pero el sistema vascular responde a las señales de los tejidos hipóxicos, mientras que los vasos no necesarios en los tejidos bien oxigenados mueren. Los procesos exploratorios son poderosos porque proporcionan a los organismos un tremendo margen para la adaptación .
Los procesos reguladores antiguos (desarrollados en animales precámbricos) permiten la reutilización de procesos centrales en diferentes combinaciones, cantidades y estados en algunas regiones del cuerpo o en ciertos momentos del desarrollo, al tiempo que disminuyen sus posibilidades de generar efectos pleiotrópicos disruptivos o desadaptativos en otras partes del organismo. La compartimentación espacial de la regulación transcripcional y la señalización célula-célula son ejemplos. El embrión vertebrado está organizado espacialmente en quizás 200 compartimentos, cada uno definido de manera única por su expresión de uno o unos pocos genes clave que codifican factores de transcripción o moléculas de señalización. Un ejemplo de compartimentación se encuentra en la columna vertebral en desarrollo: todas las vértebras contienen células formadoras de huesos, pero las del pecho forman costillas, mientras que las del cuello no, porque surgieron en compartimentos diferentes (expresando diferentes genes Hox ). Otras formas de compartimentación reguladora incluyen diferentes tipos de células, etapas de desarrollo y sexos.
Gerhart y Kirschner [2] dan el ejemplo de la evolución de un ala de pájaro o murciélago a partir de una extremidad anterior de tetrápodo. Explican cómo, si los huesos sufren cambios regulatorios en longitud y grosor como resultado de una mutación genética, los músculos, nervios y vasculatura se adaptarán a esos cambios sin requerir ellos mismos un cambio regulatorio independiente. Los estudios del desarrollo de las extremidades muestran que las células fundadoras musculares, nerviosas y vasculares se originan en el tronco embrionario y migran hacia el brote de la extremidad en desarrollo, que inicialmente contiene solo precursores de hueso y dermis. Los precursores musculares son adaptables; reciben señales de la dermis y el hueso en desarrollo y toman posiciones relativas a ellos, donde sea que estén. Luego, como se señaló anteriormente, grandes cantidades de axones se extienden hacia el brote desde el cordón nervioso; algunos entran en contacto fortuitamente con objetivos musculares y se estabilizan, y el resto se encogen. Finalmente, entran los progenitores vasculares. Dondequiera que las células de las extremidades estén hipóxicas, secretan señales que hacen que los vasos sanguíneos cercanos crezcan hacia su vecindad. Debido a la adaptabilidad conferida por los procesos exploratorios, no se requiere la coevolución de huesos, músculos, nervios y vasos sanguíneos. La selección no tiene por qué coordinar múltiples partes que varían independientemente. Esto no sólo significa que se pueden generar fenotipos viables fácilmente con pocos cambios genéticos, sino también que las mutaciones genéticas tienen menos probabilidades de ser letales, que la selección puede favorecer grandes cambios fenotípicos y que la variación fenotípica es funcional y adaptativa (es decir, "facilitada").
La teoría de la variación facilitada se sustenta en análisis computacionales de la evolución de las redes reguladoras. Estos estudios confirman que la variabilidad fenotípica puede dirigirse hacia fenotipos con alta aptitud incluso cuando las mutaciones se distribuyen aleatoriamente, e incluso cuando se enfrentan a nuevas condiciones ambientales. [3] [4] [5] [6] [7] Parter et al. [3] demuestran cómo los elementos clave de la teoría de la variación facilitada, como el vínculo regulador débil, la modularidad y la pleiotropía reducida de las mutaciones, evolucionan espontáneamente en condiciones realistas.
En la perspectiva darwiniana clásica , se requiere una gran cantidad de mutaciones sucesivas , cada una seleccionada por su utilidad para la supervivencia del organismo, para producir estructuras nuevas, como alas, extremidades o el cerebro. Por otra parte, la variación facilitada afirma que la adaptabilidad fisiológica de los procesos y propiedades centrales, como el enlace débil y los procesos exploratorios, permite que las proteínas, las células y las estructuras corporales interactúen de numerosas maneras que pueden conducir a la creación de novedades con una cantidad limitada de genes y una cantidad limitada de mutaciones.
Por lo tanto, el papel de las mutaciones es a menudo cambiar cómo, dónde y cuándo se expresan los genes durante el desarrollo del embrión y el adulto. La carga de la creatividad en la evolución no descansa solo en la selección. A través de su antiguo repertorio de procesos centrales, el fenotipo actual del animal determina el tipo, la cantidad y la viabilidad de la variación fenotípica que el animal puede producir en respuesta al cambio regulatorio. Al enfatizar la adaptabilidad de los organismos y su capacidad para producir fenotipos funcionales incluso frente a la mutación o el cambio ambiental, la teoría de Kirschner y Gerhart se basa en ideas anteriores de James Baldwin [8] (el efecto Baldwin ), Ivan Schmalhausen, [9] Conrad Waddington [10] ( asimilación y acomodación genética) y Mary Jane West-Eberhard [11] ('los genes son seguidores, no líderes'). Más recientemente, la teoría de la variación facilitada ha sido adoptada por los defensores de una síntesis evolutiva extendida , [12] [13] y enfatizada por su papel en la generación de variación fenotípica no aleatoria ('sesgo de desarrollo'). Sin embargo, algunos biólogos evolucionistas siguen siendo escépticos en cuanto a si la variación facilitada agrega mucho a la teoría evolutiva. [14]
Los creacionistas y los defensores del Diseño Inteligente han argumentado que los rasgos complejos no pueden evolucionar a través de pequeñas modificaciones sucesivas en sistemas funcionales preexistentes. La teoría de la variación facilitada desafía esta idea de complejidad irreducible al explicar cómo la mutación aleatoria puede causar cambios sustanciales y adaptativos dentro de una especie. Explica cómo el organismo individual puede cambiar de ser un objetivo pasivo de la selección natural a un actor activo en la historia de 3 mil millones de años de la evolución. La teoría de Kirschner y Gerhart proporciona así una refutación científica a los críticos modernos de la evolución que defienden el Diseño Inteligente .