La evolución neutral constructiva (ENC) es una teoría que busca explicar cómo los sistemas complejos pueden evolucionar a través de transiciones neutrales y propagarse a través de una población por fijación aleatoria ( deriva genética ). [1] La evolución neutral constructiva compite tanto con las explicaciones adaptacionistas sobre la aparición de rasgos complejos como con las hipótesis que postulan que un rasgo complejo surgió como respuesta a un desarrollo perjudicial en un organismo. [2] La evolución neutral constructiva a menudo conduce a una complejidad irreversible o "irremediable" [3] y produce sistemas que, en lugar de estar finamente adaptados para realizar una tarea, representan un exceso de complejidad que se ha descrito con términos como "burocracia desbocada" o incluso una " máquina de Rube Goldberg ". [4]
Las bases para el concepto de CNE fueron establecidas por dos artículos en la década de 1990, aunque primero fueron propuestos explícitamente por Arlin Stoltzfus en 1999. [1] [2] [5] Las primeras propuestas para el papel de CNE fueron en los orígenes evolutivos de máquinas macromoleculares complejas como el espliceosoma , la maquinaria de edición de ARN , las proteínas ribosómicas supernumerarias , las chaperonas y más. [4] [6] [7] Desde entonces y como una tendencia emergente de estudios en evolución molecular , [8] CNE se ha aplicado a características más amplias de la biología y la historia evolutiva , incluidos algunos modelos de eucariogénesis , la aparición de interdependencia compleja en comunidades microbianas y la formación de novo de elementos funcionales a partir de transcripciones no funcionales de ADN basura . [9] [10] Varios enfoques proponen una combinación de contribuciones neutrales y adaptativas en los orígenes evolutivos de varios rasgos. [11]
Muchos biólogos evolucionistas postulan que la CNE debe ser la hipótesis nula para explicar la aparición de sistemas complejos, a fin de evitar asumir que un rasgo surgió para un beneficio adaptativo. Un rasgo puede haber surgido de manera neutral, incluso si luego fue cooptado para otra función. Este enfoque enfatiza la necesidad de demostraciones rigurosas de explicaciones adaptativas al describir la aparición de rasgos. Esto evita la "falacia adaptacionista" que asume que todos los rasgos surgen porque son favorecidos adaptativamente por la selección natural . [9] [12]
En teoría, hay dos componentes A y B (por ejemplo, dos proteínas) que interactúan entre sí. A, que realiza una función para el sistema, no depende de su interacción con B para su funcionalidad, y la interacción en sí misma puede haber surgido aleatoriamente en un individuo con la capacidad de desaparecer sin un efecto sobre la aptitud de A. Esta interacción presente, aunque actualmente innecesaria, se denomina, por tanto, un "exceso de capacidad" del sistema. Entonces puede producirse una mutación que comprometa la capacidad de A para realizar su función de forma independiente. Sin embargo, la interacción A:B que ya ha surgido mantiene la capacidad de A para realizar su función inicial. Por tanto, la aparición de la interacción A:B "presuprime" la naturaleza perjudicial de la mutación, convirtiéndola en un cambio neutral en el genoma que es capaz de propagarse a través de la población mediante una deriva genética aleatoria. Por tanto, A ha adquirido una dependencia de su interacción con B. [13] En este caso, la pérdida de B o de la interacción A:B tendría un efecto negativo sobre la aptitud y, por tanto, la selección purificadora eliminaría a los individuos en los que esto ocurre. Si bien cada uno de estos pasos es reversible individualmente (por ejemplo, A puede recuperar la capacidad de funcionar independientemente o la interacción A:B puede perderse), una secuencia aleatoria de mutaciones tiende a reducir aún más la capacidad de A de funcionar independientemente y un recorrido aleatorio por el espacio de dependencia puede muy bien resultar en una configuración en la que es muy poco probable que ocurra un retorno a la independencia funcional de A, lo que hace que la CNE sea un proceso unidireccional o "similar a un trinquete". [14]
Los modelos CNE de complejización sistemática pueden depender de manera crucial de algún sesgo sistemático en la generación de variación. Esto se explica en relación con el conjunto original de modelos CNE de la siguiente manera: [1]
En los casos de desordenamiento genético y panedición de ARN, y en la fragmentación de intrones, el estado inicial del sistema (desordenado, sin editar, sin fragmentar) es único o raro con respecto a un conjunto extenso de posibilidades combinatorias (desordenado, editado, fragmentado) que pueden alcanzarse mediante mutación y fijación (posiblemente neutra). El sesgo sistémico resultante impulsa una desviación del improbable estado inicial hacia uno de muchos estados alternativos. En el modelo de edición, un sesgo mutacional de deleción:inserción desempeña un papel secundario. En el modelo de duplicación génica, así como en la explicación de la pérdida del autoempalme y del origen de las dependencias de proteínas en el empalme, se supone que las mutaciones que reducen la actividad, la afinidad o la estabilidad son mucho más comunes que aquellas con el efecto opuesto. La direccionalidad resultante consiste en que los genes duplicados sufren reducciones en su actividad y los intrones pierden su capacidad de auto-empalme, volviéndose dependientes de las proteínas disponibles así como de los fragmentos de intrones que actúan en trans.
Es decir, algunos de los modelos tienen un componente de direccionalidad de largo plazo que refleja sesgos en la variación. Un efecto genético-poblacional de sesgo en el proceso de introducción, que apareció como una teoría verbal en la propuesta original de CNE [1] , fue posteriormente articulado y demostrado formalmente [15] (véase Sesgo en la introducción de la variación ). Este tipo de efecto no requiere una evolución neutral, lo que da credibilidad a la sugerencia [1] de que los componentes de los modelos CNE pueden considerarse en una teoría general de complejización no vinculada específicamente a la neutralidad.
Un caso de CNE es la subfuncionalización . El concepto de subfuncionalización es que un gen original (ancestral) da lugar a dos copias paralógicas de ese gen, donde cada copia solo puede llevar a cabo parte de la función (o subfunción) del gen original. Primero, un gen sufre un evento de duplicación genética . Este evento produce una nueva copia del mismo gen conocida como parálogo. Después de la duplicación, se acumulan mutaciones deletéreas en ambas copias del gen. Estas mutaciones pueden comprometer la capacidad del gen para producir un producto que pueda completar la función deseada, o pueden dar como resultado que el producto pierda por completo una de sus funciones. En el primer escenario, la función deseada aún puede llevarse a cabo porque las dos copias del gen juntas (a diferencia de tener solo una) aún pueden producir suficiente producto para el trabajo. El organismo ahora depende de tener dos copias de este gen que sean versiones ligeramente degeneradas de su ancestro. En el segundo escenario, los genes pueden sufrir mutaciones donde pierden funciones complementarias. Es decir, una proteína puede perder sólo una de sus dos funciones, mientras que la otra proteína sólo pierde la otra de sus dos funciones. En este caso, los dos genes ahora sólo llevan a cabo las subfunciones individuales del gen original, y el organismo depende de tener cada gen para llevar a cabo cada subfunción individual. [1] [16]
Los parálogos que interactúan funcionalmente para mantener la función ancestral pueden denominarse "heterómeros parálogos". [17] Un estudio de alto rendimiento confirmó que el surgimiento de tales interacciones entre proteínas parálogas como un posible destino a largo plazo de los parálogos era frecuente en la levadura , y el mismo estudio encontró además que los heterómeros parálogos explicaban las redes de interacción proteína-proteína (PPI) eucariotas. Un mecanismo específico para la evolución de los heterómeros parálogos es la duplicación de una proteína ancestral que interactúa con otras copias de sí misma (homómeros). Para inspeccionar el papel de este proceso en los orígenes de los heterómeros parálogos, se encontró que los ohnólogos (parálogos que surgen de duplicaciones de todo el genoma) que forman heterómeros parálogos en Saccharomyces cerevisiae (levadura en ciernes) tienen más probabilidades de tener ortólogos homoméricos que los ohnólogos en Schizosaccharomyces pombe . Se encontraron patrones similares en las redes PPI de humanos y la planta modelo Arabidopsis thaliana . [17]
Para identificar positivamente las características que han evolucionado a través de la CNE, existen varios enfoques posibles. La noción básica de la CNE es que las características que han evolucionado a través de la CNE son complejas, pero no proporcionan una ventaja en la aptitud sobre sus ancestros más simples. Es decir, se ha producido una complejización innecesaria. En algunos casos, la filogenia se puede utilizar para inspeccionar las versiones ancestrales de los sistemas y ver si esas versiones ancestrales eran más simples y, si lo eran, si el aumento de la complejidad vino con una ventaja en la aptitud (es decir, actuó como una adaptación). Si bien no es sencillo identificar cuán adaptativa fue la aparición de una característica compleja, existen algunos métodos disponibles. Si el sistema más complejo tiene los mismos efectos posteriores en su vía bioquímica que el sistema ancestral y más simple, esto sugiere que la complejización no trajo consigo ningún aumento en la aptitud. Este enfoque es más simple cuando se analizan rasgos complejos que evolucionaron más recientemente y están restringidos taxonómicamente a unos pocos linajes porque "las características derivadas se pueden comparar más fácilmente con sus hermanas y ancestros inferidos". [18] El método de "estándar de oro" para identificar casos de CNE implica la experimentación directa, donde se reconstruyen versiones ancestrales de genes y sistemas y se identifican directamente sus propiedades. [2] El primer ejemplo de esto involucró el análisis de componentes de una bomba de protones V-ATPasa en linajes fúngicos. [18]
Los sistemas de edición de ARN tienen distribuciones filogenéticas irregulares, lo que indica que son rasgos derivados. La edición de ARN es necesaria cuando un genoma (con mayor frecuencia el de las mitocondrias) necesita que se edite su ARNm mediante varias sustituciones, deleciones e inserciones antes de la traducción. Las moléculas de ARN guía derivadas de hebras semicirculares separadas de ADN proporcionan la secuencia correcta para que el complejo de edición de ARN realice las ediciones correspondientes. El complejo de edición de ARN en Kinetoplastida puede comprender más de 70 proteínas en algunos linajes taxonómicamente restringidos y mediar miles de ediciones. Otro caso taxonómicamente restringido de una forma diferente de sistema de edición de ARN se encuentra en las plantas terrestres. En los kinetoplastidos, la edición de ARN implica la adición de miles de nucleótidos y la eliminación de varios cientos. Sin embargo, la necesidad de este sistema altamente complejo es cuestionable. La gran mayoría de los organismos no dependen de sistemas de edición de ARN y, en los que sí los tienen, no está claro si son necesarios, ya que la solución óptima sería que la secuencia de ADN no contuviera los nucleótidos erróneos (o faltantes) en varios miles de sitios. Además, es difícil argumentar que el sistema de edición de ARN surgió solo como respuesta y para corregir un genoma defectuoso hasta este grado, ya que un genoma de este tipo habría sido altamente perjudicial para el huésped y se habría eliminado mediante selección purificadora (negativa) para empezar. Sin embargo, un escenario en el que un sistema de edición de ARN primitivo surgiera gratuitamente antes de la introducción de errores en el genoma es más parsimonioso. Una vez que surgió el sistema de edición de ARN, el genoma mitocondrial original podría tolerar sustituciones, deleciones y adiciones previamente perjudiciales sin un efecto sobre la aptitud. Una vez que se produjo un número suficiente de estas mutaciones perjudiciales, el organismo en este punto habría desarrollado una dependencia del sistema de edición de ARN para corregir fielmente cualquier secuencia inexacta. [4] [5]
Pocos biólogos evolutivos, si es que hay alguno, creen que la propagación inicial de intrones a través de un genoma y en medio de una variedad de genes podría haber funcionado como un beneficio evolutivo para el organismo en cuestión. Más bien, la propagación de un intrón en un gen en un organismo sin un espliceosoma sería perjudicial, y la selección purificadora eliminaría a los individuos en los que esto ocurre. Sin embargo, si un espliceosoma primitivo emergió antes de la propagación de intrones en el genoma de un huésped, la propagación posterior de intrones no sería perjudicial ya que el espliceosoma sería capaz de empalmar los intrones y permitir así que la célula traduzca con precisión la transcripción del ARN mensajero en una proteína funcional. [19] Se cree que los cinco ARN nucleares pequeños (snRNA) que actúan para separar los intrones de los genes se originan a partir de intrones del grupo II , por lo que es posible que estos intrones del grupo II se extendieran y fragmentaran primero en "cinco piezas fáciles" en un huésped donde formaron pequeños precursores transactivos de cinco ARNsn modernos y principales utilizados en el empalme. Estos precursores tenían la capacidad de separar otros intrones dentro de una secuencia genética, lo que luego permitió que los intrones se extendieran a los genes sin un efecto perjudicial. [11] [20]
A lo largo de la evolución, han surgido muchas comunidades microbianas en las que las especies individuales no son autosuficientes y requieren la presencia mutualista de otros microbios para generar nutrientes cruciales para ellos. Estos microbios dependientes han experimentado una "pérdida de genes adaptativos" al ser capaces de obtener nutrientes complejos específicos de su entorno en lugar de tener que sintetizarlos directamente. Por esta razón, muchos microbios han desarrollado requisitos nutricionales complejos que han impedido su cultivo en condiciones de laboratorio. Este estado altamente dependiente de muchos microbios de otros organismos es similar a cómo los parásitos experimentan una simplificación significativa cuando una gran variedad de sus necesidades nutricionales están disponibles de sus huéspedes. J. Jeffrey Morris y coautores explicaron esto a través de la "Hipótesis de la Reina Negra". [21] Como contraparte, W. Ford Doolittle y TDP Brunet propusieron la "Hipótesis de la Reina Gris" para explicar el surgimiento de estas comunidades con ECN. Inicialmente, la pérdida de genes necesarios para sintetizar nutrientes importantes sería perjudicial para el organismo y, por lo tanto, eliminado. Sin embargo, en presencia de otras especies donde estos nutrientes están libremente disponibles, las mutaciones que degeneran los genes responsables de sintetizar nutrientes importantes ya no son perjudiciales porque estos nutrientes pueden simplemente importarse del medio ambiente. Por lo tanto, hay una "presupresión" de la naturaleza perjudicial de estas mutaciones. Como estas mutaciones ya no son perjudiciales, las mutaciones perjudiciales en estos genes se acumulan libremente y hacen que estos organismos ahora dependan de la presencia de microbios complementarios para satisfacer sus necesidades nutricionales. Esta simplificación de las especies microbianas individuales en una comunidad da lugar a una mayor complejidad e interdependencia a nivel de comunidad. [9]
La CNE también se ha propuesto como hipótesis nula para explicar las estructuras complejas, y por lo tanto las explicaciones adaptacionistas para el surgimiento de la complejidad deben probarse rigurosamente caso por caso contra esta hipótesis nula antes de ser aceptadas. Los motivos para invocar la CNE como hipótesis nula incluyen que no presupone que los cambios ofrecieran un beneficio adaptativo al huésped o que fueran seleccionados direccionalmente, al tiempo que mantiene la importancia de demostraciones más rigurosas de adaptación cuando se invoca para evitar los defectos excesivos del adaptacionismo criticados por Gould y Lewontin. [12] [9] [22]
Eugene Koonin ha sostenido que para que la biología evolutiva sea una ciencia estrictamente "dura" con un núcleo teórico sólido, es necesario incorporar hipótesis nulas y que las alternativas refuten el modelo nulo antes de ser aceptadas. De lo contrario, se pueden postular historias adaptativas "justo así" para explicar cualquier rasgo o característica. Para Koonin y otros, la evolución neutral constructiva cumple el papel de esta hipótesis nula. [12]