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Simulan en 3D la evolución por selección natural de la forma de órganos complejos
Investigadores de la Universitat Autònoma de Barcelona (UAB) y de la Universidad de Helsinki han logrado simular por primera vez la evolución de la morfología de forma tridimensional integrando los mecanismos de regulación genética que se dan durante el desarrollo embrionario. El trabajo, publicado en Nature, permite tener en cuenta la complejidad real de las interacciones genéticas que dan lugar a la forma adulta de los organismos, entender mejor cómo actúa la selección natural sobre los diferentes aspectos de la forma del cuerpo y hacer experimentos virtuales de evolución mucho más realistas.
“En la actualidad tenemos mucha información sobre qué cambios en qué genes dan lugar a qué cambios en la forma. Pero esto es meramente descriptivo. La cuestión es entender la lógica biológica que determina qué cambios en la forma aparecen por qué cambios en los genes y de qué forma puede cambiar el cuerpo”, explica Isaac Salazar, investigador de la Universidad de Helsinki y del Departamento de Genética y Microbiología de la UAB y primer autor del artículo. En la naturaleza esto viene determinado por el desarrollo embrionario, durante la vida de cada organismo, y por la evolución por selección natural, para cada población y especie.
Pero en el campo de la evolución de los organismos es prácticamente imposible plantear experimentos, dada la gran escala temporal en la que se dan estos fenómenos. Esto hace que aún existan debates abiertos con hipótesis difíciles de demostrar experimentalmente. Esta dificultad se compensa con el uso de modelos teóricos para integrar detalladamente los datos experimentales existentes, simulando así la evolución virtualmente.
En su trabajo los investigadores han utilizado un modelo teórico basado en experimentos en desarrollo embrionario, basado en otro trabajo previo de los mismos autores también publicado en Nature (Salazar-Ciudad y Jernvall, 2010), y tres modelos matemáticos diferentes de evolución virtual por selección natural sobre la forma. La evolución ocurre virtualmente en el ordenador en poblaciones de individuos en las que cada individuo puede mutar sus genes, justo como en la naturaleza. Éstas, mediante el modelo de desarrollo, producen nuevas morfologías y la selección natural decide cuáles pasan a la siguiente generación. Repitiendo este proceso en cada generación se puede ver la evolución en acción en el ordenador.
La simulación realizada ahora ha permitido comparar las diferentes hipótesis existentes en el campo de la evolución sobre qué aspectos de la morfología evolucionan más fácilmente: La primera visión es que todos los aspectos métricos de la forma contribuyen a la adaptación y que, consecuentemente, todos son moldeados por la evolución de forma fina a lo largo del tiempo. La segunda visión es que algunos aspectos de la forma tienen un valor adaptativo más importante y que el resto cambia en la evolución como efectos colaterales a los cambios en los primeros. La tercera es que ningún aspecto de la forma es intrínsecamente más importante, sino que lo que es importante adaptativamente es una medida compleja de la rugosidad de la forma.
“Lo que hemos encontrado es que la primera hipótesis no es posible y que la segunda lo es en algunos casos. Aunque la ecología favoreciese este tipo de selección (la primera visión), el desarrollo embrionario y la relación entre variación genética y morfológica que éste impone es demasiado compleja para que cada aspecto de la morfología haya sido moldeado finamente. En cierta manera, lo que vemos es que la selección natural está constantemente moldeando la forma de los cuerpos, pero que éstos distan mucho ser óptimos en muchos de sus aspectos”, comenta Salazar.
El trabajo ha sido liderado por Isaac Salazar-Ciudad y ha contado con la participación de Miquel Marín Riera, investigador en formación en la UAB. Parte del mismo se ha realizado en la comunidad de “evo-devo” (evolución y desarrollo embrionario) en el Instituto de Biotecnología de la Universidad de Helsinki y otra en el Grupo de Investigación de Genómica, Bioinformática y Evolución de la UAB.
Artículo de referencia: “Adaptative dynamics under development-based genotype-phenotype maps”. http://dx.doi.org/. DOI: 10.1038/nature12142
Imagen:
http://www.uab.cat/uabdivulga/img/UAB-Nature-Figura-es.jpg
Gráfico en tiempo real del proceso de evolución virtual. El eje horizontal corresponde al tiempo de evolución y el eje vertical al grado de adaptación evolutiva de la población. En este caso, la forma del diente se adapta aumentando el número de puntas, pasando de un diente simple a uno más complejo.
Pero en el campo de la evolución de los organismos es prácticamente imposible plantear experimentos, dada la gran escala temporal en la que se dan estos fenómenos. Esto hace que aún existan debates abiertos con hipótesis difíciles de demostrar experimentalmente. Esta dificultad se compensa con el uso de modelos teóricos para integrar detalladamente los datos experimentales existentes, simulando así la evolución virtualmente.
En su trabajo los investigadores han utilizado un modelo teórico basado en experimentos en desarrollo embrionario, basado en otro trabajo previo de los mismos autores también publicado en Nature (Salazar-Ciudad y Jernvall, 2010), y tres modelos matemáticos diferentes de evolución virtual por selección natural sobre la forma. La evolución ocurre virtualmente en el ordenador en poblaciones de individuos en las que cada individuo puede mutar sus genes, justo como en la naturaleza. Éstas, mediante el modelo de desarrollo, producen nuevas morfologías y la selección natural decide cuáles pasan a la siguiente generación. Repitiendo este proceso en cada generación se puede ver la evolución en acción en el ordenador.
La simulación realizada ahora ha permitido comparar las diferentes hipótesis existentes en el campo de la evolución sobre qué aspectos de la morfología evolucionan más fácilmente: La primera visión es que todos los aspectos métricos de la forma contribuyen a la adaptación y que, consecuentemente, todos son moldeados por la evolución de forma fina a lo largo del tiempo. La segunda visión es que algunos aspectos de la forma tienen un valor adaptativo más importante y que el resto cambia en la evolución como efectos colaterales a los cambios en los primeros. La tercera es que ningún aspecto de la forma es intrínsecamente más importante, sino que lo que es importante adaptativamente es una medida compleja de la rugosidad de la forma.
“Lo que hemos encontrado es que la primera hipótesis no es posible y que la segunda lo es en algunos casos. Aunque la ecología favoreciese este tipo de selección (la primera visión), el desarrollo embrionario y la relación entre variación genética y morfológica que éste impone es demasiado compleja para que cada aspecto de la morfología haya sido moldeado finamente. En cierta manera, lo que vemos es que la selección natural está constantemente moldeando la forma de los cuerpos, pero que éstos distan mucho ser óptimos en muchos de sus aspectos”, comenta Salazar.
El trabajo ha sido liderado por Isaac Salazar-Ciudad y ha contado con la participación de Miquel Marín Riera, investigador en formación en la UAB. Parte del mismo se ha realizado en la comunidad de “evo-devo” (evolución y desarrollo embrionario) en el Instituto de Biotecnología de la Universidad de Helsinki y otra en el Grupo de Investigación de Genómica, Bioinformática y Evolución de la UAB.
Artículo de referencia: “Adaptative dynamics under development-based genotype-phenotype maps”. http://dx.doi.org/. DOI: 10.1038/nature12142
Imagen:
http://www.uab.cat/uabdivulga/img/UAB-Nature-Figura-es.jpg
Gráfico en tiempo real del proceso de evolución virtual. El eje horizontal corresponde al tiempo de evolución y el eje vertical al grado de adaptación evolutiva de la población. En este caso, la forma del diente se adapta aumentando el número de puntas, pasando de un diente simple a uno más complejo.
