Respondiendo a esto, en gran parte influenciado por los pensamientos de un biólogo evolutivo Andreas Wagner a la pregunta, “son imposibles las mutaciones casuales” en su reciente libro Arribo del más apto, octubre de 2014
Para cualquier persona que intente comprender cómo funciona la evolución, el hecho de que la mutación sea la fuerza innovadora clave de la naturaleza quizás no sea intuitivamente obvio. Por otro lado, el hecho de que la naturaleza selecciona rasgos que confieren ventaja a un organismo ( selección natural ) es quizás obvio, incluso sin la abundante evidencia que lo valida.
A pesar de cierta exposición a cómo funciona la evolución, el hecho de que “la mutación aleatoria es una fuerza innovadora” aún puede parecer un concepto evasivo: es casi como decir que uno puede hacer que un programa de computadora haga algo útil eligiendo códigos de operación ( instrucciones de máquina ) en aleatorio. Aún más inusual es la idea de que uno puede “muck” con los códigos de operación de un programa de trabajo, y la mayoría de las veces, no solo preserva la función del programa original, sino que en ocasiones, incluso se topa con un programa con una nueva funcionalidad. Nos sentiríamos muy afortunados si el programa no fallara …
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Resulta que los mecanismos de innovación de la naturaleza operan con ideas tan intuitivas, tal vez por eso los poderes innovadores de la naturaleza parecen inverosímiles para algunos.
El término mutación se usa a continuación para representar cualquier cambio de código en el gen: inserciones, deleciones, sustituciones. Una mutación podría ser
- Perjudicial. Estas mutaciones generalmente se eliminan mediante selección natural basada en el grado de daño.
- Beneficioso. Estos se seleccionan y conservan siempre que sigan siendo útiles ( un cambio en el entorno puede hacer que una mutación sea inútil o incluso dañina, por ejemplo, una mutación de color que sirve como camuflaje puede convertirse en una responsabilidad si el color del paisaje cambia) .
- Inofensivo. Estas mutaciones no parecen aportar ninguna mejora, pero pueden retenerse particularmente si el gen en el que se produce dicha mutación es un gen esencial para la supervivencia y la mutación no cambia la funcionalidad básica del gen. Esta robustez de la naturaleza a las alteraciones de la secuencia génica es contra intuitiva como vimos anteriormente: es como manipular el código de un programa y aún esperar que no pierda su función original. Es esta categoría de mutaciones inofensivas la que parece jugar un papel importante en la innovación de la naturaleza.
¿Con qué frecuencia ocurren las mutaciones?
Los humanos y otros organismos multicelulares tienen una tasa de mutación promedio de aproximadamente 10 ^ -8 mutaciones por par de bases por generación. Entonces, dado que 3 mil millones de pares de bases en humanos, se espera que ocurra un promedio de 30 mutaciones en cada generación. Una sola bacteria en 10 ml de nutriente líquido puede crecer y dividirse para alcanzar una población de 10 ^ 10 células. Su tasa de mutación de ADN promedio es 10 ^ -9 ( una billonésima parte ) por letra por generación. Entonces, al final de las 24 horas, podría haber 10 bacterias diferentes con una mutación en cada uno de estos últimos de su genoma. Esta es quizás la razón por la que “innovan” rápidamente. La capacidad innovadora de las mutaciones también es alta en otras formas de vida, excepto que ocurre en una escala de tiempo más larga. [5], [1]
Una forma de visualizar la magnitud de esta deriva aleatoria en la secuencia de código a través de mutaciones, es pensar en la secuencia de código original como un nodo en un gráfico, y para simplificar, considere que cada mutación es una sustitución de una sola letra que crea un nodo vecino que es diferente del nodo original por una letra (en realidad, las mutaciones podrían ser inserciones y eliminaciones también). Entonces, una secuencia de genes que es tan pequeña como 400 letras de largo (~ 3 -4% del tamaño promedio del gen) puede tener 1200 (3 * 400) vecinos. El número de nodos que se pueden explorar es 4 ^ 400 o 2 ^ 800. La estimación del número de átomos en el universo, en comparación, no es más de 2 ^ 320. La implicación de esto es que la naturaleza puede explorar un gran espacio para alternativas a la secuencia de codificación original. Es posible que algunas de estas rutas de exploración ni siquiera rompan la funcionalidad de la secuencia de codificación original. Este tipo de exploración es posible debido a la robustez de la funcionalidad del gen para secuenciar las variaciones. [2]
Estas exploraciones pueden llegar tan lejos que las secuencias derivadas pueden, con el tiempo, ser incluso más del 80% diferentes de la secuencia original. Por ejemplo, las globinas una familia de proteínas que se unen al oxígeno (la hemoglobina pertenece a esta familia ) está presente en los insectos e incluso en las plantas con una diferencia del 90% en su secuencia de código. [3]
Tal vez sea esta capacidad de explorar con mutaciones lo que en gran parte produce innovaciones de la naturaleza, tanto innovaciones únicas como incrementales.
¿Las mutaciones fortuitas son tan imposibles como parecen ser?
La respuesta parece ser que las secuencias útiles no son tan escasas como uno podría imaginar. Hay múltiples secuencias que realizan la misma tarea. Eso es evidente dado que uno puede tropezar con cualquiera de los nodos de “mutación inofensiva” en el gráfico como hicimos la caminata aleatoria. Pero hay incluso más nodos (subgráficos independientes ) que solo aquellos nodos que se pueden atravesar en una caminata aleatoria. Esta es quizás la razón por la que hemos visto a la naturaleza innovar el mismo producto final varias veces con puntos de partida independientes (por ejemplo, ojo)
En un experimento para ver cuántas proteínas de unión a ATP ( estas proteínas son esenciales para aprovechar la energía del ATP para hacer cosas como transportar materiales, contraer músculos, etc. ) se pueden crear a partir de una cadena de longitud constante de 80 aminoácidos, 4 fuera de 6 billones de proteínas aleatorias generadas podrían unirse al ATP. Si bien esto parece un número pequeño, extrapolando al número de candidatos potenciales, este número es 10 ^ 93 candidatos a proteínas. Este gran número de candidatos indica que son lo suficientemente comunes como para ser descubiertos por medios estocásticos. Tropezar con una secuencia innovadora es, de hecho, como ganar un boleto de lotería, excepto que hay astronómicamente muchas combinaciones ganadoras con las que tropezar con la probabilidad de que aumente con el tiempo y la exploración . [4]
Existe una amplia evidencia de que la naturaleza tropieza con estas combinaciones ganadoras, incluso para innovaciones bastante únicas como las proteínas anticongelantes que se encuentran en los peces del Ártico y la Antártida. Las proteínas anticongelantes, como su nombre lo indica, reducen la temperatura de congelación de los fluidos corporales. Se originaron independientemente en el bacalao ártico y en los peces antárticos; se originaron más de una vez en el Ártico. Algunos peces incluso desarrollaron más de un tipo de proteína anticongelante. [6]
¿Son todas las innovaciones inventos únicos?
Si bien los recorridos aleatorios a través del espacio de secuencia génica pueden producir innovaciones únicas, hay innovaciones incrementales que son variaciones menores de la secuencia original, pero innovaciones significativas. Por ejemplo, la capacidad para que podamos ver en tres colores (la mayoría de los mamíferos solo pueden ver en dos: rojo y azul ) fue descubierta en parte por tal deriva ( una duplicación de genes también estuvo involucrada ). La proteína del sensor para el verde difiere del rojo en solo unas pocas letras. Hay varios ejemplos de estas innovaciones incrementales, algunas de las cuales son innovaciones que resuelven un problema y se reorientan para resolver otro con pequeños ajustes generados por las derivaciones de mutación acumuladas. El recuento reconocible de estas innovaciones incrementales es incluso mayor que las astronómicamente muchas combinaciones ganadoras de los inventos únicos mencionados anteriormente.
Referencias
- Análisis de la herencia genética en un cuarteto familiar por secuenciación del genoma completo, Science 2010
- Page Innovaciones evolutivas y organización de funciones proteicas en el espacio genotipo. PLoS 2010
- Amazon.com: Llegada del más apto: Resolviendo el mayor rompecabezas de la evolución: Andreas Wagner: octubre de 2014
- Proteínas funcionales de una biblioteca de secuencia aleatoria, Nature 2001
- Amazon.com Introducción a la biología de sistemas: principios de diseño de circuitos biológicos Uri Alon
- Evolución de las diversas proteínas anticongelantes. Opinión actual en genética y desarrollo.
- En el mundo natural, ¿hay innovación? ¿La ‘madre naturaleza’ innova?
- ¿Las mutaciones solo traen desventajas para los humanos?