¡No seas neandertal!: y otras historias sobre la evolución humana
18. El reloj molecular no está en hora
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18 EL RELOJ MOLECULAR NO ESTÁ EN HORA
Con sus anchos hombros, amplios torsos y gruesos brazos y piernas, parece que los neandertales eran bastante robustos. En el lenguaje de hoy, podría decirse que los neandertales «estaban cachas». O, si se quiere plantear de una manera más negativa, eran «salvajes».
Los neandertales comparten muchas semejanzas morfológicas con los humanos modernos. Aunque los paleoantropólogos saben ahora que los neandertales eran antepasados de los humanos modernos, en algún momento se preguntaron de qué forma, con ese cuerpo muscular y «salvaje», podían estar conectados directamente con los humanos «civilizados».
La idea de que los neandertales eran antepasados de los humanos modernos fue puesta en duda en 1987 por un famoso artículo publicado en la revista Nature por el equipo de investigación dirigido por Rebecca Cann, entonces en la Universidad de California en Berkeley (y ahora en la Universidad de Hawái en Manoa). Un análisis del ADN mitocondrial de humanos modernos procedentes de muestras de todo el mundo condujo a la conclusión de que los neandertales y los humanos modernos no se entrecruzaron. Pero tal como se describió en el capítulo anterior, Svante Pääbo demostró más adelante que humanos y neandertales sí que se habían entrecruzado.
Por la época de la publicación de Cann, en 1987 se pensaba que poder estudiar humanos ancestrales extintos utilizando la genética a partir de humanos modernos, no de fósiles, era un logro asombroso. El trabajo de Cann se consideró no solo impresionante desde el punto de vista tecnológico, sino también una hazaña increíblemente imaginativa de diseño de investigación. ¿Cómo podían usarse los genes de humanos modernos para estudiar nuestra relación con los neandertales? Cann empleó un método basado en el concepto de reloj molecular que implicaba hacer el seguimiento del tiempo que había pasado desde el «momento de origen» de un gen mediante el recuento de sus mutaciones.
Los genetistas de la época estaban seguros de que los neandertales no podían ser ancestros de los humanos modernos tan solo debido al tiempo calculado por el reloj molecular. Se estimaba que el momento del nacimiento de los humanos modernos era de hace menos de 200 000 años. El lugar tenía que ser África: la investigación de Cann demostraba que los africanos eran los más diversos en términos de genética, lo que significaba que habían estado ahí por el periodo más prolongado de tiempo. Puesto que los neandertales ya habían vivido en Europa desde hacía aproximadamente entre 250 000 y 300 000 años, no podían haber sido nuestros antepasados. Caso cerrado.
La investigación de Cann desencadenó una gran oleada de estudios sobre la evolución humana que también empleaban genes de humanos modernos para estudiar el pasado. Los genes de los humanos modernos se convirtieron en una máquina del tiempo que nos transportaba al pasado. En este capítulo quiero hablar de este método genético de viaje en el tiempo, que es ampliamente usado en antropología y otras ciencias biológicas. Primero, será necesario explicar algunos antecedentes de ciencia evolutiva y de ciencia biológica, pero de esta manera el lector aprenderá acerca de uno de los campos más importantes y controvertidos de la genética moderna. De modo que ruego al lector que tenga paciencia y lea.
NACIMIENTO DE UN RELOJ MOLECULAR
El ácido desoxirribonucleico o ADN transmite la información genética en todos los seres vivos. La información genética está codificada en una disposición de cuatro bases: adenina (A), guanina (G), citosina (C) y timina (T). Estas cuatro bases son las piezas fundamentales dispuestas dentro del ADN para registrar y transmitir significado. El proceso de organizar dichas bases es como disponer consonantes y vocales en una sola línea y después leerla para ver si tiene sentido.
Se puede pensar metafóricamente en el ADN como en un largo collar constituido por cuentas de cuatro colores diferentes, que son las bases. Dentro de esta cadena, solo una porción puede denominarse «gen», que a su vez está constituido por unidades de tripletes denominadas «codones». Cada codón codifica un aminoácido. La longitud de un gen puede variar. En los humanos, un gen funcional puede ser muy pequeño, de solo doscientos pares de bases (puesto que cada base está emparejada con otra base, se acostumbra a decir «pares de bases» en lugar de «bases»), o muy grande, de hasta dos millones de pares de bases. Los genes son leídos después por enzimas especiales y traducidos a proteínas, que desempeñan varios papeles importantes en el cuerpo.
El ADN pasa por un número casi infinito de replicaciones. Empezamos como una única célula y crecemos hasta tener casi 37,2 billones de células, según una estimación (algunos estiman que hasta 70 billones de células). Cada célula tiene una vida limitada y tiene que ser sustituida cuando muere o es dañada; se estima que un adulto macho humano pierde 96 millones de células cada minuto.
Cada vez que se produce una nueva célula (incluidos un óvulo o un espermatozoide), el ADN se replica. En el proceso de estas replicaciones, los errores de copia son inevitables. Los seres vivos tienen una capacidad asombrosa de corregir y evitar los errores en la replicación del ADN, pero todavía se producen errores. Una base puede insertarse en la cadena o eliminarse. A veces, una base equivocada ocupa el lugar de una correcta. Cuando ocurre esto, puede resultar un codón diferente, que posiblemente cause que se produzca el aminoácido incorrecto o que se produzca una sarta de bases totalmente sin sentido.
A estos errores se los denomina «mutaciones». ¿Qué le ocurre a un organismo con una mutación en sus genes? Los X-Men de Marvel Comics sugieren que las mutaciones pueden conferir superpoderes a determinados humanos para luchar contra el crimen. Motoo Kimura, un genetista japonés, ofreció una visión alternativa: en genética de poblaciones, solo podemos reconocer las mutaciones si no tienen efecto en nuestra vida; no podemos reconocer mutaciones que tienen un impacto en un único individuo. Esta es la afirmación fundamental de la teoría neutralista, una de las teorías más importantes en la genética de poblaciones moderna. Todo ello parece bastante complicado.
Permítaseme que me explique. Alineamos secuencias genéticas (las cadenas de bases en el ADN) a partir de dos o más individuos y comparamos cada base en la misma posición en las secuencias genéticas de personas diferentes para ver si todas tienen la misma base en aquella posición. Supongamos que la secuencia genética de un individuo tiene la base G (guanina) en la quinta posición de las bases y que otro individuo tiene una C (citosina) en el mismo lugar. Entonces podemos concluir que tuvo lugar una mutación en la posición de la quinta base. No sabemos si C se convirtió en C o si G se convirtió en C. Solo sabemos que en aquella posición tuvo lugar una mutación. Esta mutación pudo tener una gran variedad de efectos posibles. Si la mutación tuvo lugar en una región codificadora, pudo causar un cambio en un aminoácido y cambiar la estructura de una proteína. Entonces, la estructura diferente de la proteína pudo perjudicar o beneficiar al individuo.
Si una mutación es perjudicial para la vida del individuo y para su eficacia reproductiva, este individuo no podrá dejar ningún descendiente, de manera que esta mutación perjudicial concreta desaparecerá tarde o temprano del acervo génico. Al comparar las secuencias genéticas de individuos vivos en algún momento posterior, no advertiremos que en el pasado tuvo lugar una mutación y que posteriormente desapareció.
Si una mutación es beneficiosa, un individuo que la porte dejará muchos descendientes. Pasadas varias generaciones, la mutación beneficiosa se extenderá, hasta que todos en el acervo génico posean dicha mutación. Una vez que todos tienen la misma versión mutada del gen, ya no podemos discernir que tuvo lugar una mutación y que se extendió. Puesto que reconocemos una mutación a partir de las diferencias que detectamos cuando comparamos secuencias genéticas, no podemos reconocer una mutación cuando las secuencias genéticas son exactamente las mismas. Por esta razón, ya sea la mutación beneficiosa o perjudicial, en algún momento dado, ya no seremos capaces de reconocerla e identificarla como una mutación.
De forma alternativa, la mutación puede cambiar el codón, pero el codón cambiado puede todavía codificar el mismo aminoácido; en este caso, la mutación no conduce a ningún cambio en la estructura de la proteína y no tiene efecto en la vida del individuo. O bien la mutación puede ocurrir en una región del ADN que no codifica y no tiene efecto en la vida del individuo. Estas mutaciones que no tienen efecto en la vida del individuo permanecen en la secuencia genética y pueden reconocerse como mutaciones. No desaparecen del acervo génico porque sean perjudiciales ni se extienden por todo el acervo génico porque sean beneficiosas.
Sin embargo, la frecuencia de una mutación tal en el acervo génico cambia a lo largo del tiempo. A medida que transcurre el tiempo, la frecuencia de la mutación aumenta o disminuye por un proceso aleatorio. Esto significa que, si conocemos la pauta de la frecuencia de una mutación determinada, podemos determinar cuánto tiempo hace que la mutación está presente y, por extensión, la población que la porta. La teoría neutralista, basada en esta lógica, hizo una contribución importante al campo de la genética de poblaciones en el siglo XX. De hecho, puede decirse que la genética de poblaciones pudo florecer a partir de la década de 1960 sobre los cimientos de la teoría neutralista.
Y en eso reside la ironía de la teoría neutralista. Recuérdese que Charles Darwin fue el primero en proponer la selección natural como el mecanismo fundamental de la evolución. En la biología moderna, la evolución se define como un cambio en la frecuencia de los genes a lo largo de las generaciones. ¡Qué irónico resulta que un cambio en la frecuencia en el ADN tenga menos que ver con una ventaja selectiva y más con el tiempo y el azar!
El número de mutaciones determina cuánta diversidad genética posee una población. En la década de 1990, los genetistas hicieron un descubrimiento interesante acerca de la diversidad genética de las poblaciones humanas: sucedió que los humanos no son muy diversos desde el punto de vista genético. El estudio de Cann y sus colegas de 1987 había llegado a la conclusión que la diversidad en el ADN mitocondrial es sorprendentemente baja. Y un artículo revolucionario en genética de poblaciones de 1991, de Wen-Hsiung Li y Lori Sadler, genetistas que entonces estaban afiliados a la Universidad de Texas, se titulaba «Baja diversidad de nucleótidos en el hombre».
Los genetistas de poblaciones interpretaron estos hallazgos en el marco de la teoría neutralista. El bajo nivel de diversidad genética que se encuentra en los humanos se atribuía al origen reciente del linaje. En otras palabras, debido a que los humanos se originaron en fecha reciente, simplemente no había transcurrido el tiempo suficiente para que se acumularan muchas mutaciones. De todas formas, si la especie humana se originó en fecha reciente, todas las especies fósiles de homininos primitivos que habían vivido en todo el mundo antes que los humanos modernos tendrían que haberse extinguido como ramas genéticas secundarias en lugar de convertirse en nuestros antepasados directos. Por ejemplo, antes se pensaba que los neandertales, que aparecieron en el principio de este capítulo, representaban una rama lateral extinguida de este tipo. Puesto que Asia y África no tenían muchos fósiles de homininos que hubieran aparecido justo antes que los humanos modernos más antiguos, o que se hubieran solapado con ellos, el debate sobre los orígenes de los humanos modernos se concentraba en la relación entre los neandertales y los europeos modernos.
De esta investigación en genética de poblaciones surgió otro hecho fascinante: cuando se comparó la diversidad genética de africanos, asiáticos y europeos, la mayor diversidad la mostraron los africanos. Puesto que una mayor diversidad significa una divergencia anterior del linaje, parecía que todos los humanos modernos habían migrado desde África en fecha reciente. La teoría de que los humanos modernos se originaron en África hace unos 200 000 años ganó un importante conjunto de defensores y, complementada por progresos en la biología moderna, se convirtió en la idea generalizada de los orígenes humanos. Se la conoció como el «modelo de sustitución completa».
EL RELOJ MOLECULAR SE ESTROPEA
Todos los primeros esfuerzos para estudiar la evolución humana utilizando la genética se centraron en el ADN mitocondrial. La razón fue que, en aquella época, era extraordinariamente difícil tratar con el ADN nuclear, que consiste en 3000 millones de pares de bases. El genoma del ADN mitocondrial contiene más de 16 000 pares de bases y se estudiaba asimismo en otros muchos organismos. Y más importante todavía, los investigadores pensaban que las mutaciones en las mitocondrias no tenían efecto en el individuo porque las mitocondrias se hallan fuera del núcleo celular. En otras palabras, se consideraba que el ADN mitocondrial era «neutro».
Sin embargo, a finales de 1990, la evolución molecular basada en la teoría neutralista comenzó poco a poco a ser puesta en duda. Todo empezó con las mitocondrias, ampliamente estudiadas. El ADN mitocondrial se hereda por vía materna; si una mujer solo tiene hijos y ninguna hija, su linaje mitocondrial desaparecerá. Y lo mismo ocurrirá, por lo tanto, con las mutaciones que tuvieron lugar en su linaje mitocondrial. Así, el número real de todas las mutaciones que tuvieron lugar en el pasado puede ser mucho mayor que el número de mutaciones que observamos mediante el ADN mitocondrial de personas vivas. Estaríamos subestimando mucho el tiempo de origen si solo empleáramos pruebas a partir del ADN mitocondrial para llegar a una conclusión.
Otra impugnación surgió de la supuesta predictibilidad de los periodos de mutación en el ADN, lo que puso en cuestión las estimas temporales basadas en dichas mutaciones. Por ejemplo, supongamos que una mutación tiene lugar cada 100 años. Si observamos cinco mutaciones, podemos estimar que han transcurrido 500 años. Así es como, básicamente, estimábamos hasta ahora la fecha de nuestro origen genético. Pero ¿y si una mutación tenía lugar cada 50 años, en lugar de cada 100? Entonces habrían pasado 250 años, no 500, como se había estimado. Alternativamente, si una mutación se produce cada 200 años, entonces habrían pasado 1000 años. ¿Y qué ocurre si las mutaciones no se producen de forma regular, como se había predicho? Entonces no podríamos calcular el tiempo en absoluto. Y esto es lo que los investigadores encontraron. A medida que cada vez más investigaciones demostraban que la tasa de mutación en las mitocondrias podría no ser constante, se hizo más dudoso estimar el tiempo de origen. El apreciadísimo reloj molecular no estaba en hora.
Otra crítica a la teoría neutralista llegó con los progresos en las ciencias biológicas modernas. La teoría neutralista se basa en el supuesto de que las mutaciones en la región del ADN que no codifica no tienen efecto sobre el individuo. Las investigaciones empezaron a demostrar que estas mutaciones sí que afectan a la vida y a la eficacia reproductiva de un individuo.
La región que no codifica se ha denominado «ADN basura» porque se suponía que no tenía función alguna. Pero cada vez hay más investigaciones que demuestran que el ADN basura desempeña un papel importante en la regulación y el envío de señales a otros genes. Incluso las mutaciones que no tienen lugar en la región codificadora pueden tener un efecto beneficioso o perjudicial sobre la vida. Esto significa que dichas mutaciones se hallan sujetas a selección y que, asimismo, el reloj molecular basado en la teoría neutralista será inevitablemente inexacto.
Y esto no es todo. Desde los primeros años del siglo XXI, se sabe que el ADN mitocondrial, que previamente se pensaba que no afectaba a la vida del individuo (porque se localizaba fuera del núcleo celular), también tiene un impacto. Aunque están situadas fuera del núcleo celular, las mitocondrias se encargan del metabolismo celular. Nunca olvidaré la sensación de maravilla y emoción que tenía cuando un estudio tras otro demostraba que la selección natural desempeña un papel importante en modelar la genética del ADN mitocondrial. En retrospectiva, ahora parece ridículo que pudiéramos haber pensado que las mitocondrias, las centrales de energía de la célula, pudieran ser neutras. Pero en aquel entonces, tal era el poder de una teoría dominante.
EL MISTERIO DE LOS ORÍGENES HUMANOS, SEGUNDO ASALTO
Hoy en día, la investigación sobre los orígenes humanos se halla en una nueva fase. Quizá, todas las publicaciones que rastreaban el abolengo en función del ADN mitocondrial tengan que ser puestas en cuestión y reexaminadas. Además, los genetistas ya no se hallan limitados a rastrear el tiempo a partir del ADN de personas vivas, sino que pueden extraer directamente ADN de fósiles y analizarlo. En 1997, la primera de tales investigaciones realizada en el Instituto Max Planck de Alemania encajaba por completo con la idea generalizada entre los genetistas de la época, que se basaba en la teoría neutralista: respaldaba el modelo de sustitución completa.
El ADN mitocondrial de un fósil de neandertal era del todo diferente al de los humanos modernos. Y el análisis basado en el ADN nuclear, publicado en 2006, mostraba también una gran diferencia genética entre los neandertales y los humanos modernos. Sin embargo, estos estudios analizaban únicamente una porción de toda la secuencia genética. A partir de 2010 se descodificó el genoma completo de los neandertales y los análisis basados en el genoma anularon los resultados de estudios previos. Nuevos estudios del genoma completo demostraron que los neandertales se habían entrecruzado con los humanos modernos: de promedio, el 4 por ciento de los genes de los europeos proceden de los neandertales. El apoyo al modelo de sustitución completa empezó a debilitarse.
En 2013 se informó de que se había extraído ADN antiguo de un fósil de caballo de 700 000 años de antigüedad. Parece que solo es cuestión de tiempo que se pueda extraer asimismo ADN antiguo de un fósil de hominino de una antigüedad similar. De manera asombrosa, ahora podemos viajar en el tiempo mediante nuestros propios genes y los genes de humanos ancestrales.
ANEXO: NO ES BASURA
Al igual que la idea equivocada de que solo usamos el 10 por ciento de nuestro cerebro, la teoría del «ADN basura» se ha visto refutada, aunque durante un tiempo pareció estar respaldada por pruebas. El genoma humano está constituido por 3000 millones de pares de bases. Cuando se descifró en 2001, el descubrimiento sorprendente fue que este número inconcebiblemente grande de pares de bases contenía solo unos 20 000 genes funcionales, genes que codifican síntesis de proteínas. Es decir, tan solo alrededor del 1 por ciento de los 3000 millones de pares de bases parecía ser funcional, y el restante 99 por ciento daba la impresión de no hacer nada. La pequeña proporción de genes en el genoma parecía avalar el concepto de ADN basura, que había ganado mucho terreno no solo entre los genetistas, sino también entre el público en general.
¿Qué es lo que hacía este 99 por ciento ocupando simplemente espacio? Las células se multiplican y se dividen numerosas veces a lo largo de nuestra vida mediante mitosis para aportar nuevas células a nuestro cuerpo (células somáticas). Mediante la meiosis tienen lugar muchas multiplicaciones y divisiones cuando producimos gametos (células sexuales). Cada vez que copiamos 3000 millones de pares de bases para la mitosis y la meiosis, ¿estamos copiando información inútil?
Gracias a investigaciones que están en marcha, estamos descubriendo que el ADN basura tiene funciones importantes después de todo. Aunque no codifica síntesis de proteínas, envía señales para empezar o terminar de producir proteínas. Cuando estas señales, controladas por el ADN basura, se tornan caóticas, el resultado puede ser una reproducción celular fuera de control y el cáncer.
Ya se trate del ADN o del cerebro, a lo largo del tiempo hemos supuesto de forma equivocada que determinadas partes del cuerpo no tienen utilidad, simplemente porque no sabemos cómo se usan. El saber humano cubre áreas enormes, pero todavía hay ámbitos de los que no sabemos nada, y hemos de seguir estudiando antes de juzgar que dichos ámbitos no contienen nada que valga la pena conocer.
