Evolución en tiempo real I. Introducción y selección artificial

Como hace mucho que no escribo y en relación a la pequeña charla que he dado esta semana en el XI Maratón Científico en el Real Jardín Botánico (RJB-CSIC) me gustaría comentar algunos casos sobre evolución en tiempo real de esos que luego vienen tan bien para convencer a los escépticos (sí, aunque parezca increíble aún quedan yo he conocido casos).

Para empezar podemos definir la evolución de manera sencilla y tal y como la mayoría de la gente la entiende, como una serie de cambios en los rasgos de los individuos que pueden dar lugar a la larga a nuevas especies. Según la teoría de la evolución todos los individuos son originados a partir de otros pre-existentes, teniendo todos las especies un ancestro común a partir del cual se ha generado toda la diversidad que vemos hoy en día. Ahora bien, hay que tener en cuenta que los distintos procesos evolutivos actúan sobre "lo que hay". Con esto pretendo decir que dependiendo de la diversidad genética de una especie habrá una mayor o menor posibilidad de que ocurran estos cambios. Por otro lado, y en relación a la velocidad a la que ocurre el proceso, es necesario tener las velocidades de crecimiento y el tiempo que requiere dar lugar a una nueva generación, los cambios serán mucho más evidentes por ejemplo en las especies de bacterias que en plantas de crecimiento lento y larga vida como las secuoyas. 

El problema que tienen algunas personas al entender el concepto se basa en que imaginan que tiene lugar en un único individuo que sufre una serie de mutaciones que lo diferencian del resto, imaginando el proceso a corto plazo. En la realidad lo que ocurre y explicado para que sea fácil de entender es lo siguiente. En una población de una especie existen una serie de individuos con características diferentes, tanto a nivel externo (fenotipo) como a nivel de su genoma (genotipo). La variabilidad va a ser mayor en especies con reproducción sexual donde los descendientes no serán idénticos a los progenitores al combinarse la información de ambos, pero también puede existir una cierta variabilidad en organismos de reproducción asexual provocada por ejemplo por errores a la hora de replicar el material genético. Los procesos evolutivos actuarían sobre esa variabilidad. 

La selección natural consistiría en un filtrado de los rasgos que existen en la población por algún agente externo. Por ejemplo si en una población de plantas tenemos individuos adaptados a la sequía y otros que requieren una mayor humedad, en un periodo de sequía prolongada morirán la mayoría de los individuos del segundo grupo, habiéndose producido una selección y disminuyendo la frecuencia de ese grupo en la población. Si esas condiciones se mantuvieran muchos años, a lo largo de varias generaciones los individuos con genotipos poco apropiados para la sequía acabarían desapareciendo. 

Una vez quedando claros estos conceptos (si alguien no los entiende puede contactar conmigo) pasamos a ver varios ejemplos que demuestran la teoría. Éstos los vamos a agrupan en casos que ocurren de manera natural y casos resultado de la selección artificial, es decir, por la acción humana. 

1. Evolución por selección artificial

En relación a la selección artificial vamos a comentar dos casos básicos: el de las razas de perro y el de las verduras crucíferas.

Razas de perros 
Como casi todo el mundo sabe, el perro (Canis lupus subsp. familiaris) es una subespecie del lobo (Canis lupus). Sin embargo el parecido de algunas razas con sus ancestros es más bien pequeño. La domesticación ha dado lugar a una gran variedad de razas por selección artificial dependiendo del aspecto que se deseaba que tuviera el perro. Esta selección por los rasgos (selección fenotípica) también implica una selección de nivel de genes, con una baja diversidad genética en las razas (Vaysse et al., 2011). Además la selección para crear determinadas razas ha dado lugar a una serie de problemas de salud característicos de cada raza y que son heredados (Farrel et al., 2015). Actualmente existen una gran cantidad de razas, con distintos momentos y lugares de origen, mostrando una historia evolutiva bastante compleja (Parker et al., 2017, Fig. 1).

Figura 1. Relaciones evolutivas de las distintas razas de perro indicándose el  apoyo de las distintas ramas del árbol. 

Verduras crucíferas
En relación a las verduras crucíferas, se trata de un conjunto de vegetales que consumimos que tienen su origen en las especies Brassica oleracea y Brassica rapa. La selección artificial de Brassica oleracea ha dado lugar a una gran variedad de verduras, incluyendo el brócoli, la coliflor y las coles de Bruselas entre otros, y mostrando una gran diversidad morfológica (Liu et al., 2014). Según estudios recientes, esta gran diversidad ha sido posible gracias a la hibridación entre B. rapa y B. olereacea, así como al cruce de híbridos con sus ancestros y  a casos de poliploidía o duplicación genética (Zhang et al., 2016). Se han hecho varios estudios para conocer la diversidad genética de Brassica oleracea y las relaciones evolutivas de sus distintas variedades, siendo el de Golicz et al. (2016) uno de los más recientes (Fig. 2).

Figura 2. Filogenia de las distintas variedades de la especie Brassica oleracea incluyendo el brócoli (Broccoli), la coliflor (Coliflower), las coles de Bruselas (Brusels), la col (Kale), el colinabo (Kohlrabi) y el repollo (Cabbage). TO1000 es una cepa de la especie de crecimiento rápido y Macrocarpa es una cepa de la variedad salvaje. 

El concepto de calentamiento global

Ya llevo bastante tiempo sin escribir y esta ola de calor tan genial que hemos tenido  me ha hecho pensar que es el momento idóneo para contaros un poco sobre cambio global, y más concretamente cambio climático. En esta ocasión quería contaros un poco sobre calentamiento global.

Calentamiento global

Consiste en una serie de cambios en el clima a nivel global debidos fundamentalmente a cambios en la composición atmosférica de origen humano, es decir, debido a la emisión de gases de efecto invernadero que se acumulan en la atmósfera (Karl et al., 2003). 

En primer lugar debemos explicar que es este efecto invernadero (Fig. 1). De manera natural la atmósfera y la superficie terrestre absorben energía solar, y posteriormente la atmósfera libera energía al espacio, de modo que se da un equilibrio. Sin embargo el aire atmosférico está más frío que la superficie terrestre, de modo que la atmósfera va a tender a absorber ese calor, a esto le denominamos efecto invernadero (Raval & Ramanathan, 1989). Esta tendencia natural a que la atmósfera absorba calor hace posible la vida en la Tierra, pero el problema radica en que la emisión de gases de efecto invernadero, que tienden a absorber esta energía, está incrementando la temperatura en exceso, suponiendo un peligro para los seres vivos (Coward & Hurka, 2006). 

Figura 1. Esquema del balance anual de energía en la Tierra (Kiehl & Trenberth, 1997).

Al aumentar la temperatura aumenta la evaporación de agua, lo que desde hace años se sabe que tiene a su vez efectos sobre los balances hídricos y térmicos, y por tanto sobre la agricultura (Adams et al., 1998), así como sobre la composición de los bosques, e incluso puede provocar una disminución de la cubierta forestal (Loehle & LeBlanc, 1996).

¿Qué son los antibióticos y por qué muchas veces se usan mal? Parte II

El objetivo de esta entrada como ya os comenté es informar sobre diferentes problemas relacionados con los antibióticos. Estos pueden ser clasificados en tres grupos fundamentalmente (Ventola, 2015):

1. Uso excesivo y prescripción incorrecta. Se ha demostrado la relación entre el consumo excesivo de antibióticos y la aparición de cepas de bacterias que son resistentes a estos. Evidentemente parte del problema se debe a la prescripción excesiva o incorrecta. Durante años se han recetado antibióticos de forma excesiva, sobre todo en niños para tratar enfermedades respiratorias (Wang et al., 1999), aunque se ha visto que el problema también ocurre en adultos (Dekker et al., 2015). Los estudios han demostrado que entre un 30% y un 50% de los casos son tratados con un antibiótico o una duración del tratamiento inadecuadas (Ventola, 2015).

Los genes de resistencia a los antibióticos pueden aparecer por mutaciones o ser heredados entre distintas generaciones, aunque también puede ocurrir a través de plásmidos por medio de lo que llamamos transferencia horizontal (Ventola, 2015). Ocurre lo que en biología evolutiva denominamos

"carrera de armamentos", que puede definirse como una adaptación en un linaje, normalmente un depredador, que le permite ser más eficaz capturando a sus presas. Esto da lugar a una adaptación por parte de la presa que le permite ser más eficaz escapando del depredador (Dawkins & Krebbs, 1979). En este caso tendríamos una carrera entre el desarrollo de nuevos antibióticos y la aparición de nuevas cepas resistentes.

Además aparte de la aparición de estas cepas resistentes existen otros problemas ligados al uso excesivo a los que no se presta tanta atención, ya que se ha descubierto que los antibióticos de uso general no solo atacan a las bacterias que nos han provocado una infección sino que también afectan a nuestra flora microbiana, que puede no llegar a recuperarse (Blaser, 2011).

2. Uso de antibióticos en agricultura intensiva. Determinados antibióticos son usados de manera generalizada en la agricultura intensiva para conseguir un crecimiento más rápido de los animales. El problema con esto (dejando la ética aparte) es que está causando la aparición de nuevas cepas resistentes a múltiples antibióticos (Novick, 1981).  y que existen evidencias de que los genes de resistencia se transmiten a traves de la cadena alimenticia desde las poblaciones animales a las poblaciones humanas (Ballard et al., 2015).

3. Disponibilidad de pocos antibióticos nuevos. El problema no es solo que se desarrolle resistencia, sino que no se están creando nuevos antibióticos a un ritmo lo suficientemente rápido como para combatir a estas cepas resistentes a los antibióticos que ya conocemos (Shallcross & Davies, 2014). Sin embargo se están desarrollando diferentes medidas alternativas (Reardon, 2015):

-Uso de bacterias predadoras de las que causan infecciones.

-Uso de péptidos antimicrobianos.

-Uso de bacteriófagos (como ya comentamos en la entrada anterior; Golkar, 2014).

-Uso de metales. Se conoce que algunos metales tienen efecto antimicrobiano y se está barajando la idea de utilizar nanopartículas metálicas. En cualquier caso habría que estudiarlo muy bien antes de aplicarlo ya que los metales podrían acumularse en el organismo y tener efectos nocivos (Reardon, 2015).

Espero que os hayan gustado estas entradas sobre los antibióticos y que os hayan aclarado algunas dudas. ¿Volveríais a pedirle al médico que os recete un antibiótico para un resfriado después de estar más informados?

¿Qué son los antibióticos y por qué muchas veces se usan mal? Parte I

Después de haber pasado varios resfriados y una gripe este invierno, y de que varias personas me dijeran que el médico debería haberme mandado antibiótico, he llegado a la conclusión de que hay una gran desinformación general sobre este tema.

En primer lugar, es importante decir que tanto el resfriado como la gripe son enfermedades causadas por virus, la primera por el género Rhinovirus (Rossmann et al., 1985) y la segunda por virus de la familia Orthomyxoviridae (Iashkulov et al., 2008). Los virus no son considerados seres vivos ya que no están formados por células, unidad básica de la vida (Lwoff, 1957) y además no cumplen las funciones vitales de los seres vivos, siendo éstas la nutrición, relación o interacción con otros seres vivos y reproducción. Los virus únicamente cumplen la tercera de ellas, ya que durante su existencia generan copias de si mismos. Una vez sabemos lo que es un virus y al pensar en el término antibiótico ya tiene que haber algo que nos cuadre con respecto a su uso para tratar infecciones por virus, el propio término no indica que están pensados para acabar con infecciones provocadas por seres vivos.

Pero evidentemente esto no es suficiente, y para que me creáis os tengo que dar datos sobre como funcionan los antibióticos realmente. No todos son iguales, existen una gran cantidad de tipos de antibióticos, pero todos ellos atacan distintas partes de las bacterias (Fig.1). Se pueden clasificar en diferentes grupos según su mecanismo de acción (Vázquez, 1970):

Figura 1. Partes de una bacteria. Aquí es necesario especificar que no todas las bacterias tienen ADN sino que algunas tienen ARN en su lugar.

1. Los que impiden los procesos de respiración y/o fosforilación oxidativa. Estos no se pueden usar de forma clínica porque son tóxicos para todos los seres vivos.

2. Los que impiden la síntesis de péptidos que aparecen en la pared celular. Estos compuestos de la pared se dan solamente en bacterias y en algunas algas verdes, de modo que se usan a menudo por su baja toxicidad en organismos superiores. Entre estos se encuentra la amoxicilina, uno de los más recetados y de amplio espectro. 

3. Los que actúan sobre la membrana celular. Estos pueden ser tóxicos para un amplio rango de organismos y solo se usan algunos contra infecciones de bacterias Gram negativas (bacterias con un determinado tipo de pared celular) y en algunos casos como antifúngicos.

4. Los que impiden la síntesis de ácidos nucleicos (siendo éstos el ADN y el ARN). Al actuar sobre un proceso tan importante como la síntesis de ADN estos se han utilizado también como antitumorales.

5. Los que impiden la síntesis de proteínas. Éstos normalmente actúan sobre los ribosomas y se usan bastante.

6. Bacteriófagos. Estos son una nueva alternativa a los antibióticos que ha surgido debido a la resistencia a la mayoría de ellos, pero me ha parecido bien incluirlos. Actúan sobre las bacterias produciendo su lisis o ruptura (Sulakvelidze, 2001).

Espero que os haya gustado esta entrada. En la siguiente hablaremos de problemas relacionados con los antibióticos como la resistencia, la necesidad de crear nuevos antibióticos y el uso excesivo que se hace de ellos.