En esta sección revisaremos fundamentalmente la evaluación crítica de las posibilidades de las mutaciones en construir sistemas biológicos nuevos, siguiendo el análisis realizado por Michael Behe en The Edge of Evolution (1)
Mutaciones defensivas
Behe utiliza la situación de la malaria para ilustrar las mutaciones y sus posibilidades. La malaria es una enfermedad causada por el Plasmodium falciparum (la variedad más virulenta de malaria), transmitida por la picadura del mosquito en zonas geográficas tropicales en donde esta bacteria puede desarrollarse. Una vez en el torrente sanguíneo del ser humano, se dirige al hígado donde permanece un tiempo para reorganizarse. Luego se introduce nuevamente en la sangre adosándose firmemente a los glóbulos rojos, los penetra, se protege con una capa protectora, se reproduce y se alimenta de la hemoglobina, para luego volver a la sangre y continuar el mismo proceso, destruyendo progresivamente los glóbulos rojos del enfermo, con todas las consecuencias clínicas del caso. La malaria retorna al mosquito cuando éste sacia su hambre en la sangre de la víctima. (1:17-18)
La malaria es una enfermedad grave que mata grandes cantidades de niños en las zonas infectadas. La malaria es difícil de erradicar y de tratar, particularmente por la facilidad con que desarrolla resistencia a los antibióticos. La malaria acompaña al hombre por numerosas centurias, y la interacción genética entre ambos, se puede estudiar en la secuencia del ADN. Esta interacción entre el hombre y el parásito, ha sido un repetido ciclo de desarrollo de defensas en uno, y nuevos ataques del otro.
La anemia falciforme es una enfermedad genética causada por una mutación puntual, sólo un nucleótido del DNA no se copia correctamente, generándose el gen de la enfermedad; pero no se trata de una sustitución arbitraria, sino que tiene que ocurrir en el lugar preciso para causar la alteración de la molécula de hemoglobina. La probabilidad que esta mutación ocurra precisamente, es de una en cien millones. (1:110) Este gen altera la construcción de la molécula de hemoglobina en los glóbulos rojos (eritrocitos), con la simple sustitución de un sólo amino ácido en una de las cadenas beta (la hemoglobina está constituida por dos cadenas alfas y dos cadenas betas). Esta simple alteración estructural de la molécula de hemoglobina provoca una aglutinación de sus cadenas, formando una masa gelatinosa al descargar el oxígeno en la periferia del cuerpo. El glóbulo rojo pierde elasticidad con serias consecuencias clínicas. Si una persona sólo tiene una copia del gen (heterocigoto) padece de una versión atenuada, no mortal de la enfermedad; si tiene las dos copias (homocigoto), la enfermedad se presenta con toda intensidad, incapacidad y frecuente muerte prematura. La posesión de una (o de las dos copias del gen) de la anemia falciforme, confiere al enfermo protección contra la malaria (naturalmente en el homocigoto de la anemia falciforme de poco vale esta protección). El proceso de protección como lo describe Behe (1:21-26), ocurre en el interior del eritrocito en donde se instala el plasmodium de la malaria; los portadores del gen (heterocigotos) de la anemia, poseen sólo la mitad de la hemoglobina anormal, de modo que al entregar el oxígeno en la periferia corporal no se aglutina como en los homocigotos, pero la presencia de la bacteria altera el grado de acidez en el interior del glóbulo rojo, lo que desencadena la aglutinación de la hemoglobina. Esta aglutinación, presiona al plasmodium contra la membrana celular del eritrocito, deformándola; de modo que al pasar la sangre por el bazo, órgano de limpieza de la sangre, elimina al glóbulo deformado, desapareciendo el plasmodium.
Los enfermos de malaria, y los pacientes con anemia falciforme, sufren de enfermedades graves, con invalidez y muerte prematura, de modo que la selección natural los elimina. Pero, los portadores (heterocigotos) del gen de la anemia, sufren sólo de una enfermedad leve y sobreviven, la selección natural los favorece al protegerlos de infección de malaria; por esta razón la anemia falciforme es prevalente en los descendientes de africanos, primariamente expuestos a la presión ambiental de la malaria. Este es un excelente ejemplo en donde los mecanismos darwinianos se muestran en acción: las mutaciones fortuitas (muy poco frecuentes que provocan la anemia falciforme) y la acción de la selección natural. Behe menciona otras mutaciones que confieren alivio contra los problemas causados por la anemia falciforme, como la persistencia de la hemoglobina fetal (de gran afinidad por el oxígeno) que ha aumentado su frecuencia en África, en las zonas infectadas por malaria; y el gen C-Harlem de Nueva York, que es una segunda mutación del gen de la anemia falciforme que causa un cambio extra de un aminoácido en la cadena beta que altera la anemia, y alivia su patología; pero claro, necesitándose dos mutaciones sucesivas, el proceso toma mucho más tiempo en ocurrir fortuitamente; la posibilidad ocurrencia de una segunda mutación es el producto de la probabilidad de la primera por la probabilidad de la segunda. Esta mutación no se ha esparcido al continente africano, apareció en una familia neoyorkina, en un área del mundo en donde no hay malaria, y puede perderse por puro azar -- como le puede ocurrir a cualquier mutación beneficiosa--, al barajarse los genes en la reproducción, antes de asentarse en la población general. (1:111-112)
Otra mutación que preteje contra la malaria citada por Behe (1:30-33), es la Hemoglobina C (Hb C) (diferente de la neoyorkina citada anteriormente); esta mutación altera, como la anemia falciforme, la cadena beta de la molécula de hemoglobina, en la misma posición, pero con un aminoácido de carga eléctrica diferente. Los individuos con las dos copias del gen Hb C tienen protección contra la malaria, pero, contrariamente a los homocigotos de la anemia falciforme, sólo padecen de una enfermedad menor; desgraciadamente los heterocigotos una sola copia del gen de la Hb C--, no tienen protección contra la infección del plasmodium. Por estas características la distribución de esta mutación en la población es diferente y más lenta que la de la anemia falciforme.
Ambas mutaciones desencadenadas por la presión ambiental de la malaria: la anemia falciforme y la Hemoglobina C, aparecen gracias a la selección natural en las áreas infectadas; protegen del plasmodium. Y no son éstas las únicas mutaciones que aparecen y son cernidas por la selección natural frente a la malaria, otras afectan, no a la hemoglobina, sino a encimas y proteínas del glóbulo rojo generando síntomas, pero ofrecen cierta protección contra la malaria. Todas estas mutaciones fortuitas permitidas por la selección natural en presencia de la malaria, muestran con esplendor la dinámica de los mecanismos evolutivos darwinianos; pero, Behe (1:34) señala que estas mutaciones no suceden en el sistema inmunitario, encargado de la defensa del organismo, sino en la hemoglobina (u otros elementos del eritrocito); no construyen ningún sistema bioquímico nuevo, ni contribuyen a mejorar el sistema defensivo del organismo, más bien alteran el funcionamiento normal del cuerpo humano, causando anemia y otros síntomas. La protección de la malaria tiene un precio, una enfermedad agregada que es menor mal que la malaria y, por tanto, sancionada positivamente por la selección natural. En una población normal, no expuesta al parásito, estas mutaciones serían borradas por la selección natural
Desarrollo de resistencia a las drogas
El Plasmodium falciparum es increíblemente más numeroso que los seres humanos y se reproduce con gran velocidad, por lo que no es de extrañar que el parásito tenga muchas oportunidades para presentar mutaciones que lo beneficien. Estos beneficios se muestran particularmente en su lucha contra las drogas antimalaria.
La cloroquina es un producto sintético, de bajo costo, de pocos efectos secundarios, similar a la quinina que hasta hace poco tiempo se consideraba el tratamiento estándar de la malaria, y se pensaba iba a erradicar esta terrible enfermedad. La cloroquina penetra en el interior de la vacuola digestiva del plamodium, y bloquea la eliminación de la fracción hemo, que otorga el color rojo a glóbulo rojo; el parásito se alimenta de la hemoglobina, pero el hemo le es tóxico y debe eliminarlo. Es precisamente a este nivel donde trabaja la cloroquina, perturbando la eliminación del tóxico con fatales consecuencias para la bacteria.
Una de las mutaciones del plasmodium produce un cambio en la bomba excretora de la membrana de la vacuola digestiva del parásito. Esta bomba está constituida por 424 aminoácidos, la mutación genética produce alteraciones en cuatro a ocho posiciones de los aminoácidos en la estructura de la bomba, dos de las cuales son muy frecuentes y se piensa que son las responsables de los cambios funcionales de la bomba. Las otras sustituciones, parecen compensar los efectos secundarios de las dos mutaciones primarias (simultáneas); estas mutaciones se dan en dos patrones, uno que se encuentra en los parásitos de América del Sur y otro en los parásitos de Asia (probablemente extendido al África), lo que parece indicar que han ocurrido dos mutaciones. Estas alteraciones en la estructura proteica de la bomba provocan una disminución de la concentración de cloroquina en la vacuola digestiva con lo que el parásito puede sobrevivir. (1:44-51)
La pérdida de la efectividad de la cloroquina ha ocurrido en unas decenas de años; las nuevas drogas elaboradas para combatir a la malaria sucumben rápidamente a las mutaciones del plasmodium, y parecen sucederse más velozmente después de ocurrir la primera mutación que les otorga resistencia a los medicamentos. Sin embargo, a pesar de estar presente la anemia falciforme por miles de años, el plasmodium no ha sido capaz de tener una mutación que neutralice los efectos deletéreos de la anemia. (1:51)
Las probabilidades que suceda una sola mutación en el plasmodium que le conceda protección (una sustitución de amino ácido alterada en la bomba) contra una droga antimalaria, como la atovaquona, es alrededor de uno en 1012. Para desarrollar resistencia a la cloroquina el parásito necesita dos mutaciones simultáneas, con lo que la probabilidad de ocurrencia baja considerablemente a uno en 1020. Esta probabilidad de mutación doble simultánea es muy baja, pero como la cantidad de parásitos existentes es de tal magnitud, ya que un paciente infectado tiene 1012 microorganismos, y el número de infectados por año es de 109, estas probabilidades tan escasas, pueden realizarse. (1: 57-59)
La situación es diferente en los seres macroscópicos con una reproductividad más baja y un número mucho menor de individuos que los microorganismos como la malaria. Behe calcula en forma muy conservadora, que el número de hominoides en la línea de descendencia desde la separación de los chimpancés, diez millones de años atrás, alcanza a unos 1012 individuos, un número menor al que se calcula para la probabilidad de la malaria para realizar una doble mutación que le otorgue resistencia a la cloroquina (uno en 1020). Basado en estos cálculos Behe concluye: Ninguna mutación que sea de la misma complejidad que la resistencia a la cloroquina en la malaria, se generó por evolución darwiniana en los últimos diez millones de años. (1:61) Igualmente, las cifras para todos los mamíferos son totalmente desalentadoras para ocurrencia de mutaciones dobles.
Behe aclara que las mutaciones que ocurren en la malaria para generar resistencia a la cloroquina son considerablemente específicas y eficientes; en el lugar preciso. El plasmodium de hecho ha sufrido innumerables mutaciones en todos sus elementos proteicos, pero ninguna es capaz de generar la resistencia mencionada. La especificidad también se muestra en las mutaciones del mosquito frente al insecticida DDT, y en las ratas ante el raticida warfarina (1:61,76-77) De modo que en organismos más complejos, con innumerables posibilidades de mutaciones (mayor número de cromosomas), se puede esperar que sólo algunas mutaciones particulares sean capaces de generar cambios específicos con resultados beneficiosos; y las probabilidades que ocurran, como hemos visto, son muy bajas.
Whitman y cols. (2;95:6578-83) de la Universidad de Georgia calcularon en 1030 el número de células bacterianas producidas en un año en la tierra; las bacterias son el tipo de organismo más numeroso en el planeta. Behe, especula asumiendo que, si ese número de microorganismos producidos anualmente haya sido el mismo desde el comienzo del universo, se habrían producido un poco menos de 1040 bacterias durante toda la existencia de nuestro universo. Esta cifra corresponde a las probabilidades de cuatro mutaciones simultáneas para lograr un efecto específico (la probabilidad de la doble mutación [cloroquina] es 1020, para cuatro mutaciones simultáneas es entonces de 1040). Para Behe, la doble mutación simultánea es el límite de lo que se puede esperar de la evolución darwiniana en la tierra, y las cuatro mutaciones simultáneas, el límite de lo que se podría esperar de esta evolución en el universo, naturalmente si hubiera vida en otro lugar de la inmensidad cósmica. Estos límites corresponden a los microorganismos que se reproducen velozmente en enormes cantidades; para los seres superiores, incluido el hombre, la doble mutación simultánea está fuera sus posibilidades. (1:62-63, 112) De modo que la evolución darwiniana no puede explicar las mutaciones dobles (simultáneas) o más complejas-, necesarias en la construcción de sistemas orgánicos complejos en los seres macroscópicos, como, por ejemplo, el sistema inmunitario. (1:134-135)
Para Behe, la batalla del ser humano con la malaria no ha causado la aparición de ninguna nueva estructura con interacción proteica, ni en el plasmodium, ni en el hombre; y los cambios observados en la bacteria desaparecen una vez que cesa la exposición a las drogas. (1:136-137)
Situación del virus del SIDA y de la Escherichia coli
El virus del sida se multiplica a una velocidad mil veces más alta que la multiplicación de las células, y tiene una tasa de mutaciones muy alta; cada nueva copia del virus tiene el término medio de una mutación. Esta situación del virus SIDA lo convierte en un excelente terreno para estudiar el proceso evolucionario. (1:137-140)
Se calcula que una persona infestada con SIDA tiene alrededor de 109 a 1010 virus en el organismo, y como el tiempo de replicación de este microorganismo es uno a dos días, en diez años el número de virus sube a 1013. Habiendo cincuenta millones de personas infectadas en el mundo, se calcula que en las últimas décadas se han producido 1020 copias del virus. Si a ésto agregamos la alta tasa de mutaciones del virus (diez mil veces más que la malaria), tenemos una cantidad enorme de mutaciones de todo tipo en estos microorganismos. Esto se refleja en el genoma del virus que ha cambiado, pero, sin embargo, no ha ocurrido ninguna estructura proteica interactiva nueva, y la asombrosa resistencia a las drogas que presenta, ocurre del mismo modo que en la malaria, mutaciones simples que disminuyen la adhesión del medicamento al virus. En los seres humanos tampoco se han observado mutaciones que generen maquinarias proteicas nuevas, sino que al igual que en la malaria, sólo genes alterados cuyos efectos ayudan en la defensa del organismo, pero con un costo (anemia falciforme).
La Escherichia coli es una bacteria intestinal con gran reproductividad y fácil de cultivar. Richard Lenski comenzó en 1990 un cultivo de bacterias en un medio estable; cada día transfería una porción de bacterias a un matraz fresco, para continuar la reproducción sin interrupción. De esta manera se han logrado cerca de treinta mil generaciones de Escherichia coli, equivalente a un millón de años de historia humana; en el curso de la investigación se han generado aproximadamente 1013 bacterias, menos que el plasmodium en un medio natural. Estas investigaciones en el laboratorio de Lenskiz, no muestran resultados fundamentalmente nuevos, no se generan maquinarias bioquímicas nuevas; algunas mutaciones rompieron genes y desconectaron otros, pero nada significativamente constructivo ni nuevo. (1:141-142)
Mutaciones graduales y selección natural
Las mutaciones dobles simultáneas para lograr un efecto beneficioso ocurren con poca frecuencia, sin embargo es posible que ocurran mutaciones simples sucesivas con efectos acumulativos beneficiosos como lo propone el darwinismo. Behe menciona en este sentido, el caso de la proteína contra la congelación del pez notothenioids del Océano Antártico; esta proteína permite al pez vivir en aguas con temperaturas bajo el punto de congelación (el agua salada del mar no se congela fácilmente). La proteína anticongelación impide el crecimiento de las semillas o núcleos iniciales de congelación en los líquidos orgánicos del pez, impidiendo su congelación; esta proteína se codifica por un gen con características similares a una encima digestiva del animal, por lo que se ha propuesto que la mutación comenzó con una duplicación del gen que codifica la encima digestiva, luego se repitió el proceso con otra duplicación del gene y copias sucesivas de unas cadenas de aminoácidos, y por último, los partes inservibles del nuevo gen se eliminan. Behe considera que los paso propuestos y las mutaciones envueltas son perfectamente posibles, ya que estas mutaciones ocurren con frecuencia en la naturaleza; este constituiría un proceso gradual con beneficios progresivos en anticongelación, sancionados positivamente por la selección natural; incluso, se encontró posteriormente en el este mismo pez, la presencia de un híbrido, un gen con la secuencia necesaria para codificar la encima digestiva, y la secuencia para codificar la proteína anticongelación; una casi confirmación de la evolución darwiniana en marcha.
Pero Behe señala que este ejemplo del pez antártico muestra las limitaciones de la evolución darwiniana: mutaciones fortuitas ventajosas y selección natural. La proteína anticongelación es codificada por varios genes de distinta longitud que codifican cadenas de aminoácidos de distinto largo que se agregan para formar una proteína suelta, sin doblarse estructuralmente, en nada parecido a las proteínas orgánicas como la hemoglobina; además, esta proteína no interactúa con otras proteínas. Es una estructura proteica que funciona más bien mecánicamente, no es una estructura funcional orgánica integrada. (1:77-83)
Mutaciones biológicamente razonables
Behe elabora y aplica a la teoría evolucionaria el concepto biológicamente razonable usado por Coyne & Orr (3:136) para una teoría biológica; una teoría puede ser teóricamente posible, pero biológicamente no razonable. El criterio que propone Behe para juzgar si las mutaciones y la selección natural son biológicamente razonables para explicar el origen de un sistema orgánico, envuelve dos aspectos:
(a) Pasos, entre más pasos intermediarios sean necesarios para lograr el beneficio biológico, menos probable es la explicación darwiniana. La probabilidad de ocurrencia de pasos depende del tamaño de la población del organismo que está mutando; entre mayor sea el número de individuos, mayor será la posibilidad que ocurran más pasos, pero hay un límite infranqueable, ya que las probabilidades de mutaciones sucesivas (pasos) se van multiplicando con lo que las probabilidades bajan a cifras minúsculas inalcanzables en el tiempo de existencia de la tierra y del universo. La situación se agrava exponencialmente cuando los pasos necesarios requieren mutaciones simultáneas; imposibles para los organismos superiores.
(b) Coherencia, necesaria para la realización de un plan con una meta, es improbable que ocurra en los procesos darwinianos al azar. La evolución progresa por procedimientos estocásticos, y sin meta. Resulta relativamente fácil visualizar una ruta de pasos pequeños y graduales desde una estructura biológica dada para explicar su origen; pero la evolución no funciona de ese modo, cada paso es ciego y abre a otros pasos ciegos o simplemente no hay más posibilidades que pasos sin destino. La ruta evolutiva imaginada se torna un intrincado laberinto, cuando se mira el proceso desde el comienzo mismo a la estructura que se quiere explicar. Por eso Behe concluye: Aún, si hay una ruta a una meta distante, no es biológicamente razonable esperar que las mutaciones fortuitas y la selección natural naveguen un laberinto para llegar a él. (1:113)
Además, cada paso, cada mutación que se ha observado y estudiado, aunque aporte un beneficio, significa una alteración, mayor o menor, para el organismo. Sobre estas mutaciones no se puede seguir construyendo estructuras nuevas funcionales que muevan el progreso evolutivo; esta situación carece de toda coherencia para construir la complejidad biológica. Behe escribe: Si el darwinismo es chapucero [tinkerer], entonces no se puede esperar que produzca rasgos coherentes donde un número de partes separadas actúen juntas con un propósito claro, involucrando más de varios componentes. (1:119)
Límites de la evolución darwiniana
Para que ocurra la evolución darwiniana gradual se necesita tiempo, pero el tiempo no es el único factor que importa en la evolución; el número de individuos es también fundamental. Como la tasa de mutaciones es bastante similar en muchos organismos, el periodo de espera para que ocurra una mutación beneficiosa, depende del tamaño de la población expuesta; entre más populosa, más rápida es la posibilidad de la ocurrencia de una mutación. Behe señala que el número de microorganismos virus del SIDA y Plasmodium falciparum--, en los últimos cincuenta años es probablemente mayor que el número de mamíferos que han vivido en la tierra en cientos de miles de años. Si en estos microorganismos no ha ocurrido en este corto pero significativo periodo evolucionario, --dice Behe--, ninguna mutación que genere nuevas proteínas interactuando, entonces no hay razón para esperar que ocurran en los mamíferos en un periodo de tiempo más largo, pero con menos individuos. Debe tenerse presente, que el código genético, con unas pocas excepciones, es el mismo para millones de especies, los aminoácidos son los mismos para todo material biológico, las maquinarias intracelulares son las mismas, etc.; de modo que, estos microorganismos no son esencialmente diferentes que el resto de los seres vivientes en su composición y funcionamiento bioquímico, por lo que no constituyen una excepción en el mundo orgánico y pueden legítimamente ejemplificar para todo el reino animal. (1:153, 155-156)
Esta extrapolación de lo que se observa en la actualidad en los microorganismos considerados, a lo que pudiera haber ocurrido en el pasado, es para Behe, perfectamente aceptable, ya que este es el procedimiento habitual de las ciencias, se proyectan las conclusiones y leyes de la naturaleza observadas en el presente, al comienzo de la evolución del universo. Behe confía que estas observaciones empíricas, con tan inmenso número de microorganismos, son una indicación firme de lo que se puede esperar en la evolución de los seres superiores. El autor está conciente que existe la posibilidad lejana que en algún lugar perdido entre los bosques o en el fondo del mar, se encuentre un organismo que muestre cambios evolucionarios constructivos de nuevas estructuras funcionales, pero dice: Una persona racional no da crédito a una afirmación basada en la mera posibilidad -- una persona racional exige razones positivas para creer en algo. Hasta que un organismo sea encontrado y se demuestre que es más apto que el parásito de la malaria en construir una maquinaria molecular coherente, mediante mutaciones fortuitas y selección natural, no hay razón positiva [para pensar] que pueda ser hecho. (1:155)
Los estudios de Behe no rechazan la generación de ciertas estructuras orgánicas menores por mecanismos darwinianos: mutaciones fortuitas y selección natural; pero el autor señala los límites de estas posibilidades basado en los microorganismos estudiados. Behe escribe:
las mutaciones fortuitas y la selección natural pueden dar cuenta de muchos cambios relativamente menores en la vida no sólo cambios invisibles en las vías metabólicas como la resistencia a los antibióticos en ratas o malaria, sino que también cambios en la apariencia de animales. La diferencia de tamaños y formas de perros, el patrón de coloración de las alas de los insectos, y más, puede muy probablemente ser atribuido a procesos darwinianos afectando genes interruptores [encargados del control del desarrollo de los organismos]. (1:201)
Conclusión
El análisis de Behe no presenta esencialmente argumentos nuevos frente a la proposición darwiniana. Como hemos vistos en artículos anteriores, diversos autores han apuntado a la improbabilidad de la ocurrencia de mutaciones fortuitas capaces de generar especiación, en consideración a la complejidad estructural y funcional que involucra la evolución de las especies. Behe concretiza estos argumentos con el estudio objetivo de microorganismos. Estos seres, a pesar de tener una alta tasa de reproducción y de mutaciones, no presentan más allá de mutaciones dobles simultáneas, que son consideradas necesarias para la construcción de material biológico complejo. Las mutaciones simples sucesivas, con ciertas ventajas para los organismos, no son conducentes a la formación de estructuras funcionales complejas, ya que implican numerosos pasos coordinados de gran dificultad para un proceso regido por el azar. Además, Behe señala que las mutaciones, aunque aporten alguna ventaja al organismo, significan una perturbación del sistema biológico dado, una debilidad sobre la cual no se puede construir un sistema nuevo, y de hecho, no se construye, a juzgar por las experiencias con microorganismos.
El análisis de Behe rompe con la usual polaridad con que se presenta la controversia acerca de la teoría de la evolución darwiniana. Ya no se trata de una teoría completamente validada o totalmente inaceptable, sino que la teoría tiene vigencia en ciertas áreas limitadas de la génesis de los sistemas biológicos; esta tesis puede dar cuenta de algunos aspectos evolutivos, pero no hay evidencia que justifique la pretensión que puede explicar el origen de las especies, y menos aún, del fenómeno humano.
Bibliografía
1. Behe, Michael J (2007). The Edge of Evolution. Free Press. New York London Toronto Sydney.
2. Whitman, W. B., Coleman, D. C., Wiebe, W. J. (1998). Prokaryotes: the unseen majority. Proc. Natl. Acad. Sci. USA.
3. Coyne, J. A., and Orr, H. A. (2004).Speciation. Sunderland, Mass.: Sinauer Associates.
