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Una nueva teoría basada en la geometría embrionaria propone una explicación de cómo evolucionaron los vertebrados – noticias de abajo
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"Ni la Ciencia oficial y consagrada ni otra fe
ninguna puede hacer más que procurar que se cumpla lo previsto, que no
se haga más que lo que está hecho, y que no nos pase nada del otro
mundo". Mentiras principales, Agustín García Calvo
Una nueva teoría pretende explicar cómo el complejo cuerpo de los
vertebrados, con su esqueleto,
músculos, sistema nervioso y cardiovascular, proviene del desarrollo de
una sola célula y cómo evolucionaron estos sistemas con el tiempo.
Por David B. Edelman, Mark McMenamin, Peter Sheesley, Stuart Pivar
Fig. 1
Según la teoría Neo-Darwinista, los principales cambios evolutivos se han producido como consecuencia de la selección de mutaciones genéticas arbitrarias, fortuitas a lo largo del tiempo. Sin embargo, algunos investigadores dicen que este teoría no explica de manera satisfactoria formas radicalmente diferentes de vida y su rica complejidad, sobre todo si observamos a los vertebrados y los seres humanos.
Según la teoría Neo-Darwinista, los principales cambios evolutivos se han producido como consecuencia de la selección de mutaciones genéticas arbitrarias, fortuitas a lo largo del tiempo. Sin embargo, algunos investigadores dicen que este teoría no explica de manera satisfactoria formas radicalmente diferentes de vida y su rica complejidad, sobre todo si observamos a los vertebrados y los seres humanos.
Resumen
En este artículo presentamos una
explicación plausible del origen del patrón corporal de los vertebrados.
Ofrecemos una reconstrucción teórica de la estructura geométricamente
regular de la blástula resultante de la subdivisión del óvulo fecundado,
seguido de deformaciones mecánicas de la blástula en etapas posteriores
de gastrulación. Sugerimos que la formación del patrón corporal de los
vertebrados durante el desarrollo, así como la fijación de sus variantes
en el curso de la evolución, se ha visto limitado y guiado parcialmente
por unos mecanismos globales. Se puede argumentar que el papel de estas
limitaciones en el control de la morfología, algo muy descuidado
anteriormente en las explicaciones del desarrollo y de la
macroevolución, es algo crítico en cualquier explicación sobre el origen
del patrón corporal de los vertebrados. Supusimos que la blástula
preserva de manera inherente la geometría subyacente de la matriz
cuboidal de ocho células producidas por las tres primeras divisiones que
finalmente definen los ejes medial-lateral, dorsal-ventral y
anterior-posterior del futuro patrón corporal. A través de
representaciones gráficas se demuestra la formación de las estructuras
principales del cuerpo de los vertebrados a través de deformaciones
mecánicas de patrones geométricos predecibles durante la gastrulación.
El rigor descriptivo de nuestro modelo se apoya en sucesivas
comparaciones con las caracterizaciones previas del plan corporal del
embrión y del adulto en los vertebrados. Aunque sea especular, el modelo
aborda algo que todavía no ha encontrado una explicación plausible en
la literatura científica sobre el origen de la morfología de los
vertebrados. Una solución coherente al problema de la morfogénesis, un
objetivo difícil de alcanzar en la actualidad, sólo se podrá lograr si
se mira tanto hacia arriba como hacia abajo (por ejemplo, las
limitaciones mecánicas y las propiedades geométricas consideradas aquí) y
las influencias de abajo hacia arriba (por ejemplo, moleculares y
mecánico-químicas).
“El origen de la vida, la
evolución con una creciente complejidad, y el desarrollo del embrión a
partir de un solo óvulo, todo ello parece algo milagroso a primera
vista, y todavía sigue siendo algo inexplicable”. – Paul Davies
“La palma se la llevará aquel
que rastree las fuerzas que forman el cuerpo del animal a partir de las
fuerzas generales que moldean la vida del universo”. – Karl Ernst von Baer
Introducción
1.1. La forma del animal: un problema que viene de muy atrás
Uno de los problemas aún no
resueltos a lo que se enfrenta la Biología moderna es el origen de la
complejidad biológica, especialmente en lo que se refiere a la forma de
nuestros propios cuerpos. Desde Leonardo da Vinci y Vesalio, hasta
Anatomía de Grey, los anatomistas han logrado proporcionar unas
descripciones muy detalladas de los sistemas musculoesqueléticos, de
órganos y de nervios. Sin embargo, el problema del origen de estos y
otros aspectos de la forma del organismo sigue sin resolverse. Dado que
el cuerpo se desarrolla a partir de un embrión, los anatomistas del
siglo XIX buscaron una solución razonable a partir de la observación del
desarrollo temprano de los animales o embriogénesis. A finales del
siglo XIX, ya se habían caracterizado los estadios embriológicos de casi
todas las principales categorías taxonómicas con absoluto detalle. Pero
no hubo respuestas, ya que la forma del embrión parecía emerger, con un
repentino cambio de fase, de una masa de células, sin dar ninguna pista
del mecanismo responsable de la organización de esa forma. Por otra
parte, aunque necesariamente debe existir una relación entre la
aparición de la forma animal durante el desarrollo somático y el
advenimiento de nuevas categorías taxonómicas durante la evolución, la
naturaleza de esta relación todavía no se entiende. Por ejemplo, la
transición evolutiva de los tetrápodos marinos hacia los vertebrados
terrestres fue aclarada recientemente por el descubrimiento de Tiktaalik roseae y otras formas de transición (Shubin et al., 2006a, 2006b, 2014).
Sin embargo, el origen de los
primeros peces sigue siendo un misterio y todavía buscamos una
explicación plausible de la aparición de las aletas. Basándonos en las
similitudes morfológicas, el anfioxo, la fase larval del tunicado y la Pikaia gracilens
del Cámbrico se han sugerido como posibles precursores de los primeros
peces, aunque los orígenes de estas formas no han sido explicadas (Morris y Caron, 2012).
En otro ejemplo, Darwin dio una explicación plausible de la aparición
de diferentes adaptaciones del pico entre los pinzones de las Galápagos (Darwin, 1859).
Sin embargo, la selección natural no proporciona un mecanismo que
explique la aparición de diferentes formas de picos, mucho menos la
morfología generales de los miembros de la familia tangara, conocida
como pinzones de Darwin. En el Origen de las Especies
no se aborda cómo han surgido nuevas especies. Más bien se afronta la
cuestión de cómo podría funcionar la selección una vez que se han
establecido numerosas variaciones (Darwin, 1859).
Un reciente trabajo que destaca la importancia de las interacciones
genéticas y epigenéticas en la evolución de los pinzones de Darwin
sugiere que ni uno ni otro debe ser considerado como algo primordial en
la aparición de nuevas especies (Skinner et al., 2014).
El mecanismo que subyace en la aparición de formas radicalmente nuevas
sigue siendo una cuestión muy abierta (para un resumen detallado de la
historia y el estudio del origen de las formas vertebradas, véase Onai y Kuratani, 2014, y para una revisión del problema de la macroevolución, ver también Vrba y Eldredge, 2005).
La descripción del modelo
conceptual propuesto aquí continúa con el relato histórico del problema
de la forma de los vertebrados y diversas consideraciones científicas y
filosóficas relevantes. Los autores piden que el lector deje a un lado
el escepticismo en un problema tan complejo y que lleva tanto tiempo en
el candelero por dar una solución de una relativa simplicidad. Aunque ni
riguroso ni exhaustivo en un sentido empírico, nuestro modelo ofrece
una descripción intuitiva y plausible de la aparición de un modelo de
fuerzas geométricas mecánicas limitativas. El modelo proporciona un
patrón o plan de trabajo para realizar investigaciones adicionales,
sujeto a la confirmación (o refutación) por los investigadores
interesados.
1.2. Geometría embrionaria
Los patrones corporales de
organismos complejos son predominantemente simétricos, bien radial o
bilateralmente. Los animales con simetría radial tienen sus cuerpos
parecidos a jarrones. Los animales con simetría bilateral poseen tubos
segmentados con cabeza en la parte anterior, ojos dorsales y pares de
extremidades articuladas y puntiagudas. Todos los organismos complejos
se desarrollan a partir de un óvulo fecundado que se escinde
alternativamente a lo largo de los tres ejes espaciales, dando lugar a
ocho células que se disponen en los vértices de una forma de cuboide.
Posteriores divisiones originan la blástula, un conjunto de cientos de
células de geometría bastante regular derivada de la forma anterior de
cuboide (Fig.1,
en la parte superior). La blástula se asemeja a la esfera terrestre,
con las células situadas en los hemisferios norte-sur, este-oeste,
flotando como continentes, sobre el núcleo líquido del blastocelo. Se
especula, según este modelo y del mismo modo que las placas tectónicas,
que estas células han “derivado” durante eones, lo que resulta en la
perturbación y deformación de la geometría original de las formas
animales incipientes. Como se demostrará más adelante, el patrón
corporal principal podría haber surgido, posiblemente, de estos patrones
de división. La “geometría embrionaria”, como a la que aquí se hace
referencia, hace ciertas predicciones sobre la morfología de las formas
animales que surgen de las limitaciones geométricas globales y de las
fuerzas mecánicas que actúan en conjunción con ciertos mecanismos
mecánico-químicos y celulares locales en las formas que caracterizan la
organización de los conjuntos de células en las primeras fases de la
morfogénesis. El modelo especulativo que aquí se ofrece caracteriza la
embriogénesis como una serie de cambios mecánicos de topología limitada
por las propiedades físicas en cuanto a tamaño y forma. Aunque
reconocemos la importancia de relacionar este proceso global desde
arriba hacia abajo con la dinámica molecular y celular de abajo hacia
arriba para lograr una comprensión del proceso de adquisición de la
forma animal durante el desarrollo como a lo largo de la evolución, no
intentamos tal síntesis en el presente trabajo.
2. El modelo
Los eventos iniciales predichos por
este modelo sugieren que la aparición de morfologías tanto radiales
como bilaterales se producen cuando la membrana de la blástula se
invierte durante la gastrulación, descendiendo simétricamente o
asimétricamente a lo largo de la superficie interna de la blástula,
llegando finalmente al fondo de la forma embrionaria temprana. En la
gastrulación simétrica, los segmentos separados de las distintas capas
celulares se encuentran en el polo interior opuesto, donde se unen para
proyectarse hacia arriba y hacia afuera a través del blastoporo, como
tentáculos (o en el caso de las plantas, un brote cilíndrico que se abre
en círculos de hojas o flores) (Figura 2).
En la gastrulación asimétrica, uno de los hemisferios longitudinales,
el futuro lado dorsal del cuerpo, entra en el blastoporo mediante una
especie de subducción que se aferra a la superficie interna de la
membrana vitelina, pero también permanece unida al hemisferio ventral,
que se esboza simultáneamente. La curvatura del hemisferio dorsal se
invierte al ser laminada sobre el hemisferio ventral en una
configuración que establece la base temprana del patrón corporal de los
vertebrados. Los detalles de este proceso se representan gráficamente en
las Figuras 3-5.
[…]
3. Atajos embriológicos: explicación de una “fase desaparecida” de la embriogénesis de los vertebrados
Los animales de simetría bilateral, tanto
vertebrados como invertebrados, tales como los crustáceos, las arañas,
los insectos, los gusanos, los miriápodos, los onicóforos y los
tardígrados, pasan por una fase temprana de desarrollo en la que asumen
la forma de un tubo segmentado con uniones, piernas ventrales, cabeza
anterior con ojos dorsales y boca ventral con mandíbulas (Damen, 2002; Gilbert, 2013).
Pero mucho antes de esta fase, en las fases precedentes de división del
óvulo fecundado a lo largo de los tres ejes espaciales, se forma una
bola, que luego adquiere dos capas, con forma de jarrón. Aquí sugerimos
que la fase más misteriosa de la embriogénesis bilateral, y quizás la
más importante desde el punto de vista morfológico, es el modo en el que
la forma de jarrón se convierte en un animal completo: la fase
denominada filotípica del desarrollo. La solución mecánica que se
describe aquí presupone la existencia de un patrón ancestral que ha
desaparecido a lo largo de la evolución a medida que los movimientos a
gran escala de las poblaciones de células embrionarias adoptaron atajos.
Es decir, estas poblaciones procedían de su localización más temprana
en la gástrula y pasan directamente al embrión, en ausencia de etapas
ancestrales intermedias (Balfour, 1880). El mecanismo de esta tendencia evolutiva en el desarrollo animal ha sido ampliamente explicado en otra parte por Gould (1977).
[…]
7. Conclusión
Lo dicho anteriormente sugiere:
1.- una descripción probable de los
eventos mecánicos que se producen en la gastrulación y que impulsan una
amplia variedad de patrones corporales en los animales durante el
desarrollo y durante el curso de la evolución;
2.- Una potencial agenda para futuros trabajos experimentales.
La descripción mecánica propuesta podría
ser ratificada mediante varios medios, incluyendo la observación de
trayectorias tisulares específicas usando marcadores moleculares para
etiquetar células específicas en cada una de las tres etapas dérmicas de
la gástrula. Un programa de investigación siguiendo el modelo expuesto
aquí puede esclarecer uno de los misterios más duraderos en la Biología
moderna: a saber, el origen de la forma corporal de los vertebrados
complejos.
Este artículo proporciona una
reconstrucción hipotética, y en gran parte, gráfica, de los eventos
mecánicos que impulsan la aparición de las formas individuales de los
vertebrados durante la embriogénesis y, en última instancia, guiaron la
aparición de múltiples patrones corporales de los animales a lo largo de
la evolución. Revela una visión diferente de la vida que la que
prevaleció desde la Síntesis Evolutiva Moderna de hace casi 70 años: a
saber, que todos los principales patrones corporales de los animales se
han formado por fuerzas mecánicas y se han organizado a través de cierto
sesgo no aleatorio, y no únicamente a través de la selección puramente
estocástica (determinista). Aunque la selección natural puede haber
desempeñado un papel crítico en la estabilización de un patrón corporal a
lo largo de muchas generaciones, sugerimos que se ha producido por la
interacción de restricciones geométricas y fuerzas mecánicas, así como
el vínculo recíproco entre estos y los eventos celulares y moleculares
locales que ha dado lugar a la rica profusión de morfologías animales
complejas en la Tierra.
Como ocurre con otros paradigmas científicos basados en datos históricos naturales
y físicos, la descripción anterior de la morfogénesis de los
vertebrados (y la historia evolutiva y la historia individual y
evolutiva del phylum de los vertebrados en la que se apoya) no se presta
fácilmente a una prueba empírica. Sin embargo, estos marcos teóricos
han sido previamente aceptados como conocimientos científicos sólidos en
virtud de la gran cantidad de ejemplos que lo corroborarían (e incluso
de carácter predictivo). Entre estos ejemplos se encuentra la teoría
evolutiva (ej., descendencia con modificaciones) y las ciencias
relacionadas con la Paleontología y la Geología, la Física del siglo XX
sigue a Einstein (por ejemplo, el modelo de Bohr de la estructura
atómica y los principios de la mecánica cuántica enumerados por
Heisenberg y otros), la moderna Cosmología (por ejemplo, la teoría del
Big Bang) y, quizás, la Arqueología (por ejemplo, los procedimientos de
la Arqueología como ciencia moderna, aunque muy teórica, entre otras).
La evaluación de la credibilidad del modelo descriptivo anterior y su
poder predictivo debe basarse, desde luego, en pruebas cualitativas y
cuantitativas. No hay posibilidad de compararlo con otros modelos, ya
que actualmente no hay otros modelos mecánicos causales de la
morfogénesis en la literatura científica moderna. Las consideraciones
causales que proporciona este modelo en el desarrollo de la morfología
de los vertebrados complejos presenta una serie de imágenes esquemáticas
especulativas que representan secuencias de eventos mecánicos clave
durante la embriogénesis, similar a una serie de planos. La
vasta literatura, en gran parte sin un apoyo gráfico, sobre este tema
no ofrece un mecanismo global que explique el surgimiento de las
diversas formas del Phylum de los animales. Aunque muy especulativo, el
modelo aquí ofrecido puede sugerir tal mecanismo, El parecido
morfológico entre phyla homólogos puede, de hecho, deberse tanto a una
inevitable trayectoria topológica de la expansión confinada en una
membrana esférica primordial, como a su ascendencia común. Por
lo tanto, las opciones disponibles para la selección natural pueden
limitarse a las posibles variaciones en las proporciones de las partes
del cuerpo de formas del phylum relativamente conservadoras e
invariantes, en lugar de ser debidas simplemente a mutaciones genéticas
aleatorias resultantes de errores de transcripción. Por lo tanto, la
forma de los animales puede verse como el producto de fuerzas físicas, o
predisposiciones, que actúan sobre células y poblaciones de células con
propiedades geométricas muy específicas y restringidas, en lugar de
surgir únicamente de los caprichos del azar.
Referencias: consulte el artículo original en inglés.
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