Entropía genética y organismos simples
Si la entropía gen
é
tica es cierta, ¿Por qué
todavía existen bacterias?Roberto Carter
Abstract
Summary
Genetic entropy (GE) is eroding the genomes of all living organisms because mutations are inherited from one generation to the next. Many people wonder why, if GE is real, is bacteria still alive today? There are multiple reasons for this, including the fact that their genomes are simpler, have high population sizes and short generation times, and have lower overall mutation rates. This combination makes them the most resistant to extinction. Of all the life forms on Earth, bacteria are the best candidates to survive the effects of genetic engineering in the long term. This doesn't mean they can do it forever, but it does explain
why they still exist today.
Resumen
La entropía genética (GE) está erosionando los genomas de todos los organismos vivos porque las mutaciones se heredan de una generación a la siguiente.
Muchas personas se preguntan por qué, si GE es real,
¿las bacterias siguen vivas hoy en día? Hay múltiples razones para esto, incluido el hecho de que sus genomas son más simples, tienen un tamaño de población alto y tiempos de generación cortos, y tienen tasas de mutación generales más bajas. Esta combinación los convierte en los más resistentes a la extinción. De todas las formas de vida en la Tierra, las bacterias son las mejores candidatas para sobrevivir a los efectos de la ingeniería genética a largo plazo. Esto no significa que puedan hacerlo para siempre, pero explica por qué
todavía existen hoy.
Introducción
Después de la histórica publicación de Genetic Entropy and the Mystery of the Genome por el profesor de la Universidad de Cornell, el Dr.
John Sanford , a menudo se nos ha pedido que brindemos más detalles sobre este importante desafío a la teoría de la evolución. La parte central del argumento de Sanford es que las
mutaciones (errores ortográficos en el ADN) se están acumulando tan rápidamente en algunas criaturas (particularmente en las personas) que la selección natural no puede detener la degradación funcional del genoma, y mucho menos impulsar un proceso evolutivo que puede convertir a los simios en personas. Una analogía simple sería el óxido extendiéndose lentamente por todo un automóvil con el tiempo.
* Entropía genética y organismos simples. Si la entropía genética es cierta, ¿Por qué todavía existen bacterias?. Roberto Carter
pero si no se puede detener el proceso de oxidación, eventualmente destruirá el automóvil.
Una analogía más precisa sería imaginar una copia de la Enciclopedia Británica en una computadora que tiene un virus que intercambia, cambia, borra e invierte letras al azar con el tiempo. Durante un tiempo casi no habría ningún efecto perceptible, pero con el tiempo el texto contendría más y más errores, hasta convertirse en un galimatías sin sentido. En términos biológicos, se habría producido una "fusión mutacional". Cuando los seres vivos se reproducen, hacen una copia de su ADN y la transmiten a su descendencia. De vez en cuando, ocurren errores y la próxima generación no tiene una copia perfecta del ADN original.
Estos errores de copia se conocen como mutaciones. La mayoría de la gente piensa que la 'selección natural' puede deshacerse de las mutaciones dañinas eliminando a los individuos que las portan. Pero la 'selección natural' correctamente definida simplemente significa 'reproducción diferencial', lo que significa que algunos organismos dejan más descendencia que otros en función de las mutaciones que portan y del entorno en el que viven. Además, el éxito reproductivo solo se ve afectado por mutaciones que tienen un efecto significativo. A menos que las mutaciones causen una reducción notable en las tasas de reproducción, los organismos que las portan tendrán tanto éxito en dejar descendencia como todos los demás. En otras palabras, si las mutaciones no son lo suficientemente 'malas', la selección no puede 'verlas', no puede eliminarlas, y las mutaciones se acumularán. El resultado es la 'entropía genética'. Cada nueva generación lleva todas las mutaciones de las generaciones anteriores más las propias. Con el tiempo, todas estas mutaciones levemente dañinas se acumulan hasta el punto de que, en combinación, comienzan a tener efectos graves en la aptitud reproductiva. La espiral descendente se vuelve imparable, porque todos los miembros de la población tienen el mismo problema: la selección natural no puede elegir entre individuos "aptos" y "menos aptos" si todos los miembros de la población están, más o menos, igualmente mutados.
La población desciende a la enfermedad y finalmente se extingue. Simplemente no hay forma de detenerlo.
El resultado es la 'entropía genética'. Cada nueva generación lleva todas las mutaciones de las generaciones anteriores más las propias. Con el tiempo, todas estas mutaciones levemente dañinas se acumulan hasta el punto de que, en combinación, comienzan a tener efectos graves en la aptitud reproductiva. La espiral descendente se vuelve imparable, porque todos los miembros de la población tienen el mismo problema: la selección natural no puede elegir entre individuos "aptos" y
"menos aptos" si todos los miembros de la población están, más o menos, igualmente mutados. La población desciende a la enfermedad y finalmente se extingue. Simplemente no hay forma de detenerlo. El resultado es la 'entropía genética'. Cada nueva generación lleva todas las mutaciones de las generaciones anteriores más las propias. Con el tiempo, todas estas mutaciones levemente dañinas se acumulan hasta el punto de que, en combinación, comienzan a tener efectos graves en la aptitud reproductiva. La espiral descendente se vuelve imparable, porque todos los miembros de la población tienen el mismo problema: la selección natural no puede elegir entre individuos "aptos" y "menos aptos" si todos los miembros de la población están, más o menos, igualmente mutados. La población desciende a la enfermedad y finalmente se extingue. Simplemente no hay forma de detenerlo. empiezan a tener efectos graves en la aptitud reproductiva. La espiral descendente se vuelve imparable, porque todos los miembros de la población tienen el mismo problema: la selección natural no puede elegir entre individuos "aptos" y "menos aptos" si todos los miembros de la población están, más o menos, igualmente mutados. La población desciende a la enfermedad y finalmente se extingue. Simplemente no hay forma de detenerlo.
empiezan a tener efectos graves en la aptitud reproductiva. La espiral descendente se vuelve imparable, porque todos los miembros de la población tienen el mismo problema: la selección natural no puede elegir entre individuos "aptos" y
"menos aptos" si todos los miembros de la población están, más o menos, igualmente mutados. La población desciende a la enfermedad y finalmente se extingue. Simplemente no hay forma de detenerlo.
El Dr. Sanford argumenta que los humanos
posiblemente no podrían haber existido durante decenas de miles de años (y mucho menos millones o miles de millones si se considera a nuestros supuestos ancestros animales evolutivos) porque, al ritmo actual de mutación y el número de generaciones que habrían ocurrido , ya deberíamos habernos extinguido.
Entropía genética en bacterias.
De vez en cuando, personas honestas que buscan una mejor comprensión, así como personas hostiles que intentan desafiarnos, nos preguntan si explicamos por qué, si la entropía genética (GE) es cierta, ¿siguen existiendo las bacterias? Después de todo, las bacterias tienen tiempos de generación extremadamente cortos. Algunas bacterias pueden reproducirse cada 20 minutos, por lo que ganarían muchas más mutaciones en un día que los humanos en cien años. Y las bacterias son organismos mucho más simples, por lo que debería tomar menos tiempo descomponer su conjunto de instrucciones genéticas en comparación con los humanos. ¿Por qué, entonces, no se extinguieron hace mucho tiempo?
Hay varias formas de responder a esto. Primero, la idea de GE fue desarrollada por genetistas de poblaciones que trabajaban en genomas superiores (es decir, genomas de organismos más complejos con tiempos de generación más largos). El gran enigma es por qué especies como los humanos no se han extinguido si hemos existido durante decenas de miles de años, como sostienen los evolucionistas.
1En un organismo complejo, una alta tasa de mutación combinada con una baja tasa de reproducción hace muy difícil que la 'selección natural' elimine las mutaciones perjudiciales de la población. Por lo tanto, los mamíferos superiores como las personas y los elefantes no son buenos candidatos para la supervivencia a largo plazo porque las mutaciones se acumulan de una generación a la siguiente. Para los organismos eucariotas (todo más complejo que las bacterias), la complejidad del genoma hace que el 'objetivo de la mutación' sea bastante grande: complicados, hay más cosas que pueden salir mal, es decir, más maquinaria que puede romperse. 2
Por otro lado, los cambios en genomas más simples a menudo tendrán un efecto más profundo. No es probable que cambiar una letra de los tres mil millones de letras del genoma humano cree una diferencia radical. Pero el genoma de la bacteria E.
coli , por ejemplo, es unas 1.000 veces más pequeño
que el de los humanos; Las bacterias son más especializadas y realizan menos funciones. Es más probable que cualquier cambio de letra haga algo que la selección natural pueda 'ver'. Es decir, es más probable que un pequeño cambio produzca un efecto lo suficientemente grande como para marcar una diferencia en la cantidad de individuos que portan ese rasgo generaciones más tarde.
Es importante tener en cuenta que hay varias cosas sucediendo a la vez. Tenemos que considerar una combinación de factores para entender por qué las bacterias todavía están con nosotros hoy. Usemos una ilustración. Las bacterias son como las bicicletas. Las personas son como los autos deportivos. Se pueden hacer una serie de modificaciones a ambos sin romperlos, pero hay menos piezas en una bicicleta, por lo que es más probable que cualquier modificación produzca una bicicleta que no funcione. Necesitan dos ruedas, un manillar, un marco, una cadena y al menos dos ruedas dentadas. Es muy poco lo que puede quitarles o romper antes de que no puedan usarse. Los automóviles, por otro lado, no necesitan techo, parabrisas o faros. Hay muchas más modificaciones que puede hacer en un automóvil y aún conducirlo. Puede que no llegues a tiempo al trabajo, porque no funciona al máximo de su potencial, pero aún se puede conducir el automóvil.
Pero, ¿Por qué, si es más probable que la mutación mate o dañe una célula bacteriana, todavía existen?
Primero, las bacterias sufren de GE. De hecho, y tal vez en contra de la intuición, esto es lo que les permite especializarse rápidamente. 3 Muchos se han vuelto resistentes a los antibióticos 4 y al menos uno ha logrado adquirir la capacidad de digerir nailon artificial no natural . 5 Esto solo es posible con mucha 'experimentación genética', principalmente a través de la mutación, pero a veces a través del intercambio masivo de genes funcionales de una especie a otra. Muchas mutaciones más muchas generaciones dan mucho tiempo para muchos experimentos genéticos. De hecho, tenemos muchos ejemplos, incluidos los que acabamos de mencionar, en los que romper un sistema de trabajo perfectamente bueno permite que se desarrolle un nuevo rasgo.
6Recientemente, se descubrió que las bacterias
oceánicas tienden a perder genes para funciones vitales mientras otras especies de bacterias vivan en el área. Aquí tenemos un ejemplo de múltiples especies que pierden genes funcionales pero sobreviven porque son respaldados por las excreciones metabólicas de otras especies. 7 Dado que los cambios son unidireccionales y cuesta abajo, esta es otra forma de GE.
Tasas de mutación más bajas
Otra razón por la que las bacterias aún existen es que tienen una tasa de mutación general más baja. Se ha estimado que la tasa de mutación en E. coli es de aproximadamente 1 en 10-10 , o una mutación por cada 10 mil millones de letras copiadas. 8 Compare esto con el tamaño del genoma de E. coli (alrededor de 4,2 millones de letras) y podrá ver que la mutación es rara por célula . Ahora compare esta estadística con la tasa estimada de mutación por bebé humano recién nacido (alrededor de 100 mutaciones nuevas por niño 2) y uno puede empezar a ver el problema. Por lo tanto, casi siempre hay bacterias no mutadas, lo que permite que la especie sobreviva. Sin embargo, siempre hay bacterias mutadas presentes, por lo que las especies pueden explorar nuevos nichos ecológicos (aunque la mayoría de los ejemplos conocidos han surgido a expensas de la supervivencia a largo plazo).
Increíble potencial de crecimiento
Las bacterias tienen una tasa de crecimiento increíble. La población mundial entera de una especie como E. coli se renueva muy rápido (quizás una vez por hora). Trillones y trillones de estas células mueren por muchas razones diferentes cada hora. Por lo tanto, este puede ser un sistema en el que la selección natural pueda detener la inevitable decadencia. ¿Por qué? Porque cualquier mutación que confiera incluso una pequeña desventaja (y la mayoría lo hace) puede eliminarse a través de la reproducción diferencial, con el tiempo suficiente.
(El tiempo en este caso se mide en generaciones).
Las bacterias pueden reemplazarse a sí mismas después de un colapso de la población en un período de tiempo muy corto. Esta es una razón clave por la que no sufren extinción. Por lo tanto, cuando se exponen a los antibióticos, por ejemplo, las pocas células resistentes dentro de la población pueden convertirse en una gran población de reemplazo en poco tiempo, aunque el 99,99% de las bacterias originales hayan muerto. Si se elimina el antibiótico,
la población puede cambiar nuevamente, y los no resistentes reemplazan a los resistentes (porque la resistencia a los antibióticos generalmente se asocia con un crecimiento deficiente )., por lo que los originales crecen más rápido y dominarían la población en unas pocas generaciones). Los humanos no pueden hacer esto. Se necesitarían miles de años para reemplazar la población actual de 7 mil millones de personas, y la endogamia que ocurriría cuando los pocos sobrevivientes se vieran obligados a casarse con parientes cercanos podría llevarnos a la extinción de todos modos. 9
Las bacterias superan ampliamente a las personas
El tamaño de la población es otra consideración.
Hay muchas más bacterias que personas. Pero dado que el tamaño de la población bacteriana es relativamente constante, no hay lugar para más y la competencia es extrema. La mayoría de los linajes se extinguen a largo plazo. En poblaciones grandes, con mucha competencia, las mutaciones se pueden eliminar de manera más eficiente a través de la reproducción diferencial. Cualquier célula con una ligera ventaja sobre otra tiene más probabilidades de persistir durante generaciones.
Sus genomas más simples, grandes tamaños de población, tiempos de generación cortos y tasas de mutación generales más bajas se combinan para hacer que sean los más resistentes a la extinción. Sin embargo, esto no significa que puedan hacer esto para siempre.
Fuentes ambientales
Es bastante factible que muchas especies bacterianas experimenten periodos significativos de latencia . Las bacterias que salen de la inactividad servirían como una fuente continua de versiones más antiguas y menos mutadas y ayudarían a prevenir la GE a largo plazo.
Las mutaciones no pueden ocultarse en los genomas procarióticos
Los eucariotas, como los humanos, heredan dos copias de cada cromosoma, una de cada padre. 10 Por lo tanto, cualquier mutación en un cromosoma humano a menudo queda enmascarada por la buena copia en el otro cromosoma. Esto interfiere con la reproducción
diferencial basada en diferencias mutacionales (por ejemplo, 'selección natural') y aumenta la carga de mutación de nuestra especie. Esto no es cierto para las bacterias, que se reproducen asexualmente y heredan su ADN de un solo padre.
¿Qué pasa con otros organismos de reproducción rápida?
Uno podría responder: “Pero los ratones tienen genomas del tamaño del genoma humano y tienen tiempos de generación mucho más cortos. ¿Por qué no vemos evidencia de GE en ellos? En realidad, lo hacemos. El ratón doméstico común, Mus musculus , tiene mucha más diversidad genética que las personas, incluida una amplia gama de diferencias cromosómicas de una subpoblación a la siguiente.
Ciertamente están experimentando con GE. Por otro lado, parecen tener una tasa de mutación por generación más baja. Combine eso con un tiempo de generación mucho más corto y un tamaño de población mucho mayor y, al igual que las bacterias, existe una amplia oportunidad para eliminar las mutaciones malas de la población. Las especies longevas con bajas tasas de crecimiento de la población (por ejemplo, los humanos) son las más amenazadas, pero las demás no son inmunes.
Conclusiones
Hay intentos de contraargumentos evolutivos a la hipótesis básica de GE. Son débiles, pero el propósito de este artículo no es dar una defensa exhaustiva de la teoría. Sin embargo, es suficiente decir que las bacterias, de todas las formas de vida en la Tierra, son las mejores candidatas para sobrevivir a los efectos de la GE a largo plazo. Sus genomas más simples, grandes tamaños de población, tiempos de generación cortos y tasas de mutación generales más bajas se combinan para hacer que sean los más resistentes a la extinción. Sin embargo, esto no significa que puedan hacer esto para siempre y, al final, serán quemados junto con todo lo demás cuando Cristo regrese .
Publicado: 25 de octubre de 2012
Referencias
Kondrashov, A., Contaminación del genoma por mutaciones muy levemente dañinas: ¿por qué no hemos muerto 100 veces?, Journal of Theoretical Biology 175 :583–594, 1995. [1]
Lynch, M., Tasa, espectro molecular y consecuencias de la mutación humana, Actas de la Academia Nacional de Ciencias (EE. UU.) 107 (3):961–968, 2010. [2]
