Com s’ha fet tot?

Explicar l'evolució més enllà del neodarwinisme

La pregunta «Com s’ha fet tot?» és de les més antigues que s’han plantejat els humans. No és estrany que hi hagi moltes explicacions; la majoria, mites de creació. Més estrany és que, avui encara, en el país tecnològicament més avançat del món, siguin majoria els que creuen en mites que contradiuen evidències científiques aclaparadores. Per què els predicadors tenen més èxit que la ciència i els seus divulgadors? No és només una irritant qüestió intel·lectual: els humans canvien les condicions de vida a la Terra molt de pressa i sense una comprensió clara del funcionament de la natura. Això pot tenir (està començant a tenir) conseqüències desastroses i potser irreversibles per als mateixos humans. M’he ocupat d’aquests temes més extensament en altres llocs (Terradas, 2005, 2006, 2014), mirant de demostrar que l’univers, la matèria i la vida que coneixem són resultat de processos històrics, evolutius, constructius i destructius.

L’evolució de la vida no és només una qüestió de canvis genètics (que hi són) sinó d’interaccions entre molècules, organismes i condicions d’entorn, i sovint es basa en processos associatius i d’incorporació (d’altra banda, igual com passa amb l’evolució de la matèria, des de partícules a àtoms i molècules cada cop més complicats, i en la de les societats). Aquests processos fan emergir realitats complexes biològiques, socials i culturals. I la cultura, que és un resultat de l’evolució, ens dóna una capacitat d’acció sobre l’entorn que està ja en conflicte global amb la preservació de condicions de vida adients per a la nostra pròpia espècie (Terradas, 2010).

«Els humans canvien les condicions de vida a la terra molt de pressa i sense una comprensió clara del funcionament de la natura»

La ignorància popular de la ciència és, en bona mesura, responsabilitat dels mateixos científics. És cert que es fa molt difícil competir amb la raó i les proves experimentals contra discursos emocionals que prometen vida més enllà de la mort. Però sovint allò que serveix per a avançar en el coneixement no sempre ens ajuda a millorar la comunicació destinada a la població no científica. I, de vegades, els avantatges de les aproximacions reduccionistes a l’hora d’establir teories sòlides amb una base matemàtica tenen l’inconvenient de crear marcs rígids que exclouen fenòmens ben reals, emergents, difícils d’enquibir en els paradigmes reduccionistes. Un bon exemple d’ambdues coses és l’explicació científica de l’evolució que constitueix el paradigma vigent, la síntesi moderna, que es va formular entre la dècada dels trenta i la dels cinquanta del segle passat.

La síntesi moderna és atomista: el focus de la teoria es posa en els gens i els seus al·lels, en petites mutacions que generen canvis graduals sota la tria de la selecció natural, essent els gens parts d’un genoma que constitueix un programa isolat, el qual dicta, des de l’interior del nucli, les instruccions per a la construcció dels éssers vius. El dogma central de la biologia molecular establert per Crick és que la informació va sempre del DNA a l’RNA i a les proteïnes. Aquest plantejament ha donat moltes satisfaccions, amb el suport de l’estadística fischeriana, en l’àmbit de la genètica de poblacions. I és ben cert que en aquest àmbit concret funciona.

Tenim centenars de tipus diferents de cèl·lules, però totes les d’un mateix individu tenen genomes idèntics. Aquest fet dóna lloc a casos curiosos com el dels insectes amb cicles de vida metamòrfics: l’eruga i la papallona tenen el mateix genoma i són ben diferents. En les imatges, distintes etapes de la transformació de la papallona monarca (Danaus plexippus): eruga, crisàlide i papallona. / Foto: Aaron Burden

Més enllà dels gens

Però, tot el que passa en evolució pot ser inclòs en el marc de la genètica de poblacions? És clar que no. Les poblacions viuen en un context ecològic, en interacció amb altres espècies i amb el medi físic. Es pot dir que tot això actua sobre la població estudiada i configura les pressions selectives, però es pot dubtar d’alguns supòsits reduccionistes. En primer lloc, aquests parlen de poblacions d’una espècie, però el concepte biològic d’espècie de Mayr no funciona: el món dels virus, bacteris i arqueus (una gran part de la vida) és una xarxa amb transferències horitzontals constants entre els genomes. Pitjor encara, s’han trobat moltes evidències d’hibridació, no només en plantes sinó també en animals (per exemple, continuem tenint gens neandertals i denisovans en el nostre genoma). A més, en els nombrosos genomes eucariotes estudiats hi ha moltíssimes evidències d’introgressions de DNA aliè. No, el genoma no està isolat. Tampoc canvia només per accidents (mutacions, inversions, duplicacions, poliploïdia) o recombinació sexual. És molt més dinàmic que no es pensava.

Barbara McClintock (vegeu Pray i Zhaurova, 2008) va trencar l’esquema en descobrir els transposons. Un 10 % del nostre genoma està constituït per retrotransposons d’origen víric que poden saltar d’un lloc a altre i provocar canvis funcionals. Sembla probable que, en poblacions sotmeses a canvis ambientals importants, els transposons s’activin i augmenten la variabilitat genètica. D’altra banda, en aquestes condicions canviades es poden modificar les pautes epigenètiques: els radicals metils, fragments de RNA i cues d’histones responen als canvis externs configurant noves pautes d’activació-inhibició del genoma que, per contradir més les nocions apreses, es poden transmetre a les següents generacions (un experiment ha arribat a observar l’herència d’una pauta epigenètica induïda al llarg de 31 generacions en la planta Arabidopsis; Becker et al., 2011). Els neodarwinistes ho expliquen per la plasticitat, però d’altres hi veuen herència de caràcters adquirits, una línia vermella per als neodarwinistes. Denis Noble diu que el genoma no conté un veritable programa (no conté algorismes del tipus «si això no es compleix, llavors…»), sinó que aquesta feina la fa la cèl·lula, o sigui, que és més un hardware que un software, i ens recorda que McClintock ja deia que el genoma és un òrgan de la cèl·lula i no a l’inrevés. La selecció no pot haver actuat només sobre els gens; ho ha d’haver fet sobre el sistema genotip-fenotip, i això contradiu la visió del sector més reduccionista del neodarwinisme i, no cal dir, la idea del gen egoista.

En el terreny de les relacions entre herència i desenvolupament es veu que no tot depèn del genoma. Totes les cèl·lules d’un mateix individu tenen genomes idèntics i, tanmateix, en tenim alguns centenars de tipus diferents (per no parlar dels insectes amb cicles de vida metamòrfics: l’eruga i la papallona són ben diferents i tenen el mateix genoma). C. H. Waddington, un dels fundadors de la moderna biologia del desenvolupament, va introduir el terme epigenètica (Waddington, 1942a, 1942b) per referir-se a mecanismes per damunt del genoma que en controlen l’expressió jugant sobre la plasticitat fenotípica i la variabilitat i connexió entre els gens (no parlava de xarxes gèniques, però pensava en quelcom semblant). La seva posició fou considerada sospitosa de lamarckisme, però força autors reivindiquen avui les seves idees. En el mateix camp, podem recordar el català Pere Alberch, que deia que l’evolució decideix qui guanya el joc, però el desenvolupament decideix qui hi participa, i això no ho fa a l’atzar: el fenotip és força estable (tot i la seva plasticitat) perquè la morfologia té una coherència interna que emergeix d’interaccions no lineals entre les parts i amb el medi. Ell també s’allunyava del mer joc mutacions-(atzar)-selecció.

«L’univers, la matèria i la vida són resultat de processos històrics, evolutius, constructius i destructius»

Tot i que la majoria d’estudis encara es fan en termes de gens-caràcters, sabem que la realitat és més complicada. El genoma actua en «xarxes» constituïdes per mòduls de gens i és rar que un caràcter depengui d’un sol gen. Dins d’aquestes xarxes també hi ha interaccions d’activació-regulació que poden actuar directament entre gens, sobre els vincles entre dos gens o bé en sentit retroactiu (causació circular i no lineal), de manera que el genoma és un sistema de relacions complexes en xarxa que, al seu torn, està associat a xarxes moleculars (epigenoma, transcriptoma, proteoma) que enllacen el genoma i la resta de la cèl·lula; al mateix temps, aquesta, si parlem de pluricel·lulars, també està lligada per interaccions en xarxa amb la resta de l’organisme (inclosos els paràsits, simbionts, etc. que l’organisme allotja). Al seu torn, l’organisme (o l’holobiont, és a dir, l’individu d’una espècie amb els microorganismes que hi viuen) interactua amb xarxes d’altres organismes i factors del medi.

L’arbre de la vida és una xarxa, amb transferència horitzontal de gens, hibridacions, simbiosis, etc. / Foto: Esquema de J. Terradas i A. Naya.

Algunes d’aquestes interaccions poden haver generat processos evolutius d’un tipus nou. Lynn Margulis va lluitar aferrissadament contra el neodarwinisme amb la seva teoria de l’endosimbiosi serial (i va ser molt criticada). Tanmateix, avui ningú discuteix que plastidis i mitocondris són antics endosimbionts que van contribuir a l’origen de la cèl·lula eucariota. L’actual sistemàtica de les algues es basa en gran part en el nombre de successius processos de simbiosi que han generat els grans grups: són fets establerts. Richard A. Watson (2006) ha proposat la noció d’evolució per composició, una via de canvi que costa d’integrar en el paradigma, per més que l’acceptació d’un simbiont pot implicar un seguit de mutacions en els dos genomes. I és que, encara que hi hagi petits passos d’acomodació, l’hoste rep un paquet de funcions que ja feia el simbiont pel seu compte i les integra.

La incorporació d’un simbiont és una prova que moltes espècies manipulen el genoma d’altres: l’hoste sol transferir part del genoma del nouvingut (sobretot, per controlar-ne la reproducció) al seu. També certs paràsits manipulen el genoma de l’hoste, com l’a-proteobacteri Wolbachia (present en el 30 % d’insectes i nematodes), que infecta les femelles i es transmet en el citoplasma de l’ou d’una generació a altra, s’integra totalment o en part en el DNA de l’hoste i pot induir partenogènesi i crear incompatibilitats entre els citoplasmes de mascles i femelles alterant les proporcions sexuals. Les pautes de comportament social en la majoria d’animals són una complicada i flexible barreja de respostes fixades i apreses. Els humans, gràcies a desenvolupaments culturals, hem après a aprofitar mecanismes biològics com els lligats als sistemes CRISPR (sigles en anglès de “repeticions palindròmiques curtes agrupades i regularment interespaciades») per iniciar una via d’evolució biològica-cultural amb possibilitats de dirigir l’evolució de manera més precisa que amb la selecció «artificial» de races de plantes i animals domesticades.

«El genoma no està isolat. És molt més dinàmic que no es pensava»

En l’herència no intervé només el genoma, ja que els descendents reben citoplasma dels progenitors (que fins i tot pot incloure paràsits o simbionts). Jablonka i Lamb (2005) han explicat altres formes d’herència no genètica, transmeses de manera epigenètica o durant la gestació, la lactància, l’aprenentatge… La construcció de nínxols ecològics fa que els descendents rebin un medi «condicionat» per oferir-los millors possibilitats de supervivència i, alhora, trobin unes pressions selectives diferents (ells i moltes espècies més). Els plantejaments gen o genomacèntrics deixen, doncs, molts aspectes significatius de l’evolució de la vida fora de focus.

La cultura

Potser el cas més colpidor és el de la cultura, que apareix en algunes espècies com un desenvolupament evolutiu avantatjós. Ho és sobretot en espècies socials i amb capacitats de comunicació elevades i permet l’ús d’elements del medi com a eines per protegir-se o augmentar les capacitats (fang o branques per construir refugis, pedres per trencar ous o fruits, etc.). En els humans, la cultura s’ha desenvolupat molt i interactua amb l’evolució biològica de la qual procedeix. La cultura humana afecta l’evolució de moltes espècies en tot el planeta. Sobre això, el neodarwinisme no ens diu gran cosa, però la interacció entre natura biològica i cultura representa un paper decisiu en l’organització social i l’activitat de la nostra espècie. Els humans construeixen el seu nínxol a escala planetària (si no acaben destruint-lo), canvien el medi físic, controlen la reproducció i evolució d’altres espècies, alteren sense proposar-s’ho l’evolució d’altres, i creen moltíssimes eines, algunes de les quals –com els fàrmacs, les vacunes o les pròtesis, i, per descomptat, la manipulació genètica– afecten l’evolució. La cultura, filla de l’evolució, pot esdevenir conductora d’aquesta, i això obre un munt de possibilitats, unes esperançadores, d’altres inquietants.

La cultura present en espècies com la humana es presenta com un desenvolupament evolutiu avantatjós, ja que li ha permès crear i utilitzar eines per protegir-se o augmentar les seues capacitats: des de refugis i estris de cuina fins a fàrmacs, vacunes, pròtesis… / Foto: Carles Reusser Monsalvez / Flickr, Jim Thurston / Flickr

Canvi de paradigma?

Les dificultats per a tractar aquests temes des d’una òptica estrictament neodarwinista fan pensar que potser caldria considerar la síntesi moderna o neodarwinisme com una teoria especial de l’evolució (basada en la genètica de poblacions). A banda, s’hauria de construir una teoria general que inclogui els molts fets de l’evolució de la vida a la Terra que no s’enquibeixen en la genètica de poblacions i que sembla que no hi ha més remei que estudiar des d’altres perspectives. Els més radicals (que són minoria) creuen que el neodarwinisme ha quedat falsejat per les noves dades sobre epigenètica, selecció de grup i interacció del genoma amb factors externs al llarg de l’evolució. Un d’ells, Noble (2015), ha proposat el que ell anomena una «síntesi integrada».

«Estem en un moment apassionant en què es reconeix la importància dels virus, dels microbiomes en els eucariotes, de l’epigenètica i les simbiosis»

Per Noble, hi ha tres supòsits del neodarwinisme (l’herència només per DNA, la selecció només sobre els gens i l’isolament del genoma) que són falsos o no indispensables. Els gens o el genoma no contenen tota la informació i, de fet, són motllos passius si no estan en una cèl·lula. Només s’activen quan la cèl·lula ho requereix. L’adaptació i l’evolució emergeixen a través de respostes en xarxes modulars i jeràrquiques a canvis en tots els nivells de l’organització biològica, des de proteïnes i membranes a orgànuls i cèl·lules, i no dirigides per gens individuals. Les causes actives són les xarxes, que inclouen molts components que no són meres transcripcions del DNA. La causalitat no és lineal sinó circular: hi ha interacció entre xarxes gèniques i la resta de xarxes moleculars de la cèl·lula. I la selecció no és l’únic mecanisme de tria.

Conclusió

La situació actual és que són majoria els científics que creuen que el neodarwinisme continua tenint respostes per a totes les qüestions, mentre que alguns, com Noble, Shapiro (2005) o Jablonka, pensen que hi ha idees bàsiques del neodarwinisme que ja no són compatibles amb els fets coneguts i que, per tant, cal un nou model.1 Aquestes posicions antagòniques s’expressen sovint amb desqualificacions frontals. Sens dubte, és força clar que el neodarwinisme té un bon poder explicatiu en el marc de la genètica de poblacions, però potser, com dèiem, com una teoria especial de l’evolució aplicable a situacions ben determinades. Ara, si volem explicar l’evolució de la vida a la Terra d’una manera que faci intel·ligibles processos com l’aparició de la vida social, la consciència o la cultura, potser necessitem un model molt més ample (altra cosa és el grau de formalització avui possible), holístic (Terradas i Peñuelas, 2009) que reconegui que, des de l’evolució química a les relacions DNA-RNA-proteïnes, als microorganismes i als eucariotes o als fenòmens de comportament i a la cultura, tots els processos tenen lloc en xarxes d’interacció, el més sovint no lineal, i a diferents nivells.

«Alguns científics pensen que les idees bàsiques del neodarwinisme ja no són compatibles amb els fets coneguts»

Es podria parlar de dictiodarwinisme (del grec δίκτυο, “xarxa”; Terradas, 2017, 10 de gener). El reduccionisme dels gens o dels genomes d’això no en pot donar sinó una visió parcial, empobrida, escassament convincent a l’hora d’explicar-ho al gran públic. A més, pot frenar el progrés del coneixement (com en els retards a acceptar resultats com els de McClintock o  Margulis). Estem en un moment apassionant en què es reconeix la importància dels virus, la dels microbiomes en els eucariotes, la de l’epigenètica, la de les simbiosis; és un temps de metagenòmica i d’exploració genètica amb tècniques CRISPR, de biologia de síntesi, etc. Un panorama molt diferent del que van viure els insignes autors de la síntesi moderna fa ja un munt de dècades. Llavors, tot semblava residir en els gens. Però, parafrasejant la frase d’Horaci a Hamlet, hi ha més coses al cel i a la terra de les que caben en la genètica.

Elements a considerar en una teoria general de l’evolució

A) Variació

  • Plasticitat i acomodació
  • Recombinacions
  • Mutacions
  • Inversions
  • Duplicacions i poliploïdia
  • Introgressions
  • Neotènia, etc.
  • Hibridació
  • Integració de simbionts

B) Desenvolupament

  • Evo-devo
  • Constriccions estructurals

C) Herència

  • Genètica
  • Epigenètica
  • Citoplasmàtica
  • De microbiomes (holobiont)
  • De comportament i coneixements
  • Ecològica (construcció de nínxols, etc.)

D) Interaccions socials, cooperació, altruisme

E) Interaccions amb altres espècies i amb l’entorn, coevolució

F) Taxes evolutives i evolucionabilitat, extincions

G) Evolució biològica-cultural, enginyeria genètica, biologia de síntesi, integració de materials vius o inerts en els organismes, pròtesis, etc.

H) Mecanismes de tria

  • Selecció natural
  • Selecció sexual
  • Deriva genètica
  • Neutralisme
  • Selecció a múltiples nivells
  • Disseny intencional (només en la selecció artificial i l’enginyeria genètica).

Un primer bloc (A) comprèn els relatius a la generació de varietat genètica que pot ser sotmesa a mecanismes de tria. Aquesta variació, però, no està completament disponible, ja que hi ha constriccions estructurals (B). El tercer bloc (C) correspon a la transmissió hereditària, que no és només genètica. El quart bloc (D) comprèn els aspectes socials propis sobretot d’espècies animals. Després, cal considerar les interaccions que tenen lloc amb altres elements del medi biòtic i abiòtic (E). La teoria general ha de donar compte de la qüestió del gradualisme i les taxes de canvi, i si aquestes poden ser dependents de pressions exògenes: és probable que hi hagi més gradualisme en els processos de «construcció» i que, després d’episodis ambientals significatius, es disparin les taxes evolutives (F). Finalment, (G), cal integrar l’aparició de la cultura i les seves interaccions amb l’evolució biològica i considerar els mecanismes de tria (H).

1 Vegeu els comentaris sobre la reunió de la Royal Society New Trends in Evolutionary Biology, celebrada a Londres en novembre de 2016: https://www.theatlantic.com/science/archive/2016/11/the-biologists-who-want-to-overhaul-evolution/508712/

(Tornar al text)

© Mètode 2018 - 94. Sapiens - Estiu 2017

Catedràtic d’Ecologia, Universitat Autònoma de Barcelona.

RELATED ARTICLES
Filter by
Post Page
Notícies Monogràfic Editorial Entrevista
Sort by

Editorial núm. 103

El paleontòleg Jordi Agustí va comparar la vida amb una partida d’escacs. La partida sempre és nova i alho

1