miércoles, 26 de octubre de 2016

4 EL LABORATORIO DE MORGAN EL SEÑOR DE LAS MOSCAS


Thomas Hunt Morgan es un punto de inflexión en la historia de la genética, ya que el destruye de forma definitiva el darwinismo y neodarwinismo de Weismann y lo reconstruye a una nueva imagen, la imagen de la genética, después de él y de su libro Una Crítica a la Teoría de la Evolución (Thomas Hunt Morgan, 1916), hablan de evolución y hablar de genética equivaldrán a la misma ciencia, quienes le sucedieron se encargaron de proseguir esa senda la cual concluyó con el establecimiento de la Teoría Sintética de la Evolución (Brooks, 2011; Carroll, 2008; Kutschera & Niklas, 2004; Pigliucci, 2009).

Adicionalmente en el laboratorio de Morgan la genética de los años 1910-1920 toma forma completando muchos otros conceptos como la epistasis, la corroboración experimental de la mutación, el ligamiento al sexo y el mapeo de los genes al interior de los cromosomas. De aquí en adelante ya no podrá decirse de los factores mendelianos que son entelequias, sino entidades reales, entidades químicas que se encuentran al interior de las células (Allen, 1985; Thomas Hunt Morgan, 1919a).

4.1 Morgan y Darwin

Una de las cosas que deberemos comprender a lo largo de estas lecturas es que la Teoría de la Evolución no es un sinónimo de darwinismo, puede que Charles Darwin "1809-1882" enunciara por vez primera un mecanismo que permitía la adaptación en condiciones ambientales estables, pero más allá de ello el resto de la comunidad científica continuó haciéndose preguntas e incluso cuestionando algunos planteamientos suyos (Kutschera & Niklas, 2004).

Uno de ellos fue el excesivo gradualismo sobre el que debería operar la selección natural. Este gradualismo acérrimo se asemejaba al concepto de mezcla de pinturas que generan un gradiente de decoloración perfecto y gradual (Kutschera & Niklas, 2004). En este se genera un patrón continuo de tonos imposibles de distinguir el uno del otro. Uno de los principales críticos a esta noción continua de la variabilidad natural fue Thomas Hunt Morgan “1866-1945” biólogo evolutivo, genetista y embriólogo quien sería uno de los fundadores de la genética y la evolución tal como los entendemos en la actualidad(Kutschera & Niklas, 2004).

¿Cómo ser un biólogo evolutivo y al mismo tiempo criticar el trabajo de Darwin?, por el simple hecho de que los modelos teóricos no pertenecen al autor, sino por el contrario son trabajados por las comunidades científicas, y estos pueden ser criticados para ser modificados y mejorados; o incluso desechados (Kuhn, 1970). Morgan criticó el sentido gradualista de la variabilidad darwiniana y en contraposición postuló basándose en trabajos previos de Weismann y de Vries que pequeños eventos discontinuos eran los que engendraban la diversidad, y estos eventos discontinuos serían las mutaciones (Allen, 1968).

4.2 Morgan en el contexto del redescubrimiento de Mendel

T. H. Morgan es un caso interesante dentro de la biología debido a que en sus inicios era altamente escéptico de muchas cosas que nosotros damos por sentadas como la selección natural, el ligamiento al sexo y la genética mendeliana (Allen, 1975).

El modelo teórico sobre el cual Morgan inició su proyecto de investigación fue la teoría mutacionista de de Vries alrededor de la década de 1900. A finales de la década, en 1908 Morgan adoptó la propuesta de C. W. Woodworth y William E. Castl para emplear a la mosca de la fruta “Drosophila melanogaster” como principal modelo biológico de experimentación en evolución y genética (Allen, 1975).

Durante todo ese año junto a Fernandus Payne “1881-1977” intentaron mutar a las moscas de la fruta de todas las formas posibles mediante métodos físicos y químicos, aunque inicialmente tuvieron poco éxito. Finalmente en el año siguiente 1909 la primera mutación apareció “mosca de ojos blancos” (Kohler, 1994).

La mutación blanca para su gran sorpresa fue la que lo convirtió hacia el mendelismo ya que esta reproducía de forma clara las predicciones teóricas. Las moscas de ojos normales eran dominantes sobre las moscas de ojos blancos, lo cual generaba las proporción 3:1 de moscas de ojos rojos contra moscas de ojos blancas (Karp, 2013). Adicionalmente contra su escepticismo identificó otras mutaciones ligadas a los cromosomas sexuales lo cual implicaba que los genes se ubicaban en los cromosomas. Estos descubrimientos fueron publicados en una de las dos revistas más prestigiosas del mundo de las ciencias de la naturaleza, la revista Science (Kohler, 1994).


4.3 Del redescubrimiento de Mendel a la genética evolutiva

La genética demuestra uno de los mayores problemas de la biología y es la necesidad de emplear modelos biológicos “seres vivos fáciles de estudiar” en los cuales las conclusiones obtenidas se extrapolan más o menos a otros seres vivos como los humanos. Las características de los modelos biológicos son generalmente tiempos cortos para completar su ciclo de vida y una elevada tasa reproductiva que permite obtener resultados confiables al nivel estadístico.

Sin embargo ya hacia finales de la primera década del siglo XX un modelo biológico comenzó a destacar sobre el resto, una especie de mosca de la fruta. Las moscas de la fruta poseen todas las características de un modelo biológico, son fáciles de manipular, son resistentes a los ambientes de laboratorio, no  exigen alimento costoso, completan su ciclo de vida en 10 días y las hembras producen 1000 huevos durante un ciclo de vida completo (Karp, 2013; Kohler, 1994).

El uso de las moscas de la fruta como modelo biológico experimental fue popularizado por Thomas Hunt Morgan de la Universidad de Columbia, lo cual daría inicio a una era completamente nueva en la genética clásica (Karp, 2013; Kohler, 1994).

Morgan y sus estudiantes se hicieron poco a poco más hábiles en la manipulación experimental de la mosca de la fruta descubriendo cientos de mutaciones describibles mediante las leyes de la genética mendeliana así como por fenómenos post-mendelianos como el ligamiento al sexo, la epistasis, la codominancia entre otros. Con esta materia prima se embarcaron en el análisis de patrones de herencia complejos “que no son descritos de la genética escolar”. Uno de los patrones de herencia complejos fue denominado recombinación genética, la cual tendrá implicaciones profundas en la teoría de la evolución durante las siguientes décadas.

4.4 Entra la manipulación de mutación genética

El concepto de mutación ya había estado en boga en la biología desde que la hipótesis de Weismann con respecto al plasma germinal fue aceptado por la mayor parte de la comunidad científica.   Sin embargo son los trabajos de T.H. Morgan los primeros en emplear la mutación como herramienta de investigación prácticamente desde 0. Si Morgan hubiera esperado que todas las mutaciones fueran letales, las moscas de la fruta no le hubieran servido de mucho.

Bajo las condiciones de selección de la naturaleza solo existe una variante del tipo de mosca de la fruta que decidió emplear para sus investigaciones. Pero Morgan se basó en un planteamiento neo-darwiniano y decidió que simplemente debería esperar a generar sus propios mutantes y para ello lo único que debía hacer es reproducir las moscas muchas generaciones y esperar.

Morgan reprodujo sus moscas de tipo natural o como se las llama en genética post-mendeliana de “tipo silvestre” y en menos de un año obtuvo su primer mutante distinguible con claridad del tipo silvestre.

El primer mutante se caracterizaba por una alteración de los ojos, mientras que los ejemplares de tipo silvestre poseen ojos rojos, el primer mutante de Morgan poseía ojos blancos.

Cerca de 5 años de investigación le bastaron a Morgan y sus colaboradores para obtener, identificar y mantener a 85 tipos mutantes de moscas con una amplia gama de alteraciones morfológicas heredables.

De esto se hizo claro que las mutaciones aunque raras aparecen cuando se las asume desde un punto de vista de las poblaciones, que las mutaciones una vez aparecen se pueden mantener al interior de la población siempre y cuando las condiciones de selección así lo permitan.

Para el caso de los mutantes de laboratorio las condiciones son ejercidas artificialmente, mientras que en la naturaleza muchos de estos mutantes serian eliminados al no poder competir tan efectivamente como los ejemplares silvestres.

Referencia general: (Karp, 2013)

4.5 La mutación como herramienta de la genética

Los trabajos de Morgan en las moscas de la fruta son coyunturales ya que poseían impactos en varias líneas de investigación biológicas durante el periodo de tiempo correspondiente a la primer y segunda década del siglo XX. Por un lado la demostración experimental de la existencia de mutaciones espontáneas, heredables en el genoma de la mosca de la fruto tenía implicaciones al nivel del genoma de todos los seres vivientes incluyendo al ser humano.

Sugería que el mecanismo que originaba la variabilidad existe al interior de las poblaciones, una evidencia vital que aportaba a la tercera teoría de la evolución que se venía gestando durante la misma época. Si los genes variantes podían emerger de manera espontánea, entonces las poblaciones aisladas podían separarse de otras a medida que el tiempo y las condiciones ecológicas específicas seleccionaran las variantes que iban apareciendo.

El cambio morfológico al fin tenía un motor de inicio independiente al de selección natural y sobre esta base seria propuesta la tercera teoría de la evolución unas décadas más tarde y es a la que se le denomina la Síntesis Evolutiva ya que conjuga a la selección natural de Darwin con la genética desarrollada a inicios del siglo XX.

Independientemente a las implicaciones teóricas las mutaciones rápidamente se convirtieron en herramientas de investigación genética ya que proveían contrastes estadísticos al tipo silvestre, además de poder ampliar variaciones a las leyes estadísticas obtenidas por Mendel en el siglo XIX. La otra coyuntura del trabajo de Morgan se dio con las propuestas de Sutton no mucho tiempo antes, Morgan encontró de todos los mutantes de la mosca de la fruta no se segregaban de manera independiente, por el contrario se segregaban en cuatro grupos de ligamiento teóricos que concordaban con los cuatro cromosomas identificados con el microscopio lo cual corroboró que los cromosomas son el lugar de reposo de las unidades hereditarias que regulan la forma de los seres vivos.

Referencia general: (Karp, 2013)

4.6 Efecto de la recombinación genética

La primer evidencia que se encontró de la recombinación genética vino del laboratorio de T. H. Morgan durante la segunda década del siglo XX gracias a las investigaciones realizadas en las moscas de la fruta. Posteriormente las observaciones en este modelo biológico fueron extrapoladas y confirmadas en otros modelos eucariotas capaces de realizar la reproducción sexual vía la meiosis como lo somos los seres humanos.

La recombinación genética altera las proporciones mendelianas clásicas y por eso hace parte de la genética post-mendeliana. La recombinación genética también confirma otra de las grandes hipótesis de A. Weismann y es concerniente al concepto de la reina roja y la utilidad evolutiva del sexo.

En resumen el sexo es costoso biológicamente, por lo que debería presentar una utilidad evolutiva muy grande, y esa utilidad es dada por la recombinación genética. La recombinación es un mecanismo que incrementa la variabilidad de las poblaciones de manera independiente a las mutaciones espontáneas. Con una mayor variabilidad las poblaciones toleran con mayor facilidad los cambios ambientales y las presiones ejercidas por los parásitos, los competidores y los depredadores.

Adicionalmente  la reducción del número de cromosomas requeridos para la reproducción sexual, la meiosis incrementa la diversidad genética de una población de organismos eucariotas con reproducción sexual de una generación a la siguiente de manera independiente a la segregación independiente de los cromosomas durante la anafase I. La recombinación genética permite crear nuevas cromátides independientes a las que fueron heredadas por los padres del individuo. Mediante la mezcla del material genético, los alelos de los cromosomas homólogos pueden intercambiarse generando nuevos genotipos.

La variabilidad en el fenotipo y el genotipo en poblaciones de plantas, animales hongos “entre otros” se      genera mediante recombinación genética (intercambio de brazos cromosomales en la segunda fase de la meiosis) resultado de la reproducción sexual y de las mutaciones aleatorias a través de la secuencia (parental – descendencia). 

La cantidad de variación genética que una población que se reproduce sexualmente puede producir es enorme. Considere a un solo progenitor con un numero N de genes, cada uno con solo 2 alelos (Nota del traductor: El ser humano posee alrededor de 25.000 a 30.000 genes cada uno con entre 10 y 20 alelos, algunos genes pueden tener 100 alelos todos funcionales en la población, recuerden que cada individuo solo puede llevar 2)  

Este individuo “ideal” produce una cantidad diferente de gametos (óvulos y espermatozoides) igual a  (2 exponencial N o sea 2 multiplicado N veces). Debido a que la reproducción sexual envuelve a dos progenitores, cada combinación de gametos puede producir una cantidad de cigotos igual a (4 exponencial N, o sea 4 multiplicado N veces) con diferentes genotipos. 

Si cada progenitor tuviera solo 150 genes con solo  2 alelos (una subestimación grosera del genoma de un eucarionte como el ser humano), cada pariente puede dar lugar a 1045 (10 multiplicado 45 veces) diferentes espermatozoides u óvulos; y solo una pareja de padres podría producir teóricamente más de 1090 (10 multiplicado 90 veces) de diferentes cigotos con genomas únicos (un número que es bastante cercano al estimado de partículas totales en todo el universo).

Referencia general: (Karp, 2013)

4.7 Descubrimiento de la recombinación genética

A pesar de que la asociación de los genes en grupos de ligamiento fue confirmada por los trabajos de Morgan a mediados de la segunda década del siglo XX, el problema es que el ligamiento aparecía de forma estadísticamente incompleta, existía algo que seguía alterando las frecuencias mendelianas al nivel estadístico. En otras palabras, los alelos de dos genes diferentes como los que codifican para alas cortas y cuerpo negro que originalmente se presentaban ligadas en un mismo cromosoma, no siempre permanecían unidos durante la producción de los gametos.

Por lo tanto las características maternales y paternales heredadas por in individuo en cromosomas homólogos separados podían ser cruzadas y terminar presentes en el mismo cromosoma de un solo gameto.  Alternativamente, dos características que se heredaron unidas en un mismo cromosoma parental podían terminar separadas una de la otra en diferentes gametos.

En 1911 Morgan ofreció una explicación para el rompimiento del ligamiento. Dos años antes F. A. Janssens había observado que los cromosomas homólogos de los bivalentes se envolvían entre si durante la primera fase de la meiosis I (Thomas Hunt Morgan, 1919b).


Si los cromosomas pasaran intactos se generarían grupos de ligamiento como en este ejemplo hipotético. Sin recombinación solo existirían 2 tipos de cromosomas con identidades genéticas bien definidas que se heredarían de manera mendeliana en grupo.

Janssens había propuesto que esta interacción entre los cromosomas paternos y maternos generaba un rompimiento e intercambio de los brazos cromosomales.

El cruzamiento tiene el potencial de generar cuatro cromátides con identidades genéticas diferentes, dos que son las originales y dos que son recombinantes. De la imagen se puede anticipar que los genes que están cerca unos de otros tienen altas posibilidades de ser transferidos en grupos ligados cuando el cromosoma recombina, mientras que los genes en posiciones lejanas tienen altas posibilidades de combinarse con alelos alternativos generando cromosomas nuevos. Capitalizando esta propuesta, Morgan sugirió que este fenómeno que acuñó como entrecruzamiento o recombinación genética podía explicar la aparición de descendientes con fenotipo recombinante. Los análisis de los descendientes al nivel estadístico de una alta cantidad de individuos adultos cargan una variedad de alelos en el mismo cromosoma indicando que (1) el porcentaje de recombinación entre un par de genes en un cromosoma como color de ojos o longitud de ala era constante entre diferentes ciclos generados; y (2) los porcentajes de recombinación entre los diferentes pares de genes como el color de ojos y la longitud de del ala contra otro par de color de ojos y longitud de alas puede variar mucho.

Referencia general: (Karp, 2013)

4.8 La recombinación como indicador de la posición de los genes

El hecho de que un par de genes dado da aproximadamente la misma frecuencia de recombinación en cada cruce sugiere fuertemente que las posiciones de los genes a lo largo de los cromosomas son fijas y no varía de una generación a otra. A esta posición fija se la denominó Locus “singular” o Loci “plural”.

Si el locus de cada gen es fijo, entonces la frecuencia de recombinación entre dos genes depende de la lejanía o cercanía relativa entre este par de genes, es decir entre más recombinación más lejos y entre menos recombinación más cerca. En 1911 A. Sturtevant un estudiante del laboratorio de Morgan concibió la idea de que las frecuencias de recombinación podían ser empleadas para dibujar mapas de distancia relativa entre los diferentes genes al interior de un mismo cromosoma (Donis-Keller et al., 1987; Lobo & Shaw, 2008; Sturtevant, 1965).

La ubicación física de un gen será llamada locus en singular, si hablamos de varios genes diferentes sus ubicaciones físicas serán llamadas loci.

El concepto de recombinación genética le permitió a Morgan realizar un modelo predictivo y deductivo magistral, crear los mapas de la ubicación relativa de un gen al interior de un cromosoma.  La recombinación es causada por el entrecruzamiento de los brazos de un cromosoma siendo estos intercambiados. Entre más cercanos están los loci de un par de genes menos probable es que sean recombinados por lo que experimentan un ligamiento fuerte. Por el contrario si un par de loci está lejos su probabilidad de recombinar es alta y no son distribuidos de forma independiente “como en la ley de distribución independiente”. Otros loci pueden ubicarse de forma intermedia, siendo que en ocasiones son recombinados y en otras no. Si se estimaban muchas veces la recombinación o no de varios loci es posible determinar cuáles están más cerca y cuales más lejos. El estudiante de Morgan llamado Alfred Sturtevant “1891-1970” sería el primer investigador en crear un mapa  de genes en 1913. (Donis-Keller et al., 1987; Lobo & Shaw, 2008; Sturtevant, 1965).


4.9 La síntesis entre la teoría cromosómica de la herencia y el mendelismo

La entendemos así en el sentido de que T. H. Morgan logró a través de la mosca de la fruta relacionar a los cromosomas con los patrones de herencia mendelianos así como múltiples modificaciones.

En 1915 los alumnos de Morgan Alfred Sturtevant “1891-1970”, Calvin Bridges “1889-1938” y H. J. Muller “1890-1967” escribieron un de los libros de texto que más influirían en la comprensión de la genética mendeliana y postmendeliana llamado Mecanismos de Herencia Mendeliana (T H Morgan, Sturtevant, Muller, & Bridges, 1972; Thomas Hunt Morgan, 1915).

En los años siguientes la mayoría de la comunidad científica adoptó la teoría mendeliana cromosómica de la herencia, la cual había sido intuida teóricamente por biólogos alemanes como Walter Sutton “1877-1916”  y Theodor Boveri “1862-1915” alrededor de 1902-1903. El desarrollo experimental fue realizado por Morgan entre 1908 y 1915.

Aun así seguían existiendo críticos como W. E. Castle y R. Goldschmidt.

Referencia general: (Karp, 2013)


4.10 Morgan y la teoría de la evolución

A pesar de que los trabajos de Weismann intentaron corregir las deficiencias darwinianas acuñado el término de neodarwinismo, no es hasta que Morgan identifica caramente el rol de los mecanismos internos de los seres vivos para variar que el asunto no fue zanjado en la forma en que lo entendemos actualmente.

En su libro Morgan da sus roles a la variabilidad aleatoria en forma de las mutaciones y la recombinación de forma independiente a la selección natural que es antialeatoria.

Mientras que la variación crea nuevas variantes la selección las elimina. Mientras que una especie logre el equilibrio entre ambos fenómenos seguirá existiendo, pero si por ejemplo no se produce suficiente variación, la selección aplasta a la población generando el fenómeno de la extinción.

Más que rechazar a la Evolución como lo sugeriría retóricamente el título de su obra de 1916 Morgan le dio su forma casi moderna a la teoría de la evolución (Thomas Hunt Morgan, 1916), sin embargo aún pasarían dos décadas hasta que otros fenómenos relacionados se conjugarían en la Teoría Sintética de la Evolución (Kutschera & Niklas, 2004).

Una vez afianzado el modelo teórico clásico, Morgan procedió a retomar sus cuestionamientos contra Darwin, y especialmente su problema con el concepto de selección natural.

Estos cuestionamientos fueron depositados en un libro denominado Una Crítica a la Teoría de la Evolución (1916) en el que Morgan discutió preguntas tales como:

¿La selección natural realmente juega un papel en la evolución?
¿En verdad la selección natural tiene algún poder creativo?

Estas críticas a la selección natural procedían de la gran debilidad de la primera teoría de la evolución, al no poder explicar el origen de la variación, Darwin recurrió a la teoría de Lamark convirtiendo al ambiente en fuente de variación y selección simultáneamente, lo cual conllevó a ver a la selección natural como una especie de mecanismo omnipotente creador y destructor (Kutschera & Niklas, 2004). Morgan le daría a la Selección Natural una forma mas limitada y mucho mas matematizable.

4.11 Consideraciones finales

Con el trabajo de Morgan se afianza la etapa denominada Clásica de la genética, y sus conclusiones se abarcan en los libros de texto como las “extensiones a las leyes de Mendel”.  Sin embargo el logro mas importante es pavimentar el camino de la reconciliación entre el neodarwinismo y el mendelismo, cuestiones que aparentemente estaban en conflicto y que lo habían estado patentemente desde el inicio del siglo XX en una sola y única ciencia.

A partir de aquí nuestro próximo gran capítulo de la historia de la genética convergerá con el de la teoría sintética de la evolución, aunque debemos empezar con un concepto propuesto en la década mendeliana de 1900-1910 y es el equilibrio Hardy-Weinberg

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