Es Ley de Vida (entrevista a Sean B. Carroll)

Sean B. Carroll

Dentro de los grandes hitos de la biología quizá el más significativo de los tiempos recientes para la comprensión de la evolución y sus mecanismos automáticos sea el entendimiento del fenómeno central de la regulación. 

La regulación nos lleva a pensar en cuestiones humanas, reglas, normas, leyes que se siguen o se promulgan e imponen para mantener el orden en una sociedad demasiado compleja y con demasiados conflictos y diferencias. Pero ahí se ha llegado en la enésima derivada.

El hecho fundamental es que la regulación es algo que surge y hace posible los fenómenos complejos que desafían la termodinámica de la vida, que tiende al caos. Y digo "surge" porque hablamos de regulaciones que no tienen un regulador que las haya articulado con un fin: el omnipresente azar, que nos ofrece oportunidades y peligros, puede conducir a ellas y, una vez establecidas, si funcionan, pueden permanecer indefinidamente e incluso sentar las bases de nuevas regulaciones que operan en otro nivel mayor de complejidad. Puede ocurrir que muchos aspectos de nuestra fisiología, por ejemplo, estén ahí porque surgieron en algún ancestro lejano de otra especie y, sencillamente, no pueden cambiar en lo esencial porque es lo que funciona, aunque si por casualidad hubiera sido de otra manera que también funcionase, todo sería distinto.

Múltiples mecanismos y estructuras celulares, así como sus componentes,  están hechos de la misma pasta allá donde uno los busque, y se regulan del mismo modo en toda célula viva. E igual que hay genes que regulan la expresión de otros genes, hay eletrolítos que regulan la presencia de otros electrolítos, y organismos que regulan la presencia de otros organismos, ya en una escala mucho mayor.

Sean B. Carroll no necesita presentación. Es un científico que ha hecho y sigue haciendo fundamentales aportaciones al entendimiento de la biología. Sus primeros estudios genéticos le llevaron, como a otros muchos investigadores, a las cascadas de genes reguladores de estructuras corporales complejas. Había llegado con ello una nueva revolución, con el "nacimiento y desarrollo" de la biología evolutiva del desarrollo (evo-devo). Pero en la mente de Carroll quedó grabado el fenómeno de la regulación: unos genes hacían de interruptores de la expresión de otros y determinaban con ello el curso del desarrollo. Había límites, superiores e inferiores, molecularmente establecidos, a la cantidad de genes que generaban las distintas proteínas. Esto se observó a varios niveles, y Carroll seguía la pista. Se preguntaba por principios fundamentales de regulación de la vida en la tierra que se aplicasen tanto a las moléculas dentro de las células como a la composición, tamaño y funcionamiento de los ecosistemas de la tierra. 

De ello habló en su libro Las Leyes del Serengeti, libro cuyo título puede engañar, dado que el parque nacional del Serengeti en Tanzania no tiene leyes propias, pero sí hay leyes biológicas que se cumplen en grandes ecosistemas y se pueden observar en la emblemática reserva natural del Serengeti.

Podría enumerar las leyes que Carroll expone en su increíble libro, pero animo al lector inquieto a que lo lea. Es tanto un libro de historia de la ciencia como de ciencia propiamente dicha.

Quédense con esto: si falta un gran depredador en un ecosistema, el Rey de la cadena trófica y el que menos energía aporta al sistema (la mayor viene de la fotosíntesis), puede ser una catástrofe colosal, al igual que si a este le faltan sus presas.

Los ecosistemas se regulan de muchas y variadas formas, pero algunas especies son centrales, las cadenas tróficas se entrelazan en redes tróficas, y pueden sufrir efectos de cascada en ausencia de un eslabón, las distintas especies deben guardar una cierta proporción para la salud del ecosistema, también y quizá especialmente las que ocupan un mismo nicho. La densidad poblacional es regulada por el medio que representan las otras especies y los recursos disponibles según las estaciones, algunas especies migran para lograr sobrevivir en medios saturados.

Y frente a estos asombrosos fenómenos que ofrece la biología de un orden "espontáneo", de una regulación en la que lo mejor que podríamos hacer es no meternos demasiado, con nuestra razón secuencial causa-efecto y su inherente cortedad de miras, nos encontramos con el azar, sobre el que Sean B. Carroll habla en su última obra (que creo estará proximamente traducida al castellano) A Series of Fortunate Events. Ciertamente lo que hoy existe se debe a una sucesión de sucesos guiados por la suerte ("buena" o "mala", dependiendo del caso y de qué etiquetémos como bueno y malo). 

El Profesor Carroll ha tenido la inmensa amabilidad de encontrar un hueco para responder unas preguntas para la Nueva Ilustración Evolucionista, cosa que desde aquí le agradecemos enormemente.

En inglés:

1.- Since Charles Darwin exposed, with Alfred Russel Wallace, the Theory of evolution by natural selection, until today, many scientific advances have taken place that have allowed broadening the horizons in the understanding of the origin and history of life on earth. How would you say that the Theory of Evolution has evolved, from even before Darwin himself to the current Extended Evolutionary Synthesis?

The Theory of Evolution has evolved with enormous advances in biology, paleontology, and geology. 

In biology, advances in genetics have given us a concrete mechanistic understanding of mutation, variation, and trait evolution, and advances in developmental biology have given us great insights into the evolution of form. 

In paleontology, the growth of the fossil record since Darwin’s time cannot be overstated. This has produced priceless insights intot eh origin of novelties and major groups (e.g. tetrapods, birds etc).

In geology, discoveries such as the K-Pg asteroid impact have rewritten our understanding of life’s history.

2.- One of the most significant advances in our understanding of the living world has occurred in ecology. The incredible interdependence of living beings and the difficult balance that is achieved in ecosystems, as you point out in your work The Serengeti Rules, show that we move within narrow margins in our relationship with our natural environment, just as they are the molecules and cells that make up our own organisms or circulate through them (levels of PH, sugar, blood pressure, oxygen and carbon dioxide, fat-transporting proteins, lymphocytes, erythrocytes, etc.). The natural environment, like a body, can become ill, and the death of the whole would lead to that of its parts (to our extinction, seen anthropocentrically). How can we stop the ecological disaster that human overpopulation and its way of taking "resources" from nature seem to be leading us? 

There is no facile answer. The environmental situation is a product of many forces, and slowing or reversing the trend will require many approaches, some of which are outside the reach of many countries who have more immediate imperatives (food, housing). 

But, things can be done. And nature is more resilient than many people appreciate. I think there will be many local and regional efforts to protect and restore nature that will pay off and add up, but I see a patchy planet in the future – with some regions stable, and others devastated.

3.- Regarding the second question, it is inevitable to ask another, unfortunately more related to medical and media events in the present. Is Sars-Cov-2 "living" proof (or almost) of how the deterioration of the health of ecosystems leads to the deterioration of the health of humans (among other species)?

That is probably too easy an answer. We do not know whether Sars-Cov-2 came from the wild, or from a lab (I am not a conspiracy theorist, even the WHO has questions). If the former, then perhaps, yes, it tells us that our treatment of nature is hazardous.

4.- In your last book, you address the apparently miraculous concatenation of singular events that have made it possible for us to be interacting now in this interview, two primates, but unique in their species. What power has had chance in random phenomenas through cosmic history, and what power does it have in our apparent daily life, with continuous stocastic and unnoticed changes?

We live on a chance-driven planet. From the collision that created the moon, to the volcanism that drove the end-Permian extinction, to the K-Pg asteroid/mass extinction, to the wild climatic swings of the Ice Age, life has been buffeted by chance cosmological and geological events. 

At a more personal scale, we are each unique genetic beings, thanks to the random assortment of chromosomes and random mutations in our parents gonads. And random mutations will lead to the deaths of perhaps 1/3rd of us through cancer, if a pandemic does not get us first! 

5.- Ernst Haeckel, in the nineteenth century, suggested that the ontogenesis of embryos somehow reproduced phylogenesis. It was Stephen Jay Gould, with his 1977 book Ontogeny and Phylogeny, who put the debate on the table by talking about heterochronic changes during embryonic development and neoteny processes, which are all engines of evolutionary change. But it was not until the discovery of the Hox genes in the 1980s that the real revolution in the way of understanding evolution began, giving rise to the evolutionary biology of development. Natural selection operates on changes in organisms, but how do these changes arise so that we can better understand speciation?

The discovery of Hox genes and other developmental regulatory genes revolutionized our understanding of embryonic development and the evolution of form (note I emphasize form as a specific dimension of evolution). 

None of these discoveries changed our fundamental understanding of how evolution occurs in populations (natural selection on variation), or the process of speciation. Thanks to evo-devo, we now understand where most meaningful genetic variation in development arises – in non-coding regulatory DNA. Those variations contribute to morphological divergence, but speciation is not necessarily linked to such changes.

6.- You began with the study of the Drosophila genetic patters. Now your wider contemplation of the vastness of Serengeti makes you understand the patterns within the ecosystems. Life is a phenomenon that has elevated (apparently not teleologically) from the molecular level to the biosphere. What reflection do you think the uniqueness and ubiquity of life in all sizes and at all levels of complexity should lead us to?

For me, studying life at these different scales and through different disciplinary eyes led me to see some parallels in logic with respect to the regulation of the numbers of things – proteins, cells, individuals. So that helped me articulate that one of the big thrusts in biology is to understand regulation at all scales, and to highlight how that understanding is so important to efforts to intervene in human or planetary health.

7.- What are you working on now? What mystery of nature would you like to unveil?

I remain drawn to the question of novelty – how do new things arise – proteins, physical traits etc. I think we still have some work to do to find more general rules about evolutionary processes.

En castellano:

1.- Desde que Charles Darwin expuso, junto con Alfred Russel Wallace, la Teoría de la evolución por selección natural, hasta nuestros días, se han producido muchos avances científicos que han permitido ampliar los horizontes en la comprensión del origen e historia de la vida en la tierra. ¿Cómo diría que ha evolucionado la Teoría de la Evolución, incluso desde antes del propio Darwin hasta la actual Síntesis Evolutiva Extendida?

La Teoría de la Evolución ha evolucionado por los enormes avances en biología, paleontología y geología.

 

En biología, los avances de la genética nos han proporcionado una comprensión mecanicista concreta de la mutación, la variación y la evolución de los rasgos fenotípicos, y los avances en la biología del desarrollo nos han proporcionado una profunda comprensión de la evolución de la conformación de los organismos.

 

En paleontología, no podemos subestimar el aumento producido en el registro fósil desde la época de Darwin. Este ha proporcionado conocimientos de un valor incalculable sobre el origen de las novedades y sobre los grupos principales (por ejemplo, los tetrápodos, las aves, etc.).

En geología, los descubrimientos como el  del impacto del asteroide K-Pg han reescrito nuestra comprensión de la historia de la vida.

2.- Uno de los avances más significativos en nuestra comprensión del mundo vivo se ha producido en ecología. La increíble interdependencia de los seres vivos y el difícil equilibrio que se logra en los ecosistemas, como señala usted en su obra Las Reglas del Serengeti, demuestran que nos movemos dentro de estrechos márgenes en nuestra relación con nuestro entorno natural, tal como lo hacen las moléculas y las células que componen nuestros propios organismos o circulan por ellos (niveles de PH, azúcar, presión arterial, oxígeno y dióxido de carbono, proteínas transportadoras de grasas, linfocitos, eritrocitos, etc.). El medio natural, igual. que un organismo, puede enfermar, y la muerte del conjunto conduciría a la de sus partes (a nuestra extinción, si lo miramos antropocéntricamente). ¿Cómo detener el desastre ecológico al que parece conducirnos la superpoblación humana y su forma de tomar "recursos" de la naturaleza?

No hay una respuesta fácil. La situación medioambiental es producto de muchas fuerzas, y desacelerar o revertir la tendencia requerirá muchos enfoques, algunos de los cuales están fuera del alcance de muchos países que tienen imperativos más inmediatos (alimentos, vivienda).

Pero se pueden hacer cosas. Y la naturaleza es más resistente de lo que muchas personas creen. Pienso que habrá muchos esfuerzos locales y regionales para proteger y restaurar la naturaleza que darán frutos y se sumarán entre sí, pero atisbo un planeta desigual en el futuro, con algunas regiones que serán estables y otras que quedarán devastadas.

3.- Respecto a la segunda pregunta, es inevitable plantear otra, lamentablemente más relacionada con los hechos médicos y mediáticos del presente. ¿Es el Sars-Cov-2 una prueba "viviente" (o casi) de cómo el deterioro de la salud de los ecosistemas conduce al deterioro de la salud de los humanos (entre otras especies)?

Probablemente tenga una respuesta demasiado fácil. No sabemos si Sars-Cov-2 vino de la naturaleza o de un laboratorio (no soy un teórico de la conspiración, pues incluso la OMS se hace preguntas). Si es lo primero, entonces quizás sí, esto nos está diciendo que el trato que estamos dando a la naturaleza es peligroso.

4.- En su último libro, aborda la concatenación aparentemente milagrosa de hechos singulares que han hecho posible que estemos interactuando ahora en esta entrevista, dos primates, pero únicos en su especie. ¿Qué poder ha tenido el azar en fenómenos aleatorios a lo largo de la historia cósmica, y qué poder tiene en nuestra aparente vida cotidiana, con continuos cambios estocásticos e inadvertidos?

Vivimos en un planeta movido por el azar. Desde la colisión que creó la luna, pasando por el vulcanismo que condujo a la extinción del final del Pérmico, la extinción masiva provocada por el asteroide K-Pg hasta los salvajes cambios climáticos de la Edad del Hielo, la vida ha sido golpeada por eventos cosmológicos y geológicos casuales.

En una escala más personal, cada uno de nosotros es un ser genéticamente único, gracias a la combinación aleatoria de cromosomas y mutaciones aleatorias en las gónadas de nuestros padres. ¡Y las mutaciones aleatorias nos llevarán a la muerte a quizás 1/3 de nosotros por cáncer, si una pandemia no nos alcanza primero!

5.- Ernst Haeckel, en el siglo XIX, sugirió que la ontogénesis de los embriones de alguna manera reproducía la filogénesis. Fue Stephen Jay Gould, con su libro de 1977 Ontogenia y Filogenia, quien puso el debate sobre la mesa al hablar de los cambios heterocrónicos durante el desarrollo embrionario y de los procesos de neotenia, todos ellos motores de cambio evolutivo. Pero no fue hasta el descubrimiento de los genes Hox en la década de 1980 que comenzó la verdadera revolución en la forma de entender la evolución, dando lugar a la biología evolutiva del desarrollo. La selección natural opera sobre cambios en los organismos, pero ¿cómo surgen estos cambios para que podamos comprender mejor la especiación?

El descubrimiento de los genes Hox y otros genes reguladores del desarrollo revolucionó nuestra comprensión del desarrollo embrionario y la evolución de la forma (nota que enfatizo "la forma" como una dimensión específica de la evolución).

Ninguno de estos descubrimientos cambiaron nuestra comprensión fundamental de cómo acaece la evolución en las poblaciones (a través de la selección natural sobre la variación existente) o sobre el proceso de especiación. Pero ahora gracias a la biología evolutiva del desarrollo (evo-devo), entendemos dónde surge la variación genética más significativa durante el desarrollo: en el ADN regulador no codificante. Las variaciones que se producen contribuyen a la divergencia morfológica, si bien la especiación no está necesariamente vinculada a tales cambios.

6.- Usted comenzó con el estudio de los patrones genéticos de la Drosophila. Ahora con su contemplación más amplia de la inmensidad del Serengeti ha llegado a comprender los patrones que existen dentro de los ecosistemas. La vida es un fenómeno que se ha elevado (en apariencia de modo no teleológico) desde el nivel molecular hasta la biosfera. ¿A qué reflexión cree que debería llevarnos la singularidad y ubicuidad de la vida en todos los tamaños y en todos los niveles de complejidad?

Para mí el estudiar la vida en sus diferentes escalas y desde los ojos de las diferentes disciplinas me llevó a percibir algunos paralelos en la lógica inherente a la regulación del número de cosas: proteínas, células, individuos. Y eso me ayudó a proponer que uno de los grandes ejes de la biología se basa en comprender la regulación en todas las escalas, y en la importancia de resaltar cómo esa comprensión es tan necesaria en nuestros esfuerzos por intervenir en la salud humana o planetaria.

7.- ¿En qué está trabajando ahora? ¿Qué misterio de la naturaleza le gustaría desvelar? 

Sigo atraído por la cuestión de la novedad - cómo surgen las cosas nuevas - proteínas, rasgos físicos, etc. Creo que todavía tenemos trabajo por delante para dar con reglas más generales sobre los procesos evolutivos.