Introducción a la ciencia. Una guía para todos (o casi) (20 page)

Cuando los seres vivientes crecen, esto se debe a que sus células se dividen en dos y aumenta su número. Durante este proceso se copian todos los cromosomas del núcleo. Luego, la frontera entre el núcleo y el resto de la célula desaparece, desplazándose un conjunto de cromosomas hacia cada lado de la célula, donde se reúnen dentro de dos nuevas membranas nucleares. Finalmente, la célula se divide en dos células hijas, cada una de las cuales contiene un conjunto completo de cromosomas. Es imposible decir cuál de los dos conjuntos de cromosomas es el «original» (en efecto, debido al modo en que se realiza el proceso de copiar los cromosomas, no es posible establecer una diferencia entre los dos conjuntos). Donde antes había una célula, ahora hay dos, y ambas son igual de viejas (o de nuevas). Este proceso de división celular se conoce como mitosis.

Sin embargo, cada cromosoma lleva gran cantidad de ADN y es asombrosa la perfección con la que la célula lo desenrolla y lo copia durante la mitosis. En las especies cuya reproducción es sexual existen dos conjuntos de cromosomas, cada uno de ellos heredado de un progenitor, con lo que se duplica el proceso de copia que hay que realizar. En los seres humanos, por ejemplo, existen exactamente veintitrés pares de cromosomas, y entre todos ellos llevan toda la información sobre cómo construir un cuerpo y cómo manejarlo. Esta información está codificada en unos segmentos de la cadena del ADN llamados genes (en el próximo capítulo veremos más sobre los genes y la evolución). El modo en que toda esta información codificada se almacena en los cromosomas es una obra maestra de embalaje.

Los cromosomas son una mezcla de ADN y proteína, pero, en contra de lo que se había pensado inicialmente, es la proteína la que aporta el andamiaje en el que se almacena el ADN. Estas proteínas especiales pertenecen a una familia llamada de los histones y se sabe que ocho moléculas de histones se unen formando una pequeña bola redonda. La doble hélice del ADN describe dos bucles en torno a esta bola y la sujeción para mantener la hélice en su sitio la realizan otros dos histones que están adheridos cada uno a un lado de la bola. A continuación, hay otra bola de histones que también tiene dos bucles de ADN envolviéndola, y así sucesivamente. Son como las cuentas de un collar y cada una de las bolas con los dos bucles de ADN envolviéndolas recibe el nombre de nucleosoma. Debido a que los cortos fragmentos de ADN que unen un nucleosoma con el siguiente son flexibles, la totalidad del collar se puede enrollar formando una estructura aún más compacta, casi del mismo modo en que un collar de cuentas se puede introducir enrollado en un espacio compacto. Además, también estos rollos se pueden enrollar a su vez para formar unas super-bobinas.

Toda célula del cuerpo humano (salvo el óvulo y las células del esperma) contiene cuarenta y seis diminutos cilindros formados de este modo. Si se colocaran uno detrás de otro, los cuarenta y seis cromosomas cubrirían una distancia de tan sólo 0'2 milímetros. Sin embargo, si se desenrollara todo el ADN que almacenan y se colocara en fila, su longitud sería de más de 1'8 metros, es decir, más que la altura de la mayoría de las personas. El ADN se encuentra embalado con una longitud que sólo es aproximadamente una diezmilésima de la longitud que tendría estirado. No obstante, entre todo este ADN prietamente plegado, la maquinaria de la célula es capaz de encontrar el trozo de ADN que necesita cuando desea fabricar una proteína concreta, desenrollar el segmento del prieto ovillo del cromosoma que se precisa, copiar el mensaje del ADN en el ARN mensajero y volver a dejar todo limpiamente enrollado. En la mitosis se desenvuelve todo el lote, se copia y se vuelve a empaquetar en dos conjuntos de cromosomas en un intervalo de tiempo de unos pocos minutos. Sin embargo, cuando se dividen las células especializadas que participan en la reproducción sexual, éstas realizan una maniobra aún más impresionante conocida como re-combinación.

Cuando se fabrican células del esperma y óvulos, la producción se realiza mediante un tipo diferente de división celular llamado meiosis. Describiremos específicamente lo que sucede en las células humanas, aunque el proceso es muy parecido en todas las especies que se reproducen sexualmente.
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En vez de, sencillamente, duplicarse todos los cromosomas, en la meiosis los cuarenta y seis cromosomas primero se emparejan de tal forma que cada una de las veintitrés clases de cromosomas se sitúa al lado de su número opuesto (recuérdese que de cada progenitor se hereda uno de los conjuntos de veintitrés cromosomas).

Después de que los cromosomas se han duplicado, los trozos correspondientes de ADN se cortan de cada cromosoma de una pareja y se intercambian, formando nuevos cromosomas. Estos nuevos cromosomas son tales que cada uno de ellos contiene una mezcla de material genético (una mezcla de genes) de ambos progenitores de la persona en la que vive la célula. Este proceso se llama recombinación. La célula se divide entonces en dos células hijas, cada una de las cuales tiene un conjunto de cuarenta y seis cromosomas formando pares, pero entonces se inicia el segundo estadio de la división, sin que se realice ninguna copia del ADN, y en este segundo estadio se producen un total de cuatro células, tales que cada una contiene solamente un conjunto de veintitrés cromosomas, que son los «nuevos» cromosomas producidos mediante la recombinación.

En los machos tres de estas cuatro células suelen convertirse en esperma; en las hembras sólo una se desarrolla convirtiéndose en un óvulo y el resto se desecha. Lo importante de todo esto es que, tanto en el esperma como en el óvulo, existe solamente un conjunto de cromosomas y que cada uno de estos cromosomas contiene genes de cada uno de los progenitores de la persona en cuyo cuerpo se fabricó la célula. Cuando el esperma de un hombre y el óvulo de una mujer se unen para formar una nueva célula que tiene un conjunto completo de veintitrés pares de cromosomas, este óvulo fertilizado posee la capacidad de desarrollarse hasta formar un nuevo ser humano. En cada célula de este nuevo ser humano un conjunto de veintitrés cromosomas contiene una mezcla de información genética de los abuelos paternos y el otro conjunto de veintitrés cromosomas contiene una mezcla de información genética de los abuelos maternos. Pero en cada célula del cuerpo humano (excepto en las células sexuales) hay exactamente el mismo conjunto de cuarenta y seis cromosomas, portando cada cromosoma exactamente la misma información genética que su cromosoma equivalente de cualquier otra célula de dicho cuerpo.

En números redondos, existen 75.000 genes repartidos a lo largo de los veintitrés cromosomas humanos (unos contienen más genes y otros menos), lo que indica que la reproducción sexual y el proceso de recombinación aportan una enorme variedad de mezclas potenciales de genes. Ésta es la razón por la que no hay dos personas exactamente iguales (excepto en el caso de los gemelos idénticos, que resultan cuando un óvulo se divide completamente en dos después de la fertilización, desarrollándose cada una de las células hijas para formar un nuevo ser humano). Sin embargo, dado que en toda célula hay dos conjuntos de cromosomas, existen dos versiones de cada gen, lo que añade un grado más de complejidad a esta historia.

Supongamos que existe un gen único que determina una característica física, por ejemplo, el color de los ojos. Esto es un poco simplista. En general, se supone que las características físicas (los detalles del fenotipo, según la jerga especializada) se producen por la interacción de varios, o muchos, genes (la totalidad del paquete de genes se llama genotipo); pero en nuestro ejemplo lo vamos a poner más sencillo. En el cromosoma correspondiente heredado de un progenitor, el gen que determina el color de los ojos puede «decirle» al cuerpo, por ejemplo, que tenga los ojos azules. Sin embargo, en el lugar equivalente del cromosoma equivalente heredado del otro progenitor, las instrucciones pueden ser que tenga ojos castaños. Estas versiones diferentes del mismo gen se llaman alelos. En este caso concreto, las personas que tienen el alelo de los ojos castaños en un juego de cromosomas tendrán ojos castaños. Una persona tendrá realmente los ojos azules sólo si los dos cromosomas llevan el alelo de los ojos azules.

Debido a que existen diferentes alelos prácticamente para cualquier gen (a menudo varios alelos distintos) y se barajan continuamente de una generación a otra en nuevos ordenamientos por efecto de la reproducción sexual y la recombinación, la naturaleza está experimentando continuamente con diferentes combinaciones de genes (diferentes genotipos), produciendo fenotipos ligeramente distintos. Al mismo tiempo, la naturaleza también está «inventando» nuevos genes, o, al menos, variaciones sobre viejos genes. Todo este proceso de copiar que se desarrolla cuando las células se dividen no es del todo perfecto, por lo que algunos fragmentos del mensaje que lleva el ADN sufren mutaciones. A veces, durante la meiosis, algunos fragmentos seccionados del ADN se pierden, o se recolocan en un lugar equivocado, o exactamente al revés. Esto tiene generalmente malas consecuencias. Es poco probable que una célula con el ADN dañado funcione de manera correcta y probablemente morirá mucho antes de que llegue a la fase de formar un nuevo tipo de cuerpo, es decir, un nuevo fenotipo. Pero, si el cambio es lo suficientemente pequeño, sólo tendrá un ligero efecto, para bien o para mal, y puede acabar quedando plasmado en el fenotipo de un nuevo individuo.

Un cambio así podría, por ejemplo, alterar la estructura de un tipo de proteína fabricada por el cuerpo, cambiando el orden de los aminoácidos a lo largo de su cadena polipéptica. Si esa proteína concreta fuera, por ejemplo, la hemoglobina, que transporta oxígeno en la sangre por todo el cuerpo, una ligera diferencia en la estructura de dicha proteína podría hacerla más eficiente, o menos eficiente, a la hora de realizar su función. Si se volviera más eficiente, el cuerpo que «poseyera» ese nuevo alelo sería más efectivo, pudiendo respirar con mayor facilidad y teniendo más probabilidad de sobrevivir y dejar descendencia; y la mitad de esa descendencia llevaría el nuevo alelo en uno de sus cromosomas. Si la nueva versión de la proteína fuera menos efectiva haciendo su trabajo (en este caso, transportando oxígeno), el cuerpo probablemente se encontraría enfermo, siempre falto de respiración y con pocas posibilidades de sobrevivir y dejar mucha descendencia.

A nivel molecular, esto se llama evolución. Se trata de pequeños cambios en el mensaje del ADN (un cambio de un letra en el código del ADN podría ser suficiente para cambiar el aminoácido que va a un lugar determinado de una molécula de proteína) traducidos en fenotipos (cuerpos) que son ligeramente diferentes unos de otros y que se comparan entre sí utilizando un solo criterio: cuál de ellos deja más hijos (es decir, más copias de sus propios genes). La reproducción sexual sencillamente contribuye a favorecer este proceso barajando los genes para formar nuevos fenotipos basados en distintas combinaciones de los genes. Pero aquí no existe el problema del «huevo y la gallina». No hay duda de que primero aparecieron las moléculas y, cuando éstas evolucionaron, inventaron toda la parafernalia de cuerpos (incluidos los de los seres humanos) con el fin de ayudar en su propia reproducción. Los biólogos tienen un aforismo que dice: «Una gallina es la manera que tiene el huevo de hacer más huevos». Del mismo modo, un ser humano es sencillamente la manera que tienen los genes de hacer más copias de sí mismos.

Aunque estamos introduciendo el tema de la evolución haciendo lo contrario de lo que es habitual para contar la historia (vamos de abajo arriba, en vez de hacerlo de arriba abajo), esta manera es mejor para situar las cosas en su propia perspectiva, privando a todos los fenotipos (incluidos los seres humanos) de su papel estelar. Sin embargo, realmente no podemos ir más lejos con nuestro relato sobre las biomoléculas. Con el fin de comprender cómo funciona la evolución en el mundo en general, tenemos que dar otro paso hacia arriba, aumentando la escala, para ver cómo interaccionan los cuerpos con el entorno en que viven y entre ellos mismos.

La evolución actúa a nivel de los genes. Obviamente tiene que haber existido Luna evolución en el mecanismo mediante el cual opera la célula, y los genes, por lo que sabemos de ellos, se han desarrollado como resultado de dicha evolución. Pero aquí no vamos a entrar en estos detalles. Si desea usted saber por qué una persona tiene los ojos azules y otra los tiene castaños, por qué los seres humanos son distintos de los otros monos, por qué todos los monos son diferentes de los lagartos o por qué los guisantes se dan en distintas variedades, lo que importa aquí son los genes. La evolución (por lo que respecta a los animales y las plantas) depende del modo en que los genes se copian y se transmiten a la generación siguiente (herencia biológica), y al hecho de que este proceso de copiar es (como ya hemos visto) casi perfecto, pero no del todo. Es el «casi» lo que garantiza que la descendencia se parezca a sus progenitores y que sean miembros de la misma especie; es el «no del todo» lo que permite que funcione la evolución, siendo a veces la causa de que surjan nuevas especies.

La primera persona que comprendió el modo en que actúa la herencia biológica fue un monje de Moravia, llamado Gregor Mendel. Mendel fue contemporáneo de Charles Darwin y llevó a cabo sus estudios sobre la herencia biológica (concretamente investigando el modo en que las características se transmiten de una generación a la siguiente en el caso de las plantas de guisante) al mismo tiempo que Darwin perfeccionaba su teoría de la evolución por selección natural. Desgraciadamente el naturalista inglés nunca supo de los trabajos de Mendel
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y éste no se enteró de lo que había realizado aquél hasta una época tardía de su carrera, cuando ya había renunciado a la investigación científica para centrarse en las tareas administrativas que conllevaba su elección como abad del monasterio en 1868. Por este motivo, las dos grandes componentes de la manera moderna de entender la evolución no se aunaron hasta principios del siglo
XX
, cuando se redescubrió la obra de Mendel y cuando varios otros investigadores, de forma independiente, llegaron a las mismas conclusiones que él sobre la naturaleza de la herencia biológica. También se tuvo que esperar hasta la primera década del siglo
XX
para que se acuñara el término «gen», pero, de todos modos, lo utilizaremos para referirnos a la unidad básica de la herencia biológica, aunque estemos tratando de los trabajos realizados en el siglo
XIX
por Mendel y Darwin.