La predictibilidad de la evolución

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La evolución de Darwin no es una teoría, es un hecho, decía Dawkins. Toda teoría científica debe ser capaz de predecir el futuro a partir del pasado. ¿La evolución se puede predecir? El biológo español Víctor Soria-Carrasco (Univ. de Sheffield, Reino Unido) es coautor de un trabajo en Science que estudia esta cuestión. Los tres ecotipos (variedades morfológicas naturales) del insecto palo de California, Timema cristinae, permiten rebobinar las adaptaciones evolutivas al entorno y observar su evolución en directo. Tras 25 años de observaciones de campo, experimentos de laboratorio y análisis genómicos se desvela lo predecible y lo impredecible en la evolución.

Lo predecible son los procesos de selección natural correlacionados con la frecuencia de los individuos, por ejemplo, los cambios temporales del patrón de color del insecto (tener raya blanca o no tenerla), que están asociados a una presión selectiva negativa (los depredadores buscan con preferencia los insectos sin raya blanca). Lo impredecible son los cambios impulsados por múltiples factores ecológicos en interacción, por ejemplo, el color del insecto (ser verde o marrón) que depende mucho de las fluctuaciones anuales del clima y muchos otros factores selectivos. En ambos casos la selección natural impulsa la evolución en torno a un punto de equilibrio dinámico, algo que se puede considerar también como una predicción, aunque genérica, de la teoría.

El nuevo artículo, que se centra en los datos recabados en los últimos 18 años, es Patrik Nosil, Romain Villoutreix, …, Zach Gompert, “Natural selection and the predictability of evolution in Timema stick insects,” Science 359: 765-770 (16 Feb 2018), doi: 10.1126/science.aap9125 [enlace]; destaco el papel de Soria-Carrasco porque lideró un artículo previo sobre esta tema en la misma revista Víctor Soria-Carrasco, Zachariah Gompert, …, Patrik Nosil, “Stick Insect Genomes Reveal Natural Selection’s Role in Parallel Speciation,” Science 344: 738-742 (16 May 2014), doi: 10.1126/science.1252136, y porque es un ejemplo de científico español graduado en España (Universidad de Barcelona) que tuvo que emigrar al extranjero para realizar su tesis doctoral, donde se afincó de forma permanente.

[PS 18 Feb 2017] Esta entrada ha generado cierta confusión entre los lectores, quizás porque no he aclarado bien la metodología. Por ejemplo, César Tomé López‏ @EDocet, tuitea que “el título no se corresponde a lo que se explica. Lo que se evalúa no es si la evolución es predecible (su predictibilidad) sino la capacidad de predecir de ésta. Por tanto, mejor, “La predicción en la teoría de la evolución” o “La capacidad predictiva de…”. [Más aún] este artículo “parece” de ciencia, pero realmente contiene una profunda carga filosófica => discutible”. César recomiendo la lectura de su texto “Leyes, teorías y modelos (II): Prescripción y descripción en ciencia”, Cuaderno de Cultura Científica, 12 Feb 2013.

No sé si podré aclararlo con un breve párrafo. El término predictibilidad se refiere a su uso en el contexto de los modelos ARMA de series temporales. Quizás muchos lectores ignoran dicho significado matemático. Se ha tomado la serie temporal durante 18 años de las variables evolutivas consideradas (patrón con raya y color del insecto); los detalles y la justificación de la elección de estas variables se discuten en la información suplementaria del artículo. Se ha identificado (construido) el mejor modelo tipo ARMA para cada variable; luego se han eliminado los datos de los últimos 3, 4, …, 9, hasta 10 años y se han comparado las predicciones del mejor modelo con las observaciones. Dicha comparación ofrece un coeficiente de correlación (de Pearson) que cuantifica lo predecible que es el modelo ARMA para cada variable, lo que los autores interpretan como lo predecible que es cada variable evolutiva. [/PS]

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T. cristinae es un insecto palo sin alas, que se alimenta de plantas y presenta tres ecotipos o morfologías (no son especies distintas porque se pueden reproducir entre ellos). Una morfología verde con una franja dorsal blanca que se alimenta de las hojas de Adenostoma fasciculatum, otra verde sin franja blanca que consume las hojas de Ceanothus spinosus y la última de color marrón grisáceo, sin franja blanca, que se alimenta de los tallos de ambas plantas (pero que encima de una hoja verde es muy visible para los depredadores). Por tanto esta especie permite estudiar tanto polimorfismo de color (diferencia entre animales verdes y marrones) como polimorfismo de patrón (diferencia entre animales con franja blanca y sin ella). Desde el punto de vista genético, la coloración marrón es recesiva respecto a la verde y la presencia de franja blanca es recesiva respecto a su ausencia.

La predictibilidad en biología evolutiva es difícil de estudiar por múltiples factores. Por ejemplo, la deriva genética y otros procesos evolutivos son aleatorios. Por otro lado, los entornos ecológicos son complejos, con muchos factores que pueden suponer una presión selectiva, y además cambian con el tiempo, con lo que la evolución no es el proceso lineal que suele verse en los libros de texto. Finalmente, la interacción entre los genes y el medio ambiente conduce a que ciertos rasgos sean más heredables que otros. Como resultado, la evolución en un entorno natural es un proceso multifactorial y complejo, lo que lleva a que muchos estudios sobre su predictibilidad se limiten a experimentos de laboratorio y a análisis genómicos.

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Los insectos palo son un buen animal modelo para estos estudios porque muchas veces nacen, crecen, se reproducen y mueren en la misma planta. Más aún, cada morfología se camufla mejor en una especie de planta o en un lugar diferente (hojas o tronco), pero es frecuente encontrar individuos en la planta o el lugar equivocados. Además, permiten realizar experimentos de laboratorio y su genoma completo se secuenció en 2014. De hecho, su evolución lleva siendo estudiada desde hace 25 años, aunque en el nuevo estudio sobre la predictibilidad se ha focalizado la atención a los datos de los últimos 18 años en la localidad de Hidden Valley (HV), California, donde se han recogido para su estudio 3470 individuos (con un promedio anual de 193 y desviación típica de 268).

Para cuantificar la predictibilidad de la evolución se ha usado un modelo ARMA (media móvil autorregresiva). La evolución del polimorfismo de color es poco predecible, r² = 0,14, lo que se explica porque depende de muchas fuentes de selección independientes. Los años cuya primavera es más cálida aumentan los insectos marrones, que sufren menos enfermedades fúngicas y tienen mayor éxito reproductivo, aunque en laboratorio estos individuos tienen una tolerancia al calor más débil que los verdes. Por tanto la selección natural en este rasgo actúa de forma multifactorial, siendo difícil de predecir.

La evolución del polimorfismo de patrón es muy predecible, r² = 0,86, siendo r² > 0,95 en una escala de tiempo de 3 a 5 años, aunque solo r² > 0,80 en una escala de 10 años. Se cree que el patrón rayado tiene la ventaja de que los depredadores buscan animales sin raya (el patrón más frecuente) en lugar de con raya (menos frecuente). Se hicieron experimentos con estos animales cambiándolos de planta (de Adenostoma a Ceanothus) cuyos resultados validan esta hipótesis. La teoría es más predictiva cuanto más fuertemente asociada con la frecuencia está la selección.

En resumen, ciertos aspectos de la evolución se pueden predecir y otros son casi imposibles de predecir. Aún así, este estudio y otros similares muestran que la teoría de la evolución es una teoría científica desde el punto de su predictibilidad. Futuros avances en la compresión de las interacciones ecológicas en los entornos naturales permitirán realizar predicciones fiables a corto plazo, aunque a largo plazo parece casi imposible (algo similar ocurre con los sistemas dinámicos caóticos, en meteorología, sismología, etc.).


5 Comentarios

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JLJL

Sinceramente Francis no veo la predictibilidad por ninguna parte y mucho menos la originalidad de estos experimentos, además de no corroborar ninguna teoria, simplemente lo que ya se sabe por conocimiento vulgar. Desde luego el “predecir” que unos depredadores atacaran más a presas “conocidas” que a desconocidas es simple gramática parda y se sabe antes de experimentar nada.
En fin, todo esto se encuentra en mantillas y el camino seá arduo, quizá demasiado.

MasgüelMasgüel

“La evolución de Darwin no es una teoría, es un hecho. Toda teoría científica debe ser capaz de predecir el futuro a partir del pasado. ¿La teoría de la evolución es predictiva?”

Charles Darwin nació, creció, envejeció y murió, pero más que un hecho, eso un dato histórico. Su teoría de la evolución es un argumento explicativo para una amplia variedad de fenómenos que observamos en la biosfera terrestre. Es el núcleo argumental de sus ensayos sobre filosofía natural, que a su vez son documentos históricos. Si la teoría de evolución resulta fructífera para hacer predicciones, por limitadas que sean, será bienvenida entre las ciencias experimentales. Aunque no fuese predictiva en ningún sentido, seguiría siendo la teoría más verosímil para nuestra narración de la historia natural. Las disciplinas históricas pretenden el mismo rigor y provisionalidad corregible por la comunidad de expertos que las disciplinas científicas. Sin embargo, asumen con más facilidad el papel de la contingencia en sus explicaciones. La novedad no es legaliforme, aunque dependa de regularidades previas o inaugure tendencias futuras. Y la historia natural no es el despliegue de un algoritmo, sino la narración de la emergencia de nuevas formas de organización y su papel como causa de nuevos procesos naturales. La selección de fenotipos que realiza el medio es un claro ejemplo de causación descendente. El genoma de un organismo cualquiera es el resultado de la historia de su especie, de la suerte que corrieron sus ancestros en sus relaciones con el medio y con otros organismos. Si sumamos las exaptaciones, el efecto Baldwin, el aprendizaje de nuevas conductas o la transmisión cultural, las posibidades predictivas de la teoría quedan en muy poca cosa. Pero como teoría para interpretar la historia va mucho más lejos de lo que pretendía. Su popularidad ha desarrollado nuestro sentido histórico en muchos otros ámbitos. Hasta la cosmología hace décadas que es “evolucionista”. Prigogine decía de Einstein (que añoraba un universo estático y eterno), que se había convertido en un Darwin para la cosmología contra su propia voluntad.

wachovskywachovsky

Contingencia y emergentes de una complejidad computada entre la nucleosintesis estelar, la geofisica de los silicatos y volcanes, la bioquímica de las cianobacterias y los genes, glúcidos y proteínas del nitrógeno y acido fosfórico enlazado en covalencias a aminoácidos… de allí al SNC de estos organismos con sus biomorfias prestidigitadas por algoritmo cuántico incalculable o inabarcable para nuestras actuales herramientas informáticas de laboratorio

danieldaniel

La idea de la evolución biológica predice que los peces del Devónico acabarían saliendo del agua transformándose en reptiles. Pero no predice que que los artópodos se separaran en unirrámeos y birrámeos

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