Paisajes adaptativos

Para quien le gusta trepar montañas, un paisaje adaptativo, con sus valles y montañas, pudiera parecer un buen lugar donde estar. Pero hay un inconveniente: este tipo de paisajes no existe en el mundo físico: es una construcción matemática, de gran utilidad en la biología y otras ciencias, que se elabora para visualizar y entender los caminos de la evolución de organismos, compuestos orgánicos, etcétera.

Las montañas en un paisaje adaptativo representan, o sirven de metáfora, para la adaptación[1] del organismo bajo consideración: más alto el pico en el que se encuentra, mejor es su adaptación. El grado de adaptación de un organismo se define como la cantidad de descendientes que éste es capaz de engendrar (ver mi post del 25 enero 2015).

El concepto de los paisajes adaptativos (adaptive landscapes o fitness landscapes en inglés) fue desarrollado por el estadounidense Sewall Wright (1889-1988), uno de los padres de la ciencia de la genética[2]. En la figura 1 se muestra un ejemplo de un paisaje adaptativo, preparado por el mismo Sewall Wright. Lo estamos viendo desde arriba: las cruces (+) denotan los altos, y los guiones (-) los bajos. Paisajes adaptativos pueden ser construidos para poblaciones de individuos de una especie en un ecosistema, o para compuestos biológicos, tales como proteínas, en un individuo. Entre las estructuras moleculares y las poblaciones de individuos se han identificado distintos niveles intermedios, cuya evolución también puede ser representada mediante paisajes adaptativos[3].

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Un paisaje adaptativo es un gráfico en tres dimensiones (o más, pero eso se hace difícil de visualizar) en el que se muestra la adaptación como función de ciertos parámetros, que forman la base del paisaje. El paisaje adaptativo es como la superficie de la tierra: tiene valles y montañas. Las montañas representan una buena adaptación, y los valles una mala. Un individuo que se encuentra en una montaña, está bien adaptado, mientras que un individuo en un valle está mal adaptado. Sin embargo, así como un alpinista puede escalar montañas reales, el individuo puede ascender las montañas en el paisaje adaptativo, mediante la selección natural que aumenta la adaptación (fitness) del individuo.

El paisaje adaptativo es una herramienta para visualizar la evolución. Pero para poder visualizarla, es preciso cuantificarla. Tal como la superficie de la tierra, en la cual cada punto se identifica mediante sus coordenadas de latitud y longitud, en el paisaje adaptativo cada punto tiene sus coordenadas, x y y, que representan algunos parámetros genéticos (u otras características) de la población bajo consideración: por ejemplo, la frecuencia con la cual aparecen los alelos (variantes) de ciertos genes, o la relación entre ciertos alelos. Una variante del paisaje adaptativo original es el “modelo NK” de Stuart Kauffman, de quien hablamos en el post anterior, sobre nuestra capacidad de evolucionar. En este modelo, la base del paisaje es formada por los genes de un organismo, y su adaptación, o sea la altura de los picos del paisaje, así como la forma del paisaje, dependen de la dependencia entre los genes[4].

En otras palabras: la adaptación del individuo, o sea la altura del paisaje adaptativo (la coordenada z), es una función de las coordenadas x y y. Si cambia el valor de alguno de los parámetros x o y, cambia la posición del individuo en el paisaje adaptativo, y por lo tanto cambia su adaptación. En el trascurso del proceso evolutivo de una especie, la ubicación en el paisaje adaptativo de los miembros de la especie cambia: se mueven, más o menos como un grupo, de un lado del paisaje a otro.

El movimiento de una población en el paisaje adaptativo, o sea, su evolución hacia mejor adaptación, se produce a lo largo de las generaciones: los individuos en la población con la adaptación más alta tienden, por definición, a tener más descendientes que los individuos menos adaptados, y estos descendientes tienden a heredar la buena adaptación de su progenitor. De esta manera, con el paso del tiempo habrá más descendientes de los individuos mejor adaptados, y la población en su totalidad experimentará un aumento de su adaptación. En otras palabras, estará escalando un pico del paisaje adaptativo (ver las flechas en la figura 1). Si observamos el movimiento de una especie en un paisaje adaptativo, vemos como – dado suficiente tiempo – ésta se moverá hacia, y se instalará en, algún tope de montaña en el paisaje.

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Ahora bien, un paisaje adaptativo puede contener múltiples montañas, cada una con una elevación diferente (ver figura 2A). En tal caso, una especie puede alcanzar en su evolución un tope que resulta ser menos alto que la montaña más alta. Esto quiere decir que la especie alcanzó una adaptación relativamente buena, pero no óptima. Para obtener una adaptación óptima, la especie debería “descender” su montañita, cruzar un valle, y escalar la montaña más alta. Sin embargo, en la práctica es muy difícil que una especie vaya descendiendo, puesto que implicaría una desmejora de su adaptación y por lo tanto de su capacidad para sobrevivir. Por lo tanto, la especie se quedará “atrapada” en su montañita, sin lograr mejorar su adaptación (a no ser que se produzca una recombinación genética mediante reproducción sexual, o alguna mutación extraordinaria, que le permita “saltar” el valle, alcanzando la montaña alta).

Sistemas evolucionarios

Los paisajes adaptativos son una manera bonita de visualizar los procesos evolucionarios. Pero la realidad no se deja capturar de manera tan sencilla. La biología de sistemas evolucionarios, una joven rama de ciencia, se dedica a plasmar los procesos evolucionarios en términos cuantitativos más exactos[5]. Pero este tema va más allá del propósito del presente post.

Paisajes adaptativos en las ciencias sociales

Aunque el concepto del paisaje adaptativo fuera desarrollado para la biología evolucionaria, ha encontrado aplicación también en el campo de las ciencias sociales. Especialmente el modelo NK de Kauffman, que se basa en dependencias, resultó ser muy útil, puesto que este modelo permite visualizar las dependencias entre los distintos actores en el quehacer humano.

En la economía, por ejemplo, se han visualizado organizaciones (empresas) moviéndose en un paisaje adaptativo, con algunas alcanzando una competitividad alta, mientras que otras languidecen en los valles y perecen. En general, todas las situaciones en las que ocurre interacción humana se pueden visualizar mediante paisajes adaptativos: en los ámbitos de la sociología, la psicología y la antropología, pero también en los sistemas políticos y legales[6].

Paisajes adaptativos cambiantes

Hasta este punto he hablado sólo de los cambios experimentados por los organismos cuya evolución se visualiza mediante los paisajes adaptativos. Pero los paisajes adaptativos cambian también. Si el entorno cambia (debido a un cambio de clima, la aparición de un nuevo depredador, etc.), puede que las características que tuvo una especie originalmente ya no vayan a ser las más adecuadas para la nueva situación. Recordar, por ejemplo, el caso del cuello de las jirafas que presenté en el post del 25 enero 2015. En otras palabras: cambios en el entorno implican cambios en el paisaje adaptativo.

Si el paisaje adaptativo cambia, es probable que cambien también las montañas que en él se encuentren: cambiará no sólo su altura, sino también su ubicación. O sea, una especie que anteriormente se encontraba en el tope de una montaña (en otras palabras, que estaba bien adaptada), de repente se pudiera hallar en un valle (es decir, ya no está bien adaptada a la nueva situación). Esta situación se ilustra en la figura 2B.

Esta situación de tener que ajustarse a los cambios en el paisaje adaptativo, no es una excepción sino la regla: los entornos de los organismos que habitan la tierra cambian continuamente, lo que hace que los organismos tienen que ajustarse todo el tiempo: ninguna especie exitosa puede permitirse sentarse en sus laureles, puesto que si haría eso correría el riesgo de encontrarse de repente en un valle del paisaje adaptativo, en lugar de la montaña donde estaba ubicada anteriormente.

Esto aplica también a nosotros, los seres humanos; y no sólo aplicó a nuestros antepasados en su evolución hacia nuestra especie actual, Homo sapiens, sino también a quienes estamos pisando la tierra hoy día. Aunque no nos guste, nuestro entorno cambia continuamente, y la situación a la cual nos hemos acostumbrado puede cambiar de un día para otro, dejándonos con la tarea de volver a trepar alguna montaña de nuestro paisaje adaptativo.

Moraleja

En resumen os dejo este mensaje, tan apropiado para estos tiempos de crisis: cuando cambia nuestro entorno, a nosotros nos toca cambiar con él. Si nos mantenemos quietos esperando que mejoren los tiempos, pudiéramos caer a lo más profundo de algún valle de nuestro paisaje adaptativo, en lugar de estar en la cima de nuestra montaña[7].

 

Este post se basa en un post que publiqué en mi blog, ahora cerrado, “Los tiempos del cambio”.

Nota: la imagen en el encabezado del post muestra un paisaje adaptativo para proteínas, elaborado a partir de datos experimentales. Crédito: Hayashi y otros, 2016 [8]. Fuente: https://chewychunks.wordpress.com/2013/09/03/evolution-international-development.

 

[1]    Términos alternativos: aptitud, adecuación. En inglés: fitness.

[2]    Wright, S., 1932. The roles of mutation, inbreeding, crossbreeding and selection in evolution. Proceedings 6th International Congress of Genetics, Vol. 1, 356-366. www.blackwellpublishing.com/ridley/classictexts/wright.pdf. Ver también: https://es.wikipedia.org/wiki/Sewall_Green_Wright.

[3]    Loewe, L., 2009. A framework for evolutionary systems biology. BMC Systems Biology, 3, 27. www.biomedcentral.com/1752-0509/3/27.

[4]    Ver: https://en.wikipedia.org/wiki/NK_model.

[5]    Ver por ejemplo: https://figshare.com/articles/EvoSysBio_in_10_Slides/1427128.

[6]    Gerrits, L.M, y Marks, P.K., 2014. The evolution of Wright’s (1932) adaptive field to contemporary interpretations and uses of fitness landscapes in the social sciences. Biology and Philosophy, 30 (4), 459–479. http://link.springer.com/article/10.1007/s10539-014-9450-2.

[7]    Para más reflexiones acerca de este tema, os remito al post del 8 diciembre 2014.

[8]    Hayashi, Y., Aita, T., Toyota, H., Husimi, Y., Urabe, I. y Yomo, T., 2006. Experimental rugged fitness landscape in protein sequence space. PLoS ONE, 1 (1), e95. http://journals.plos.org/plosone/article/asset?id=10.1371/journal.pone.0000096.PDF.

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