Evolución de la modularidad
Andrea Ángeles Pérez
30 abril de 2018
El sonido agudo del triángulo rompe el silencio en el recinto; le sigue una vibración grave del tambor. Comienza entonces la melodía interpretada al unísono por el violín y el violonchelo. Todos estos instrumentos forman parte de la orquesta, pero algunos están más relacionados entre sí que otros: el triángulo y el tambor pertenecen a las percusiones, el violín y el violonchelo son instrumentos de cuerda.
De una forma análoga se comportan los sistemas biológicos.
Los miocitos son las células del corazón, órgano encargado de bombear sangre a todo el cuerpo. Las neuronas son las células del sistema nervioso, estructura encargada de coordinar la respuesta del organismo ante diversos estímulos. Este tipo de relación que se establece entre un conjunto de elementos muy relacionados entre sí que trabajan en una función se conoce como módulos y la dinámica entre ellos como modularidad.
Los sistemas modulares se distinguen unos de otros por las relaciones que establecen entre sí. “Forman un ‘equipo’ porque se llevan mejor entre ellos que con otros”, lo cual les permite especializarse en la resolución de un problema o función particular, dijo Carlos Espinosa Soto, durante el Seminario Evolución de la modularidad el pasado 18 de abril en el Centro de Ciencias de la Complejidad (C3).
Adaptándose al cambio
La modularidad es esencial en el entendimiento de la evolución adaptativa ya que permite cambios de una parte del organismo sin afectar otras características. “Podemos modificar un módulo sin que este cambio afecte a otras partes del sistema lo que quiere decir que se puede ajustar una parte de un organismo sin echar a perder el resto”, explicó Espinosa-Soto, investigador del Instituto de Física de la Universidad Autónoma de San Luis Potosí.
De ahí el interés por estudiar la evolución de los módulos para comprender la transformación de los seres vivos a lo largo del tiempo y cómo surgen nuevas propiedades, por ejemplo, el habla o la visión.
Sin embargo, “a pesar de su importancia, el origen evolutivo de la modularidad aún no se ha aclarado”, escribió el doctor en Ciencias Biológicas en un capítulo de un libro publicado en 2014. La selección natural es la forma más usual en la que los biólogos explican las características de los organismos y su evolución pero organizar los elementos en módulos no parece proporcionar una ventaja evolutiva inmediata, dijo en el seminario.
Por ello, es importante comprender cómo es que la modularidad se relaciona con otras propiedades del sistema, qué es lo que permite que se seleccionen estos módulos y, finalmente, explicar cómo evolucionan. “Entender la modularidad, es entender por qué los organismos somos seres evolucionantes”, dijo.
Evolución de la modularidad
En biología de sistemas existen varias formas de aproximarse al problema, ya sea estudiando sistemas vivos, como las bacterias, o mediante modelos computacionales. Para analizar el problema y tratar de explicar la relación entre los módulos y la aparición de innovaciones, el investigador junto a Andreas Wagner de la Universidad de Zurich, simularon computacionalmente redes genéticas y su asociación a funciones definidas. Encontraron que como consecuencia de la especialización de los genes, se incrementan los patrones modulares en las redes.
Los investigadores observaron también que la especialización en un organismo pluricelular se produce cuando surgen nuevos tipos celulares, órganos u otras estructuras como resultado de la expresión de nuevos patrones de actividad genética y la selección de determinadas redes bajo ciertas condiciones. En estos casos observaron que los módulos se generaron posteriormente a este proceso.
Por otra parte, encontraron que la modularidad facilita la cooptación, es decir, el proceso por el cual se sustituye la actividad de una red para constituir nuevos funciones. De ahí que proponen como hipótesis que determinados genes tienden a ser cooptados en nuevos patrones similares a los que ya realizaban, esto porque ya cumplen una función determinada y será más sencillo que realicen esta misma función con modificaciones mínimas.
Por ejemplo, si tenemos un módulo genético que se encarga de señalizar a cada estructura del cuerpo –como los brazos o las piernas— en qué sitio debe localizarse, es probable que este mismo módulo sea reclutado para establecer el sitio de una nueva estructura. Los resultados de su análisis se publicaron en la revista PLoS Computational Biology.
A futuro
Se ha encontrado que en las redes con menor número de conexiones existe una tendencia a aumentar la modularidad. Con este precepto, Espinosa-Soto junto con su grupo de trabajo desarrollan nuevos modelos para conocer cómo es que la baja conexión dentro de los sistemas favorece la modularidad.
Entre los resultados preliminares observaron que el número de conexiones no explica la aparición de la modularidad por sí sola, sino que existen factores que tienden a incrementar la modularidad como la selección, perturbación y expresión de nuevos patrones.
Para Espinosa-Soto es primordial comprender la modularidad ya que ésta brinda “mayor libertad a la evolución de acceder a nuevas características y formas”.