Reduciendo complejidades (II. El flagelo bacteriano)

El flagelo bacteriano es una estructura muy compleja. Cierto. Es un motor molecular que necesita una interacción de más de 40 proteínas distintas.

Esquema del motor bacteriano.
Fuente (sí, es una página creacionista)

Me podría poner ahora a explicar a fondo cuál es el funcionamiento general del flagelo bacteriano... pero me saldría del tema; lo que quiero explicar es cómo evolucionó.

Si quieres comprender el funcionamiento del flagelo bacteriano puedes leer esta entrada de la wikipedia, que he revisado y está bastante bien explicada.

Los creacionistas del diseño inteligente admiran la complejidad del flagelo de las bacterias. Dicen que esa complejidad nunca puede ser fruto de la casualidad, ya que funciona como un motor complejo, y si se elimina una sóla pieza deja de ser operativo. Y desde ahí, caen en las falacias habituales ya explicadas en el artículo de la primera parte, y a las cuales no voy a volver.

Por supuesto, el primero de los problemas en esa aserción es lo de que sea fruto de la casualidad. Como ya expliqué en mi vídeo «la falsa improbabilidad de la evolución», la evolución no es casual: es posible que haya factores que sean azarosos, como las mutaciones; sin embargo la selección natural no es azarosa de ningún modo, y por tanto la evolución per se tampoco lo es.

Y además, del mismo modo que sucedió con la entrada acerca del ojo, estamos ante un argumento sostenido sobre falsas premisas: realmente sí que conocemos los rudimentos del proceso evolutivo que dio lugar al flagelo bacteriano.

Es cierto que este motor molecular es una de las máquinas biológicas descubiertas más fascinantes. Cada uno de sus componentes se engrana con el resto de una forma perfectamente sincronizada y la eliminación de una sola de las proteínas produce ineludiblemente la pérdida de la funcionalidad del flagelo al completo.

¿Pero significa eso que no ha podido evolucionar? De ningún modo. Estamos olvidando un aspecto importante de la evolución biológica, que no solo no es raro que suceda sino que hemos observado un buen número de ocasiones: una estructura con una función puede terminar dando lugar otra estructura más compleja con otra función completamente distinta.

El ejemplo más sencillo en este caso es el de las plumas. Las escamas de los reptiles tiene una clara función protectora. Las plumas filamentosas, derivadas directas de estas escamas, pueden cumplir funciones nuevas como la sensitiva o la sexual —mediante el uso de colores brillantes—. Unas plumas más tupidas pueden adquirir una nueva función de mantenimiento de la temperatura corporal, y unas plumas de forma asimétrica pueden adquirir la nueva función para favorecer el vuelo y sus maniobras. Es decir, lo que hoy sirve a las aves para volar, tuvo muchas otras funciones diferentes antes. La evolución solo aprovechó una estructura preexistente (la pluma) y la modificó para formar funciones nuevas.

En resumen. No hace falta que un sistema tenga la misma función que tenía el sistema ancestral del cual procede.

Esto mismo es lo que sucedió con el flagelo.

1. El Complejo de Secreción tipo III

Complejo de Secreción Tipo III. Fuente

El proceso comienza con la formación de un poro pasivo en la membrana interna de la bacteria. Estos poros pasivos permiten la libre comunicación entre el citoplasma y el periplasma —el espacio que hay entre la membrana interna y la pared celular—, y por tanto, el libre paso de proteínas de un lado a otro.

Una proteína asociada al poro por la cara citoplasmática permite que el paso de las proteínas del citoplasma al periplasma sea, aún pasivo, pero ahora selectivo: una ventaja evolutiva respecto al caso anterior.

La asociación de la Sintasa-ATP —un complejo proteico anterior al flagelo— permite al poro un transporte activo, lo que supone una ventaja respecto al transporte pasivo de la fase anterior. Este complejo es el ancestral del complejo de exportación de tipo III.

Las chaperonas y las secretinas son proteínas que, asociadas, comunican la pared celular con la membrana externa y que permiten el desplazamiento de las proteínas desde el periplasma hacia el exterior de la bacteria; estas proteínas pueden asociarse fácilmente al complejo de exportación, lo que termina formando una estructura aún más compleja que permite el paso activo de proteínas desde el interior citoplasmático hasta el exterior de la célula. Este complejo de secreción sería el ancestral del que conocemos como tipo III.

2. Formación del Pilus.

Pilus bacteriano. Fuente.

Gracias a este complejo proteico evolutivo que hemos denominado Complejo de Secreción de Tipo III, pueden transportarse proteínas adhesivas controladas a sustratos, que una vez secretadas por el complejo de secreción, se quedan fijas a la parte exterior del complejo. ¿Qué? ¿Que cómo se pueden pegar donde corresponde y no en otro sitio? Por la afinidad de sustratos, que es un sistema de afinidad químico que hace que cada pieza encaje donde corresponde como una llave encaja en su cerradura.

Mediante la excreción continua de estas proteínas, se va formando un tubo, que se denomina pilus que favorece la adherencia de la bacteria a un sustrato determinado. Aquella bacteria que tiene el pilus más largo tendrá más éxito en esta función, y por tanto será favorablemente seleccionada. Aquella que intente formar el pilus con las proteínas equivocadas (con llaves distintas que encajen en otro lugar de la proteína chaperona) no conseguirá formarlo, y por tanto será seleccionada de forma negativa.

Si además, esas proteínas atraviesan físicamente la membrana externa y se asocian hacia abajo hasta donde está el poro, se consigue una mayor fortaleza en el sistema, ya que permite que todo el complejo se fije a las dos membranas y a la pared celular. La estabilidad de este complejo es ahora mucho mayor, y por ende, su portador es mucho más apto. La flexibilidad del pilus es también importante. Unas proteínas que permitan al tubo ser flexible favorecen a la bacteria al incrementar sus capacidades a la hora de encontrar sustratos.

3. A por el flagelo

Otro sistema proteico interesante es el Tol-Pal. Éste se encarga de transformar el paso de los protones a través de las membranas en movimiento. La asociación del sistema Tol-Pal con el pilus produciría un movimiento de giro leve. Esto supone una ventaja, pues favorece la movilidad del plus y por tanto, incrementa más aún la capacidad de encontrar nuevos sustratos por parte de la bacteria. Además, un movimiento activo permite a la bacteria moverse o quedarse quieta a voluntad —por efecto de acción-reacción—, lo que favorece que la bacteria pueda huir de aquellos ambientes que tengan pocos nutrientes. Es un ejemplo de un cambio leve que provoca una ventaja muy fuerte.

Una modificación en forma de reducción de la proteína secretina hace que se pierda el contacto entre la membrana externa y el pilus. Se forma, como efecto secundario, un anillo que denominamos anillo-P. La chaperona se modifica, entonces, en un nuevo anillo, que denominamos anillo-F, que refuerza el orificio de la membrana externa, incrementando así la estabilidad del complejo. Estos dos anillos estabilizan el filamento, permitiéndole rotar con mucha mayor libertad.

Las proteínas de transición de señales se asocian a este protoflagelo, haciéndolo quimiotáctico, es decir, sensible a las posibles señales químicas que la bacteria pueda lanzar. Esto genera también un avance importante: la bacteria ahora puede mover el flagelo «a voluntad».

Me he ahorrado los nombres de las proteínas y sus homólogas en fases intermedias observadas, por simplicidad y mejora de la comprensión del proceso. Cualquiera que esté interesado en los detalles de los pormenores, puede leer éste y otros artículos científicos al respecto. Si quieres más, no dudes en preguntar.

Lo que podemos claramente observar es que cada pequeño paso en el proceso evolutivo aporta un nuevo producto perfectamente funcional y que aporta a la bacteria portadora una importante ventaja evolutiva.

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L'amour, oh, l'amour...

Hace ya bastantes meses que uno de los tarados que hay por twitter nos dio la idea de escribir un artículo sobre la neuroquímica o la biología del amor. Fue algo así como que el amor es algo más que biología. Y, aunque nosotros lo hayamos idealizado y le hayamos dado un significado que no tiene, lo cierto es que la base del amor sigue siendo química. Y eso no nos lo va a quitar nadie. Así que, ya entonces, me puse manos a la obra. Esto que os voy a exponer es fruto de meses de trabajo de lecturas, corte, empalme, edición, relectura... y aún no estoy satisfecho. Pero si sirve para daros una idea un poquito más real del amor que los cuentos de la Disney, ya me doy con un canto en los dientes. Vamos con ello.

¿Qué es el amor?

Realmente, nadie lo sabe. Definir el amor es muy, muy difícil. Podríamos ponernos simplistas y decir que es una idealización de un estado biológico, pero nos estaríamos equivocando; y también podríamos ponernos deterministas y decir que es el medio que utilizan los seres vivos para reproducirse, y también nos estaríamos equivocando. Y es que hay un gran componente de ambas partes en el amor. Nosotros vamos a centrarnos en la segunda, la que está, quizá, más clara.

Hemos dicho, en nuestra segunda afirmación, que el amor es la vía que lleva a la reproducción. Pero si nos quedamos en esto, quizá deberíamos haber seguido siendo ribozimas (moléculas de ARN autorreplicante) o incluso, dividirnos por simple mitosis o cualquier método de reproducción asexual. Al fin y al cabo, sigue siendo reproducción, ¿no? Sin embargo, nosotros hemos adquirido, evolutivamente, una característica esencial: la reproducción sexual. Si volvemos a simplificar mucho la cosa, podríamos decir que la ventaja principal de la reproducción sexual es que se genera una mayor variabilidad genética que sin ella, pero estaríamos quedarnos extraordinariamente cortos. Porque, con la reproducción sexual, no sólo se combinan dos genomas distintos en uno sólo, sino que se combinan las recombinaciones meióticas que se producen en la división de las gametogonias; pero podemos ir más allá aún, porque además de esto, también se combinan las mutaciones que la copia de los genomas originales llevarán aparejadas. Así, si una de ellas constituye una ventaja evolutiva, es más fácil que se fije en la especie porque, ¿qué sentido tiene una ventaja evolutiva que se quede sólo en el individuo que la posee?

El amor es química...

No dudo de que haya gente a la que oír esta frase le chirríe muchísimo, pero es que realmente es lo que es. Alguno habrá que lo entienda como le venga en gana y se dedique a hacer pociones amorosas (sí, hay quien hasta da recetas). Pero la frase tiene implicaciones que esa gente no sería capaz de entender, así que vamos a ponérselo en claro.

Y es que, cuando decimos que el amor es química deberíamos decir que es bioquímica. O más concretamente, endocrinología. No, no es que nos pongamos más gordos o adelgacemos (chistes no, por favor). Es que depende, principalmente, de la acción de distintas hormonas.

Oxitocina y vasopresina

No, no os estoy insultando. Son dos de los principales péptidos implicados en esto del amor. Y hablo del amor en general, así, a lo bruto, porque no sólo son responsables del amor entre parejas, sino también del que encontramos entre amigos, familiares e incluso el de una madre por su hijo. Detrás de este último encontramos a la oxitocina, ya que es la hormona que controla el inicio de las contracciones del parto y de la secreción de leche durante la lactancia. La segunda, como puede deducirse de su nombre, está implicada en la regulación de la presión sanguínea, aunque también desempeña una función importante en la atracción sexual masculina, debido a que los machos producen una menor cantidad de oxitocina.

Oxitocina (arriba) y Vasopresina (abajo)

Su función en esto de los amores no acaba en la simple atracción sexual. Se ha descrito que la señalización por oxitocina y vasopresina está implicado en el tipo de emparejamiento (monógamo o promiscuo) que presenta una especie. ¿Que no os lo creéis?

Antes de entrar en esto y para no liarnos, vamos a definir qué quiere decir esto de emparejamiento monógamo o promiscuo, no vaya a ser que alguien se confunda y la liemos. Cuando hablamos de emparejamiento monógamo no hablamos de mantener una pareja durante toda la vida de ambos individuos únicamente, sino que la pareja de hembra y macho se mantiene fija durante, al menos, una temporada de apareamiento y que puede incluir o no el desarrollo y crianza de la progenie. En el caso de los emparejamientos promiscuos, nos referimos al emparejamiento de hembra y/o macho con varios compañeros de apareamiento en ambos casos en la misma temporada. ¿Alguien tiene alguna duda con esto? ¿No? ¿Nadie se va a confundir entonces? Pues sigamos adelante.

Fig. 1: Distribución de los receptores de oxitocina en cuatro
 especies del género Microtus. 
Tomado de Insel and Shapiro, PNAS, 1992.

Existen múltiples especies de topillos, pero hay dos que están muy cercanamente emparentados que tienen un comportamiento de emparejamiento totalmente opuesto. Los topillos de la especie Microtus ochrogaster muestran un emparejamiento de tipo monógamo, mientras que sus "primos" de la especie Microtus montanus prefieren mantener múltiples parejas. ¿Qué los diferencia como para que escojan diferentes tipos de emparejamiento? Pues aunque queramos buscar explicaciones alternativas, lo cierto es que en M. ochrogaster (Fig. 1A) encontramos una mayor densidad de receptores de oxitocina en las zonas que disparan la secreción de dopamina que en M. montanus (Fig. 1B). Esta observación se repite en otras especies del género Microtus con el mismo tipo de emparejamiento: M. pinetorum (Fig. 1C), de emparejamiento monógamo muestra una distribución de receptores de oxitocina similar a la de M. ochrogaster, mientras que M. pennsylvanicus (Fig. 1D) muestra una distribución similar a la de M. montanus. 

Algo similar ocurre con la distribución de los receptores de vasopresina V1a. Lo realmente interesante de los receptores de vasopresina es que el bloqueo de los mismos en la especie M. ochrogaster es capaz de cambiar el emparejamiento monógamo que presenta esta especie, provocando el emparejamiento promiscuo. Es más, cuando en la especie M. montanus se cambia la expresión del receptor V1a a una expresión semejante a la que encontramos en M. ochrogaster, el topillo promiscuo se vuelve monógamo.

Además de su propia señalización y su propio papel en la bioquímica del amor, la oxitocina y la vasopresina se relacionan con los circuitos dopaminérgicos de recompensa, expresándose ampliamente en las áreas cerebrales que están relacionadas con dichos circuitos. Tan íntimamente relacionados están, que se ha encontrado que la activación de los receptores de dopamina se debe, al menos en parte, a esta activación de los receptores de vasopresina y oxitocina. De hecho, el comportamiento monógamo parece estar ligado a esta activación por parte de los receptores de estas dos hormonas de los circuitos dopaminérgicos de recompensa, ya que la inhibición de la transmisión dopaminérgica es capaz de eliminar el emparejamiento monogámico en M. ochrogaster.

El amor es muy complicado por una molécula sencilla

4-(2-aminoetil)-benceno-1,2-diol. Dopamina, para los colegas

Si pensabáis que la cosa ya era bastante complicada, vamos a complicarla un poquito más añadiendo un elemento nuevo al rompecabezas: la dopamina. Básicamente, la dopamina es el actor principal en todo esto del amor, la atracción y la formación de vínculos de pareja. Finalmente, la activación de los sistemas de señalización mediados por vasopresina y oxitocina, acaba por producir una liberación de dopamina, lo que, básicamente, convierte al amor en una experiencia en busca de una recompensa. ¿Habéis oído eso de que el amor es una droga? Pues la dopamina tiene la culpa en ambos casos.

Ah bueno, pues entonces es fácil: el enamorado es un drogodependiente que busca aquello que le produce placer, que es estar con su pareja. Quizá por eso dicen que el chocolate es un buen sustitutivo del sexo, porque también produce placer. O que cuando sufrimos una ruptura dolorosa nos refugiemos en aquello que nos gusta, por  aquello de devolver la transmisión dopaminérgica a sus niveles normales...

¿Seguro?

Pues no. No es tan sencillo. Seguramente (o no) hayáis leído mi post sobre receptores de somatostatina en otra parte (y si no lo habéis leído antes, este es un buen momento para hacerlo). Si os digo que los receptores de dopamina son más de uno, quizá la cosa se complique un poco, ¿verdad? Pero si además de ello os hago saber que los receptores D1 y D2 pueden llegar a tener funciones contrarias el uno del otro... ¿qué hacemos? Pues sí, quizá montarnos un pitote gordo (vale, no tan gordo como si fueran 5). Pero para eso estoy yo aquí, para intentar desfacer el entuerto. 

Vamos a volver a nuestros topillos, ¿vale? A los monógamos, a los M. ochrogaster. Y vamos a centrarnos en una zona llamada núcleo accumbens, que está implicada en los ya mencionados circuitos de recompensa. ¿Qué es lo que ocurre cuando inyectamos en el núcleo accumbens una sustancia que activa los receptores D2 de dopamina? Pues que los topillos crean vínculos de pareja monogámicos, incluso si no se produce apareamiento ninguno. Pero, ¿y si lo que administramos a los topillos es un activador de los receptores D1? Pues que estos vínculos de pareja no se forman. Y ojo que digo que no se forman, no que se vuelvan promíscuos. El hecho de que al administrar dosis moderadas de dopamina se formen dichos vínculos y dosis altas no conduzcan a su formación viene a confirmar dicha hipótesis. ¿Por qué? Pues por el hecho de que la afinidad de la dopamina por el receptor D2 es mucho más alta que su afinidad por el receptor D1. Así, cuando hay menor cantidad de dopamina, se une preferentemente al receptor D2 y se crean vínculos de pareja; cuando estas concentraciones aumentan, los receptores D2 se saturarían y la dopamina lograría llegar a los receptores D1 de forma que inhiban la formación de dichos vínculos. 

Pero la cosa se complica mucho más. ¿Recordáis que la oxitocina es capaz de estimular las acciones de la dopamina? Esto que se debe, como hemos visto, a que los dos sistemas (el oxitocinérgico y el dopaminérgico vía D2) coinciden en áreas como el núcleo accumbens. Dicho así parece fácil, pero existe, además, una especie de sinergia entre ambos sistemas, ya que cuando se bloquea uno de ellos, la formación de vínculos de pareja inducida por el que no se bloquea también se ve inhibida.

Éramos pocos y parió la abuela

3-(2-aminoetil)-1H-indol-5-ol. Serotonina, mejor

Porque a pesar de que ya tenemos un lío de aúpa entre la oxitocina, la vasopresina y la dopamina, aún nos queda otro de los actores principales de este teatrillo químico: la serotonina. No es extraño: la activación serotoninérgica es capaz de provocar la inhibición de la señalización dopaminérgica. 

Repasemos lo que hemos visto. Hasta ahora, hemos dicho que la oxitocina y la vasopresina tienen la capacidad de estimular la señalización de la dopamina vía receptor D2 y que esta señalización es capaz de provocar la formación de los vínculos de pareja. Visto esto, ¿qué es lo que esperáis con respecto a la serotonina? 

Si habéis dicho que la serotonina disminuye estaréis en un error: no es que la oxitocina y la vasopresina inhiban la secreción de serotinina, sino que la serotonina, cuando se produce un enamoramiento, está ya disminuida, de forma que la señalización de la dopamina no se ve inhibida en el proceso de la formación del vínculo de pareja. Incluso hasta niveles que son similares a los que poseen las personas que padecen síndromes obsesivos compulsivos. Es más, quizá esta depleción podría estar detrás de los "síntomas" que el "enamoramiento romántico" parece compartir con los trastornos obsesivos compulsivos como el estrés o la ansiedad. Tomando, por supuesto, el símil en lo que corresponde, que es lo bioquímico y no lo etiológico.

¡Somos humanos, tiene que ser algo más! 

Pues bueno, pues si vosotros lo decís... seguramente lo sea. Y no puedo negarlo. El componente psicológico tiene su importancia, por supuesto. Pero no le busquéis tres pies al gato: está todo en vuestra cabeza. En vuestro cerebro. Y tanto es así que el "amor romántico" podría tener un origen evolutivo. 

Lo cierto es que no tenéis más que pensar en el cortejo de otros mamíferos. Pensadlo. ¿No encontráis puntos comunes entre el "amor romántico" y el cortejo? Pensadlo otra vez: aumento de energía, atención centrada en la hembra elegida, gestos de cariño, protección posesiva de la pareja, motivación para conseguirla... incluso en algunos casos un seguimiento obsesivo de la misma (esto, en seres humanos, no es, cuando menos, ético). ¿Se ve ya la relación?

Y es que, al contrario de lo que piensen los creacionistas (y ya que ellos fueron los que dispararon este post, vamos a meterlos aquí también) el amor romántico tiene un origen evolutivo. Podemos darle toda la dimensión psicológica, cultural y comportamental que queramos, pero no perdamos la perspectiva: tanto el cortejo como el amor romántico no son más que formas de escoger una pareja que ofrezca las mayores probabilidades de tener descendencia. Porque todo se centra, finalmente en la descendencia.

Echemos un ojo: los sistemas de cortejo complejos (entre los que vamos a incluir el enamoramiento romántico) surgen como un modo de mantener la unión de los adultos durante el tiempo necesario para que la descendencia salga adelante. Entonces, ¿por qué escoger el emparejamiento monógamo? Evolutivamente, la poligamia o los emparejamientos promiscuos son, a priori, una forma mucho más eficiente de generar variabilidad genotípica. ¿Qué es lo que lleva entonces a una especie a escoger la monogamia? 

En muchas especies, incluída la nuestra, esta unión no tiene por qué durar toda la vida. En las especies de mamíferos que escogen el emparejamiento monógamo, las crías tardan en crecer un periodo significativo de la vida de los progenitores. Así pues, en estas especies, la ventaja evolutiva viene en la colaboración para mantener y criar a la descendencia. En estas especies que colaboran para sacar adelante a la prole, es común (aunque no siempre) tener pocas crías por camada y el mantenimiento de la descendencia es primordial. Con esta colaboración se consigue, por lo tanto, que haya más crías que lleguen a adultas. La estrategia contraria, la de tener un mayor número de descendientes del mayor número de parejas posible, se basa en "saturar" el nicho ecológico con la propia progenie, de forma que exista una probabilidad bastante alta de que al menos uno de los descendientes salga adelante. Vamos a ver esto con nuestros topillos, M. orchogaster y M. montanus.

Aunque íntimamente emparentadas, M. ochrogaster tiene una progenie media de 3 individuos por camada, mientras que M. montanus alcanza una media de 6 individuos por camada, llegando incluso a 8. En el caso de M. ochrogaster, que presenta emparejamiento monógamo, este tipo de emparejamiento conlleva la cooperanción parental en la cría y mantenimiento de la prole, de forma que entre los dos individuos son más capaces de sacar adelante dos o incluso las 3 crías. En el caso de M. montanus, el mayor número de crías hace innecesaria la crianza compartida, ya que este mayor número ya garantiza una supervivencia similar de la prole.

A modo de cierre

Este resumen no pretende pontificar acerca del amor, el enamoramiento, el emparejamiento o como queráis llamarlo. Sólo pretende arrojar un poquito de luz acerca de la bioquímica cerebral y el origen evolutivo del amor. Evidentemente, el componente psicológico está ausente aquí, porque no es tampoco el objetivo de este post. Por otro lado, los neurobiólogos nos hemos unido a esta búsqueda bastante recientemente y los estudios de imagen por resonancia magnética funcional son bastante escasos además de arrojar resultados contradictorios. Los estudios bioquímicos podrían ayudarnos un poquito más, y nos ofrecen resultados bastante más fiables y reproducibles, que nos ayudan a entender qué sistemas de señalización se activan, se inhiben e interactúan en nuestro cerebro. Sí, se han hecho en topillos y su escalado a humanos es bastante cuestionable, pero ya nos puede guiar en la dilucidación de la neuroquímica del amor. 

Por supuesto, todo lo expuesto aquí está basado en la evidencia recogida, en los artículos publicados y en lo que la ciencia ha demostrado acerca del amor. No pretende ser, en ningún caso, justificación suficiente de un comportamiento u otro ni de discriminaciones hacia un lado u otro. Es, simplemente, una recopilación de evidencias, una demostración de que el amor tiene una base bioquímica y todo lo demás son añadidos de la Disney, condicionamientos culturales e idealizaciones que poco o nada tienen que ver con lo aquí expuesto.

Todo mi agradecimiento para @VaryIngweion por su paciencia con este artículo, que debería haber salido mucho, mucho antes. Espero que el resultado recompense su infinita paciencia. Muchas gracias por confiar en mí para escribirlo y publicarlo.

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