Notas sobre el origen de la diversidad biológica


Elena Pérez-Urria Carril

Facultad de Biología, Universidad Complutense de Madrid


Hablar de diversidad biológica supone contemplar la variabilidad de la vida sobre la tierra, variabilidad que se manifiesta en la variedad de biomoléculas, especies, poblaciones, comunidades, ecosistemas y paisajes que se pueden observar. Su origen es doble: de una parte, la evolución biológica que genera diferentes formas de vida; de otra, la adaptación de éstas a las características del ambiente. Se configura así un proceso en el que las características de los organismos en un momento dado responden, en mayor o menor medida, a su historia evolutiva (relaciones filogenéticas) y a su adaptación al ambiente del momento.

Si la biología es la ciencia que estudia las formas de vida que existen y han existido, hablamos entonces del estudio de la diversidad biológica, siendo la diversidad de especies un caso particular de esta biodiversidad. De acuerdo con la mayoría de la comunidad científica, la diversidad biológica se genera por especiación y la especie es, en consecuencia, la única categoría taxonómica «natural», es decir, existe como ente diferenciado en el mundo real, a diferencia de los taxones de orden superior cuya objetividad puede cuestionarse. Pero la diversidad también se extiende por debajo del nivel de especie: en una misma especie existen poblaciones genéticamente diferenciadas e incluso dentro de ellas, cuando hay reproducción sexual, cada individuo es distinto de los otros porque posee una identidad genética única y característica. Es el componente genético de la diversidad biológica. Hechas estas apreciaciones, recordemos que la diversidad de especies se estructura en tres grupos del mayor rango taxonómico (dominios): Archaea (arquebacterias), Bacteria (eubacterias) y Eukarya (eucariontes).

Pero la biología se dedica también al estudio de los procesos vitales que sustentan las diversas formas de vida, lo cual nos lleva a considerar el concepto de «sistemas complejos» para definir las entidades vivas en tanto en cuanto están formadas por entidades menores (también complejas en sí mismas) de cuya organización e interacción dependen las propiedades de la vida. Esta complejidad se manifiesta en todos los niveles de la jerarquía biológica desde las moléculas hasta los ecosistemas: una molécula está formada por átomos que interactúan, la célula lo está por moléculas que se regulan e integran, un organismo pluricelular está formado por células que se organizan y diferencian en tejidos y órganos, un ecosistema por varias poblaciones de especies que se relacionan entre sí y con el entorno. Esos niveles de integración, de información y de complejidad, constituyen la jerarquía biológica que no debe confundirse con la jerarquía taxonómica. Esta última, la taxonomía, muestra el ordenamiento de las especies en grupos (taxones) que representan niveles sucesivos de parentesco entre estirpes: género, familia, orden, clase, filum o división, reino y dominio o imperio. Estos grupos son el producto de la evolución biológica.

Es importante considerar en este punto que podemos, y debemos, establecer un sistema taxonómico para los genes, las proteínas y otras moléculas que refleje sus relaciones de parentesco, es decir, sus relaciones evolutivas.

En términos generales, puede decirse que la ciencia es una actividad que pretende explicar los fenómenos del entorno, estableciendo leyes generales del funcionamiento de la materia. Son las leyes de la termodinámica para la materia y la energía, desde el átomo en adelante. Como la biosfera es un «subconjunto» del universo, sus principios generales (que cumplen desde las moléculas hasta el ecosistema) establecen leyes particulares para la materia viva, que son las leyes de la evolución.

Por otra parte, hablar de métodos en biología nos lleva a distinguir entre biología funcional o fundamental y biología sistemática, histórica, comparada o evolutiva, el objeto de estudio y los métodos que siguen:

En todo caso, es preciso considerar que en cada nivel de la jerarquía biológica caben preguntas sobre qué, cómo y por qué, teniendo en cuenta las propiedades emergentes que caracterizan cada nivel las cuales no se deducen de las propiedades de los niveles inferiores.

Son varias las tareas de la biología sistemática: muestreo y recolección, descripción y denominación, enumeración e identificación mediante la elaboración de catálogos y claves, a todos los niveles, es decir, biomoléculas, genes, células, organismos, ecosistemas..., y resaltaremos el hecho de que la biología descriptiva es parte necesaria de todas las ciencias biológicas: zoología, botánica, microbiología, bioquímica, genómica, descriptiva de ecosistemas, etc.

Pero existe una tarea, ciertamente ambiciosa, que va más allá del nivel descriptivo y busca reconstruir la historia evolutiva, las relaciones filogenéticas o, dicho de otro modo, determinar el parentesco entre estirpes. Y en función de esas relaciones filogenéticas se pretende establecer un sistema de referencia de la diversidad biológica que llamamos clasificación. ¿Por qué clasificar la diversidad biológica?. La respuesta es simple: por comodidad, ya que sólo un «almacén» ordenado de tan voluminoso número de genes, proteínas, células, organismos o ecosistemas (y de todos los datos conocidos sobre ellos) permitirá recuperar y usar la información acumulada.

¿Con qué reconstruimos la historia de un organismo?, ¿qué datos podemos utilizar para la tarea de reconstrucción?, ¿cómo se hace la reconstrucción?. Los datos de los que disponemos son los atributos de los organismos, rasgos o características, de varios tipos (moleculares, bioquímicos, biofísicos, morfológicos, ultraestructurales, anatómicos, etológicos, genéticos, embriológicos, paleontológicos). Por otra parte, la reconstrucción filogenética se realiza básicamente comparando: se comparan los caracteres y, dependiendo de su tipo, se usan unas técnicas u otras (para comparar genes o proteínas, es preciso «leer» sus secuencias y compararlas; otras técnicas requieren de la medida del observador y que éste haga una ordenación de sus observaciones (longitud del fémur, presencia o ausencia de un rasgo, por citar algún ejemplo) sobre la que opera la herramienta (un algoritmo).

En otro orden, y continuando en el ámbito conceptual, podemos mirar hacia atrás en el tiempo para retomar una frase: «la diversidad biológica se ha producido mediante evolución a lo largo del tiempo», lo cual conduce a la cuestión del origen de la vida. Hay dos formas de afrontar esta cuestión: 1) desplazarse en el tiempo hacia atrás, desde la vida actual hasta las formas ancestrales más sencillas; 2) remontarse al periodo de formación de la tierra, hace aproximadamente 4600 millones de años y analizar cómo los elementos y compuestos químicos inertes pudieron organizarse en materia viva. En este recorrido hacia atrás en el tiempo, se han encontrado microorganismos fósiles de al menos 3400 millones de años. Por otra parte, el análisis químico de las rocas más antiguas, sugiere que los organismos fotosintéticos se establecieron en la tierra hace unos 3700 millones de años. Se piensa que aquellos organismos compartieron las mismas características básicas con todas las actuales formas de vida. Todos los organismos vivos contienen su información genética codificada en ADN y contienen proteínas que catalizan reacciones químicas. Como el ADN y las proteínas dependen tan íntimamente uno de otro, es difícil imaginar a uno apareciendo y evolucionando antes que el otro. Sin embargo, no parece posible que emergieran simultáneamente a partir de una sopa prebiótica.

Las formas primeras de vida podrían estar basadas en una tercera molécula actual: el ARN. Si no consideramos nada más que un cuerpo celular, el ARN se vuelve extraordinariamente versátil: no sólo codifica información genética, además actúa como una proteína. Los resultados experimentales sugieren que el ARN pudo autorreplicarse y llevar a cabo funciones para mantener viva una célula primitiva. Esta etapa primigenia de la vida recibe el nombre de «mundo ARN» y dio paso a la naturaleza de hoy, en la que las proteínas son catalizadores muchísimo más eficientes que debieron ser favorecidas por la selección natural tras su aparición, y en la que la información genética se replica a partir del ADN.

Otra cuestión es considerar cómo los elementos químicos inertes de una tierra prebiótica dieron lugar al mundo ARN. La atmósfera entonces estaba formada fundamentalmente de amonio, metano y dióxido de carbono, y en esas condiciones se formaron los elementos básicos de la vida. Pero ¿en qué lugar de la tierra? Muchos científicos argumentan que surgió en las fuentes termales de las profundidades marinas, aguas muy ricas en minerales. A esta idea se suman los estudios filogenéticos que sugieren que las especies más primitivas de microorganismos viven en la actualidad en fuentes termales. Sin embargo, los estudios recientes parecen demostrar que los microorganismos termófilos no son «fósiles vivos», sino que pudieron proceder de otros menos extremófilos que desarrollaron defensas frente al calor. También hay que preguntarse cómo el ARN sobrevivió a esas temperaturas extremas.

En la actualidad, la genómica comparada, biología sistemática como decíamos anteriormente, es indispensable para el estudio y comprensión de la evolución celular primigenia, pero no puede aplicarse a acontecimientos anteriores a la evolución de la síntesis de proteínas. Las tres principales líneas celulares comparten procesos moleculares básicos con pequeñas diferencias. Pero todos los organismos vivos comparten el mismo código genético y el mismo mecanismo básico de replicación, expresión génica, anabolismo y producción de energía mediada por ATPasa de membrana. Se trata de procesos moleculares universales que constituyen la evidencia directa del origen monofilético (procedencia de la misma entidad viva ancestral) de todas las formas de vida conocidas. Por otra parte, las variaciones o sus diferencias pueden explicarse como la consecuencia de un proceso de divergencia a partir de una forma de vida ancestral, fuente y origen de todos los organismos, es decir, de la diversidad biológica.