¡Comportate! - Los comienzos de la genética del comportamiento
Mencionamos antes que variantes o cambios a nivel de la secuencia de ADN pueden llevar a diferencias en características físicas observables de los seres vivos, como ser el color de las flores en las variedades de plantas de guisantes de Mendel o el color de ojo de las moscas de Morgan (prontamente vamos a explorar la naturaleza, el origen y el significado de estas mutaciones).
Por otra parte, el estudio de la herencia de características físicas llevó al cuestionamiento sobre la herencia de características que no son físicas.
¿Pueden características del comportamiento ser transmitidas a través de las generaciones? ¿Son los comportamientos en sí hereditarios? ¿Puede la información que se encuentra en el ADN afectar características que no son físicas? En otras palabras, ¿contiene el ADN información sobre los comportamientos? Y en última medida, ¿son los genes responsables de los comportamientos?
En éste y en el próximo post exploraremos la historia detrás del estudio de la relación entre genes y comportamientos y daremos ejemplos de descubrimientos biológicos en las moscas.
Pero primero, ¿a qué nos referimos cuando decimos comportamiento?
¿Qué es el comportamiento? ¿Qué es un comportamiento? En biología definimos comportamiento como las respuestas de un ser vivo a un estímulo proveniente de dentro del organismo, como la sensación de hambre o el deseo de copular, o proveniente del ambiente, como un olor, calor, o mismo la gravedad.
La respuesta al estímulo puede ser una acción propiamente dicha o incluso la falta de acción, la indiferencia. Cuando hablamos de un comportamiento, estamos hablando de la reacción a un estímulo específico, como por ejemplo el comportamiento fototáxico es el movimiento en respuesta a la luz.
PRIMERAS OBSERVACIONES DE COMPORTAMIENTOS EN MOSCAS
La gente que estudia las moscas (los moscólogos, con cariño) pasamos mucho tiempo observándolas, viendo cómo interactúan entre sí. Y es así que naturalmente los primeros investigadores de Drosophila comenzaron a notar que las moscas tenían sus propios comportamientos particulares.
El primer laboratorio que trabajó con moscas de Drosophila fue el laboratorio de William E Castle. En su laboratorio fueron los primeros en comenzar a estudiar la genética mendeliana en animales. Trabajaban con ratas y ratones, pero pronto comenzaron a interesarse en las moscas porque eran fáciles de criar y óptimas para hacer los experimentos de selección en los que estaban interesados.
En el laboratorio de Castle, observaron que las moscas tienen un comportamiento fototáctico positivo, es decir, que las moscas se mueven hacia fuentes de luz. También vieron que tienen un comportamiento geotáctico negativo, es decir que se mueven contra la gravedad, tienden a caminar hacia arriba cuando están en tubos. No sólo eso sino que también observaron que las moscas tenían respuestas mecanosensoriales, lo que significa que pueden sentir estimulación mecánica y responder a ellas (se mueven cuando son tocadas, básicamente). Más aún, en su laboratorio estudiaron el sentido del olfato y demostraron que a las moscas les gustan los olores de ciertos químicos (vinagre y alcohol, por ejemplo) y que utilizan principalmente el olfato para encontrar su alimento (hoy en día sabemos mucho más sobre esto y algún día hablaremos sobre estos temas).
Los trabajos del laboratorio de Castle describieron comportamientos estereotipados importantes, sentando las bases para, en el futuro, poder estudiarlos en detalle. Sin embargo, se enfocaron en estudiar moscas normales, sin analizar variantes genéticas o mutantes. Eso cambió en el laboratorio de T. H. Morgan, donde A. H. Sturtevant observó detalles del comportamiento de cortejo de las moscas. Vio que los machos atraen a las hembras moviendo sus alas (lo que se conoce como la canción de amor del macho) y que varios sentidos, además de la visión, están involucrados en los rituales de apareamiento. Usó mutantes especiales que tenían sexos mixtos para probar cómo la atracción influye en el apareamiento, y demostró que las características sexuales externas (tener órganos sexuales femeninos o masculinos) eran independientes del comportamiento de cortejo (¡una mosca con órganos sexuales femeninos puede comportarse como un macho!).
Estos primeros experimentos demostraron que era posible estudiar comportamiento en moscas utilizando protocolos comportamentales repetibles y así obtener mediciones basadas en comportamientos estereotipados de las moscas (lo que hoy en día es conocido como paradigmas comportamentales). Más interesante aún, estos trabajos evidenciaron que algunas mutaciones podrían afectar el comportamiento, insinuando que los comportamientos tenían un componente genético.
Pero estaban trabajando a ciegas. Todavía no sabían qué genes se utilizaban o cómo funcionaban. ¿Cómo se relacionan la genética y el comportamiento? ¿Cuáles son los mecanismos que los vinculan? Esas preguntas quedaron para más adelante en la historia.
Por esa misma época, a comienzos del siglo XX, experimentos realizados en ratas y ratones indicaron que las características de los comportamientos (como la capacidad para atravesar un laberinto) no eran simples y no se ajustaban a las simples leyes de herencia mendelianas. Vieron que existe una relación entre los rasgos de comportamiento y la genética, pero esta relación es compleja.
Caracteres complejos variables - los tiempos oscuros de la eugenesia
Los finales del siglo XIX y principios del XX vivieron una revolución en la Biología con la publicación de las obras de Darwin y de Mendel y la demostración de la evolución y los mecanismos de la herencia. Estos nuevos desarrollos permitieron nuevas preguntas y abrieron nuevos caminos para experimentos y descubrimientos. Por otro lado, muchos utilizaron estas nuevas ideas para justificar e impulsar viejos prejuicios hacia otros seres humanos, pretendiendo basarlos en la ciencia, finalmente llevando a tiempos muy oscuros para la humanidad.
A finales del siglo XIX Francis Galton, un primo de Charles Darwin muy prolífico e intelectualmente inquieto, se interesó por la herencia de los rasgos del comportamiento en los seres humanos. La publicación de El origen de las especies y la explicación de la evolución de Darwin tuvieron un gran impacto en él y lo llevaron a preocuparse por el mejoramiento de la humanidad (el tipo británico de la humanidad, más precisamente) y la propuesta de la selección de los “mejores” individuos para la procreación. Llamó a esta asignatura eugenesia (que significa bien nacido).
Por supuesto, para determinar qué individuos eran los mejores, las características deseadas tendrían que medirse y cuantificarse. Galton desarrolló métodos para medir y cuantificar los rasgos y, lo más importante, métodos para analizar los datos generados (desarrolló métodos estadísticos muy importantes como el análisis de correlaciones y la medición de la variabilidad a través de la desviación estándar).
Cabe destacar que la mayoría de los científicos estudiando genética y herencia no concordaban con las ideas de la eugenesia. Prácticamente ninguna evidencia científica apoyaba las ideas de los eugenistas, y muchos como Morgan incluso aportaban evidencias en contra de la posibilidad de adscribir rasgos complejos de variables humanas a factores mendelianos individuales. La realidad es que los partidarios de la eugenesia eran fanáticos que interpretaban los datos de forma que se adaptaran a su visión intolerante del mundo y utilizaban el nombre de ciencia para justificar el maltrato a otros seres humanos.
La eugenesia se convirtió en movimientos políticos en muchos países. Sus defensores fueron muy vocales, mientras que los científicos más serios y críticos tendían a ver la participación en la política como algo por debajo de ellos y no luchaban contra la eugenesia en el ámbito político.
Se podría argumentar que, dado que en ese momento las ciencias sociales como la psicología y la sociología no estaban establecidas como lo están hoy en día, las herramientas conceptuales para luchar contra los eugenistas todavía no existían. Pero la ciencia estaba siendo distorsionada y utilizada para justificar el sufrimiento de los seres humanos basado en el prejuicio. La eugenesia alimentó políticas anti-inmigratorias, segregación de personas según las categorías de características físicas o sociales percibidas (denominadas “razas”) y programas estatales relacionados con el cuidado natal, el manejo de personas con enfermedades mentales y las leyes matrimoniales. Esto llevó directamente al genocidio en la Alemania nazi.
Volviendo al tema de la cuantificación de las características, fue más tarde que RA Fisher, JBS Haldane y SG Wright (curiosamente, Fisher era un eugenista y Haldane un ferviente oponente), algunos de los científicos más importantes del siglo 20, desarrollaron las herramientas para mejorar el análisis de la genética de caracteres variables complejos. Combinaron el análisis estadístico con las leyes mendelianas de herencia y la evolución darwiniana (evolución a través de la selección; su trabajo permitió poner números a las propuestas de Darwin y cuantificar la evolución mientras ocurre). Su trabajo permitió analizar cómo se distribuyen las proporciones de las variantes genéticas en las poblaciones a través del tiempo, y cómo las características que varían continuamente se pueden seguir a través de generaciones (por ejemplo, altura o peso, a diferencia de rasgos como el color de la flor de Mendel que tienen estados discretos: púrpura o blanco). Su trabajo sentó las bases de las estadísticas modernas.
Galton y algunos de los otros eugenistas eran científicos brillantes, pero deben ser siempre eclipsados por el recuerdo del sufrimiento producido por sus interpretaciones e ideas. Con esto en mente, podemos evaluar su contribución al tema de la genética del comportamiento condenando su visión prejuiciosa del mundo. Ellos incitaron el interés en la herencia del comportamiento y establecieron un enfoque sistemático y metódico del tema, tomando medidas y desarrollando las técnicas para analizar datos complejos. El posterior desarrollo del análisis de estos datos complejos fue revolucionario para la biología y muchas otras ciencias.
(En un tema menos serio, Galton también desarrolló la manera científica de cortar un pastel).
Comportamientos y experimentos de selección
El movimiento de la eugenesia perdió fuerza después de que las ciencias sociales, la psicología y el conductivismo surgieron y se popularizaron. Los conductivistas propusieron que la genética y el estado interno de los individuos eran irrelevantes para el comportamiento y que los comportamientos provenían exclusivamente de la influencia del entorno y la experiencia. Además, los resultados de la implementación de la eugenesia nazi en Alemania durante los años 30, que condujeron al genocidio y la guerra, mostraron cuán mala podría llegar a ser la idea (algo que deberíamos recordar constantemente).
En este contexto, en los años 50 y 60 Jerry Hirsch, un psicólogo comenzó experimentos en moscas Drosophila. Trabajó con Tolman y Tryon (los que habían estudiado las ratas en laberintos en los años 20). Más tarde fue discípulo de Theodosius Dobzhansky, un biólogo evolutivo que se convertiría luego en uno de los fundadores de lo que se llama la síntesis moderna de la evolución, un análisis que combina genética mendeliana, evolución darwiniana y matemáticas desarrolladas para el análisis de la variación para explicar cómo funciona la evolución (sería interesante hacer una publicación futura sobre estos temas, donde la biología se mezcla con la filosofía). Así, Hirsch tenía experiencia en psicología y pensamiento evolutivo.
Hirsch ideó un método para descubrir cómo los genes afectaban el comportamiento. Con el fin de encontrar porciones de cromosomas que estuvieran involucrados en la determinación de comportamientos, hizo como sus mentores y realizó experimentos de selección. En este tipo de experimentos, se analiza un grupo de individuos en un comportamiento, por ejemplo, la geotaxis. Se diseña el experimento de manera de separar de entre todas las moscas las que mejor se desempeñan y las que peor lo hacen. Luego de separarlas, se cruzan por separado para obtener una nueva generación de las mejores y de las peores. Si el comportamiento está determinado genéticamente, se esperaría que la próxima generación se comporte como los padres. El mismo procedimiento se repite por varias generaciones, seleccionando las mejores de las mejores y las peores de las peores.
Para esto Hirsch construyó un dispositivo similar a un laberinto que clasificaría las moscas de acuerdo con su desplazamiento hacia arriba, en contra de la gravedad (geotaxis negativa). El dispositivo tenía pasajes que se bifurcan hacia arriba o hacia abajo a intervalos regulares. Las moscas avanzan y al llegar a las bifurcaciones tendrían que elegir subir o bajar esos pasajes. Las moscas que llegaran hasta el punto más alto del final serían las de mejor desempeño (siempre suben), mientras que las que llegaran al punto más bajo serían las de peor desempeño (siempre bajan).
Así, con estos experimentos de selección, Hirsch generó estirpes de moscas que se comportaban de una manera particular en geotaxis. Luego, a través de cruzas genéticas, aisló los diferentes cromosomas y porciones de cromosomas y analizó cuáles contribuían más al rendimiento en el comportamiento. Sus experimentos corrieron por cientos de generaciones. Hirsch demostró que había muchas partes de los cromosomas que estaban involucrados en determinar y modular los comportamientos. Muchos otros utilizaron el mismo enfoque para probar comportamientos aún más complejos, como el condicionamiento y la memoria.
Este tipo de análisis unió las ideas del determinismo genético del comportamiento con las complejidades de la variabilidad del comportamiento. Mostraron que hay un componente genético del comportamiento que puede ser identificado, pero los comportamientos son variables dentro de una población de individuos. Más importante aún, esto le dio un contexto evolutivo al estudio del comportamiento. Las poblaciones pueden tener un comportamiento promedio, pero dentro de las poblaciones hay variabilidad, y los individuos pueden tener una amplia gama de rangos de comportamiento. Y esta variabilidad intrapoblacional es esencial para la adaptación de la población a entornos cambiantes.
Estos estudios subrayaron cómo los comportamientos están determinados por muchos genes que interactúan de formas complejas.
Es importante tener en cuenta que hasta este momento de la historia, la naturaleza del gen y su funcionamiento aún era desconocida o se estaba descubriendo. Los mecanismos específicos para el control genético de los comportamientos (o el control genético de cualquier otra cosa) ni siquiera se imaginaban.
Hoy en día tenemos una buena comprensión de los conceptos básicos de la función de los genes (y constantemente se descubren nuevos detalles). Hemos hablado de los aspectos más básicos.
En la época de los estudios de Hirsch, la identificación de genes no era posible. Ahora tenemos una secuencia estándar completa del genoma de Drosophila y conocemos la secuencia y la posición de cada gen en el genoma (o la mayoría de ellos).
Cuando identificamos una sección del genoma que está relacionada con los comportamientos, sabemos qué genes se encuentran en esa región y podemos comenzar un análisis más individualizado (por ejemplo, utilizando algunas de las técnicas de transgénesis o sistemas de expresión de genes).
El tipo de estudio de selección que hizo Hirsch, se continúa haciendo hoy en día, pero ahora acoplado con técnicas más modernas. Para saber qué partes del genoma (partes que pueden contener genes) están relacionadas con las características de comportamiento seleccionadas (por ejemplo, mejor o peor desempeño de geotaxis), se pueden usar secuencias variables aleatorias del genoma como marcadores y seguirlas durante la generación utilizando técnicas de biología molecular. De este modo, se puede lograr una mejor resolución y se pueden determinar regiones más definidas.
Comprender la función de los genes es entender cómo funcionan los productos de los genes, las proteínas y el ARN, cuándo y dónde se producen, cómo se regula y controla su producción, cómo interactúan con otras proteínas, ARN y sustancias químicas en la célula, qué efectos producen en la célula y cómo influyen en la función celular y en la interacción entre células y órganos. Y en el caso del comportamiento, cómo todo eso se desencadena por la percepción (un estímulo) por un lado y cómo se traduce en movimiento (una respuesta) por el otro.
En el próximo post continuaremos con este tema, y entraremos en el origen de la neurogenética y el descubrimiento de genes individuales que afectan los comportamientos
Interesting References
Base la mayor parte del texto en un review/relato de Ralph J. Greenspan (Current Biology, 2007, vol 18(5) R194-R198) y en un review más técnico (J. Neurogenetics, 2003, vol. 17 pp241–270). También use un review de Tim Tully (PNAS, 1996, vol. 93, pp13460–13467
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