Adaptarse o morir

08/01/2015 0 comentarios
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Uno de los temas que me obsesionan es el cambio climático (antropogénico) y la total inoperancia (por no decir defensa de intereses económicos cortoplacistas) de todos los gobiernos. En esta entrada describo un modelo matemático reciente que muestra que la manera de adaptarse a la variablidad de las condiciones ambientales de los organismos está, a su vez, sujeta a selección, y que dependiendo de la rapidez de los cambios y de la predictibilidad de los parámetros del entorno, predominará una u otra. Lo más interesante, sin embargo, es que cuando se produce la transición entre distintas maneras de adaptarse, ocurren extinciones masivas. Esto no es más que otra llamada de atención (con, probablemente, el mismo éxito que toda la evidencia disponible) sobre el hecho de que el cambio climático puede tener consecuencias catastróficas. 

dodo-550x362.jpgUno de los terrenos donde las matemáticas son fundamentales es en la teoría de la evolución. De hecho, la llamada síntesis evolutiva moderna, que tuvo lugar en los años 20 del siglo pasado, no es más que la integración de las matemáticas (y en particular de la genética de poblaciones) con la evolución. Esa simbiosis se ha mostrado muy fructífera y, si bien, como dice mi colaborador José A. Cuesta, "aún no puede decirse que la Teoría de la Evolución sea una doctrina científica matemáticamente formulada en todos sus detalles, como a Darwin le habría gustado, pero es indudable que cada vez estamos más cerca de ello." En los últimos años, este enfoque matemático está desbordando el terreno de la biología matemática o teórica para abordar preguntas de carácter más ecológico, y en esta tendencia es en la que se enmarca el trabajo que quiero comentar brevemente en este post: "Evolutionary tipping points in the capacity to adapt to environmental change", de Carlos Botero y colaboradores.  

El trabajo presenta un modelo, como siempre, simplificado para poder estudiarlo en detalle, en el que un parámetro, que podríamos interpretar como la temperatura, varía de ciertas maneras, y los organismos, caracterizados a su vez por otro parámetro, que los autores llaman aislamiento, reaccionan a dichas variaciones. En vez de la temperatura podríamos estar hablando de otros factores ambientales como la precipitación o la luz solar, mientras que el aislamiento integra varias maneras de evitar o reducir el stress térmico como pueden ser el recubrimiento de la piel, el sudor, o comportamientos como refugiarse en lugares apropiados. Una vez más por simplicidad, el modelo supone que la temperatura varía cíclicamente con una frecuencia dada (los autores consideran el caso en que a esa evolución se superpone ruido sin encontrar grandes diferencias en los resultados), pero que los individuos de la población reaccionan a unas "pistas" que reciben, y que están más o menos correlacionadas con la temperatura de la siguiente iteración del modelo, permitiendo la predicción perfecta (cuando el parámetro de predictibilidad es 1) o no dando información alguna sobre la temperatura futura (cuando dicho parámetro es 0). 

El estudio considera las distintas formas de adaptación a un entorno cambiante que se han observado en la naturaleza. La primera es la llamada conservative bet-hedging, que consiste en comportarse de manera que se minimice la varianza de la fitness (entendida como medida de adaptación) sobre todos los posibles entornos ambientales. El precio que se paga en esta estrategia es el tener una menor fitness media pero, como si de un fondo de inversión se tratara (la idea es la misma), los organismos intentan que no les vaya mal en ningún escenario. Una variante de esta estrategia es la conocida como diversification bet-hedgingen la que los organismos desarollan varias estrategias que utilizan con ciertas probabilidades dependiendo del escenario. Otra categoría de comportamientos es la plasticidad: los organismos pueden cambiar su fenotipo, es decir, su aspecto y/o comportamiento, por ejemplo, como respuesta a cambios ambientales. Esa plasticidad puede ser reversible, cuando ocurre a lo largo de la vida del individuo, o irreversible, cuando tiene lugar durante el desarrollo en fases tempranas, y siempre tiene un coste. Finalmente, queda la opción conocida como adaptive tracking (para la que no he encontrado una buena referencia que enlazar), y que consiste en que determinadas características evolucionan de manera correlacionada (por ejemplo, hay individuos pequeños y peludos o grandes y sin pelo, pero no pequeños y sin pelo o grandes y peludos) debido a que la selección natural lleva a ciertos fenotipos y no a otros. Lo interesante del estudio que estamos comentando es que está diseñado de manera que los individuos de las simulaciones pueden utilizar una u otra estrategia (y prosperar o desaparecer como consecuencia). 

 

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Figura 1. Estrategia de respuesta seleccionada en función de los parámetros del modelo, tasa de variación (eje horizontal) y predictibilidad (eje vertical). 

El tipo de estrategia de respuesta a la variabilidad ambiental seleccionada depende de los parámetros de predictibilidad y de la tasa de variación, que mencionamos más arriba. La figura 1 recoge los resultados obtenidos por Botero et al. en simulaciones de 100 poblaciones durante 50 000 generaciones cada una (el lector interesado puede recurrir a la publicación original para los detalles, que aquí no son realmente necesarios). Como vemos, cuando la tasa de variación es baja (parte derecha del gráfico), la mejor manera de reaccionar es adaptive tracking, dado que las mutaciones que aparecen y son beneficiosas tienen tiempo de fijarse en la población antes de que cambien las condiciones ambientales. Sin embargo, al aumentar la tasa de cambio de la temperatura (a la izquierda), encontramos que el comportamiento depende de la predictibilidad: Si la evolución ambiental es bastante predecible (parte superior del gráfico), los organismos reaccionan mediante plasticidad, reajustando sus fenotipos (reversible o irreversiblemente) al entorno. Por el contrario, si la incertidumbre es elevada, no les queda otra que intentar cubrirse las espaldas en cualquier ambiente posible, conduciendo a la selección de respuestas tipo bet-hedging. 

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Figura 2. Tasas de extinción al pasar de unos valores de los parámetros a los vecinos, en función de los parámetros del modelo, tasa de variación (eje horizontal) y predictibilidad (eje vertical).

Si bien el resultado de qué estrategia de respuesta se selecciona es interesante, no deja de tener cierta lógica, y el resultado no se puede considerar muy sorprendente (pero por otra parte es la primera vez que se abordan todas las opciones a la vez en un estudio, e incluso los resultados no sorprendentes hay que demostrarlos). Lo que me ha llamado la atención, y me ha motivado a traer este trabajo aquí, es que los autores estudian qué ocurre cuando en una simulación se hace variar los parámetros del modelo durante la vida de la población. Es decir, se empieza en unos valores de predictibilidad y tasa de cambio y a medida que la población evoluciona esos valores cambian aproximándose a otros vecinos en el gráfico. Como se ve en la figura 2 (zonas rojas), en la frontera entre las zonas en que predomina una manera de responder al ambiente u otra ocurren muy frecuentemente extinciones, es decir, la población no logra reproducirse y desaparece por completo, como si en esas fronteras no hubiera ninguna manera buena de reaccionar a los cambios.  

Partiendo como siempre de que esto es un modelo muy simplificado, el resultado es provocador. Mucha de la gente que niega el cambio climático, o que éste sea antropogénico, e incluso algunos de los que lo aceptan, creen que siempre nos podremos adaptar a las nuevas condiciones. Las simulaciones presentadas en este artículo muestran que, si bien podría ser posible encontrar maneras de responder a los cambios en muchas condiciones, cuando los parámetros que controlan los cambios varían (por ejemplo, por acelerarse el ritmo de subida de temperaturas, o por aumentar la varianza de sus valores) la dinámica evolutiva podría ser tal que no encontráramos manera de adaptarnos y nos extinguieramos. Para profundizar en esta idea, recomiendo al lector que consulte el material suplementario del artículo, donde los autores hacen una breve discusión de los resultados en el contexto del cambio climático. Una puntualización interesante que se puede encontrar allí es que la tasa de variación es relativa a la vida de los individuos de la especie, por lo que nosotros, que vivimos decenas de años, y organismos de vida anual o diaria, podemos estar en zonas distintas del diagrama. Eso puede conducir a que no nos extingamos nosotros, pero sí otras especies de las que dependemos, como los insectos polinizadores, de vida más corta, y el resultado final sería el mismo. 

Por si no lo he repetido suficientemente, insisto: esto es un modelo muy simplificado y carece de ningún poder predictivo sobre el ecosistema global, que es harto más complejo. Aún así, el sistema simulado es lo suficientemente complejo como para dar lugar a un patrón de extinciones en función de los parámetros nada trivial, que ilustra lo que puede ocurrir en la vida real. Y "puede ocurrir" no quiere decir "ocurrirá", pero, a mí al menos, y espero que a usted también, amigo lector (y me temo que no a los políticos) me causa cierto "miedito". Es necesario hacer algo en serio ya para luchar contra el cambio climático, venga de dónde venga. Lo aconsejan las matemáticas, que son gente que no vive en el corto plazo sino que tienen vocación de permanencia