La métrica más comúnmente utilizada para la complejidad de un organismo parece ser la cantidad de tipos de células presentes en ese organismo. Sin embargo, este puede no ser el mejor parámetro para abordar la complejidad, y aquí voy a discutir por qué.
¿Cómo defines “complejidad”?
No hay una sola forma de definir matemáticamente la “complejidad biológica”. Diferentes parámetros dan resultados diferentes, y si bien todos pueden mostrar una tendencia general en una escala mayor, parece que no hay un patrón definido.
Las métricas más intuitivas para asignar números a la complejidad biológica parecen estar basadas en el número de tipos de células , tamaño genómico , número de genes (nótese que estos dos son intrínsecamente diferentes) y tamaño proteómico . En general, estas son buenas indicaciones de complejidad, pero el problema es que a menudo no se correlacionan entre sí.
Aquí hay un ejemplo del número promedio de tipos de células en varios organismos trazados contra el número de genes predichos. Como puede ver, no hay realmente una tendencia común.
Figura 1. Promedio de tipos de células y genes pronosticados en varios organismos [1].
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A continuación, se predijo el tamaño del proteoma trazado frente al número de tipos de células. No hay una tendencia universal aquí tampoco.
Figura 2 . Tamaño del proteoma predicho trazado frente a la complejidad biológica medida por el número de tipos de células. Los colores son: plantas (verde) y eucariotas sin plantas (rojo y azul) [2].
Pros y contras de estos enfoques:
Cualquier persona con incluso un fondo básico de biología molecular o genética sabría que no hay un solo nivel de regulación que determine cómo funciona un organismo. No hay un solo gen para el tamaño del organismo. O para la inteligencia. O por el color de ojos. O para tu vejiga débil.
La mayoría de los organismos superiores se desarrollan por medio de cascadas de vías de señalización increíblemente complejas que a menudo abarcan miles de células y que pueden durar toda la vida. Existen variaciones drásticas en los patrones de expresión génica, la regulación epigenética, las modificaciones proteicas, las vías metabólicas y muchas otras cosas, incluso en el lapso de un solo día dentro de un organismo, y estas difieren enormemente entre diferentes organismos. Simplemente no hay forma de que puedas empacar todos esos datos en un solo gráfico.
Sin embargo, ya que preguntaste cómo se comparan estas diferentes métricas, daré una breve descripción de cada una de ellas.
1) Número de tipos de células:
Una cosa importante para recordar al mirar datos como la cantidad de tipos de células de cientos de organismos, es que estos datos provienen de miles de estudios publicados a lo largo de décadas. Esto significa que cada uno de los autores puede haber aplicado reglas ligeramente diferentes para determinar estos números brutos, lo que, por supuesto, cuestiona si realmente puede comparar datos entre especies. Sin embargo, por el momento supongamos que podemos compararlos (de lo contrario, es imposible lograr algo).
Los números de tipo de celda se pueden tomar como una indicación amplia de complejidad. Por ejemplo, aquí hay un gráfico que indica el número de tipos de celda graficados contra el logaritmo del número total aproximado de células:
Figura 3. Número de tipos de células trazadas contra el registro (número total de células). Las letras indican diferentes phyla [3].
Una pregunta importante que surge de estos datos es por qué la diversidad celular parece ser tan baja entre los organismos superiores. Hay dos posibles respuestas a esta pregunta:
- El primero es el método de recopilación de datos. El número de tipo de célula se determinó en los tipos de morfologías celulares que podrían verse dentro de cada organismo; a medida que crecen, hay un aumento general en la cantidad de celdas dentro de cada categoría, pero no en el número de celda.
- La segunda razón se basa en la primera; con masas de células más grandes que realizan funciones específicas, las células especializadas individuales parecen ser menos importantes. Más bien, tienden a especializarse como una masa.
Si extrapolamos esta tendencia, podemos ver que incluso los organismos inimaginablemente grandes pueden no requerir tantos tipos de células para funcionar de manera eficiente, lo que también plantea la pregunta: ¿basados en el tipo celular solo, los organismos más grandes son necesariamente más complejos?
2) Tamaño del genoma o número de genes
Los datos están en el primero. El tamaño del genoma no tiene nada que ver con lo complejo que es un organismo. Echa un vistazo a esto:
Figura 4. Rangos de tamaño del genoma (en bp) para varias clases de organismos [4].
Por otro lado, el número de genes podría ser una buena medida para evaluar la complejidad, sin embargo, la falla aquí es que necesitamos definir qué constituye exactamente un “gen” [5], o cómo identificarlos a todos [6]. Hasta que lo hagamos, no tiene sentido definir la complejidad del organismo a partir de un conjunto (incompleto) de genes.
3) Tamaño del proteoma
Definir el rango de complejidad de un organismo en función de su composición proteómica es complicado. Determinar el tamaño del proteoma con precisión es difícil; todavía hay muchas, muchas cosas que no sabemos sobre cómo se comportan las proteínas (porque son bastante difíciles de estudiar en masa ). Luego hay limitaciones experimentales: el tamaño del proteoma predicho para un organismo depende en gran medida de la secuenciación a gran escala de muestras de células representativas, sin embargo, es difícil secuenciar las proteínas modificadas (y hay muchas de ellas). En general, esto indica que el tamaño del proteoma para organismos con un mayor grado de regulación postraduccional podría estar subrepresentado.
Sin embargo, hubo un estudio que analizó si la complejidad se podía medir en términos de expansiones de proteínas de la familia, o un aumento en el número de proteínas que pertenecen a familias específicas [1]. Los resultados fueron interesantes; los autores encontraron que las familias de proteínas en particular se expanden junto con el aumento de la complejidad (a juzgar por el número de células), lo que sugiere que estas familias evolucionaron para servir a un mayor rango de funciones.
Figura 5. 194 superfamilias de proteínas con una buena correlación con el número de tipos de células [1].
Sin embargo, también encontraron que la mayoría de las familias no mostraron ninguna correlación con el número de células, aunque las familias de proteínas se expandieron entre clases específicas de organismos.
Figura 6. 555 superfamilias de proteínas con una pobre correlación con el número de tipos de células [1].
Los autores sugirieron que estos dos tipos de expansiones contribuían de manera diferente al tamaño del proteoma:
- “Expansiones conservadoras” que no aumentan el número de células, sino que simplemente aumentan el tamaño del genoma. Por ejemplo, la expansión de los dominios metabólicos en las plantas se correlaciona con un aumento en el número de metabolitos secundarios.
- Las “expansiones progresivas” se correlacionan con un aumento en la complejidad fisiológica, pero estas son una pequeña fracción de todas las superfamilias de proteínas. Estas expansiones probablemente permitieron el aumento en el número de diferentes tipos de células y el número de procesos regulatorios.
Resumen:
La complejidad biológica no es un concepto fácil de cuantificar, por la simple razón de que la evolución no fue un proceso lineal, sino que ocurrió de manera independiente en los millones de especies conocidas en la actualidad. Algunos de ellos desarrollaron características que están completamente ausentes en otros, y tratar de determinar cuáles son más complejas es como comparar manzanas y naranjas, ¡literalmente!
Fuentes y notas al pie:
[1] Expansiones de la familia de proteínas y complejidad biológica
[2] La relación entre el tamaño del proteoma, el desorden estructural y la complejidad del organismo
[3] Tamaño y complejidad entre organismos multicelulares
[4] Tamaño del genoma
[5] ¿Qué es un gen en la biología moderna?
[6] ¿El llamado “ADN basura” es realmente inútil? ¿Qué está haciendo?
