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El reloj biológico

La Real Academia de Ciencias de Suecia acaba de conceder el Premio Nobel en Fisiología o Medicina 2017 a los investigadores Jeffrey Hall y Michael Rosbash (Universidad de Waltham, Massachusetts), que comparten la distinción con Michel Young (Universidad de Rockefeller, Nueva York). Durante muchos años, los tres científicos han intentado descifrar los ritmos fisiológicos diarios (circadianos) de los seres vivos ¿Qué genes y proteínas están detrás de este proceso biológico?

Los tres premiados con el nobel de fisiología o medicina, Drs. Hall, Rosbash y Young.

 

En los inicios de los años 1980s, los tres investigadores consiguieron aislar un gen en las moscas de la fruta, al que denominaron period . Ese gen codificaba para una proteína (PER), que se acumulaba durante la noche y provocaba determinados efectos durante el día hasta su agotamiento. Ese ciclo diario es común en todos los organismos multicelulares. Los seres humanos, por supuesto, también tenemos un reloj molecular, que funciona estupendamente hasta que nos empeñamos en trastocar el mecanismo fisiológico con nuestros hábitos propios de lo que denominamos civilización. Es entonces cuando surgen problemas patológicos serios, incluyendo el insomnio. Los nuevos premiados por Real Academia de Ciencias de Suecia han terminado por desentrañar el funcionamiento de este reloj biológico, que tanto nos ha intrigado durante años.

 

La noticia de este premio me ha traído a la memoria un tema de crucial importancia para el estudio de la biología de nuestros ancestros. En 1985, mis colegas y buenos amigos Timothy Bromage y Christopher Dean publicaron un artículo en la revista Nature, donde proponían un cambio en el paradigma sobre el crecimiento y el desarrollo de los homininos. Hasta entonces, y merced a una tesis doctoral realizada en la Universidad de Pensilvania (EEUU), se pensaba que todos los homininos conocidos hasta entonces compartían con nosotros el mismo tiempo de crecimiento (unos 18 años) y un modelo complejo de desarrollo (incluyendo los períodos de niñez y adolescencia). Bromage y Dean estudiaron el resultado del crecimiento circadiano del esmalte de los dientes en varias especies de homininos y sus conclusiones cambiaron para siempre la forma de entender la biología de nuestros ancestros.

 

Los ameloblastos son células especializadas en la formación del esmalte, la sustancia más dura de nuestro organismo. Durante parte de las 24 horas de un día, estas células segregan amelogenina, una proteína que regula el crecimiento de los cristales de hidroxiapatita que forman la corona de esmalte. El funcionamiento circadiano de los ameloblastos deja pequeñas señales en el esmalte (estrías transversales), que se pueden ver con microscopios especiales a unos 20-30 aumentos. Timothy Bromage diseñó uno de estos equipos, que ahora utiliza nuestro Grupo de Antropología Dental. Bromage y Dean confirmaron que aproximadamente cada siete días el proceso de formación de amelogenina se detiene. Ese “paro biológico” es suficientemente largo como para dejar su huella en el esmalte. Estas huellas ya fueron observadas por el científico sueco Anders Retzius en el siglo XIX, pero, a pesar del tiempo transcurrido, queda por averiguar la razón de ese breve descanso en la formación del esmalte.

 

Más de treinta años después de aquel artículo publicado por Bromage y Dean, ya se sabe que el paro biológico de los ritmos circadianos en la formación del esmalte es variable, tanto en las especies fósiles como en Homo sapiens. Nuestro crecimiento se detiene, en promedio, cada ocho o nueve días. Pero los dos científicos demostraron que en las especies de Australopithecus y en Homo habilis el número de ameloblastos que trabajan al mismo tiempo es mayor y los descansos son en cambio menos frecuentes que en Homo sapiens. Como consecuencia, las coronas de los dientes de aquellos homininos se formaban muy deprisa en relación a lo que sucede en los humanos actuales. Puesto que existe una relación en la formación de los dientes y la formación del resto del cuerpo, la conclusión inevitable es que las especies de homininos del Plioceno llegaban a la vida adulta mucho antes de lo que lo hacemos nosotros. Los australopitecinos caminaban erguidos, como nosotros, pero su tiempo de crecimiento y su modelo de desarrollo era muy similar al de los chimpancés. Desde entonces, averiguar cómo y cuándo hemos llegado a tener un desarrollo tan largo y complejo como el que tenemos en la actualidad es todavía una asignatura pendiente.

 

José María Bermúdez de Castro

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La penúltima extinción

Coincidiendo con la proliferación de Homo sapiens en el hemisferio norte durante la segunda mitad de Pleistoceno Superior y los inicios del Holoceno, se produce una abrupta desaparición de mamíferos, que forman parte de la llamada “megafauna”. Hace unos 40.000 años nuestra especie inició su expansión por toda Europa, consiguió colonizar el norte de Eurasia y penetró por Beringia hacia el continente americano. La conquista de estos territorios durante las glaciaciones de Pleistoceno Superior, incluida la última época gélida ocurrida a finales del este período y los dos primeros milenios del Holoceno, solo pudo producirse gracias a la grasa y la carne proporcionada por la caza de grandes mamíferos. Rinocerontes lanudos, mamuts, grandes ciervos, caballos y otros mamíferos fueron depredados por las antiguas poblaciones de nuestra especie. Así lo demuestran las excavaciones en todos los yacimientos de esta época. Los expertos se preguntan si fue esta la causa de la extinción de estos animales, algunos de cuyos descendientes se recuperan en lugares protegidos de Europa.

Esta hipótesis tiene defensores y detractores, como sucede con todas las propuestas científicas ¿Hasta qué punto una población humana de cazadores del Pleistoceno es capaz de exterminar una especie? Ningún depredador conocido extingue las especies que forman parte de su dieta, porque su propia supervivencia depende de ellas. El escenario que proponen la extinción de la megafauna del hemisferio norte por nuestra especie asume una notable densidad demográfica de las poblaciones de Homo sapiens. Sin este presupuesto, los predadores humanos habrían mantenido un equilibrio con sus presas. Pero el notable incremento demográfico de nuestra especie comenzó mucho más tarde, durante el Neolítico, con la dedicación de amplios territorios al desarrollo agrícola.Para entonces, la extinción de los grandes mamíferos, como los rinocerontes lanudos, bueyes almizlcleros, mamuts, bisontes esteparios, caballos salvajes o los grandes renos de aquella época, ya se había consumado.

Grandes mamíferos del Pleistoceno Superior. Ilustración de Mauricio Antón

El intenso frío de las épocas más frías del Pleistoceno Superior pudo ser también una causa razonable de la extinción de grandes mamíferos. Este hecho no sucedió en África, por ejemplo, donde la megafauna se mantuvo a pesar de la presión predadora de carnívoros y humanos. Los detractores de la hipótesis de la extinción antrópica esgrimen este y otros argumentos para defender que no fuimos los responsables de la penúltima extinción. La investigadora Eline Lorenzen y otros colegas de la Universidad de Copenhague publicaron un detallado trabajo en 2011 en la revista Nature, en el que analizaron posibles causas de esa extinción. Sus conclusiones fueron conciliadoras.Si bien no se podía obviar la sobre-explotación por parte de las poblaciones de Homo sapiens, el intenso frío pudo ser tan perjudicial o aún más que los seres humanos en la desaparición de especies particularmente sensibles a los cambios climáticos, como los rinocerontes lanudos y los bueyes almizcleros.

Los yacimientos donde yacen individuos de estas especies quedaron ocultos por el hielo cerca del círculo polar ártico. El retroceso de esta área durante el Holoceno y el cambio climático que ya está con nosotros permite recuperar restos fósiles de estas especies y su ADN, muy bien conservado. Por el momento, sin embargo, la resurrección de estas especies solo es ciencia ficción.

Queda pues la duda sobre nuestra responsabilidad en la desaparición de los grandes mamíferos del hemisferio norte durante el Pleistoceno Superior. Pero aquello no fue sino el inicio de la masiva extinción de la biodiversidad actual. Y ahora no podemos eludir nuestra demostrada culpabilidad en la que ya se conoce como la sexta extinción.

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Secretos del crecimiento en los neandertales

El yacimiento de El Sidrón (Concejo de Piloña, Borines, Asturias) es sin duda uno de los más importantes de toda Europa para la época en la que vivieron los neandertales clásicos. El hecho de haber sido excavado en los últimos años con técnicas muy modernas y en condiciones de asepsia, ha incrementado de manera exponencial el valor de este sitio tan singular. El Sidrón, por ejemplo, es el lugar de referencia para la extracción del ADN en neandertales y no deja de producir resultados espectaculares. No es la primera vez que escribo en este blog sobre el yacimiento del El Sidrón, y presiento que no será la última. La última investigación, publicada en la revista Science, ha sido liderada por Antonio Rosas, del Museo Nacional de Ciencias Naturales (CSIC).

En la cueva del El Sidrón se acumularon hasta 2.500 restos fósiles pertenecientes a trece individuos de un mismo grupo, que aparentemente fueron devorados por sus congéneres. Sus restos terminaron por depositarse en un lugar de acceso complejo, y se cubrieron por sedimentos en un lapso breve de tiempo. De ese modo, quedaron protegidos durante milenios del medio ambiente. Las dataciones realizadas por medio del C-14 han ofrecido datos numéricos, que sitúan la fecha del depósito de los restos hace unos 49.000 años.

El individuo J1 de El Sidrón se reconoce por los restos fósiles de parte de un cráneo, la mandíbula y numerosos fragmentos del esqueleto post-craneal. Esos restos corresponden a un niño, cuyo primer molar ya era funcional y su raíz casi estaba completa. El ADN mitocondrial de este individuo permite asociarlo a una hembra adulta (quizá su madre) y a un individuo infantil (quizá su hermano/a). Puesto que J1 conserva la mayor parte de sus dientes en desarrollo, es posible realizar una estimación aproximada de su edad de muerte cuando se compara con una muestra muy numerosa de chicos y chicas de nuestra especie.

Restos fósiles del individuo neandertal inmaduro J1 de la cueva de El Sidrón, Asturias. Fuente: Nature.

El crecimiento circadiano del esmalte de los dientes fue clave para que los investigadores Timothy Bromage y Chris Dean (uno de los firmantes del artículo de Science) determinaran en 1985 que los homininos más antiguos de nuestro linaje crecían y se desarrollaban en tiempos y ritmos similares a los de chimpancés o gorilas. Los dientes de aquellos ancestros, incluidos los de Homo habilis, se formaban con gran rapidez en comparación con lo que sucede en nuestra especie. Puesto que el desarrollo de los dientes guarda una estrecha relación con el crecimiento somático se podía deducir que nuestros antepasados también crecían y se desarrollaban con mayor celeridad. Pero, ¿cuándo se alcanzaron unos parámetros de crecimiento y desarrollo similares a los de Homo sapiens? La falta de fósiles adecuados para el estudio ha impedido encontrar, por el momento, una respuesta convincente.

El registro fósil de los neandertales es pródigo en restos de individuos inmaduros, lo que ha permitido establecer un debate científico sobre el tiempo y el modelo de crecimiento en la especie de hominino más próxima a nosotros. Compartimos con ellos una especie antecesora, que no lo es de ninguna otra especie humana. A pesar de que esa especie pudo vivir hace unos 800.000 años (según nos dice el estudio del ADN antiguo), neandertales y humanos modernos tenemos mucho en común. El debate sobre las similitudes y diferencias en el crecimiento y desarrollo entre ellos y nosotros ha sido objeto de un debate muy intenso en las dos últimas décadas. Algunos investigadores han concluido que los neandertales tenían un ritmo acelerado de crecimiento, por lo que posiblemente llegaban a la vida de adulto antes de lo que lo hacemos nosotros. Otros investigadores opinan lo contrario ¿Qué nos dice el yacimiento de El Sidrón en este aspecto de la biología humana?

Los resultados del estudio del individuo J1 de El Sidrón no lo pueden resolver todo, pero han ofrecido datos de gran interés para conocer más sobre la biología de los neandertales. Los investigadores piensan que J1 era masculino, dada la robustez de sus huesos y el tamaño de los caninos. De acuerdo con el estudio histológico de sus dientes, aquel individuo juvenil murió cuando tenía unos siete años y medio. Su estatura era de unos 111 centímetros y su peso de unos 26 kilogramos. Ninguna diferencia con lo que se podría esperar en un chico de su misma edad en muchos países europeos. No se observan indicadores patológicos en sus huesos. Cuando murió, el individuo J1 era un chico totalmente sano.Su primer molar permanente ya era funcional y su raíz estaba casi completa. Es el estado de desarrollo dental que se puede esperar en cualquiera de nuestros hijos hacia los siete años y medio.

Pero los investigadores de El Sidrón han ido más allá de este dato, que por sí mismo ya es interesante. El volumen endocraneal de J1 llega hasta los 1.330 centímetros cúbicos (c.c.), una cifra que se queda tan solo a unos 190 c.c. del promedio estimado para los neandertales adultos. El niño J1 pudo tener un cerebro de unos 1300 c.c., un valor que se aproxima al promedio de nuestra especie (aproximadamente 1,350 c.c). A la edad de siete años y medio, nuestro cerebro prácticamente ha llegado al 100% de su crecimiento ¿Se puede saber si el cerebro había dejado de crecer en el niño J1? Y aquí llega el dato sorprendente: la respuesta es NO.

Estudiando la histología de la parte interna del cráneo del niño J1 los investigadores han observado que la zona correspondiente al lóbulo occipital y el cerebelo todavía estaban creciendo. Recordemos que los neandertales tenían un cerebro largo y aplanado con respecto al nuestro. En particular, el lóbulo occipital estaba muy desarrollado, un aspecto muy llamativo del cráneo de nuestros primos hermanos. Aunque la lógica nos llevaba a suponer que los neandertales terminaban su crecimiento cerebral incluso antes que nosotros, el niño J1 permite ahora proponer la hipótesis de que no era así. En otras palabras, el pleno desarrollo cognitivo de los neandertales no estaba adelantado con respecto al nuestro, como cabía esperar de su forma de vida y de su hábitat hostil. Ahora podemos plantear que los neandertales terminaban su desarrollo cerebral bien a la misma edad que lo hacemos nosotros o tal vez más tarde.De ser así, se puede proponer que el gasto metabólico para el desarrollo y el mantenimiento de su cerebro era superior al nuestro. De ese modo, el artículo de Science nos abre la puerta a un mundo nuevo y apasionante sobre la biología de los neandertales. Ya podemos decir que su aspecto era distinto del nuestro, pero sus habilidades cognitivas posiblemente no eran tan diferentes, posiblemente con un coste energético mayor. Tal vez una posible desventaja de Homo neanderthalensiscon respecto a Homo sapiens.

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