Hace miles de años los humanos se trasladaron por primera vez a la meseta tibetana, una vasta extensión de estepa que se eleva a unos 14.000 pies sobre el nivel del mar. Aunque estos pioneros habrían tenido la ventaja de adentrarse en un nuevo ecosistema libre de competencia con otras personas, los bajos niveles de oxígeno a esa altitud habrían supuesto un grave estrés para el organismo, lo que habría provocado el mal de altura crónico y una elevada mortalidad infantil. Hace dos años, una avalancha de estudios genéticos identificó una variante genética que es común en los tibetanos pero rara en otras poblaciones. Esta variante, que ajusta la producción de glóbulos rojos en los tibetanos, ayuda a explicar cómo este grupo se adaptó a esas duras condiciones. El descubrimiento, que fue noticia en todo el mundo, proporcionó un ejemplo dramático de cómo los humanos han experimentado una rápida adaptación biológica a nuevas circunstancias ambientales en el pasado reciente. Un estudio estimó que la variante beneficiosa se extendió con gran frecuencia en los últimos 3.000 años, un mero instante en términos evolutivos.
Los hallazgos del Tíbet parecían reforzar la idea de que nuestra especie ha experimentado una considerable adaptación biológica de este tipo desde que salió por primera vez de África hace quizás 60.000 años (las estimaciones oscilan entre 50.000 y 100.000 años). La transición a la altitud es sólo uno de los muchos retos ambientales a los que se enfrentó el Homo sapiens al migrar de las calurosas praderas y matorrales de África oriental a las tundras heladas, las selvas tropicales húmedas y los desiertos calcinados por el sol, prácticamente todos los ecosistemas terrestres y zonas climáticas del planeta. Sin duda, gran parte de la adaptación humana fue tecnológica: para combatir el frío, por ejemplo, fabricamos ropa. Pero la tecnología prehistórica por sí sola no podría haber sido suficiente para superar el aire fino de las montañas, los estragos de las enfermedades infecciosas y otros obstáculos ambientales. En estas circunstancias, la adaptación tendría que producirse por evolución genética más que por soluciones tecnológicas. Era razonable esperar, entonces, que los estudios de nuestros genomas revelaran evidencias considerables de mutaciones genéticas novedosas que se han extendido recientemente a través de diferentes poblaciones por selección natural, es decir, porque los portadores de las mutaciones tienen más bebés sanos que sobreviven para reproducirse que los que no lo hacen.
Hace ocho años mis colegas y yo nos propusimos buscar las huellas de estos profundos desafíos ambientales en el genoma humano. Queríamos averiguar cómo han evolucionado los humanos desde que nuestros predecesores emprendieron su relativamente reciente viaje global. ¿En qué medida las poblaciones de distintas partes del mundo difieren genéticamente porque la selección natural las ha adaptado recientemente a diferentes presiones ambientales, como en el caso de los tibetanos? ¿Qué proporción de estas diferencias genéticas se debe más bien a otras influencias? Gracias a los avances en las tecnologías para el estudio de la variación genética, hemos podido empezar a abordar estas cuestiones.
El trabajo aún está en marcha, pero los resultados preliminares nos han sorprendido. Resulta que el genoma contiene en realidad pocos ejemplos de selección natural muy fuerte y rápida. En cambio, la mayor parte de la selección natural visible en el genoma parece haberse producido a lo largo de decenas de miles de años. Lo que parece haber ocurrido en muchos casos es que una mutación beneficiosa se extendió por una población hace mucho tiempo en respuesta a una presión ambiental local y luego fue llevada a lugares lejanos cuando la población se expandió a nuevos territorios. Por ejemplo, algunas variantes genéticas implicadas en la determinación del color de la piel clara, una adaptación a la luz solar reducida, se distribuyen en función de antiguas rutas migratorias, y no sólo de la latitud. El hecho de que estas antiguas señales de selección hayan persistido a lo largo de milenios sin que las nuevas presiones ambientales las hayan sobrescrito indica que la selección natural suele operar a un ritmo mucho más pausado de lo que los científicos habían previsto. La rápida evolución de un gen importante en los tibetanos, al parecer, no es típica.
Como biólogo evolutivo, a menudo me preguntan si los humanos siguen evolucionando hoy en día. Ciertamente lo estamos haciendo. Pero la respuesta a la pregunta de cómo estamos cambiando es mucho más complicada. Nuestros datos sugieren que el escenario clásico de la selección natural, en el que una única mutación beneficiosa se extiende como un reguero de pólvora a través de una población, en realidad ha ocurrido relativamente poco en los seres humanos en los últimos 60.000 años. Más bien, este mecanismo de cambio evolutivo parece requerir presiones ambientales constantes a lo largo de decenas de miles de años, una situación poco común una vez que nuestros antepasados empezaron a viajar por el mundo y el ritmo de la innovación tecnológica comenzó a acelerarse.
Estos hallazgos ya están ayudando a perfeccionar nuestra comprensión no sólo de la evolución humana reciente, sino también de lo que podría deparar nuestro futuro colectivo. Para algunos de los retos a los que se enfrenta actualmente nuestra especie -el cambio climático global y muchas enfermedades infecciosas, por ejemplo-, la selección natural es probablemente demasiado lenta para ayudarnos. En su lugar, tendremos que recurrir a la cultura y a la tecnología.
Encontrar las huellas
Hace apenas una década era extremadamente difícil para los científicos rastrear las respuestas genéticas de nuestra especie a nuestro entorno; simplemente no existían las herramientas necesarias. Todo eso cambió con la finalización de la secuencia del genoma humano y la posterior catalogación de la variación genética. Para entender exactamente lo que hicimos, ayuda saber un poco cómo está estructurado el ADN y cómo los pequeños cambios pueden afectar a su función. La secuencia del genoma humano consta de unos tres mil millones de pares de nucleótidos de ADN, o «letras», que sirven de manual de instrucciones para ensamblar un ser humano . Ahora se sabe que el manual contiene una lista de piezas de unos 20.000 genes -cadenas de letras de ADN que deletrean la información necesaria para construir proteínas. (Alrededor del 2% del genoma humano codifica proteínas, y una fracción algo mayor está implicada en la regulación de los genes. La mayor parte del resto del genoma no tiene ninguna función conocida.
En general, los genomas de dos personas cualesquiera son extremadamente similares, y sólo difieren en uno de cada 1.000 pares de nucleótidos. Los lugares en los que un par de nucleótidos sustituye a otro se denominan polimorfismos de un solo nucleótido, o SNP (pronunciado «snips»), y las versiones alternativas del ADN en cada SNP se denominan alelos. Dado que la mayor parte del genoma no codifica proteínas ni regula genes, la mayoría de los SNP probablemente no tengan un efecto medible en el individuo. Pero si un SNP se produce en una región del genoma que sí tiene una función codificadora o reguladora, puede afectar a la estructura o la función de una proteína o al lugar y la cantidad de proteína que se fabrica. De este modo, los SNP pueden modificar casi cualquier rasgo, ya sea la altura, el color de los ojos, la capacidad de digerir la leche o la susceptibilidad a enfermedades como la diabetes, la esquizofrenia, la malaria y el VIH.
Cuando la selección natural favorece fuertemente a un alelo en particular, éste se vuelve más común en la población con cada generación, mientras que el alelo desfavorecido se vuelve menos común. Finalmente, si el entorno se mantiene estable, el alelo beneficioso se extenderá hasta que todos los miembros de la población lo lleven, momento en el que se habrá fijado en ese grupo. Este proceso suele durar muchas generaciones. Si una persona con dos copias del alelo beneficioso produce un 10 por ciento más de hijos y alguien con una copia produce un 5 por ciento más, de media, que alguien sin el alelo beneficioso, entonces ese alelo tardará unas 200 generaciones, o aproximadamente 5.000 años, en aumentar su frecuencia desde el 1 por ciento de la población hasta el 99 por ciento de la misma. En teoría, un alelo beneficioso podría fijarse en tan sólo unos cientos de años si confiriera una ventaja extraordinariamente grande. Por el contrario, un alelo menos ventajoso podría tardar muchos miles de años en propagarse.
Sería estupendo que, en nuestros esfuerzos por comprender la evolución humana reciente, pudiéramos obtener muestras de ADN de restos antiguos y rastrear realmente los cambios de los alelos favorecidos a lo largo del tiempo. Pero el ADN suele degradarse rápidamente en las muestras antiguas, lo que dificulta este enfoque. Por ello, mi grupo de investigación y varios otros en todo el mundo han desarrollado métodos para examinar la variación genética de los humanos actuales en busca de signos de selección natural que hayan ocurrido en el pasado.
Una de estas tácticas consiste en peinar los datos de ADN de muchas personas diferentes en busca de tramos que muestren pocas diferencias en los alelos del SNP dentro de una población. Cuando una nueva mutación beneficiosa se propaga rápidamente a través de un grupo debido a la selección natural, se lleva consigo un trozo de cromosoma circundante en un proceso llamado autostop genético. A medida que la frecuencia del alelo beneficioso aumenta en el grupo a lo largo del tiempo, también lo hacen las frecuencias de los alelos «neutros» y casi neutros cercanos que no afectan a la estructura o cantidad de proteínas de forma apreciable, pero que viajan junto con el alelo seleccionado. La reducción o eliminación resultante de la variación del SNP en la región del genoma que contiene un alelo beneficioso se denomina barrido selectivo. La propagación de los alelos seleccionados por la selección natural también puede dejar otros patrones distintivos en los datos de los SNP: si un alelo existente resulta repentinamente útil cuando una población se encuentra en nuevas circunstancias, ese alelo puede alcanzar una alta frecuencia (mientras permanece raro en otras poblaciones) sin generar necesariamente una señal de barrido selectivo.
Durante los últimos años, múltiples estudios, incluyendo uno que mis colegas y yo publicamos en 2006, han identificado varios cientos de señales genómicas de aparente selección natural que ocurrieron dentro de los últimos 60.000 años o así, es decir, desde que el H. sapiens dejó África. En algunos de estos casos, los científicos conocen muy bien las presiones selectivas y el beneficio adaptativo del alelo favorecido. Por ejemplo, entre las poblaciones que se dedican a la producción de lácteos en Europa, Oriente Medio y África Oriental, la región del genoma que alberga el gen de la enzima lactasa que digiere la lactosa (el azúcar de la leche) muestra claros signos de haber sido objeto de una fuerte selección. En la mayoría de las poblaciones, los bebés nacen con la capacidad de digerir la lactosa, pero el gen de la lactasa se desactiva después del destete, dejando a las personas incapaces de digerir la lactosa en la edad adulta. En 2004, un equipo del Instituto Tecnológico de Massachusetts publicó un artículo en la revista American Journal of Human Genetics en el que estimaba que las variantes del gen de la lactasa que permanecen activas en la edad adulta alcanzaron una alta frecuencia en los grupos europeos de productores de leche en tan sólo 5.000 a 10.000 años. En 2006, un grupo dirigido por Sarah Tishkoff, ahora en la Universidad de Pensilvania, informó en Nature Genetics de que había encontrado una rápida evolución del gen de la lactasa en poblaciones de ganaderos de África oriental. Estos cambios eran seguramente una respuesta adaptativa a una nueva práctica de subsistencia.
Los investigadores también han encontrado pronunciadas señales de selección en al menos media docena de genes implicados en la determinación del color de la piel, el pelo y los ojos en personas no africanas. También en este caso, la presión selectiva y el beneficio adaptativo son claros. Cuando los humanos se desplazaron fuera de su tierra natal tropical, recibieron menos radiación ultravioleta del sol. El cuerpo necesita la radiación UV para sintetizar la vitamina D, un nutriente esencial. En los trópicos, la radiación UV es lo suficientemente fuerte como para penetrar en la piel oscura en las cantidades necesarias para la síntesis de la vitamina D. No así en las latitudes más altas. La necesidad de absorber cantidades adecuadas de vitamina D impulsó casi con toda seguridad la evolución del color más claro de la piel en estos lugares, y los cambios en estos genes que llevan señales de fuerte selección permitieron ese cambio adaptativo.
Las señales de selección también aparecen en una variedad de genes que confieren resistencia a las enfermedades infecciosas. Por ejemplo, Pardis Sabeti, de la Universidad de Harvard, y sus colegas han encontrado una mutación en el llamado gen LARGE que se ha extendido recientemente a una alta frecuencia en el pueblo yoruba de Nigeria y que probablemente es una respuesta a la aparición relativamente reciente de la fiebre de Lassa en esta región.
Señales mixtas
Estos ejemplos y un pequeño número de otros casos proporcionan una fuerte evidencia de que la selección natural actúa rápidamente para promover alelos útiles. Sin embargo, para la mayoría del resto de los cientos de señales candidatas, aún no sabemos qué factores ambientales favorecieron la propagación del alelo seleccionado, ni sabemos qué efecto ejerce el alelo en las personas que lo albergan. Hasta hace poco, nosotros y otros interpretábamos que estas señales candidatas significaban que se habían producido al menos unos cientos de barridos selectivos muy rápidos en los últimos 15.000 años en varias poblaciones humanas estudiadas. Pero en un trabajo más reciente, mis colegas y yo hemos encontrado pruebas que sugieren que, en cambio, la mayoría de estas señales no son en absoluto el resultado de una adaptación muy reciente y rápida a las condiciones locales.
Trabajando con colaboradores de la Universidad de Stanford, estudiamos un conjunto masivo de datos de SNP generado a partir de muestras de ADN obtenidas de unos 1.000 individuos de todo el mundo. Cuando observamos las distribuciones geográficas de los alelos seleccionados, descubrimos que las señales más pronunciadas tienden a caer en uno de sólo tres patrones geográficos. En primer lugar, están los llamados barridos fuera de África, en los que el alelo favorecido y sus autoestopistas existen con alta frecuencia en todas las poblaciones no africanas. Este patrón sugiere que el alelo adaptativo apareció y comenzó a extenderse muy poco después de que los humanos salieran de África, pero cuando todavía estaban restringidos a Oriente Medio -por lo tanto, quizás hace unos 60.000 años- y que posteriormente fue transportado por todo el mundo a medida que los humanos migraban hacia el norte y el este. Luego hay otros dos patrones geográficos más restringidos: los barridos euroasiáticos occidentales, en los que un alelo favorecido se da con alta frecuencia en todas las poblaciones de Europa, Oriente Medio y Asia central y meridional, pero no en otras partes; y los barridos de Asia oriental, en los que el alelo favorecido es más común en los asiáticos orientales, así como normalmente en los nativos americanos, melanesios y papúes. Estos dos patrones probablemente representan barridos que se pusieron en marcha poco después de que los euroasiáticos occidentales y los asiáticos orientales se separaran y tomaran caminos distintos. (No se sabe con exactitud cuándo ocurrió esto, pero probablemente hace entre 20.000 y 30.000 años.)
Estos patrones de barrido revelan algo muy interesante: los antiguos movimientos de población han influido en gran medida en las distribuciones de los alelos favorecidos en todo el mundo, y la selección natural ha hecho poco para ajustar esas distribuciones a las presiones ambientales modernas. Por ejemplo, uno de los actores más importantes en la adaptación al color de piel más claro es una variante del llamado gen SLC24A5. Dado que se trata de una adaptación a la luz solar reducida, cabría esperar que su frecuencia en la población aumentara con la latitud y que su distribución fuera similar en personas del norte de Asia y del norte de Europa. En cambio, observamos un barrido por el oeste de Eurasia: la variante genética y el ADN autoestopista que viaja con ella son comunes desde Pakistán hasta Francia, pero están esencialmente ausentes en el este de Asia, incluso en las latitudes septentrionales. Esta distribución indica que la variante beneficiosa surgió en la población ancestral de los euroasiáticos occidentales -después de que divergieran de los ancestros de los asiáticos orientales- que la llevaron por toda esa región. Así pues, la selección natural hizo que el alelo beneficioso SLC24A5 alcanzara una alta frecuencia en un primer momento, pero la historia antigua de la población ayudó a determinar qué poblaciones lo tienen hoy en día y cuáles no. (Otros genes son los responsables de la piel clara en los asiáticos orientales.)
Un examen más detallado de las señales de selección en estos y otros datos revela otro patrón curioso. La mayoría de los alelos con las diferencias de frecuencia más extremas entre poblaciones -los que se dan en casi todos los asiáticos pero no en los africanos, por ejemplo- no muestran las fuertes señales de autostop que uno esperaría ver si la selección natural llevara rápidamente estos nuevos alelos a una alta frecuencia. En cambio, estos alelos parecen haberse propagado gradualmente durante los aproximadamente 60.000 años transcurridos desde que nuestra especie salió de África. A la luz de estas observaciones, mis colaboradores y yo creemos ahora que los barridos selectivos de libro de texto -en los que la selección natural impulsa una nueva mutación ventajosa rápidamente hasta su fijación- han ocurrido en realidad con bastante poca frecuencia en el tiempo transcurrido desde que comenzó la diáspora de H. sapiens. Sospechamos que la selección natural suele actuar de forma relativamente débil sobre los alelos individuales, promoviéndolos muy lentamente. Como resultado, la mayoría de los alelos que experimentan presión de selección pueden alcanzar una alta frecuencia sólo cuando la presión persiste durante decenas de miles de años.
Un rasgo, muchos genes
Nuestras conclusiones pueden parecer paradójicas: si normalmente se han necesitado 50.000, y no 5.000, años para que un alelo útil se extienda a través de una población, ¿cómo podrían los humanos adaptarse rápidamente a las nuevas condiciones? Aunque las adaptaciones mejor entendidas surgen de cambios en un solo gen, puede ser que la mayoría de las adaptaciones no surjan así, sino que se deriven de variantes genéticas que tienen efectos leves en cientos o miles de genes relevantes de todo el genoma, es decir, son poligénicas. En un artículo publicado en 2010, por ejemplo, se identificaron más de 180 genes diferentes que influyen en la estatura humana, y sin duda quedan muchos más por encontrar. Para cada uno de ellos, un alelo aumenta la estatura media sólo entre uno y cinco milímetros en comparación con otro alelo.
Cuando la selección natural se dirige a la estatura humana -como ha ocurrido en las poblaciones de pigmeos que viven en hábitats de selva tropical en África, el sudeste asiático y Sudamérica, donde el tamaño corporal pequeño puede ser una adaptación a la limitada nutrición disponible en estos entornos- puede operar en gran parte ajustando las frecuencias alélicas de cientos de genes diferentes. Si la versión «corta» de cada gen de la estatura se hiciera un 10% más común, la mayoría de la población tendría un mayor número de alelos «cortos» y la población sería más baja en general. Aunque el rasgo general estuviera sometido a una fuerte selección, la fuerza de la selección en cada gen de la altura individual seguiría siendo débil. Dado que la selección que actúa sobre cualquier gen es débil, las adaptaciones poligénicas no aparecerían en los estudios del genoma como una señal clásica de selección. Por lo tanto, es posible que los genomas humanos hayan sufrido más cambios adaptativos recientemente de los que los científicos pueden identificar examinando el genoma de la forma habitual.
¿Sigue evolucionando?
En cuanto a si los seres humanos siguen evolucionando, es difícil captar la selección natural en el acto de dar forma a las poblaciones actuales. Sin embargo, es fácil imaginar los rasgos que podrían verse afectados. Enfermedades infecciosas como la malaria y el VIH siguen ejerciendo potentes fuerzas de selección en el mundo en desarrollo. El puñado de variantes genéticas conocidas que proporcionan cierta protección contra estos flagelos está probablemente sometido a una fuerte presión selectiva porque las personas que las portan tienen más probabilidades de sobrevivir y de tener muchos más hijos que las que no lo hacen. Una variante que protege a los portadores de la forma vivax de la malaria se ha hecho omnipresente en muchas poblaciones del África subsahariana. Las variantes que protegen del VIH, por su parte, podrían extenderse por toda el África subsahariana en cientos de años si el virus persistiera y siguiera siendo frustrado por ese gen de resistencia. Pero dado que el VIH evoluciona más rápido que los humanos, es más probable que superemos ese problema con la tecnología (en forma de vacuna, por ejemplo) que con la selección natural.
En el mundo desarrollado mueren relativamente pocas personas entre el nacimiento y la edad adulta, por lo que algunas de las fuerzas de selección más fuertes son probablemente las que actúan sobre los genes que afectan al número de hijos que produce cada persona. En principio, cualquier aspecto de la fertilidad o del comportamiento reproductivo al que afecte la variación genética podría ser el objetivo de la selección natural. En 2009, Stephen C. Stearns, de la Universidad de Yale, y sus colegas publicaron en las Actas de la Academia Nacional de Ciencias de EE.UU. los resultados de un estudio en el que se identificaron seis rasgos diferentes en las mujeres que se asocian con un mayor número de hijos a lo largo de la vida y que muestran una heredabilidad entre intermedia y alta. El equipo descubrió que las mujeres con mayor número de hijos tienden a ser ligeramente más bajas y corpulentas que la media y a tener una edad más tardía en la menopausia. Por tanto, si el entorno se mantiene constante, es de suponer que estos rasgos se harán más comunes con el tiempo debido a la selección natural: los autores calculan que la edad media de la menopausia aumentará aproximadamente un año en las próximas 10 generaciones, es decir, 200 años. (De forma más especulativa, es plausible que la variación genética que influye en el comportamiento sexual -o en el uso de anticonceptivos- esté sujeta a una fuerte selección, aunque sigue sin estar claro hasta qué punto los genes afectan a comportamientos complejos como estos).
Aún así, el ritmo de cambio de la mayoría de los rasgos es glacialmente lento en comparación con el ritmo al que cambiamos nuestra cultura y tecnología y, por supuesto, nuestro entorno global. Y los grandes cambios adaptativos requieren condiciones estables durante milenios. Así, dentro de 5.000 años el entorno humano será sin duda muy diferente. Pero en ausencia de ingeniería genómica a gran escala, las personas mismas probablemente serán en gran medida las mismas.