Hasta hace muy poco tiempo la teoría de la evolución de Darwin se basaba solo en la observación directa de las diferentes especies y en el análisis de restos antropológicos preservados en el tiempo. Así se llegaba a formarse una idea muy global del proceso evolutivo, dejando siempre grandes vacíos e interrogantes que fructificaban sólo en el terreno de las hipótesis. Hoy en cambio, se ha llegado a desarrollar toda una ciencia de creciente precisión, la llamada palaeoantropología, que aprovechando los mas variados avances del conocimiento, tanto de física, como química y la biología, permiten ahondar en el pasado y llegar a ratificar con gran precisión el desarrollo de los procesos evolutivos, estableciendo incluso, con bastante precisión, las épocas en que estos habrían ocurrido.

Dentro de la palaeoantropología, sin duda que la biología ha sido el área del conocimiento que más ha contribuido. Especialmente cuando se pudo establecer que la molécula DNA era común a todas las criaturas vivas de la Tierra y que mutaciones en su estructura iban traduciéndose en cambios objetivos en las especies (cambios fenotípicos). Comenzando así a conocer los mecanismos genéticos moleculares por los cuales las especies se iban modificando en la competencia por el alimento, las variaciones de las condiciones climáticas y/o el acceso al acoplamiento. De este modo, la producción de una mutación individual, si era favorable, podía llegar a generalizarse, dejando de ser una mutación. Fue así como las actuales estructuras de nuestros 23.000 genes pasaron evolutivamente a definir la especie humana (Semejanzas y diferencias entre el hombre y los animales).

Ahora se puede afirmar que aproximadamente seis millones de años atrás, fue cuando el actual Homo sapiens comenzó a separase de los grandes monos (Los primeros ancestros humanos datan entre 6 y 7 millones de años). Desde entonces hasta ahora deben haber sido muchísimas las mutaciones que se fueron produciendo, estando aún muy lejos de poderlas reconocer en su totalidad, ni menos como ellas han ido interactuando entre si para inducir los cambios. También estamos lejos de saber como las otras especies fueron evolucionando paralelamente por su propio camino, produciendo cambios que a primera vista parecerían como debidos a un juego de azar.

El programa de secuenciar el genoma humano, que demoró 13 años, fue el primer paso (El genoma humano: el gran hito de la biología), seguido luego la secuenciación de los genomas de las otras criaturas, como chimpancés, gorilas, orangutanes, que permitieron comenzar a comparar unos con otros, y de allí deducir, como y cuando, nos habíamos comenzado a diferenciar genéticamente de las especies de los grandes monos. (Diferencias genéticas entre el chimpancé y el hombre). Mas tarde, al ir conociendo las funciones metabólicas inducidas por cada mutación, se han ido identificando algunas de estas, destacadas como señuelas, han inducido cambios fenotípicos trascendentes que, nos han permitido formarnos un esquema mas integral del proceso de diferenciación a través de los tiempos, entre el Homo sapiens y los grandes monos.

En el hecho, comparando estos genomas de unos y otros, se puede lograr una gran cantidad de información. Así por ejemplo, si se llega a encontrar un gene activo en el cerebro humano y este es diferente del mismo gene, pero del chimpancé, se puede deducir que esa diferencia (mutación) ayudó al Homo sapiens a desarrollar más el cerebro y por ello llegar a ser más inteligente. En el hecho, comparando el genoma humano con el del chimpancé, se pueden encontrar alrededor de 15 millones de substituciones de letras del DNA (mutaciones). Pero de acuerdo a lo que ya conocemos de la estructura del DNA, se puede también afirmar que la gran mayoría de ellas no han afectado nuestras características fenotípicas, ya sea porque ellas corresponden a cambios menores que no modifican la función del gene, o porque la mutación cae en alguna de las regiones del DNA que no codifica, como es el caso del llamado “DNA basura”, que representa la mayor parte de nuestro DNA. (Consideraciones después del genoma). Tomando esto en consideración, se puede concluir que de los 15 millones de diferencias, quizás no más de 10.000 sean realmente importantes como para que hayan producido cambios que hayan repercutido en el organismo, jugando así un rol en el proceso de la selección natural.

Ya tenemos algunas pistas que han permitido individualizar mutaciones específicas a las que podría achacarse cambios importantes en la evolución humana. Algunas de ellas han contribuido a la rápida expansión del crecimiento y complejidad de nuestro cerebro, o a la aparición del lenguaje, o la estructura de la oposición de tenazas del pulgar de la mano, o cambios que al Homo sapiens le permitieron caminar erguido, u otros que han contribuido a ser lo que actualmente somos.

Mutaciones genéticas que han inducido el crecimiento cerebral

Sin duda que estas han sido muchas, y en ello reside la gran diferencia entre la especie humana y la de los grandes simios. Algunas han actuado directamente sobre el desarrollo cerebral, mientras otras su acción ha sido indirecta, pero importantes para que en definitiva los cambios hayan ocurrido. Así por ejemplo, se sabe que el chimpancé posee unas mandíbulas muy fuertes, capaz de cortar el tallo de un duro vegetal. En cambio en los humanos la musculatura de la mandíbula es débil. Ahora se sabe que esta diferencia pudo haber sido la consecuencia de una mutación del gene llamado MYH16 que codifica una proteína del músculo. Esta mutación inactiva al gene respectivo, lo que lleva a que los músculos de nuestra mandíbula tengan una versión diferente. Como consecuencia la mandíbula no es tan fuerte. Según los investigadores, el tener una mandíbula no tan fuerte habría hecho posible un mayor crecimiento del cráneo (Un simple músculo condicionó el crecimiento cerebral del hombre primitivo) (Nature, 2004 vol.428, p415). Los primates al tener músculos muy fuertes han tenido que fortalecer los huesos que los soportan en la región posterior del cráneo, con lo que no les ha sido posible la expansión este y en consecuencia, tampoco del cerebro (fig 1). Se trataría de una mutación que interviniendo indirectamente sobre el músculo de la mandíbula, permitió a la especie humana disminuir la densidad ósea de su mandíbula, lo que posteriormente hizo posible la expansión del cráneo. Simultáneamente también debieron haberse producido otras mutaciones que directamente estimularon el crecimiento cerebral.

Los investigadores estiman que esta mutación se habría producido hace 2.4 millones de años, justamente en la época que se estima que se habría iniciado el crecimiento de nuestro cerebro. El cerebro humano mide entre 1.200 y 1.500 centímetros cúbicos, lo que significa que es tres veces más grande que el cerebro del chimpancé (fig. 2). Esta enorme diferencia tiene que haber sido inducida por numerosas mutaciones sucesivas de diferentes genes que cada vez deben haber agregado mayores impulsos de crecimiento, además de cambios estructurales (Que hace que sea único el cerebro humano) ya que no solo el tamaño es mayor, sino también su estructura. Así por ejemplo, el cerebro humano ha tenido una mucho mayor expansión de su corteza, produciendo invaginaciones mas pronunciadas y profundas, que le ha permitido incrementar la superficie de ella. Gracias a ello ha ido logrando alcanzar sofisticados procesos mentales, como la capacidad de planificar, de razonar y desarrollar el lenguaje. Una forma de averiguar que genes fueron comprometiéndose en todo este proceso, ha sido a través de investigar que genes inducen alguna patología cerebral y compararlo con igual gene de los actuales grandes monos. Una de estas patologías, es la “microcefalia primaria”. Se trata de una condición en la que se nace con un cerebro muy pequeño, que pesa solo la tercera parte de un cerebro normal y que además su corteza está particularmente atrofiada, lo que produce importantes deficiencias cognitivas de grados variables.

En los estudios genéticos de los enfermos que padecen microcefalia, se han encontrado por lo menos siete genes diferentes, a cuyas mutaciones se atribuye la microcefalia. Curiosamente todos ellos desempeñan algún rol en la división celular, el proceso en que el cerebro fetal multiplica activamente las neuronas inmaduras, antes que estas comiencen a migrar a sus ubicaciones definitivas en la corteza cerebral.

Uno de estos genes, se ha denominado con la sigla ASMP. Su estructura fue secuenciada por el investigador Bruce Lahn, del Departamento de Genética Humana de la Universidad de Chicago, quién además la comparó con la estructura de igual gene de siete especies de primates actuales. Como cabía esperar, el gene humano ASPM, era muy similar al del chimpancé, pero algo menos al del gorila, menos aún, al mas distante orangután. Según al autor, esto significaría, que en los tiempos remotos, el gen ASPM, fue lenta pero inexorablemente, acumulando mutaciones. Ello significaría que el gene ASMP sería un determinante esencial en el desarrollo del tamaño del cerebro, y que algunas de sus mutaciones que se han ido produciendo, fueron capaces de hacer crecer su cerebro, confiriéndole ventajas sobre el resto, a los homínidos que las portaban. Hoy la inactivación del gene provoca microcefalia, un atavismo que devuelve al cerebro humano el tamaño cerebral de su ancestro primitivo (Human Molecular Genetics, vol 13, p.489).

Igualmente importante ha sido el descubrimiento de otro gene que también provoca microcefalia. Se trata del gene llamado SRGAP2, ha sido objetos de dos publicaciones (Cell, 3 de Mayo de 2012). Este gene no presenta mutaciones, pero se encuentra duplicado en forma parcial, en dos posiciones diferentes en el cromosoma 1. En el primero de los trabajos, Evan Eichler de la Universidad de Washington, señala que esta duplicación habría ocurrido hace 3.4 millones de años, coincidiendo con la transición de Australopithecus a Homo y coincidiendo además con el comienzo de la expansión de la corteza cerebral. El investigador señala que esta duplicación ha sido crucial para el desarrollo de la inteligencia. El segundo trabajo, dirigido por Franck Polleux, del Instituto de la Jolla en California, afirma que el gene SRGAP2C estimula el desarrollo de las conexiones dentríticas de las neuronas, ayudándole a establecer sus conexiones.

Otra forma en que los genes permitan un mayor desarrollo cerebral, es interviniendo en su abastecimiento energético que requiere un cerebro de mayor tamaño. Es sabido que en condiciones de reposo, el cerebro humano consume el 20% de la energía de la dieta, comparado con el 8% que consume el cerebro de primates. Se ha descrito una mutación en el gene RNF213, culpable de la enfermedad de “Moyamoya” (Stroke 2008, vol 32 p 42) que produce un estrechamiento de las arterias que irrigan al cerebro. Ello permite suponer que este gene puede haber jugado un rol en nuestra evolución, permitiendo un mayor abastecimiento sanguíneo, cubriendo con ello las crecientes necesidades calóricas y de nutrientes de nuestro cerebro.

Estos y muchos otras mutaciones genéticas tienen que haberse ido produciendo a lo largo de los seis millones de años, para lograr ir incrementando el tamaño y complejidad de nuestro cerebro, separándonos progresivamente de los grandes simios, hasta llegar a lo que el Homo sapiens es en la actualidad.

Mutaciones genéticas que condicionaron el desarrollo del lenguaje

Sin duda es el desarrollo del lenguaje lo que más nos ha diferenciado evolutivamente de todos los animales. Ellos pueden emitir sonidos propios de cada especie, como ladrar, mugir o relinchar, pero solo el hombre emite la enorme variedad de complejos sonidos que son necesarios para hablar. La especie humana comenzó a diferenciarse de los grandes monos cuando pudo comunicarse entre sus iguales a través del lenguaje. Ello fue lo que hizo posible el desarrollo de la conciencia, el simbolismo, la espiritualidad y la moralidad, como también permitió transmitir la información de una generación a otra, hasta desarrollar una cultura y finalmente una civilización.

En el hecho habría sido físicamente imposible que el chimpancé hablara como nosotros, ya que carecía de las adecuadas características anatómicas, tanto de la caja vocal como de las cavidades nasales, además de carecer de la capacidad de coordinación de numerosos músculos de la cara, la laringe, la boca y la lengua, que le permitieran ejecutar los movimientos necesarios para modular los diversos sonidos. A diferencia del chimpancé, el desarrollo del lenguaje fue posible en los seres humanos, gracias a que simultáneamente ocurrió una coordinación central a nivel cerebral, que le permitió ir modulando los sonidos hasta darle sentido a las palabras, utilizándolas en la expresión de lo concreto y lo abstracto. Es decir, en el Homo sapiens, el lenguaje fue posible porque simultáneamente se fue produciendo un mayor desarrollo de la estructura cerebral. Así lo afirma Eors Szathmary del Instituto de Estudios Avanzados de Budapest, que agrega que nuestra exclusividad del lenguaje, fue posible debido a que se produjo una simultánea mayor complejidad de la red cerebral que le permitió desarrollar el complicado proceso de la gramática, y la sintaxis. Todo ello ocurrió tanto por la adecuación de los genes, más el propio aprendizaje que progresivamente iba dando la experiencia (La evolución del lenguaje).

Fue en el año 2001 cuando un grupo de investigadores dirigidos por Anthony Mónaco, de la Universidad de Oxford, en colaboración con Faraned Braga-Khadem del Institute of Child de Londres, identificaron al gene llamado FOXP2 relacionado con el lenguaje. (El gene del lenguaje nos separa del resto de las especies animales). Fue identificado estudiando una familia inglesa en que sus miembros, por lo menos por tres generaciones, habían estado sufriendo un grave desorden del lenguaje. En el estudio también se incorporó un niño que no estaba relacionado con la familia, pero que presentaba los mismos síntomas (Se descubre un gene ligado al lenguaje). Se estudiaron 16 miembros de esa familia, en la que su hablar era ininteligible y también padecían de dificultades para entender lo que otros hablaban, sobre todo por las deficiencias en lo relacionado con las reglas de gramática. También tenían problemas para algunos movimientos complejos de la boca y de la lengua. Se pudo comprobar que el defecto coincidía con una mutación en el gene FOXP2. Los autores concluyeron que el proceso del lenguaje era complejo y que posiblemente este gene regulaba la actividad de otros genes. “La base del déficit radica en una incapacidad para secuenciar y seleccionar los signos pequeños que forman las palabras y las frases”, señala el neurocientista Varghn-Khaden, del Instituto de Salud Infantil de Londres. Esta incapacidad se extendía también a las secuencias motoras (musculares), que hacen posible la emisión de diferentes sonidos, lo que provocaba dificultades para cerrar los labios, abrir la boca, y mover la lengua. Por medio del scanner cerebral, Varghan Khaden identificó en estos pacientes un defecto que se ubicaba en el ganglio basal (fig. 3), región que se interconecta con el centro del lenguaje y con los movimientos musculares necesarios para ello. El gene mutante estaría ubicado en el cromosoma 7.

El niño que no pertenecía a la familia, pero que padecía de los mismos síntomas, no tenía la misma mutación, pero mostraba en cambio que el mismo trozo del cromosoma 7, se había cambiado de lugar a un segmente del cromosoma 5.

Mas recientemente el genetista Savante Pääbo del Instituto Max Plank, en Alemania y Phillip Lieberman pudieron reconstituir la historia evolutiva de este gene (Science vol.297, Agosto 16, 2002, p 1105). Para ello, lo secuenciaron en diferentes primates (chimpancés, gorilas, orangutanes y macacus), y también en ratas, comprobando que en todos codifica una proteína de 715 aminoácidos. Comparando la secuencia de aminoácidos, concluyeron que los principales cambios habrían ocurrido en el linaje humano, hace aproximadamente 200.000 años y que estos se habrían llegado a fijar (extender) en el 95% de la población, no hace más de 120.000 años. Pero contrariamente a todo lo que se ha especulado, la mutación del gene descrito en la familia inglesa, no coincidía con lo que se observó en el mismo gene en el chimpancé. Por el contrario, ella correspondía a una nueva mutación. En todo caso, el chimpancé, la rata y muchas otras especies tienen una versión del FOXP2 que es notablemente similar a la versión de los humanos (Nature, 418, p 869).

Habría sido muy interesante colocar la versión mutada humana del gene FOXP2 en el embrión del chimpancé y ver si con ello mejoran sus posibilidades de hablar, pero ello no se podía hacer por razones técnicas y éticas. Con todo este se incorporó en el embrión de la rata y observaron que mas tarde, esta en la edad adulta, emitía ruidos con menores tonos, lo que registraron mediante el ultrasonido. Pero estos cambios fueron menos relevantes que los observaron en esas ratas. Pudieron ver cambios en las estructuras y comportamiento de las neuronas de los circuitos ganglionares del área córtico-basal (Neuroscience, vol 175, p75), que se sabe está comprometida en el aprendizaje de nuevas tareas mentales.

Con todas, a pesar de las limitaciones para poder demostrar la importancia de las mutaciones del gene FOXP2, este constituye el mejor ejemplo de la evolución del cerebro humano debido a mutaciones genéticas.

Cambios genéticos en la destreza de la mano y la anatomía del cuello y piernas.

Pero la diferenciación humana de los grandes monos, no sólo requirió de mutaciones de genes que indujeran tan importantes cambios en la estructura y complejidad cerebral y que simultáneamente se acompañaran con el desarrollo del lenguaje, sino también fue necesario que se produjeran cambios que permitieran el desarrollo de destrezas manuales para poder manejar herramientas y también desplazarse erguido en dos piernas. Ello era necesario para que el Homo sapiens pudiera abastecerse de alimentos cuando cambiaron tan drásticamente las condiciones climáticas de su entorno, obligándolos a dejara los cómodos árboles y los alimentos fáciles. La mano y el pie de los grandes monos eran muy adecuados para vivir, desplazarse y alimentarse en los árboles, pero no para alimentarse en las estepas.

Las manos de los simios tenían una disposición anatómica del pulgar, respecto a los demás dedos de la mano o del pie, adecuados para agarrarse a las ramas, lo mismo que la anatomía de las piernas, pero no para manipular objetos. En la mano del Homo sapiens en cambio, se produjo una modificación anatómica fundamental, cual fue la oposición del pulgar frente a los otros cuatro dedos de la mano (fig 4). Con ello consiguió una pinza que le permitió desarrollar una gran destreza, haciendo posible un fuerte y preciso agarre de objetos, lo mismo que aprensiones más sutiles, lo que le confirió gran habilidad para alimentarse y poder utilizar herramientas (fig 5). Del mismo modo que se produjeron cambios en el cuello, las rodillas y tobillos (fig. 6), que le permitieron desplazarse rápidamente y recorrer largas distancias, caminando erguido en dos pies.

James Nooman y colaboradores de la Universidad de Yale, en el año 2008, pudieron identificar en el cromosoma 2, una región del DNA que llamaron HACNS1, el punto preciso donde se detectaron 16 mutaciones (Science, 321, p 1346). Lo curioso es que este no correspondía a un gene, sino a un trozo del denominado DNA basura, que estaba próximo a un gene. Según los descritos por los investigadores, corresponde a una secuencia relativamente corta de DNA, en la que se han producido 16 mutaciones diferentes, lo que llamaba mucho la atención dado que el genoma del chimpancé y el humano son extremadamente similares (99% de semejanza). Probablemente estas fueron produciéndose desde cuando el Homo sapiens comenzó a separase de los grandes monos (hace seis millones de años), cuando tuvo que descender de los árboles, adaptándose a vivir en las estepas.

La región HACNS1, no constituye un gene, sino que corresponde a una secuencia potenciadora de un gene, sobre el que estaría actuando como “interruptor genético”, ubicándose cerca del gene. Esta es la primera vez que se describe en humanos la existencia de un potenciador de genes específicos, ubicado en el DNA que no codifica. Ellos actuarían como un interruptor o estimulador genético durante la etapa embrionaria, según las circunstancias.

Para confirmar sus hallazgos, los autores, colocaron la región HACNS1 en embriones de ratas, comprobando posteriormente en ellas su activación en cambios observables en los pulgares de las mismas.

En resumen, estos han sido los hallazgos mas destacado de los últimos años, en que se relacionan mutaciones específicas de algunos genes de los grandes monos, con los cambios fenotípicos que hoy nos caracterizan. Sin duda que el futuro, la paleoantropología, continuará entregando más información, en la medida que se vayan individualizando nuevas mutaciones que permitan conocer con mayor precisión, la maravillosa dinámica del proceso evolutivo.

Para saber más: Clare Wilson, Lucky you. New Scientist, 9 de Junio 2012