Es fácil pensar desde el sentido común en la existencia de la trilogía “pasado, presente y futuro”, esta nos brinda una noción del tiempo que es posible aplicar a muchos sistemas. En biología, dado que la vida de un individuo está acotada a período definido de tiempo, esta tríada queda claramente marcada. Sin embargo, a la hora de buscar un reloj para cada uno de estos períodos veremos que la tarea no es sencilla, o al menos, que no podemos atravesar el tiempo con el mismo reloj.

La historia de la vida sobre la tierra tiene algo así como 3600 millones de años, cuando se registran los primeros fósiles de células primitivas. Las células eucariotas habrían aparecido hace 1600 millones de años y  800 millones de años después los primeros organismos pluricelulares. Tomando esto como referencia vemos que la escala del reloj necesario para medir esta etapa debería estar graduada en millones de años.

Sin embargo nuestra percepción del tiempo está mucho más fuertemente ligada a lo que ocurre en una escala diaria, condicionada por el tiempo astronómico. Esta noción del tiempo es eminentemente cíclica y se manifiesta por ciclos regulares de luz y oscuridad. Los ciclos condicionan las actividades biológicas y determinan los ritmos circadianos, cuyo orden de magnitud puede medirse en horas.

Finalmente, y muy lejos de nuestra percepción cotidiana, podemos considerar una escala de tiempo celular que fue analizada en un artículo anterior de Divulgón (Envejecimiento Celular, Septiembre 2003), allí vimos como la longitud los telómeros puede funcionar como un contador del número de divisiones celulares.

Así, podríamos definir 3 relojes biológicos: uno molecular, que nos permite medir el tiempo pasado, del que nos ocuparemos en este artículo; otro fisiológico, marcado por los ritmos circadianos, que funciona día a día y finalmente, uno celular que mide en la longitud de los telómeros el tiempo que resta para la muerte celular.

Nuestros antepasados y los cambios

Las especies presentes hoy en la tierra provienen de otras que existieron en el pasado. La evolución biológica ha conducido este proceso de transformación en el que la mayoría de las especies se han extinguido y han dado lugar a la aparición de otras, con diferencias a veces sutiles y otras sustanciales a ellas mismas. Esta idea de la evolución permite pensar que en algún momento, hace algo así como 5 millones de años, existió un antepasado común entre nosotros y un chimpancé. También debe de haber existido un antepasado común entre nosotros y las bacterias, claro que esto debió ser hace algo así como 3000 millones de años, ¿Cómo podemos medir estos tiempos? El hecho que todos los organismos estudiados compartan un mismo material genético, el ADN, apoya fuertemente la existencia de un origen común para los seres vivos y brinda una clave para medir el tiempo desde los orígenes de la vida hasta nuestro días.

Las mutaciones

Si tratamos de definir cual es mecanismo por el que opera la evolución no cabe dudas de que se trata la variación genética, cuya fuente principal son las mutaciones. Un análisis detallado de este tema se puede hallar en el artículo ¿Qué son las mutaciones? de este número de Divulgón, una definición podría ser: cambios estables y heredables en la secuencia de un gen.

Las mutaciones no poseen en si mismas una dirección positiva o negativa, son cambios al azar en la secuencia de ADN. Son la “selección natural” o la “deriva génica” las responsables de que los cambios sean establecidos en la población, que pasen inadvertidos o que sean descartados. Cuando las mutaciones resultan en una actividad biológica que hace que el individuo aproveche mejor las características del medio donde se encuentra, éste gana espacio en el nicho ecológico y genera más descendencia. Así, la frecuencia de este tipo de mutaciones está afectada por las características del medio. Lo mismo ocurre con las mutaciones desfavorables cuando como resultado se obtiene la pérdida de una actividad.

Pero veamos que es lo que pasa con las mutaciones que no pertenecen a ninguno de estos grupos. Existen mutaciones en la secuencia de ADN que introducen cambios conservativos en las proteínas, es decir que el aminoácido cambiado no modifica la actividad biológica. Más aún, algunas mutaciones no modifican la secuencia de la proteína u ocurren en regiones que no codifican para proteínas. No es de esperar que la selección natural opere favorable o desfavorablemente en ninguna de estas situaciones, ya que no se manifiestan en un cambio en las capacidades biológicas del individuo. En estos casos, la presencia de las mutaciones en los genomas de distintas especies sería atribuible solamente a la tasa de mutaciones. Esto es lo que observó Kimura y propuso la existencia de un reloj molecular basado en la presencia de mutaciones selectivamente neutras.

El reloj molecular de Kimura

Si analizamos una proteína cuya función se haya mantenido constante a lo largo de la evolución entre distintas especies y comparamos la secuencia de aminoácidos de que está compuesta, veremos que existe una relación lineal entre la cantidad de cambios de aminoácidos de las parejas de especies y su tiempo de divergencia desde un antepasado común (ver figura 2). Esto permite pensar que para una proteína la tasa de sustitución (cantidad de cambios por residuo aminoacídico por unidad de tiempo) es constante. Si analizamos los cambios ya no a nivel de la secuencia de las proteínas sino del gen que la codifica, el reloj es mucho más preciso y permite plantear un tratamiento matemático simple:

Supongamos una población de N individuos con una frecuencia de mutaciones v por unidad de tiempo, la probabilidad de que aparezcan mutaciones en la población es M=2Nv (el factor 2 aparece suponiendo una población diploide, es decir con 2 juegos de cromosomas).

Ahora bien, la probabilidad de que esa mutación permanezca en la población (sea fijada) depende de si es favorable, desfavorable o neutra, este hecho puede representarse por un factor selectivo que podemos denominar s. Entonces, la frecuencia de una mutación presente en una población resulta M=2Nvs. Pero si la mutación es neutra s=1/2N, ya que depende sólo de cuestiones probabilísticas y no selectivas y entonces, vemos M=v. Es decir, la presencia de mutaciones neutras en una población depende solo de la frecuencia con que aparecen las mutaciones, lo que puede considerarse constante para un gen determinado.

Dado que la frecuencia con que aparecen las mutaciones puede considerarse constante para un gen en particular podemos tomar el número de cambios neutros como una medida del tiempo transcurrido desde que dos especies se han separado evolutivamente y utilizarlo como reloj para medir el tiempo pasado.