Complejidad en biología - Ester Lázaro

La materia viva se organiza en diferentes niveles de complejidad creciente: moléculas, macromoléculas, células, tejidos, órganos, sistemas de órganos, organismos, ecosistemas y finalmente la biosfera. En cada uno de esos niveles la interacción entre sus componentes conduce a la generación de información adicional, la cual se manifiesta en la emergencia de nuevas propiedades, no deducibles del análisis de los elementos del nivel inferior. Así, la función de una proteína no está determinada únicamente por su secuencia de aminoácidos, o el funcionamiento de un organismo no puede estudiarse simplemente analizando los tipos
de células que lo componen. Desde esta perspectiva, la vida debería ser estudiada como un conjunto de redes (genéticas, metabólicas, ecológicas, etc.) que se relacionan entre ellas y también con el ambiente externo. Cualquier pequeña perturbación de los elementos que interaccionan en estas redes, o del ambiente en el que están inmersas, puede tener consecuencias impredecibles. Ahora sabemos que somos mucho más que nuestros genomas y los estudios sobre epigenética muestran que el ambiente nos moldea mucho más allá de lo que imaginábamos. En esta charla profundizaremos en estos conceptos, intentando mostrar que, a pesar de su utilidad en épocas pasadas, los biólogos deben abandonar el reduccionismo y el determinismo para así poder seguir avanzando en el conocimiento de la vida. 


1. Complejidad en Biología
Ester Lázaro Lázaro
16-05-2016 Curso de Iniciación a los sistemas
complejos (Fundacion Sicomoro-Complejimad)
[email protected]

2. La vida puede adoptar una gran diversidad de formas

3. a) Dendritas de una neurona
b) Ramas de un árbol
c) Ramificaciones de los bronquios
d) Árbol filogenético
e) Red fluvial
f) Capilares sanguíneos
g) Axón de una neura
h) Relámpago
Velázquez et al (2009) J Biol Phys 35:209-221

4. Propiedades fundamentales de la vida (I): metabolismo
Energía y materia del
medio externo
Energía y materia
utilizable por los
organismos vivos
Metabolismo

5. La información genética se almacena
en la secuencia de nucleótidos de la
molécula de ADN
TC GATA GT TAAC
AT GC
Propiedades fundamentales de la vida (II): Capacidad para
almacenar y transmitir información

6. Las funciones celulares son ejecutadas por las proteínas
Proteínas enzimáticas capaces de catalizar las
reacciones del metabolismo

Proteínas reguladoras: Decidir qué reacciones y
procesos deben tener lugar en momentos concretos
Están formadas por una sucesión de aminoácidos, que
pueden ser de 20 tipos diferentes

7. Es necesario que haya un sistema que traduzca la información almacenada
en la secuencia de nucleótidos del ADN en información almacenada en la
secuencia de aminoácidos de las proteínas.
TC GATA GT TAAC TG CAAC
Traducción
Cada combinación de 3 nucleótidos da lugar a un aminoácido diferente Código genético
CTA
TGA
TAC

8. El DNA tiene que ser copiado
Replicación
La información tiene que poder ser transmitida a las
siguientes generaciones

9. Poblaciones
heterogéneas
Mutaciones
Selección natural
Evolución
Propiedades fundamentales de la vida (III): Capacidad de adaptación
ATCGGCATCAGGTC
Durante la copia de la molécula de ADN
pueden producirse errores
ATCCGCATCAGGTC
ATCGGCATCATGTC
ATAGGCATCAGGTC
ATCGGCACCAGGTC

10. Sistema complejo adaptativo capaz de almacenar y transmitir la
información necesaria para automantenerse mediante el intercambio
de materia y energía con el medio externo
21 órdenes de magnitud en masa
La vida es el sistema más complejo y diverso del Universo:
27 órdenes de magnitud en masa

11. Sistemas complejos
Organización jerárquica en diferentes niveles
Cada nuevo nivel está formado por unidades del nivel inferior que
interaccionan entre ellas
Como resultado de la interacción entre componentes, emergen nuevas
propiedades que no pueden ser deducidas de las propiedades de los
componentes aislados
Propiedades emergentes

12. Organización jerárquica de la vida en diferentes niveles
Cada uno de los niveles está
formado por la integración de
unidades del nivel inferior
Macromoléculas
Orgánulos

13. Propiedades emergentes: de moléculas a macromoléculas
aminoácido
proteínas
Catálisis de la reacciones
metabólicas
Defensa
Regulación
Nucleótidos
DNA
Almacenamiento y
transmisión de la
información

14. Propiedades emergentes: de macromoléculas a organelos
Fosfolípidos Membranas celulares: separación del medio externo
Proteínas + RNA
Ribosoma
Síntesis de proteínas

15. Vida
Metabolismo
Almacenaje y procesamiento de la información
Adaptación
Propiedades emergentes: de organelos a la célula

16. Diferenciación
celular
Tejido nervioso
Tejido muscular
Tejido óseo
Elaboración de
respuestas
Movimiento
Movimiento
De células a tejidos, órganos
y sistemas de órganos
Comunicación
División del trabajo
Cooperación

17. La integración de todas las funciones realizadas por los órganos y
sistemas de órganos lleva a la aparición de organismos
Toma de decisiones
Desplazamiento
Pensamiento

18. Comunicación
División de trabajo
Cooperación
Cadenas tróficas
Ecosistemas
Poblaciones

19. El flujo de energía en la biosfera
Metabolismo a nivel planetario

20. Nivel microscópico
Nivel macroscópico
Aumento de las
interacciones
perturbación
Amplificación de
la perturbación o
efecto mariposa
Cambio a escala global

21. ¿A qué nos referimos cuando hablamos de complejidad de la vida?
Complejidad morfológica
Complejidad de comportamiento
Complejidad funcional
Variedad de tipos celulares
La cantidad de información

22. Cantidad de información
Tamaño del genoma
Número de genes
Relación tamaño genómico y número
de genes

23. Número de genes
A. Thaliana

24. Son responsables de la diferenciación celular y de los
diferentes estados en los que puede existir una célula en
respuesta a factores externos
Redes de interacción entre genes
Los genes interaccionan unos con otros a través de los
factores de transcripción.
Las redes de células diferentes están conectadas a través
de procesos de señalización
Los factores de transcripción son proteínas que
hacen que unos genes se expresen y otros no

25. Para todas las familias de factores de transcripción, sus miembros incrementan
en número con el grado de complejidad
La diversidad de tipos celulares aumenta
en el mismo orden
Tupler et al (2001) Nature 409:832

26. Red de interacciones genéticas de S. cerevisiae
La red está en cambio constante
debido a los cambios ambientales
Conectividad de la red: número
de links que existen/Número de
links posibles
Costanzo et al. 2010. Science 327:425–431.

27. Red de interacciones entre proteínas
Un mismo gen puede dar
lugar a proteínas diferentes
El número de proteínas
puede ser un buen
indicador del grado de
complejidad de una célula
o un organismo
Arabidopsis Interactome Mapping Consortium. 2011. Evidence for network evolution in an Arabidopsis interactome map. Science. 6042:601-607

28. Interacciones entre células (neuronas) en el sistema nervioso
Complejidad a nivel de tejido
Pensamiento, movimiento, sensaciones, cambios en el estado celular

29. Macromoléculas Organismos
unicelulares
Organismos
pluricelulares
Ecosistemas
Evolución de la complejidad a lo largo de la evolución
¿Confiere la complejidad una ventaja evolutiva?
Cuanto más complejo es un sistema más sensible es a perturbaciones
Complejidad

30. Comunicación entre bacterias
División del trabajo
Cooperación
Comportamiento altruista

31. Comunicación química entre bacterias
Liberación de moléculas
señalizadoras
Interacción con receptores
de membrana
Activación génica

32. Formación de biofilms
Estructuras complejas formadas por bacterias y una matriz extracelular
Pueden incluir una sola especie bacteriana o varias que se
complementan metabólicamente: División de trabajo y cooperación
Proporcionan protección y una mejor distribución de los nutrientes

33. Comportamiento altruista en bacterias
Escasez de nutrientes
Bacterias competidoras
Infección por fagos

34. Complejidad en las poblaciones virales
Luring et al 2013. Nat Rev Microbiol 11(5):327-36.

35. Comportamiento cooperativo en virus
PLoS Pathog. 2010 Jul; 6(7): e1001005.

36. Redes fractales en biología

37. Todos los organismos dependen para su mantenimiento y reproducción de la integración de
numerosas unidades (moléculas, organelos, células…) que deben tener acceso a los sustratos
metabólicos, adecuada retirada de los productos de desecho y las moléculas reguladoras.
Tienen que existir redes de difusión de la energía y materiales entre reservorios macroscópicos
y microscópicos
La funcionalidad de la red se maximiza minimizando la energía y otras variables necesarias para
la distribución de los recursos
Estas redes son el resultado de la selección natural

38. Y = Y
0
M
b
b

Leyes de escala en biología
b = 3/4

39. Núñez et al 2009. LATJE 4:118-126

40. Núñez et al 2009. LATJE 4:118-126

41. Aparición de cantidades invariantes
Núñez et al 2009. LATJE 4:118-126

42. Invarianza en ecología
b=-3/4
Enquist and Niklas (2001) Nature 410:655-660

43. ¿Estas leyes de escala y las cantidades invariantes asociadas con ellas son una casualidad?
La universalidad del exponente ¼ puede reflejar los principios universales que determinan
como está organizada la vida y las restricciones para su evolución
Cada organismo individual, cada especie biológica y cada comunidad ecológica son
únicos, con diferencias que incluyen el genoma, las condiciones ambientales y la
historia evolutiva.
Las leyes de escala reflejan hechos y principios generales que son independientes de la
estructura detallada, la dinámica y otras características de cada sistema individual
La existencia de estas leyes de escala implica la existencia de poderosas restricciones
en todos los niveles de la organización biológica

44. Cultured cells
in vitro, BMb
0
Cells in vivo, BMb
–1/4
log(mass of organism)
log(power per cell)
¿Qué sucedería si las células de un organismo se liberaran de las restricciones impuestas por la
estructura de los niveles superiores?
West and Brown (2005) J Exp Biol 208:1575-1592

45. Muchas gracias!!