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From cooperation to predation: the evolutionary origins of phagocytosis

Utilizando un marco de sistemas dinámicos, este artículo demuestra que la fagocitosis puede evolucionar a partir de una comunidad microbiana cooperativa y coexistir con sus miembros originales, conduciendo finalmente a un ecosistema estable que comprende dos cooperadores y un depredador puro.

Autores originales: Solowiej-Wedderburn, J., Leimar, A., Kempes, C., Okie, J. G., Libby, E.

Publicado 2026-10-09

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CC BY 4.0

Autores originales: Solowiej-Wedderburn, J., Leimar, A., Kempes, C., Okie, J. G., Libby, E.

Artículo original bajo licencia CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). ⚕️ Esta es una explicación generada por IA de un preprint que no ha sido revisado por pares. No es consejo médico. No tome decisiones de salud basándose en este contenido. Leer descargo de responsabilidad completo

La historia de cómo comenzó la vida compleja es uno de los capítulos más profundos de la biología. Durante miles de millones de años, la vida en la Tierra consistió en organismos unicelulares simples que flotaban en el agua, alimentándose de nutrientes disueltos. Entonces, algo extraordinario sucedió: una célula aprendió a tragar a otra. Este acto, conocido como fagocitosis, es el equivalente biológico de una boca. Es la capacidad de engullir una célula entera, una hazaña que requiere un esqueleto interno flexible y una maquinaria compleja que las bacterias simples no poseen. Este evento fue la puerta de entrada a la evolución de los eucariotas, el grupo de organismos que incluye a plantas, animales y hongos. En muchas historias famosas de esta transición, la célula tragada no fue comida, sino que se convirtió en un huésped permanente y útil, evolucionando eventualmente en las mitocondrias que alimentan nuestras células hoy en día. Esto sugiere un comienzo amistoso, una asociación entre dos extraños. Pero para que esta asociación se formara, la célula huésped primero necesitaba la capacidad de atrapar al huésped. Esto crea una paradoja: si el huésped y el invitado ya eran amigos, ¿por qué uno evolucionaría para comer al otro? Si fueran enemigos, el huésped simplemente podría digerir al invitado y perder la oportunidad de una asociación. Los científicos se han preguntado durante mucho tiempo qué condiciones podrían hacer posible la evolución de esta capacidad de "comer", especialmente si las dos células comenzaron como vecinas cooperativas.

Un equipo de investigadores se propuso resolver este enigma construyendo un modelo matemático de un mundo microscópico. Imaginaron un ecosistema simple que contenía dos tipos de bacterias viviendo juntas en un entorno compartido. En esta configuración, las dos especies estaban atrapadas en una danza estrecha y cooperativa. Una especie consumía un nutriente y producía un producto de desecho que era, en realidad, tóxico para sí misma, lo que ralentizaba su propio crecimiento. La segunda especie, sin embargo, podía comer ese desecho tóxico, usándolo como alimento para crecer. Al limpiar los desechos, la segunda especie ayudaba a la primera a sobrevivir y prosperar, mientras que la primera proporcionaba el alimento que la segunda necesitaba. Eran mutuamente dependientes, creciendo mejor juntas de lo que podrían hacerlo solas. Los investigadores plantearon entonces una pregunta sencilla: ¿qué sucede si aparece un mutante en esta comunidad que puede comerse a la segunda especie? Introdujeron una nueva y rara variante de la primera especie que había desarrollado la capacidad de tragar a su socia cooperativa. Este mutante era una mezcla de comportamientos; aún podía comer el nutriente original como sus ancestros, pero también podía cazar y consumir a la segunda especie para obtener energía adicional.

Los investigadores realizaron simulaciones para ver cómo le iría a este nuevo depredador. Descubrieron que el mutante podía invadir con éxito la comunidad cooperativa, pero el resultado dependía en gran medida de cuánto dependiera de la caza frente a su dieta original. Si el mutante era un cazador puro, que comía únicamente la segunda especie, podía coexistir pacíficamente con los dos cooperadores originales. La comunidad se asentaba en un estado estable donde los tres tipos vivían juntos. Sin embargo, si el mutante era solo un cazador débil, que dependía principalmente de su antigua dieta, terminaría compitiendo directamente con la especie original por el mismo alimento. En este caso, el mutante superaría y reemplazaría a la especie original, llevándola a la extinción. El estudio reveló un umbral crítico: el depredador tenía que estar lo suficientemente especializado en su caza para evitar la competencia directa con su ancestro. Cuando los investigadores añadieron un costo biológico realista al comportamiento del mutante —específicamente, la energía requerida para cambiar entre comer nutrientes y cazar presas—, los resultados se volvieron aún más claros. El sistema evolucionó naturalmente hacia una comunidad de especialistas. Los cooperadores originales permanecieron, pero los mutantes de habilidades mixtas fueron desplazados, reemplazados por un depredador puro que no hacía nada más que cazar.

Este trabajo sugiere que la capacidad de comer otras células no requería necesariamente un conflicto preexistente o un entorno hostil. En cambio, pudo haber surgido de una comunidad pacífica y cooperativa, siempre que la presa fuera lo suficientemente abundante como para sustentar a un nuevo depredador. El modelo muestra que una especie depredadora puede evolucionar junto a sus ancestros cooperativos sin destruir todo el sistema. De hecho, la presencia del depredador a veces puede ayudar a los cooperadores originales al mantener la población de la segunda especie bajo control, evitando que consuma demasiado los recursos. Los investigadores descubrieron que una vez que un depredador especializado se establecía, el camino evolutivo para la comunidad cambiaba. El sistema se volvía estable y ningún nuevo mutante "aprendiz de todo" podía invadirlo. La comunidad se dividió en roles distintos: dos especies que trabajaban juntas y una que las cazaba. Esta separación de roles, donde cada especie se especializa en una forma de vida específica, podría explicar por qué raramente vemos células que sean tanto cooperativas como depredadoras en el mundo moderno. La evolución de la fagocitosis, el acto mismo que permitió que la vida compleja comenzara, pudo haber empezado no con una batalla, sino con un cambio en un vecindario amistoso, donde un nuevo vecino aprendió a comer y, al hacerlo, cambió las reglas de la vida para siempre.

Resumen Técnico: De la cooperación a la depredación: Los orígenes evolutivos de la fagocitosis

Planteamiento del problema
Se considera ampliamente que el origen de los eucariotas es una transición evolutiva mayor, a menudo vinculada a la endosimbiosis entre un huésped arqueano y un ancestro de las alfaproteobacterias (la mitocondria). Un prerrequisito crítico para este evento es la evolución de la fagocitosis —la capacidad de una célula para engullir a otra—. Sin embargo, la evolución de la fagocitosis presenta una paradoja: si bien la depredación ofrece beneficios claros en entornos competitivos (adquisición de recursos y eliminación de competidores), no está claro cómo un rasgo así podría evolucionar a partir de una comunidad cooperativa. Si la relación ancestral era mutuamente beneficiosa (sintrofía), consumir al compañero sería aparentemente maladaptativo. Además, la rareza de la fagocitosis en los procariotas actuales sugiere barreras significativas para su aparición. Este artículo investiga las condiciones ecológicas y evolutivas bajo las cuales un fenotipo depredador (fagocitosis) puede evolucionar de un sistema cooperativo y si tal depredador puede coexistir con su comunidad cooperativa ancestral.

Metodología
Los autores emplean un marco de sistemas dinámicos combinado con dinámica adaptativa y análisis de invasión para modelar las interacciones microbianas.

Modelo Cooperativo Base: El sistema comienza con dos especies, $X$ e $Y$ , en un quimiostato bien mezclado.
- La especie $X$ consume el recurso $R_X$ y produce un subproducto de desecho $B$ .
- $B$ actúa como un inhibidor para $X$ al unirse a $R_X$ para formar un compuesto no comestible $R^\circ_X$ .
- La especie $Y$ consume $R_Y$ , pero también utiliza $B$ como un recurso.
- Esto crea un bucle sintrófico: $Y$ se beneficia del desecho de $X$ , y $X$ se beneficia de la eliminación del inhibidor $B$ por parte de $Y$ .
- El sistema se modela utilizando un conjunto de ecuaciones diferenciales ordinarias (EDO) que describen el flujo de recursos, el consumo, la producción de desechos y el crecimiento poblacional.
Análisis de Invasión: Los autores introducen una especie mutante, $X_M$ , derivada de $X$ , que exhibe una estrategia mixotrófica.
- $X_M$ conserva la capacidad ancestral de consumir $R_X$ , pero también gana la capacidad de depredar a $Y$ mediante la fagocitosis.
- La estrategia se define por una fracción de depredación $p \in [0, 1]$ . Si $p=1$ , el mutante es un depredador puro; si $p=0$ , se comporta exactamente como el ancestro $X$ .
- Los criterios de invasión se determinan calculando la tasa de crecimiento inicial ( $\lambda$ ) de una pequeña población mutante introducida en el estado estacionario del sistema cooperativo.
Dinámica Evolutiva: El estudio rastrea la respuesta del sistema a invasiones secuenciales:
- Evolución de la presa: La respuesta de la especie $Y$ a la presión de depredación (específicamente cambios en su eficiencia para consumir $B$ ).
- Saturación del depredador: El potencial para que mutantes subsiguientes con diferentes fracciones de depredación ( $p_2, p_3, \dots$ ) invadan una comunidad establecida.
- Costes de cambio: Para abordar el realismo biológico, se impone un coste ( $s$ ) a los mixótrofos que cambian entre estrategias de alimentación (consumir $R_X$ vs. depredación). Esto distingue a los especialistas puros (tanto $X$ como el depredador puro $X_P$ ) de los mixótrofos generalistas ( $X_S$ ).

Contribuciones Clave y Resultados

Independencia de la Invasión respecto a la Estrategia: El análisis revela que el éxito de un mutante depredador que invade una comunidad cooperativa es independiente de su fracción de depredación $p$ . La condición de invasión depende únicamente de la abundancia de la presa ( $Y$ ) y del beneficio de crecimiento derivado de la depredación ( $k_M$ ). Si la población de la presa es suficientemente grande, cualquier mutante con $p > 0$ puede invadir.
Umbral Crítico para la Coexistencia: Aunque la invasión es posible para cualquier $p$ $p$ , el resultado de la invasión depende de un umbral crítico, $p_{crit}$ $p_{cr i t}$ .
- Si $p < p_{crit}$ , el mutante desplaza a la especie ancestral $X$ en la competencia por el recurso compartido $R_X$ , llevando a $X$ a la extinción.
- Si $p > p_{crit}$ , el mutante coexiste con tanto $X$ como con $Y$ . Notablemente, un depredador puro ( $p=1$ ) siempre puede coexistir con el par cooperativo.
Saturación Ecológica y Neutralidad: En ausencia de costes de cambio, el sistema tiende hacia un estado de tres especies coexistentes (dos cooperadores y un depredador, o múltiples variantes de depredadores). Sin embargo, una vez que tres especies coexisten, el nicho ecológico se satura. Los mutantes subsiguientes con diferentes fracciones de depredación entran con una tasa de crecimiento de cero ( $\lambda = 0$ ), lo que conduce a la neutralidad evolutiva. La composición de la comunidad no es única; múltiples estrategias mixotróficas pueden teóricamente coexistir.
Estabilización mediante Costes de Cambio: Cuando se impone un coste metabólico ( $s$ $s$ ) a la capacidad de cambiar entre modos de alimentación, la neutralidad evolutiva se elimina.
- Los mixótrofos ( $X_S$ ) son menos aptos que los especialistas.
- El sistema evoluciona hacia una comunidad única, evolutivamente estable (ESS), que consiste en tres especies especialistas: el cooperador original $X$ , el cooperador $Y$ y un depredador puro $X_P$ .
- En este estado estable, ningún otro mutante mixotrófico puede invadir, separando efectivamente las trayectorias evolutivas en distintos niveles tróficos.

Significado y Reivindicaciones
El artículo afirma demostrar que la fagocitosis puede evolucionar a partir de una comunidad cooperativa sin requerir una relación antagónica previa. Los autores argumentan que:

La cooperación como precursor: Una ecología cooperativa puede proporcionar la abundancia de presas necesaria para sustentar la evolución de la depredación, desafiando la noción de que la depredación debe evolucionar únicamente a partir de la competencia.
Coexistencia: El depredador resultante no necesariamente desplaza a la comunidad cooperativa; en su lugar, puede coexistir de forma estable con los cooperadores ancestrales, formando una comunidad de tres especies.
Especialización: La introducción de costes de cambio resuelve el problema de la neutralidad evolutiva, prediciendo una estructura de comunidad estable de especialistas. Esto ofrece una posible explicación para la rareza de la fagocitosis en los procariotas actuales: una vez que un depredador especializado se establece, la presión selectiva para mantener o evolucionar estrategias mixotróficas (de doble alimentación) disminuye, encajando a las especies en nichos ecológicos distintos.

Los autores mantienen un tono modesto, reconociendo que su modelo es una simplificación de la compleja historia evolutiva y que las restricciones físicas (maquinaria del citoesqueleto) y otros factores ecológicos (digestión externa, bienes públicos) también desempeñan papeles críticos. Sin embargo, el trabajo proporciona una base teórica sobre cómo podría ocurrir la transición de la cooperación a la depredación, facilitando potencialmente las condiciones necesarias para los eventos endosimbióticos que dieron lugar a los eucariotas.

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