Avanzando en la evolución Understand article

Traducido por Maialen Ruiz Prada. Lucy Patterson habla con Èlia Benito Gutierrez, del Laboratorio Europeo de Biología Molecular (the European Molecular Biology Laboratory) en Heidelberg, Alemania, sobre cómo el anfioxo, el animal favorito de Èlia, podría ser la clave para entender la…

En el laboratorio, Èlia utiliza
microscopios de alta potencia
para observar de cerca el
cerebro en desarrollo de los
anfioxos

Imagen cortesía de EMBL
Photolab

Los anfioxos, unas criaturas similares a gusanos, filtran el plancton de las olas enterrados hasta las branquias en fondos marinos costeros a lo largo de todo el mundo. Esto viene siendo así desde hace mucho tiempo. Día tras día, a lo largo de más de 520 millones de años, los anfioxos (o algo muy parecido a ellos) se han alimentado mediante filtración mientras el mundo cambiaba a su alrededor. Los peces se arrastraron hasta la tierra, los dinosaurios hicieron retumbar las llanuras, los primeros humanos entrechocaron pedernales para hacer fuego y, mientras ocurría todo eso, los anfioxos estaban allí. Si tienes la oportunidad de hacer esnórquel, búscalos. Puede que no parezcan muy dinámicos, pero esas criaturas han fascinado a naturalistas y científicos desde mediados del siglo XIX, incluyendo a Èlia Benito Gutierrez.

Su interés por los anfioxos se despertó en la asignatura de zoología de primero en la Universitat de Barcelonaw1, España. “El anfioxo era aquel extraño animal parecido a un gusano que solía mencionarse al final de la lista de los invertebrados, justo antes de los vertebrados”, recuerda. Desde el gran descubrimiento de Charles Darwin hace 150 años, muchos han considerado a los anfioxos como la clave para entender el origen de los vertebrados, que son el grupo de animales con columna vertebral que incluye a los peces, anfibios, reptiles, pájaros y mamíferos, y entre estos últimos a nosotros, por supuesto. La constante curiosidad de Èlia la llevó, después de un doctorado en Barcelona y un puesto como investigadora en Londres, Reino Unido, al Laboratorio Europeo de Biología Molecular (the European Molecular Biology Laboratory, EMBL)w2 en Heidelberg, Alemania, y a iniciar un proyecto sobre los anfioxos.

El proyecto de Èlia se enmarca dentro de la aún relativamente nueva ciencia “evo-devo”, que es el estudio combinado de la evolución (“evo”) y el desarrollo (“devo”, que viene de “development” en inglés). Los científicos cada vez son más conscientes de que las complejidades del desarrollo (la manera en la que un único óvulo fertilizado da lugar a tal cantidad de diversidad de células y tejidos en los adultos) han tenido un gran impacto en el curso de la evolución.

En vez de reinventar la rueda cada vez, las nuevas especies surgen mediante cambios y ajustes en los planes de desarrollo preexistentes. Cuanto antes se produzcan esos ajustes, más drásticos serán los cambios resultantes. Los ajustes tardíos, al producir cambios más sutiles, eran menos susceptibles de causar grandes desventajas y se vieron favorecidos por ello. Esto tiene implicaciones emocionantes: cuanto más atrás miramos en el desarrollo, más similares somos a nuestros ancestros evolutivos. Por ejemplo, ¿sabías que, como embriones, pasamos por una etapa en la que empezamos a desarrollar agallas como nuestros predecesores ictícolas? Al igual que los embriones de pez, desarrollamos “arcos faríngeos”: seis bolsas carnosas a ambos lados del cuello, que contienen una vara de cartílago cada una. Debido a adaptaciones evolutivas posteriores a nuestro pasado acuático estos arcos se reasimilan en la mandíbula en desarrollo y en los huesecillos del oído medio.

Los anfioxos forman parte de un grupo muy selecto: las criaturas a las que Darwin denominó “fósiles vivientes”, esto es, especies que están vivas hoy en día pero que siguen siendo notablemente similares a sus primitivos ancestros fosilizados. Estas criaturas tienen un gran valor para los científicos dedicados a la ciencia “evo-devo”. Otras criaturas de este tipo son los cocodrilos y los coelacantos, unos peces grandes y de apariencia primitiva que se creían extintos hasta que se descubrió un ejemplar vivo en 1938. A lo largo de milenios, la Tierra ha sido testigo de enormes cambios medioambientales, que fomentaron la evolución de nuevas especies y provocaron la extinción de otras. De hecho, se calcula que el 99,9% de todas las especies que alguna vez vivieron están ahora extinguidas.

Anfioxos
Imagen cortesía de Èlia Benito
Gutierrez

No obstante, estas “especies fósiles” han sobrevivido y no parecen haber cambiado mucho. Aunque pueda parecer que esas criaturas se han quedado estancadas en un bucle del tiempo evolutivo, de hecho su ADN ha estado sujeto a tantas mutaciones como el del resto de especies. Sin embargo, por alguna razón, las mutaciones que causaban cambios en la forma del cuerpo nunca fueron particularmente ventajosas en su caso. En lo que al anfioxo se refiere, al tratarse de una criatura versátil que se encuentra cómoda en muchos tipos de lechos marinos arenosos o pedregosos y tanto en agua templada como fría, quizá el modo de vida filtrador que comparte con sus ancestros nunca haya estado realmente amenazado a lo largo de más de 520 millones de años.

No obstante, lo que más entusiasma a los admiradores de los anfioxos es la posición de su ancestro primitivo en el árbol evolutivo. Como explica Èlia, “lo realmente interesante es que el ancestro primitivo que le corresponde al anfioxo era una especie de vertebrado minimalista o ‘primigenio’”. Aunque oficialmente son invertebrados, los anfioxos tienen mucho en común con los vertebrados. Tienen un cordón nervioso hueco a lo largo de su lomo, como nuestra médula espinal, y al lado de éste una notocorda, una vara dura aunque flexible que soporta el cuerpo, sirviendo como una especie de columna vertebral primitiva. En la etapa embrionaria nosotros también tenemos notocorda, un vestigio de nuestro pasado invertebrado, pero al igual que los arcos faríngeos, la nuestra se destruye y se reutiliza para formar los discos que se ubican entre las vértebras. “Al ser el pariente vivo más cercano del ancestro de todos los vertebrados, el anfioxo nos da una excepcional pista sobre el aspecto que podrían haber tenido nuestros ancestros evolutivos”, dice Èlia. Y realmente, las posibilidades de que estas especies fósiles tan importantes evolutivamente hablando estén vivas hoy en día, deben ser muy escasas.

Así pues, ¿cómo evolucionaron los vertebrados a partir de aquellos ancestros parecidos a los anfioxos? Por supuesto, la evolución de los cartílagos y los huesos fue muy importante, pero la transición de invertebrados a vertebrados supuso mucho más que una columna. También fue una cuestión de estilo de vida, particularmente en lo que a la alimentación se refiere. Mientras algunas criaturas como los anfioxos permanecían en el lecho marino, esperando a que la comida viniera a ellos, los primeros vertebrados desarrollaron una nueva estrategia: la depredación. Empezaron a desarrollar medios para buscar comida de forma activa, lo que a su vez requirió un completo conjunto de innovaciones, partes del cuerpo y habilidades novedosas. La clave en ese aspecto fue el desarrollo de una nueva cabeza.

Puede parecer obvio, pero para alimentarte de manera activa primero debes encontrar tu comida. Para esto, necesitas sofisticados órganos sensoriales para verla, olerla, degustarla y oírla (aunque nuestros ancestros invertebrados tenían órganos o células sensoriales, los primeros vertebrados desarrollaron órganos emparejados, como nuestros ojos, que les permitían sentir el mundo en tres dimensiones). ¿Qué mejor sitio que cerca de la boca para desarrollar esas nuevas herramientas para buscar comida y el cerebro al que están conectadas? Esas innovaciones, a su vez, ampliaron el menú y, para la mayoría de los vertebrados, la adopción de dietas menos digeribles dio como resultado el desarrollo de una mandíbula con dientes para morder y masticar la comida antes de que ésta llegara al intestino.

Un conjunto de células llamado «cresta neural» es clave tanto para el desarrollo como para la evolución de la cabeza, y está formado por unas células especiales que se originan en el mismo tejido que conforma nuestro cerebro y la médula espinal. Una vez formadas, esas células empiezan a migrar por todo el cuerpo. El destino final de muchas es la cabeza, donde forman tejido conectivo, músculo, piel, nervios faciales, huesos y cartílago, proporcionando un soporte crucial al desarrollo de los ojos y de los receptores de gusto y olfato de la boca y la nariz. Las células de la cresta neural también contribuyen (a través de los arcos faríngeos) a los huesos de la mandíbula, a los dientes y a los huesecillos del oído medio, esenciales para la evolución del sentido del oído.

Como su nombre sugiere (“amphis” significa “ambos” y “oxys” significa “afilado”, por lo que en conjunto resulta “afilado en los dos extremos”), los anfioxos no tienen demasiada cabeza. Además, y esto es importante, tampoco tienen cresta neural, mientras que los vertebrados sí la tienen. Sin embargo, hay algunas evidencias de que existen células migratorias similares a una pequeña y primitiva cresta neural en los anfioxos y en los tunicados (ascidias), otro grupo de invertebrados relacionados con el vertebrado primigenio. Mediante el estudio de esas células, Èlia espera entender cómo evolucionó la cresta neural y, por extensión, la cabeza.

Puede que te hayas dado cuenta de que el árbol evolutivo representado en los libros de texto es ligeramente diferente a este. Tradicionalmente se ha asumido, basándose en las similitudes físicas, que los vertebrados estaban más estrechamente relacionados con los anfioxos que con los extraños tunicados. En su etapa larvaria, los tunicados parecen renacuajos que nadan libres, con notocorda y cordón nervioso. Sin embargo, en la etapa adulta se anclan en el lecho marino y se metamorfosean en filtradores sedentarios con aspecto de bolsa. Su notocorda y su tubo neural degeneran. ¡Algunos piensan que es como si se comieran sus propios cerebros!
Sin embargo, en 2006 y gracias a análisis de ADN, los científicos descubrieron que, de hecho, los vertebrados comparten un ancestro común más reciente con los tunicados que con los anfioxos. Es probable que este ancestro común se pareciera también a los anfioxos, pero desde que nuestros linajes se separaron, nuestra evolución tomó un camino muy diferente: los vertebrados desarrollaron cresta neural, una cabeza y la depredación, mientras que los tunicados se especializaron más aún en convertirse, en su etapa adulta, en filtradores sedentarios

Imagen cortesía de Lucy Patterson. Constituent images courtesy of Lycaon (amphioxus), Nhobgood (sea squirt), Drow_male (lampreys), Albert Kok (shark), Robbot (Darwin), Lmozero (hagfish); fuente de las imágenes: Wikimedia Commons

Desde que se completó la secuenciación del genoma del anfioxo en 2008, la investigación sobre los anfioxos ha avanzado bastante. Los científicos como Èlia pueden ahora imaginarse cómo podría ser el genoma del vertebrado primigenio. Las comparaciones con genomas de vertebrados, incluidos los humanos, muestran similitudes notables. “Ahora sabemos que los anfioxos tienen las mismas familias génicas importantes que los vertebrados”, explica Èlia. “Están presentes todos los bloques básicos para construir un vertebrado. Así, uno podría preguntarse: ¿por qué no se desarrollan entonces los anfioxos como vertebrados?” La respuesta probable a esto también reside en el genoma. A diferencia de en el genoma de los vertebrados, en los que muchos genes están duplicados, todas las familias génicas de los anfioxos están presentes como copias únicas. Esto confirma las sospechas de la existencia de una diferencia importante entre los vertebrados y su ancestro primitivo: en las etapas tempranas de la evolución de los vertebrados, el genoma primitivo al completo se duplicó, dos veces.

Eventos desconocidos que ocurrieron en nuestra historia evolutiva aumentaron mucho el número de genes en los que la selección natural podía actuar, y por tanto el potencial para evolucionar. Con los genes originales cuidado del negocio habitual de “construir” un animal, la selección natural tenía mucha más libertad para jugar con las copias nuevas. A través de esta actividad, se reciclaron familias enteras y conjuntos génicos para crear nuevos sistemas y partes del cuerpo. De hecho, la evolución de la cresta neural y el hecho de que los vertebrados empezaran a desarrollar una cabeza tuvo lugar solo después de las duplicaciones genómicas. Cuándo y cómo ocurrieron esas duplicaciones no está nada claro y, después de millones de años de evolución posterior, la mayoría de los genes copiados (aquellos que no dieron lugar a nuevos rasgos) se han perdido.

Así que, aunque parezca que los anfioxos han permanecido sin más en la arena sin presión de ningún tipo para cambiar, quizá simplemente han evolucionado todo lo que han podido con los genes que tienen; sin la influencia de genes copiados recientemente, han llegado a un callejón sin salida. Mientras que para otras muchas especies un callejón sin salida como ese significaría la extinción, siempre existirá un trozo de costa en alguna parte en la que un anfioxo se puede enterrar.

Los investigadores como Èlia están más que contentos de que los anfioxos existan todavía hoy en día, ya que proporcionan una oportunidad única para estudiar cómo evolucionaron los vertebrados tempranos. El interés particular de Èlia reside en la evolución del cerebro, y planea construir un mapa detallado del cerebro del anfioxo a medida que éste se desarrolla, mostrando las posiciones de las diferentes neuronas y qué genes expresan. “Mediante la comparación de los anfioxos con las especies vertebradas podemos aprender cómo se creó y se redistribuyó la maquinaria básica que ya estaba presente en el vertebrado primigenio, creando eventualmente complejas características como la memoria o nuestra capacidad de aprendizaje”. Por lo tanto, gracias a que se han ido quedando atrás durante todos estos años, los anfioxos pueden proporcionarnos la clave para entender nuestro pasado evolutivo, ayudándonos a entender las criaturas que somos hoy en día.

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Web References

  • w1 – Para obtener más información sobre la Universitat de Barcelona, ver: www.ub.edu
  • w2 – Para saber más acerca del Laboratorio Europeo de Biología Molecular (European Molecular Biology Laboratory), consultar: www.embl.org

Resources

  • Para leer más acerca del grupo de investigación en el que Èlia trabaja en el EMBL y la historia de su supervisor, Detlev Arendt, ver:
  • Para aprender cómo se estableció un nuevo árbol de la vida, rastreando el curso de la evolución, ver:
  • La página web “Understanding Evolution” de la Universidad de California, Berkeley (EEUU), proporciona información fidedigna y actualizada sobre los mecanismos evolutivos, teorías, evidencias e investigación moderna. El sitio incluye numerosos recursos para enseñar la evolución, incluyendo la ciencia evo-devo (está dirigido a la audiencia estadounidense). Consulta: la página web sobre evolución de Berkeley (http://evolution.berkeley.edu) o utiliza el enlace directo: http://tinyurl.com/yc27f4n
  • Un genial artículo sobre la ciencia evo-devo publicado en The New York Times:
  • Yoon CK (2007) From a Few Genes, Life’s Myriad Shapes. The New York Times 26 June. Consulta la página web del New York Times (www.nytimes.com) o utiliza el enlace directo: http://tinyurl.com/34h675
  • Dos libros de ciencia divulgativa sobre la investigación en evo-devo:
    • Shubin N (2008) Your Inner Fish. A Journey into the 3.5 Billion-Year History of the Human Body. London, UK: Allen Lane. ISBN: 9780713999358
    • Carroll SB (2005) Endless Forms Most Beautiful: The New Science of Evo Devo and the Making of the Animal Kingdom. New York, NY, USA: Norton. ISBN: 9780393060164
  • Una reflexión sobre la importancia de la publicación del genoma del anfioxo, incluyendo algo más de información sobre los anfioxos, de Nature:
    • Gee H (2008) Evolutionary biology: The amphioxus unleashed. Nature 453: 999-1000. doi: 10.1038/453999a. Descarga el artículo aquí de forma gratuita, o suscríbete hoy a Nature: www.nature.com/subscribe
    • La canción de los anfioxos: www.molecularevolution.org/mbl/resources/amphioxus
    • Un vídeo de un coelacanto: www.youtube.com/watch?v=NzzxOlFJtzg
    • En el siguiente enlace puedes ver una charla buenísima del paleontólogo Paul Sereno. En poco más de 20 minutos explica sus investigaciones (excavando en busca de fósiles en territorios inexplorados), y cuenta cómo sus encuentros con cocodrilos vivos le han revelado cuán gigantes podrían haber sido los cocodrilos fosilizados primitivos y sus esperanzas en que este tipo de investigaciones puedan ayudar a inspirar a futuras generaciones de científicos. Ver: www.ted.com/talks/view/id/428
  • Para leer más acerca de la selección natural y la evolución molecular:

Institution

EMBL

Author(s)

Lucy Patterson finalizó su doctorado en la Universidad de Nottingham, Reino Unido, en 2005, y desde entonces ha trabajado como investigadora postdoctoral, primero en Oxford, Reino Unido, y después en Freiburg y Colonia, Alemania. Durante este tiempo ha trabajado respondiendo a diversas preguntas sobre biología del desarrollo, el estudio de cómo crecen y se desarrollan los organismos desde un óvulo fertilizado hasta un adulto maduro, utilizando embriones de pez cebra. Tiene un gran interés y entusiasmo por la ciencia, y está actualmente desarrollando su propia carrera embrionaria como comunicadora científica.


Review

Este fascinante artículo enfatiza la importancia de la ciencia evo-devo y cómo el anfioxo, un invertebrado, tiene conexiones evolutivas con los vertebrados, conexiones que comprenden desde el desarrollo de la cabeza hasta la explicación de una hernia discal. La amplitud de la información contenida en este artículo lo convierte en un recurso de valor incalculable para profesores y alumnos de 16 a 18 años.

La información podría utilizarse para enseñar la evolución de los vertebrados, en particular el desarrollo del sistema nervioso y de los órganos sensoriales, y para conducir discusiones grupales sobre por qué es el anfioxo un modelo tan valioso para el desarrollo de los vertebrados. Proporciona también oportunidades interdisciplinares relacionadas con la geología (el registro fósil) y con la tecnología de la información y de las comunicaciones (la construcción de árboles filogenéticos).

El artículo serviría también como un excelente ejercicio de comprensión. Podrían utilizarse, por ejemplo, las siguientes preguntas.

  1. ¿Por qué es importante la ciencia “evo-devo«?
  2. ¿Qué entendemos por “fósiles vivientes”?
  3. ¿Qué significan los términos “vertebrado primigenio” y “genoma primigenio”?
  4. ¿Cuáles fueron las presiones de selección que condujeron al desarrollo de la cabeza?
  5. ¿Qué significa el término “duplicación génica” y por qué fue crucial para el desarrollo de los vertebrados?

Para los más valientes, hay que tener en cuenta también las posibilidades del alineamiento de secuencias de ADN y de los análisis filogenéticos entre genes de anfioxos y humanos.


Mary Brenan, Reino Unido




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CC-BY-NC-ND