¿Cómo se las arregló un pequeño pez para sobrevivir aislado del mar?

pez espinoso de tres espinas

Huesos de 12.000 años de edad de espinoso de tres espinas pueden darnos algunas respuestas

La última edad de hielo terminó en Noruega hace casi 12.000 años. La tierra se recuperó lentamente a medida que desaparecía el peso del hielo y el levantamiento de la tierra provocó que muchas bahías se estrecharan y formaran lagos.

Los peces quedaron atrapados en estos lagos.

Los espinosos lograron adaptarse cuando el agua salada se convirtió en agua dulce, y todavía se pueden encontrar en los actuales lagos costeros a lo largo de la costa noruega.

El agua salada se transformó gradualmente en agua salobre y más tarde en agua dulce. Este cambio ambiental condujo naturalmente a un reemplazo total de la vida animal y vegetal.

La excepción es el pequeño espinoso, que se adaptó con éxito cuando el agua salada se convirtió en agua dulce y todavía se puede encontrar en los actuales lagos costeros a lo largo de la costa noruega. ¿Cómo diablos logró este pececillo adaptarse a cambios tan grandes, incluso en varios lugares al mismo tiempo?

Los huesos de 12.000 años de edad de espinoso de tres espinas (Gasterosteus aculeatus) pueden darnos algunas respuestas.

El espinoso de tres espinas se encuentra en lagos de agua dulce, en ambientes marinos de agua salada y en agua salobre, una mezcla de los dos. Aunque los peces pertenecen a la misma especie, se ven un poco diferentes dependiendo de dónde se encuentren.

Dado que quedaron aislados del mar tantos lagos, sabemos que los espinosos se adaptaron a los cambios ambientales en múltiples lugares simultáneamente. Sin embargo, los cambios ocurrieron de forma independiente entre sí, sin ningún mestizaje, lo que apuntaba a una razón genética detrás del fenómeno.

Los espinosos de tres espinas son, por lo tanto, muy adecuados para el estudio de lo que los biólogos llaman "evolución paralela": cambios evolutivos que ocurren en paralelo pero independientemente unos de otros.

"Por lo general, solo tenemos acceso a los espinosos de la actualidad. Comparamos grupos de hábitats de agua dulce y marinos y asumimos que los peces del mar de hoy son genéticamente comparables a los peces marinos que se adaptaron al agua dulce en épocas anteriores", dice Andrew Foote, profesor asociado del Museo de la Universidad de la Universidad Noruega de Ciencia y Tecnología (NTNU) y de la Universidad de Bangor en Gales.

A través de una colaboración interdisciplinaria, los investigadores obtuvieron acceso a huesos de 12.000 años de dos espinosos en el municipio actual de Hammerfest.

huesos de espinoso en Noruega

Imagen: Estos huesos espinosos de 12.000 años de antigüedad fueron encontrados en Finnmark por investigadores del Servicio Geológico de Noruega (NGU). Estaban lo suficientemente bien conservados como para que los biólogos pudieran identificar la especie y aprender algo sobre la evolución. Crédito: Anders Romundset, NGU/NTNU

Estos antiguos huesos ciertamente pueden proporcionar una base útil para el estudio. Pero los espinosos que viven hoy en día en ambientes marinos también han evolucionado desde aquellos tiempos, por lo que podrían no ser exactamente los mismos que se adaptaron al agua dulce al final de la era del hielo. Esto hace que su estudio sea complicado para los biólogos.

"Aunque estos huesos pertenecen a peces que murieron hace más de diez mil años, cuando la mayor parte de Escandinavia estaba cubierta por hielo, contienen fragmentos de ADN que podemos estudiar. Los genes nos dan una idea de las primeras etapas de la transición del agua salada al agua dulce", dice Foote.

Expertos en geología, ADN antiguo y evolución genética colaboraron para comparar espinosos de tres espinas antiguos y actuales.

Foote se asoció con el profesor y genetista Tom Gilbert de la Universidad de Copenhague. Tuvieron acceso a un laboratorio de última generación para el estudio de ADN antiguo y utilizaron métodos recientemente desarrollados para secuenciar los genomas de los espinosos de 12.000 años de antigüedad.

"La investigación sobre los espinosos de tres espinas durante los últimos 20 años ha proporcionado información clave sobre la base genética de la adaptación paralela. Hemos descubierto que la adaptación puede proceder a través de mutaciones que surgen recientemente, pero a menudo implica reutilizar una variación genética ya existente que se propaga entre las poblaciones", dice la Dra. Felicity Jones del Laboratorio Friedrich Miescher de la Sociedad Max Planck en Tübingen, Alemania.

Las poblaciones son grupos de animales de la misma especie que están geográficamente más o menos separados de otros grupos de la misma especie.

"Es realmente sorprendente que pudiéramos detectar variantes que se sabe que se adaptan al agua dulce en un solo colonizador marino superando todos los desafíos relacionados con la secuenciación del ADN antiguo. Esto demuestra de manera concluyente que las variantes genéticas adaptables al agua dulce estaban presentes en las poblaciones de espinosos que colonizaron los lagos de agua dulce del mar hace miles de años", dice la estudiante de doctorado y autora principal Melanie Kirch, quien también es del laboratorio Friedrich Miescher.

Esto prueba que las variantes genéticas que permiten que los espinosos vivan en agua dulce ya existían en las poblaciones de espinosos del océano hace varios miles de años. Estos peces marinos podrían colonizar así los lagos de agua dulce de los que surgieron.

nido de pez espinoso de tres espinas

Imagen: En los espinosos de tres espinas, el macho cuida a las crías en un nido que él mismo ha construido. Ilustración: Shutterstock, NTB

Pero Kirch también señala que los resultados muestran que la evolución paralela tiene algunas limitaciones. "Incluso cuando el ancestro colonizador portaba variantes genéticas conocidas por ser adaptativas en agua dulce, estas variantes no siempre están presentes en la población contemporánea. Esto nos dice que incluso las variantes beneficiosas de adaptación al agua dulce se pueden perder durante el proceso evolutivo de adaptación, probablemente por casualidad, un proceso conocido como 'deriva genética' ", dice.

Este ADN antiguo ha proporcionado una ventana al pasado y ha permitido a los investigadores estudiar la composición genética de los antepasados de los peces de hoy. De este modo, los investigadores pueden rastrear las adaptaciones que han tenido lugar durante varios miles de años y que también les ayudan a comprender mejor el proceso evolutivo.

De esta manera, pueden crear mejores modelos y obtener nuevos conocimientos sobre los factores que afectan la dirección, la velocidad y la base molecular detrás de la evolución en la naturaleza.

Los espinosos fueron encontrados por geólogos noruegos que realmente estudiaron el levantamiento de tierra que ha tenido lugar a lo largo de la costa noruega desde que se retiró el hielo de Escandinavia.

Los geólogos tropezaron con las espinas del pez en varias muestras de sedimento tomadas de lagos a lo largo de la costa. Los sedimentos son materiales que se hunden hasta el fondo del lago a lo largo de los años y se depositan en capas según la edad, a menos que alguien o algo altere el orden de las capas. En los lagos más o menos vírgenes estudiados, las capas de sedimentos muestran rastros de la transición de un ambiente marino a un ambiente de agua dulce.

variantes de pez espinoso de tres espinasImagen derecha: En los peces del mar ya se encontraron variantes genéticas que permiten al pez espinoso vivir en agua dulce. Foto Shutterstock, NTB

Las espinas de pescado recogidas de las muestras de sedimento estaban sorprendentemente bien conservadas. La datación por carbono puede ayudar a los geólogos a reconstruir cómo han cambiado con el tiempo los niveles del mar, pero esta vez la técnica también fue útil de otra manera.

"Las espinas de pez que sacamos de las muestras de sedimento estaban sorprendentemente bien conservadas. Inmediatamente pudimos identificarlas como originarias de espinosos de tres espinas", dice el investigador Anders Romundset del Servicio Geológico de Noruega.

Determinaron la edad mediante la datación por carbono del material vegetal que se encontraba en las mismas capas que los huesos. El análisis también mostró que estos peces en particular habían vivido en agua salobre, lo que indica que el lago estaba a punto de desconectarse del mar.

Dado que los huesos se encontraron en un período de transición entre el hábitat marino y de agua dulce, los genes mostraron tanto variaciones genéticas asociadas con una adaptación al mar, como algunos genes que mostraron claramente una adaptación al agua dulce.

Los resultados del esfuerzo cooperativo internacional se presentaron recientemente en la revista Current Biology: Ancient and modern stickleback genomes reveal the demographic constraints on adaptation

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