La investigación genética ofrece una nueva perspectiva sobre la evolución temprana de los animales
Durante más de un siglo, los biólogos se han preguntado cómo eran los primeros animales cuando surgieron por primera vez en los antiguos océanos hace más de quinientos millones de años.
Buscando entre los animales de aspecto más primitivo de la actualidad, la rama más antigua del árbol de la vida animal, los científicos redujeron gradualmente las posibilidades a dos grupos: las esponjas, que pasan toda su vida adulta en un solo lugar, filtrando la comida del agua de mar; y las medusas peine, voraces depredadores que reman a través de los océanos del mundo en busca de alimento.
En un nuevo estudio los investigadores utilizan un novedoso enfoque basado en la estructura cromosómica para llegar a una respuesta definitiva: las medusas peine, o ctenóforos, fueron el primer linaje en ramificarse del árbol de animales. Las esponjas fueron las siguientes, seguidas por la diversificación de todos los demás animales, incluido el linaje que condujo a los humanos.
Aunque los investigadores determinaron que el linaje de los ctenóforos se ramificó antes que las esponjas, ambos grupos de animales continuaron evolucionando a partir de su ancestro común. Sin embargo, los biólogos evolutivos creen que estos grupos aún comparten características con los primeros animales, y que estudiar estas primeras ramas del árbol de la vida animal puede arrojar luz sobre cómo surgieron y evolucionaron los animales hasta la diversidad de especies que vemos hoy a nuestro alrededor.
"El ancestro común más reciente de todos los animales probablemente vivió hace 600 o 700 millones de años. Es difícil saber cómo eran porque eran animales de cuerpo blando y no dejaron un registro fósil directo. Pero podemos usar comparaciones entre animales vivos para aprender sobre nuestros ancestros comunes", dijo Daniel Rokhsar, profesor de biología celular y molecular de la Universidad de California, Berkeley y coautor correspondiente del artículo junto con Darrin Schultz y Oleg Simakov de la Universidad de Viena. "Es emocionante: estamos mirando hacia atrás en el tiempo donde no tenemos esperanza de obtener fósiles, pero al comparar genomas, estamos aprendiendo cosas sobre estos ancestros muy tempranos".
Comprender las relaciones entre los linajes de animales ayudará a los científicos a entender cómo evolucionaron con el tiempo las características clave de la biología animal, como el sistema nervioso, los músculos y el tracto digestivo, dicen los investigadores.
"Desarrollamos una nueva forma de tener una de las miradas más profundas posibles sobre los orígenes de la vida animal", dijo Schultz, el autor principal y ex estudiante de posgrado de la UC Santa Cruz e investigador en el Instituto de Investigación del Acuario de la Bahía de Monterey (MBARI) que ahora es investigador postdoctoral en la Universidad de Viena. "Este hallazgo sentará las bases para que la comunidad científica comience a desarrollar una mejor comprensión de cómo han evolucionado los animales".
Imagen: Esta esponja tulipán del género Hyalonema fue fotografiada en 2009 por el ROV Doc Ricketts de MBARI en el exterior de Monterey Fan a una profundidad de aproximadamente 3500 metros. (Foto cortesía de MBARI)
¿Qué es un animal?
La mayoría de los animales familiares, incluidos gusanos, moscas, moluscos, estrellas de mar y vertebrados, incluidos los humanos, tienen una cabeza con un cerebro centralizado, un intestino que va desde la boca hasta el ano, músculos y otras características compartidas que ya habían evolucionado en el momento de la famosa "Explosión Cámbrica" hace unos 500 millones de años. Juntos, estos animales se llaman bilaterales.
Sin embargo, otros animales de buena fe, como las medusas, las anémonas de mar, las esponjas y los ctenóforos, tienen diseños corporales más simples. Estas criaturas carecen de muchas características bilaterales, por ejemplo, carecen de un cerebro definido y es posible que ni siquiera tengan un sistema nervioso o músculos, pero aún comparten las características de la vida animal, en particular el desarrollo de cuerpos multicelulares a partir de un óvulo fertilizado.
Las relaciones evolutivas entre estas diversas criaturas —específicamente, el orden en que cada uno de los linajes se ramificó del tronco principal del árbol de la vida animal— ha sido motivo de controversia.
Con el auge de la secuenciación del ADN, los biólogos pudieron comparar las secuencias de genes compartidos por los animales para construir un árbol genealógico que ilustra cómo los animales y sus genes evolucionaron con el tiempo desde que surgieron los primeros animales en el Período Precámbrico.
Imagen: Hormiphora californensis, llamada grosella espinosa marina de California, es un ctenóforo común en las aguas costeras de California. Los ctenóforos tienen ocho conjuntos de cilios que corren por sus costados, que utilizan para impulsarse a través de los océanos en busca de alimento. Este espécimen fue observado en 2016 por el vehículo operado remotamente (ROV) Doc Ricketts de MBARI en el Cañón de Monterey a una profundidad de aproximadamente 280 metros. (Foto cortesía de MBARI)
Pero estos métodos filogenéticos basados en secuencias de genes no lograron resolver la controversia sobre si las esponjas o las medusas peine fueron la rama más antigua del árbol animal, en parte debido a la profunda antigüedad de su divergencia, dijo Rokhsar.
"Los resultados de sofisticados estudios basados en secuencias estaban básicamente divididos", dijo. "Algunos investigadores realizaron análisis bien diseñados y descubrieron que las esponjas se ramificaban primero. Otros realizaron estudios igualmente complejos y justificables y obtuvieron ctenóforos. Realmente no ha habido ninguna convergencia hacia una respuesta definitiva".
Con solo mirarlas, las esponjas parecen bastante primitivas. Después de su etapa larvaria de nado libre, se asientan y generalmente permanecen en un lugar, barriendo suavemente el agua a través de sus poros para capturar pequeñas partículas de alimento disueltas en el agua de mar. No tienen nervios ni músculos, aunque sus partes duras son buenos limpiadores en el baño.
"Tradicionalmente, las esponjas han sido ampliamente consideradas como la primera rama sobreviviente del árbol animal, porque las esponjas no tienen sistema nervioso, no tienen músculos y se parecen un poco a las versiones coloniales de algunos protozoos unicelulares", dijo Rokhsar.
"Y así, fue una buena historia: Primero llegaron los protozoos unicelulares, y luego evolucionaron consorcios multicelulares de tales células con forma de esponja y se convirtieron en el antepasado de toda la diversidad animal actual. En este escenario, el linaje de la esponja conserva muchas características del ancestro animal en la rama que conduce a todos los demás animales, incluidos nosotros. Evolucionaron especializaciones que dieron lugar a neuronas, nervios, músculos, tripas y todas esas cosas que conocemos y amamos como características definitorias del resto de la vida animal. Las esponjas parecen ser primitivas, ya que carecen de esas características".
El otro candidato para el linaje animal más antiguo es el grupo de las medusas peine, animales populares en muchos acuarios. Si bien superficialmente se parecen a las medusas, a menudo tienen una forma de campana, aunque con dos lóbulos, a diferencia de las medusas, y generalmente tentáculos, solo están relacionados de manera lejana. Y mientras las medusas se abren camino a través del agua, los ctenóforos se impulsan con ocho filas de cilios dispuestos a los lados como peines. A lo largo de la costa de California, un ctenóforo común es la grosella espinosa de mar (Pleurobrachia pileus) de 1 pulgada de diámetro.
Imagen derecha: El nuevo estudio muestra cómo los primeros animales (cuadros de colores) evolucionaron a partir de protistas unicelulares (tres líneas superiores) a partir de hace unos mil millones de años. Los descendientes vivos se muestran a la derecha. Los ctenóforos, no las esponjas (Porifera), están más estrechamente relacionados con los primeros animales que se ramificaron del linaje animal (Metazoa)
Cromosomas al rescate
Para saber si las esponjas o los ctenóforos fueron la primera rama de los animales, el nuevo estudio se basó en una característica poco probable: la organización de los genes en cromosomas. Cada especie tiene un número de cromosomas característico (los humanos tienen 23 pares) y una distribución característica de genes a lo largo de los cromosomas.
Rokhsar, Simakov y sus colaboradores habían demostrado previamente que los cromosomas de esponjas, medusas y muchos otros invertebrados portan conjuntos de genes similares, a pesar de más de 500 millones de años de evolución independiente. Este descubrimiento sugirió que los cromosomas de muchos animales evolucionan lentamente y permitió al equipo reconstruir computacionalmente los cromosomas del ancestro común de estos diversos animales.
Pero la estructura cromosómica de los ctenóforos se desconocía hasta 2021, cuando Schultz, entonces estudiante de posgrado en la UC Santa Cruz, y sus coasesores, Richard Green de UCSC y Steven Haddock de MBARI y la UCSC, determinaron la estructura cromosómica del ctenóforo Hormiphora californiensis. Se veía muy diferente a los de otros animales, lo que planteó un rompecabezas, dijo Rokhsar.
"Al principio, no podíamos saber si los cromosomas de los ctenóforos eran diferentes de los de otros animales simplemente porque habían cambiado mucho durante cientos de millones de años", explicó Rokhsar. “Alternativamente, podrían ser diferentes porque se ramificaron primero, antes de que aparecieran todos los demás linajes de animales. Necesitábamos resolverlo".
Los investigadores unieron fuerzas para secuenciar los genomas de otro ctenóforo y esponja, así como de tres criaturas unicelulares que están fuera del linaje animal: un coanoflagelado, una ameba filasterea y un parásito de peces llamado ictiospora. Las secuencias aproximadas del genoma de estos no animales ya existían, pero no contenían la información crítica necesaria para la vinculación de genes a escala cromosómica: dónde se ubican en el cromosoma.
Imagen: El ctenóforo Bolinopsis microptera se encuentra en todo el mundo. (Foto cortesía de MBARI)
Una pistola humeante
Sorprendentemente, cuando el equipo comparó los cromosomas de estos diversos animales y no animales, descubrieron que los ctenóforos y los no animales compartían combinaciones particulares de genes y cromosomas, mientras que los cromosomas de las esponjas y otros animales se reorganizaron de una manera claramente diferente.
"Esa fue la prueba irrefutable: encontramos un puñado de reordenamientos compartidos por esponjas y animales que no son ctenóforos. En contraste, los ctenóforos se parecían a los no animales. La explicación más simple es que los ctenóforos se ramificaron antes de que ocurrieran los reordenamientos", dijo.
"Las huellas dactilares de este antiguo evento evolutivo todavía están presentes en los genomas de los animales cientos de millones de años después", dijo Schultz. "Esta investigación nos da contexto para comprender qué hace que los animales sean animales. Este trabajo nos ayudará a comprender las funciones básicas que todos compartimos, como cómo perciben su entorno, cómo comen y cómo se mueven".
Rokhsar enfatizó que las conclusiones del equipo se basan sólidamente en cinco conjuntos de combinaciones de genes y cromosomas.
"Encontramos una reliquia de una señal cromosómica muy antigua", dijo. "Tomó un poco de trabajo de detective estadístico para convencernos de que esto realmente es una señal clara y no solo un ruido aleatorio, porque estamos tratando con grupos de genes relativamente pequeños y quizás mil millones de años de divergencia entre los animales y los no animales. Pero la señal está ahí y apoya firmemente el escenario 'primero ramificado por ctenóforo'. La única forma en que la hipótesis alternativa de la esponja primero podría ser cierta sería si ocurrieran múltiples reordenamientos convergentes tanto en esponjas como en animales que no son ctenóforos, lo cual es muy poco probable".
La investigación se ha publicado en la revista Nature: Ancient gene linkages support ctenophores as sister to other animals
