La primera comparación del genoma da una idea de los orígenes y la evolución de los pingüinos

pingüino gentoo sale del agua

Los pingüinos surgieron en las frías regiones costeras de Australia y Nueva Zelanda, no en la gélida Antártida

Desde el pingüino emperador de más de un metro de alto hasta el pingüino pequeño de 30 cm, estas aves únicas no voladoras han invadido hábitats desde la Antártida hasta el ecuador, sin mencionar los corazones del público.

Una comparación de los genomas completos de 18 especies reconocidas de pingüinos proporciona pistas sobre cómo lograron este éxito, aunque no su adoración, durante decenas de millones de años, a través de cambios climáticos cálidos y fríos. También advierte que el clima cambiante de hoy puede ser demasiado para ellos.

"Somos capaces de mostrar cómo los pingüinos han podido diversificarse para ocupar los entornos térmicos increíblemente diferentes en los que viven hoy en día, pasando de 9 grados Celsius (48 F) en las aguas alrededor de Australia y Nueva Zelanda, hasta temperaturas negativas en la Antártida y hasta 26 grados (79 F) en las Islas Galápagos", dijo Rauri Bowie, profesor de biología integrativa en la Universidad de California, Berkeley, y curador del Museo de Zoología de Vertebrados (MVZ) en Berkeley.

"Pero queremos señalar que ha sido necesario millones de años para que los pingüinos pudieran ocupar hábitats tan diversos, y al ritmo que los océanos se están calentando, los pingüinos no podrán adaptarse lo suficientemente rápido para mantenerse al día con el cambio climático".

Los investigadores establecieron de manera concluyente que los pingüinos surgieron en las frías regiones costeras de Australia y Nueva Zelanda, no en la gélida Antártida, como pensaban muchos científicos, y señalan el origen de los pingüinos hace unos 22 millones de años.

pingüinos pequeños

A pesar de su éxito al expandirse ampliamente por todo el hemisferio sur, muchas poblaciones de pingüinos están ahora amenazadas. Las colonias reproductoras de pingüinos emperador en la Antártida han tenido que reubicarse debido al retroceso del hielo marino, mientras que el año pasado se registró en el continente una mortalidad masiva de polluelos de pingüino de Adelia. Las poblaciones de pingüinos de Galápagos están disminuyendo a medida que se vuelven más comunes los eventos cálidos de El Niño. En Nueva Zelanda, las poblaciones de pingüinos pequeños y de ojos amarillos deben estar cercadas para protegerlas de las depredaciones de los gatos salvajes, mientras que las poblaciones de pingüinos africanos están disminuyendo drásticamente a medida que se calientan las aguas del sur de África.

"Vimos, durante millones de años, que la diversificación de los pingüinos disminuyó con el aumento de la temperatura, pero eso fue en una escala de mucho tiempo", dijo Juliana Vianna, profesora asociada de ecosistemas y medio ambiente en la Pontificia Universidad Católica de Chile en Santiago. "En este momento, los cambios en el clima y el medio ambiente van demasiado rápido para que algunas especies respondan al cambio climático".

Juliana Vianna

Vianna es la primera autora de un artículo con Bowie y otros colegas que describe sus hallazgos y que se publicará en línea esta semana en la revista Proceedings of the National Academy of Sciences.

¿De dónde vienen los pingüinos?

Para el estudio, Vianna, Bowie y sus colegas en museos y universidades de todo el mundo recolectaron muestras de sangre y tejido de 22 pingüinos que representan 18 especies y luego secuenciaron y analizaron todos sus genomas para trazar el movimiento y la diversificación de los pingüinos a lo largo de los milenios.

Sus conclusiones resuelven varias preguntas de larga data: en particular, dónde se originaron los pingüinos, a lo largo de las costas de Australia, Nueva Zelanda e islas cercanas del Pacífico Sur, y cuándo, hace 22 millones de años. La evidencia genética indica que los antepasados de los pingüinos rey y emperador, las dos especies más grandes, pronto se separaron de los otros pingüinos y se trasladaron a aguas subantárticas y antárticas, respectivamente, presumiblemente para aprovechar los abundantes recursos alimenticios. Este escenario es consistente con la controvertida hipótesis de que los pingüinos emperador y rey, las dos únicas especies del género Aptenodytes, son el grupo hermano de todos los demás linajes de pingüinos.

pingüinos rey

"Fue muy satisfactorio poder resolver la filogenia, que se ha debatido durante mucho tiempo", dijo Bowie. "El debate giró en torno a dónde, exactamente, se colocaron los pingüinos emperador y rey en el árbol genealógico, si están anidados dentro del árbol más cerca de otros linajes de pingüinos o si son hermanos de todos los demás pingüinos, que es lo que mostró nuestra filogenia y algunos otros estudios previos habían sugerido. Y encaja con la rica historia fósil de los pingüinos".

Los otros pingüinos se diversificaron y se extendieron ampliamente por los océanos del sur, después de que el Paso de Drake entre la Antártida y el extremo sur de América del Sur se abriera por completo hace unos 12 millones de años. La apertura aceleró la Corriente Circumpolar Antártica que se mueve en el sentido de las agujas del reloj y permitió a estas aves no voladoras nadar con las corrientes oceánicas en todo el océano austral, poblando las frías islas subantárticas y las áreas costeras más cálidas de América del Sur y África, donde poblaron las costas e islas remotas con agua fría, rica en nutrientes y afloramiento.

Hoy en día, los pingüinos se encuentran en Australia y Nueva Zelanda (pingüinos de ojos amarillos, pequeños y otros crestados), la Antártida (emperador, Adelia, gentoo y barbijo), la costa tropical occidental de América del Sur (Galápagos y Humboldt), las costas sur de América del Sur (Magallanes y saltarrocas o de penacho amarrillo), el Atlántico Sur (Magallanes y Macaroni), África meridional (africano) y algunos en la sub-antártida (rey, papúa y Macaroni), islas del Océano Índico (saltarrocas oriental) y regiones subtropicales (saltarrocas norte).

Usando poderosas técnicas de análisis, algunas desarrolladas recientemente para analizar interacciones históricas entre humanos y nuestros parientes neandertales y denisovanos, los investigadores pudieron determinar que varios grupos de pingüinos se han cruzado a lo largo de su historia evolutiva. Mediante el intercambio de material genético, los pingüinos pueden haber compartido rasgos genéticos que facilitaron la diversificación de los pingüinos a través de los empinados gradientes térmicos y de salinidad que se encuentran en los océanos australes. Los más híbridos son los pingüinos saltarrocas y sus parientes cercanos, que experimentaron al menos cuatro introgresiones, o transferencias de información genética, a lo largo de millones de años.

pingüino saltarrocas

El equipo también identificó adaptaciones genéticas que permiten a los pingüinos prosperar en entornos nuevos y desafiantes, incluidos cambios en los genes responsables de regular la temperatura corporal, lo que les permitió adaptarse a temperaturas antárticas bajo cero, así como a temperaturas tropicales cercanas al ecuador; consumo de oxígeno que permitió inmersiones más profundas; y osmorregulación, para que pudieran sobrevivir con agua de mar sin necesidad de encontrar agua dulce.

Las nuevas herramientas analíticas ayudaron a los investigadores a inferir los tamaños de las poblaciones de antiguos pingüinos que se remontan a aproximadamente 1 millón de años. Descubrieron que la mayoría de las especies de pingüinos aumentaron a su mayor número cuando el mundo se enfrió hace 40.000 a 70.000 años durante la última glaciación (muchas especies prefieren reproducirse en la nieve y el hielo) y algunas tuvieron un aumento en la población durante el anterior período de glaciación, hace 140.000 años.

Dos especies, el gentoo y los de Galápagos, parecen haber estado disminuyendo en poblaciones durante al menos el último millón de años.

ADN de las aves más aisladas de la Tierra

Vianna tiene proyectos de investigación de larga data sobre pingüinos en Chile y la Antártida y, para este estudio, obtuvo muestras de sangre de muchas especies en esas áreas. Por ejemplo, colegas en Francia, Noruega, Brasil, Australia, Estados Unidos y Sudáfrica suministraron sangre de algunas especies remotas; colegas noruegos proporcionaron sangre del pingüino de barbijo de las islas Bouvet, mientras Vianna y Bowie obtenían muestras de sangre de un pingüino africano en una colonia de la Academia de Ciencias de California en San Francisco.

Pero algunas especies fueron más difíciles de localizar. Los investigadores se vieron obligados a confiar en tejido de un espécimen conservado del pingüino de ojos amarillos en el MVZ de UC Berkeley, mientras que el Museo Americano de Historia Natural en Nueva York suministró tejidos preservados de pingüinos de cresta erecta y de Fiordland.

pingüino Macaroni

Cada genoma se secuenció 30 veces mediante la secuenciación por fuerza bruta o "shotgun" de Illumina, que produjo diminutos fragmentos —de aproximadamente 150 pares de bases— de todo el genoma. Vianna, que en ese momento estaba trabajando con Bowie en UC Berkeley en un año sabático, alineó minuciosamente como andamio cada pieza a lo largo de un genoma de referencia que había sido secuenciado previamente, el del pingüino emperador.

"Tener un genoma de referencia es como usar la tapa de una caja de rompecabezas para armar un rompecabezas: puedes tomar todas tus piezas súper pequeñas y alinearlas con ese genoma de referencia", dijo Bowie. "Hicimos eso con cada uno de estos genomas de pingüinos".

Las comparaciones del genoma les dijeron que los pingüinos surgieron hace entre 21 y 22 millones de años, reduciendo la ventana de 10 a 40 millones de años determinada previamente a partir de pingüinos fósiles.

También refutaron un artículo publicado el año pasado que sugería que los pingüinos rey y emperador estrechamente relacionados eran un grupo hermano de los pingüinos gentoo y Adelia. En cambio, encontraron que los pingüinos rey y emperador son el grupo hermano de todos los demás pingüinos.

Vianna y Bowie ahora tienen secuencias genómicas de 300 pingüinos individuales y están profundizando en las variaciones genéticas dentro y entre poblaciones de pingüinos dispares. Recientemente descubrieron un nuevo linaje de pingüinos que espera una descripción científica.

"Los pingüinos son muy carismáticos, sin duda", dijo Vianna. "Pero espero que estos estudios también conduzcan a una mejor conservación".

Artículo científico: Genome-wide analyses reveal drivers of penguin diversification

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