La evolución inesperada de los peces ciegos

La evolución inesperada de los peces ciegos

/ Esta es una historia sobre peces de ojos grandes, peces de ojos pequeños y peces ciegos. Es también una historia sobre cómo esos peces podrían cambiar la forma en que entendemos la evolución de la vida.

Como todas las historias, ésta en particular sucede en varios lugares y momentos a la vez. Uno de esos lugares son las cuevas de la Sierra del Abra, en el noreste de México. En las faldas de estas montañas, que rebosan de vegetación, se pueden encontrar cuevas que son el punto de partida o de llegada de los arroyos y ríos de la zona. Extraños e inesperados organismos habitan esas aguas oscuras. Murciélagos, claro; pero también milpiés, arañas, escarabajos, grillos y cochinillas. Las delicias de una buena historia de terror claustrofóbico. Hay, sin embargo, unos animales que han convertido estas cuevas en el centro de atención de muchos científicos; sobre todo, de aquéllos interesados en entender cómo es que los seres vivos evolucionan. Y es que en las aguas de estos orificios en la montaña habitan peces ciegos que siguen siendo similares a sus primos de la superficie. Son, de hecho, la misma especie: Astyanax mexicanus o, para los amigos y aficionados a los acuarios, peces tetra mexicanos. Pero si los peces de las cuevas son en esencia los mismos que los de afuera, ¿por qué unos tienen ojos y los otros no?

Esa misma pregunta ha aparecido bajo diferentes formas en los labios de muchos estudiosos de la evolución, incluso desde el mismo Darwin. ¿Por qué los organismos de las cuevas casi siempre carecen de ojos funcionales? El naturalista inglés echaba mano de un idea muy popular en su época (erróneamente atribuida como idea original del naturalista francés J. B. Lamarck): la de uso y desuso de los órganos y herencia de caracteres adquiridos. Esta idea es una explicación maravillosamente sencilla de los ojos de los animales de las cuevas porque dice que aquellos órganos que las especies no usen se perderán en las siguiente generaciones. Sin embargo, en la naturaleza las explicaciones sencillas no siempre son las más correctas. Si bien es cierto que actualmente hay indicios de que el modo de vida de los padres puede influir en las características finales de sus hijos, a la fecha no se sabe de mecanismos celulares y genéticos que permitan que se transmita algo tan directo como perder los ojos por no usarlos. Actualmente, la mayoría de los biólogos evolutivos suelen explicar los ojos atrofiados por medio de la selección natural, más o menos de la siguiente forma. Entre los individuos de una especie que llegan a vivir a una cueva, hay aquellos que tienen ojos más grandes y ojos más pequeños. Tener ojos más pequeños debe de ser una ventaja en un ambiente sin luz, pues no se gastan recursos innecesarios en producir ojos que de todos modos no se usan. Los animales de ojos más pequeños sobreviven y se reproducen más. Los ojos de la especie en conjunto se van haciendo más chiquitos hasta que, con el tiempo, se pierden por completo. Esta es la historia evolutiva preferida hoy en día; sin embargo, los peces ciegos de la Sierra del Abra podrían ser el punto de partida de una historia evolutiva más completa.

Abandondemos este momento y lugar en la historia para viajar a un escenario diferente. Se trata del laboratorio del genetista y biólogo molecular Clifford J. Tabin, en la Escuela de Medicina de Harvard. En este laboratorio se han abordado múltiples preguntas enfocadas al gran programa de investigación que ahora es llamado evo-devo (por evolution, evolución, y development, desarrollo), que clama por incluir el estudio del desarrollo en la biología evolutiva. Los peces tetra mexicanos llamaron la atención de Tabin desde hace una década y desde entonces ha enviado a sus estudiantes a las montañas de la Sierra del Abra para que colectaran ejemplares y los estudiaran. Para Tabin, los peces ciegos mexicanos son una excelente oportunidad para estudiar la interacción entre el desarrollo de los individuos y la evolución de las especies porque, al coexistir las formas ciegas y las que todavía tiene ojos, se pueden cruzar en laboratorio y observar su  desarrollo. Pero todavía no entraremos a esa pregunta.

Antes de Tabin y antes de la evo-devo, ya había quien pensara que el desarrollo y la evolución debían ser dos temas inseparables. En 1942, un embriólogo y genetista británico llamado Conrad Waddington comenzó a fraguar los puentes entre las dos materias con un concepto llamado “canalización del desarrollo”. En varios de sus artículos, Waddington llamaba la atención sobre el hecho de que los individuos de una especie tienen muchas diferencias genéticas y, sin embargo, no son tan diferentes entre sí. Se les puede reconocer como una sola especie. Sus características visibles, aquello que se conoce como fenotipo, no refleja las variaciones genéticas. ¿Qué ocurre en el camino de los genes a la formación del fenotipo para que esa variación se pierda? Waddington proponía que el desarrollo del organismo lograba “amortiguar” o “canalizar” esas variaciones genéticas, de forma que no surgieran en el fenotipo. A ese amortiguamiento lo llamó canalización del desarrollo. Esta idea tenía muchas implicaciones, entre ellas, el hecho de que los genes de los individuos podían mutar y mutar a lo largo de las generaciones, y por tanto acumular variaciones, sin que eso significara necesariamente un cambio en la forma, fisiología o comportamiento de la especie. Así, Waddington sugería que entre los individuos de una especie hay un banco de variaciones genéticas que no se han manifestado, que, por decirlo de algún modo, se han mantenido ocultas. Para Waddington, esa variación podría manifestarse súbitamente cuando los organismos se encontraran en un ambiente particular y eso explicaría los cambios súbitos de forma en la evolución de las especies. Curiosamente, la canalización del desarrollo de Waddington es una de aquellas respuestas científicas que tardaron mucho tiempo en encontrar las preguntas adecuadas.

En el laboratorio de Clifford Tabin propusieron una de aquellas preguntas. Allí conocían la explicación tradicional para la evolución de los peces ciegos, pero, dado su interés en el desarrollo, tenían una pregunta adicional en mente: ¿cómo es que los peces son capaces de tener ojos pequeños en primer lugar, tan pequeños como para que la selección natural los preservara en las cuevas y los hiciera desaparecer con el tiempo? ¿De dónde salen esa variación entre los peces? Uno de los colegas de Tabin, Nicolas Rohner, sospechaba que esta pregunta se podía ligar a la canalización genética de Waddington. ¿Será que los peces tienen variación genética oculta que se libera por llegar a vivir a las cuevas? Esta es una pregunta inusual en la biología evolutiva, porque tiene que ver con el origen de la variación, con lo que ocurre antes de la selección natural. Roehner defiende que esas preguntas evolutivas serán las más fructíferas en el futuro. “Yo creo que la evoución por medio de la variación genética preexistente es un mecanismo esencial por el cual ocurren la adaptación y la especiación, y está muy poco estudiado”, comenta Rohner en entrevista para Historias Cienciacionales. Él sabía que hay pocos mecanismos moleculares conocidos que se puedan conectar a la liberación de la variación genética oculta, pero, por suerte, tenía uno a la mano. Se trataba de una proteína descubierta algunos años atrás por la bióloga molecular Susan Lindquist y sus colegas de la Universidad de Chicago, y que pertenece a un grupo de proteínas responsables de ayudar a otras proteínas a adquirir su forma funcional (y que lleva el adecuado nombre de “proteína chaperona”). Lo que Lindquist y sus colegas descubrieron fue que alterar el funcionamiento de esta proteína, llamada HSP90, en levaduras o en moscas de la fruta, hacia aparecer variaciones fenotípicas inesperadas, sin que esas variaciones estuvieran ligadas a mutaciones nuevas. En otras palabras, el correcto funcionamiento de la proteína HSP90 actuaba como un mecanismo de canalización tal como Waddington lo imaginaba: mantiene al fenotipo estable a pesar de que existan variaciones genéticas. Pero eso ocurría en un laboratorio de la Universidad de Chicago, no en un ambiente natural. La primera pregunta concreta de Rohner fue si acaso la variación de los peces tetra mexicanos podría ser el primer ejemplo de canalización por HSP90 en un ambiente natural.

Para responder esa pregunta, Rohner y sus colegas tomaron a peces de la superficie (todavía con ojos), los criaron en el laboratorio e interrumpieron con un compuesto químico la actividad de su proteína HSP90 cuando todavía eran larvas. Sucedió que los peces mostraban muchos tamaños de ojo diferentes, que excedían la variación natural: los ojos más grandes eran más grandes de lo usual y los ojos más pequeños eran más pequeños de lo usual. Esto no sucedía, sin embargo, cuando criaban a los peces en la oscuridad. La proteína HSP90 debía ser la responsable de esa liberación de variación fenotípica en los ojos. Mostrando mucho olfato, Rohner y sus colegas le aplicaron el mismo tratamiento a los peces de las cuevas, pero no sucedió lo mismo. Sólo aparecían ojos más pequeños de lo normal, pero ninguno más grande de lo usual. Al parecer, la variación genética para los ojos grandes se había perdido en los peces de las cuevas. ¿Será que la variación en el tamaño de los ojos puede preservarse en las siguiente generaciones, es decir, se podrá seleccionar naturalmente? Después de tratar a los animales con el compuesto quimico, el equipo de Rohner seleccionó en el laboratorio a los peces de superficie con los ojos más pequeños y los cruzó entre ellos, imitando lo que haría un granjero con las vacas que dan más leche o las ovejas que producen más lana. Después de dos generaciones, el promedio de tamaño de los ojos en los peces era más pequeño, e incluso aparecieron peces con ojos más pequeños que en las primeras generaciones tratadas con el compuesto químico. Para Rohner y sus colegas, los resultados de estos experimentos son un indicio de que los peces de la superficie tienen la variación genética necesaria para volverse ciegos y que los peces de las cuevas en efecto han perdido la base genética para producir ojos más grandes. Es decir, probablemente ha ocurrido selección natural en los peces de las cuevas, selección que ha sido posible por la variación genética preexistente de los peces que llegaron a vivir ahí.

Ahora bien, administrar químicos costosos en condiciones controladas en un laboratorio no es una situación muy natural. ¿Qué podía haber causado la interrupción del funcionamiento de la proteína HSP90 en esas cuevas del noreste mexicano? No fue la oscuridad por sí misma… ¿tal vez alguna característica del agua? Rohner y sus colegas compararon las condiciones físicas y químicas del agua entre la superficie y las cuevas y encontraron una diferencia crucial: la conductividad del agua. En las cuevas, el agua conduce menos la electricidad que en la superficie, probablemente por todas las sales minerales que ha acumulado a lo largo de los años. Vivir en agua con poca condictividad genera una respuesta de estrés en muchos peces, que es similar a la que interrumpe el funcionamiento de HSP90 en el laboratorio. El experimento siguiente era evidente: Rohner y su equipo debían criar peces de la superficie en condiciones de baja conductividad y buscar si aparecía mayor variación en el tamaño de ojos de lo usual. Para su alegría, eso fue precisamente lo que encontraron.

Para Rohner y sus colegas, estos resultados son una evidencia muy fuerte de que los peces de las cuevas pudieron haber evolucionado gracias a la liberación de variación genética preexistente, que había estado oculta por la canalización de la proteína HSP90. “Nuestro trabajo brinda más evidencia que respalda este mecanismo al observar un sistema natural en el mundo real”, comenta Rohner. Esto no necesariamente explicaría la evolución de todos los organismos de las cuevas, pero el investigador de Harvard y sus colegas creen que los peces ciegos de las cuevas del noreste mexicano serán un buen punto de partida para empezar a estudiar un nuevo mecanismo evolutivo.

Como todas las historias de ciencia, ésta tampoco tiene un final. Rohner contó a Historias Cienciacionales que seguirán estudiando a los peces de ojos grandes, a los de ojos pequeños y a los peces ciegos con la esperanza de encontrar toda la variación genética preexistente que se preservó en el ambiente de las cuevas. Sobre todo, confían en que han dado los primeros pasos en un nuevo campo. “Espero que esto lleve a una aceptación más amplia de la liberación fenotípica de la variación genética preexistente por medio del estrés y la HSP90”, concluye Rohner, “y a un estudio más amplio de la variación genética preexistente que contribuye a la evolución”.

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La ilustración para esta nota fue realizada especialmente para Historias Cienciacionales por Daniela Gómez Chapou, diseñadora mexicana, y por la cual le agradecemos enormemente. Ella estudió Diseño y Comunicación Visual en la Facultad de Artes y Diseño de la Universidad Nacional Autónoma de México; se especializó en producción audiovisual y multimedia, pero actualmente está experimentado con el diseño editorial y la ilustración. Para contactarla, envíale un correo a: chapou.g@gmail.com

Aquí el artículo original de Rohner y sus colegas, publicado en la revista Science el diciembre pasado: http://ift.tt/1lyJG70

Aquí una nota sobre el tema de National Geographic: http://ift.tt/1cE3U8p

via Tumblr http://ift.tt/1tuJAyg

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