A veces ocurre en la naturaleza que dos caracteres similares evolucionan en dos especies o linajes diferentes de forma paralela debido a presiones selectivas similares en los lugares geográficos donde habitan. Este proceso se conoce en biología como convergencia evolutiva. La convergencia evolutiva se produce, por lo tanto, cuando una misma estructura evoluciona de forma independiente en dos grupos de organismos. Hay multitud de ejemplos en la naturaleza, pero quizás los más conocidos sean las alas de los vertebrados, desarrolladas independientemente en las aves, los pterosaurios y los murciélagos, o la ecolocalización, que evolucionó en cetáceos y murciélagos también de forma independiente. Esta convergencia evolutiva que observamos en las especies suele ir acompañada de una convergencia a nivel genético, es decir, que la aparición del rasgo o estructura en cuestión (las alas o la ecolocalización por ejemplo) se debe a cambios similares en el ADN de los dos linajes; cambios que, obviamente, también ocurren de forma independiente y en momentos históricos diferentes. En resumen, podemos decir que un carácter convergente es el resultado de varias mutaciones genéticas similares que ocurren en dos linajes y momentos distintos.
En un artículo anterior hablé de un ejemplo concreto de convergencia evolutiva: el falso pulgar de los pandas. Las dos especies actuales de pandas, el panda gigante (Ailuropoda melanoleuca) y el panda rojo (Ailurus fulgens), poseen lo que los biólogos llaman un falso pulgar. Desde hace varias décadas se sabe que este falso pulgar, que en realidad no es un pulgar verdadero, es una convergencia evolutiva. Los ancestros de ambos pandas lo desarrollaron de forma independiente tras su separación hace unos 40 millones de años. De hecho, sendos estudios paleontológicos han encontrado especies fósiles emparentadas con los dos pandas actuales que ya poseían falsos pulgares: la especie Indarctos arctoides, un oso del Mioceno y emparentado con el panda gigante, poseía un falso pulgar hipertrofiado, al igual que la especie también extinta Simocyon batalleri, emparentada con el panda rojo y cuyo falso pulgar le servía para moverse entre los árboles. Actualmente, este pulgar les sirve a ambas especies actuales para agarrar las ramas y hojas de su principal alimento, el bambú. Lo curioso de este caso de convergencia es que ambos pandas desarrollaron el falso pulgar a consecuencia de una especialización en su dieta: pasaron de ser carnívoros a herbívoros. La evolución del falso pulgar tuvo que estar además acompañada de la evolución de otros caracteres que le facilitaran la digestión y la asimilación del material vegetal de su nueva dieta, o de lo contrario no habrían sobrevivido hasta la actualidad.
Para dar respuesta a esta incógnita (de cuándo y cómo surgió el falso pulgar), el genetista Li Ruiqiang y sus colaboradores secuenciaron el genoma (o conjunto de todos los genes) del panda gigante en busca de genes específicos. Los resultados se publicaron en la revista Nature en el año 2010. Ruiqiang y su equipo encontraron que el panda gigante poseía numerosas adaptaciones genéticas para la herbivoría. Descubrieron que el panda gigante, por ejemplo, perdió durante su historia evolutiva numerosos genes que codifican para receptores olfativos, los cuales son de suma importancia para los animales carnívoros. También observaron que el panda gigante no podía percibir el sabor umami, como sí lo hacen los carnívoros, a causa de una mutación en el gen que codifica para el receptor de este sabor. Este receptor, ubicuo en las papilas gustativas de la lengua de los mamíferos, percibe la molécula glutamato, abundante en alimentos ricos en proteínas como el pescado, la carne, el marisco o las setas. Por último, el equipo de Ruiqiang no encontró en el genoma del panda gigante ningún gen que codificara para la enzima celulasa, necesaria para la digestión de la celulosa del bambú, por lo que, con casi total seguridad, la digestión de este azúcar vegetal tiene que llevarse a cabo a través de su microbiota (o conjunto de microorganismos de su sistema digestivo). Examinando el genoma del panda gigante en busca de los genes responsables del desarrollo del falso pulgar, el grupo de investigación descubrió que dos familias de genes implicadas en la formación de las yemas laterales de las extremidades estaban mutadas. Sin embargo, Ruiqiang y sus colaboradores no pudieron profundizar más en la posible función alterada de dichas familias génicas, en parte por la carencia de experimentos donde testar el papel de ambas familias en el desarrollo del falso pulgar.
Hubo que esperar siete años para que un nuevo estudio esclareciera la base genética y molecular del falso pulgar de los pandas. En 2017 se publicó un artículo en la revista Proceedings of the National Academy of Sciences que describió con detalle el origen del falso pulgar. Yibo Hu y sus colaboradores secuenciaron el genoma de las dos especies de pandas, gigante y rojo, y los compararon entre sí y con otros mamíferos para descubrir qué genes son específicos de estos pandas. Descubrieron que tanto el panda gigante como el panda rojo tienen unos 70 genes adaptativamente convergentes, lo que quiere decir que la secuencia de estos 70 genes sufrieron mutaciones en ambos linajes que les sirvieron para adaptarse. Examinando detenidamente la secuencia de todos estos genes, el estudio de Yibo Hu y colaboradores descubrió, al fin, la base genética que subyace al cambio de dieta y formación del falso pulgar en los pandas. Comenzando con la dieta, el grupo de investigación encontró que los pandas poseen ciertos genes mutados que codifican para tres enzimas específicas. Estas enzimas son secretadas por el páncreas de los pandas para obtener ciertos aminoácidos esenciales del bambú cuando lo están digiriendo. Encontraron además otras cuatro enzimas que les sirven a los dos pandas para asimilar y metabolizar las vitaminas A y B12 que se encuentran en su dieta. Estas vitaminas son, de hecho, esenciales para el correcto desarrollo inmunológico, visual (la vitamina A interviene en la síntesis de rodopsina) y nervioso (la vitamina B12 está implicada, entre otras funciones, en el funcionamiento del sistema nervioso y cerebro). En cuanto al desarrollo del falso pulgar, los investigadores encontraron dos genes clave: DYNC2H1 y PCNT, los cuales están involucrados en el desarrollo de las extremidades y cuya inactivación se ha visto que provoca polidactilia (generación de muchos dedos) y malformaciones esqueléticas en ratones.
Curiosamente, tanto en el panda gigante como en el panda rojo se han producido mutaciones similares (convergentes) en el gen DYNC2H1 que han conducido a su inactivación. En condiciones normales este gen produce una pequeña proteína que forma parte de la proteína gigante dineína, que está implicada, entre otras funciones, en el transporte de moléculas por el interior de los cilios durante su desarrollo. Los cilios son estructuras en forma de apéndices de las células que se expanden hacia el exterior. En el interior de los cilios se produce un movimiento constante de diminutas moléculas y es aquí donde interviene la dineína: actúa como soporte para estas pequeñas moléculas. La dineína, por así decirlo, actúa de «taxi» para las moléculas que se mueven por el interior de los cilios. Pues bien, si ocurren fallos en la proteína DYNC2H1 (como de hecho ocurre en ambos pandas debido a sus mutaciones) el tráfico de moléculas se ve afectado negativamente y los cilios se deforman durante el desarrollo embrionario. Estos cilios anormales, o deformados, acaban alterando una ruta de señalización molecular que desencadena en la formación de dedos ectópicos y polidactilia. De hecho, un análisis exhaustivo de la secuencia del gen DYNC2H1 puso de manifiesto que sólo los pandas gigantes y los pandas rojos poseen mutaciones en este gen entre todos los mamíferos placentarios.
Por otro lado, también se ha visto que el gen PCNT se encuentra mutado en ambos pandas. En su estado normal, PCNT también interviene en la formación de los cilios de las células. En los pandas, por lo tanto, este gen carece de función y la formación de cilios durante el desarrollo embrionario se ve inhibida. Ambas convergencias genéticas en estos dos genes (DYNC2H1 y PCNT) podrían haber conducido con casi total seguridad al desarrollo del falso pulgar en ambas especies de pandas. Queda todavía por confirmar, a nivel empírico y embrionario, que ambas proteínas mutadas en los pandas conducen a la formación del falso pulgar.
Este estudio es un ejemplo excelente, y precioso, de cómo las nuevas técnicas genómicas y moleculares están desentrañando la base genética de las adaptaciones de los seres vivos. Poco a poco comenzamos a conocer los, hasta no hace mucho, inescrutables caminos de la evolución.
Referencias:
1. Ruiqiang, Li et al. (2010). The sequence and de novo assembly of the giant panda genome. Nature, 463, pp: 311-317.
2. Yibo Hu, Qi Wu, Shuai Ma, Tianxiao Ma, Lei Shan, Xiao Wang, Yonggang Nie, Zemin Ning, Li Yan, Yunfang Xiu y Fuwen Wei (2017). Comparative genomics reveals convergent evolution between the bamboo-eating giant and red pandas. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 114, pp: 1081-1086.
3. Manuel J. Salesa, Mauricio Antón, Stéphane Peigné y Jorge Morales (2006). Evidence of a false thumb in a fossil carnivore clarifies the evolution of pandas. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 103, pp: 379-382.
4. Juan Abella, Alejandro Pérez-Ramos, Alberto Valenciano, David M. Alba, Marcos D. Ercoli, Daniel Hontencillas, Plinio Montoya y Jorge Morales (2015). Tracing the origin of the panda’s thumb. The Science of Nature, 102, pp: 1-13.
5. Jane Qiu. How the panda’s thumb evolved twice. Nature / News (16 enero 2017). Disponible en: https://www.nature.com/news/how-the-panda-s-thumb-evolved-twice-1.21300
Recursos: La fotografía de portada (Panda rojo, Ailurus fulgens) es obra de Mathias Appel. El dibujo de la mano con sus respectivos huesos en su visión palmar es obra de Mauricio Antón y se ha extraído del artículo de Manuel J. Salesa et al. (2006). La fotografía del panda gigante (Ailuropoda melanoleuca) pertenece a Lola/Shutterstock. Las dos fotografías de panda rojo del texto son obra de Mathias Appel.
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