Los secretos de la evolución de las aves (y por qué esto nos afecta)

birdsTerminé 2014 prometiendo que mi primer post del año sería sobre este hallazgo, y lo prometido es deuda. Aunque más que un hallazgo se trata de un auténtico tesoro, al menos para los que nos dedicamos a esto del genoma. Para hacerse una idea, los cálculos computacionales necesarios para realizar esta investigación equivalen a unos trescientos años (sí, 300 años) de uso de CPU y precisaron superordenadores con 1 terabyte de RAM.

Lo cual es comprensible si consideramos que la tarea en cuestión ha sido el análisis de la secuencia de los genomas completos de cuarenta y ocho especies de pájaros, una muestra representativa de un grupo taxonómico conocido como Neoaves que comprende la gran mayoría de los pájaros. Desde el pato hasta el águila, pasando por el avestruz, los investigadores leyeron la secuencia completa de estos 48 genomas y a continuación los analizaron con nuevas técnicas computacionales. Así lograron resolver algunos enigmas que sobrevolaban el terreno de la evolución de las aves; de paso, hicieron algunas observaciones que darán mucho trabajo a futuras generaciones de científicos.

“Los cálculos computacionales necesarios para realizar esta investigación equivalen a unos trescientos años de uso de CPU”

Todo este arsenal de datos ha sido publicado en casi treinta artículos científicos en varias revistas, por lo que comentarlo con cierto detalle está fuera del alcance de este blog. Me referiré simplemente a dos aspectos principales, que son objeto de sendos artículos publicados en la revista Science. En primer lugar, como es lógico, está la cuestión de la evolución de las aves. Los análisis realizados hasta ahora no habían sido concluyentes, ya que el árbol familiar de las aves se presta a diversas interpretaciones dependiendo de cuáles genes o cuáles características se escojan para construirlo. Ahora, con la secuencia del genoma completo de especies representativas de todo el rango de diversidad de las Neoaves, muchas de las cuestiones debatidas parecen haber quedado resueltas, como por ejemplo la rápida expansión de este grupo tras la gran extinción que acabó con los dinosaurios hace 65 millones de años, o el triple origen independiente de las aves acuáticas.

Además, el paisaje genómico de las aves resulta ser bastante peculiar, comparado incluso con el de otros reptiles. Los pájaros tienen genomas más pequeños, con cromosomas minúsculos muy fragmentados y con un número relativamente bajo de genes (el 70% de los que tenemos los humanos, más o menos). Aunque la velocidad a la que han evolucionado estos genomas es lenta, algunas regiones o familias concretas de genes muestran una evolución acelerada en especies de pájaros que han desarrollado fenotipos similares. Y esto podría ayudar a explicar cómo algunos rasgos típicos de las aves (esqueleto más ligero, plumas de colores, visión en color, etcétera) han aparecido varias veces independientemente.

“Con la secuencia del genoma completo de estas especies, muchas de las cuestiones debatidas sobre la evolución de las Neoaves parecen haber quedado resueltas”

Precisamente sobre uno de estos rasgos convergentes se centra el otro artículo publicado en Science: el aprendizaje vocal. Como los humanos, algunas especies de aves pueden aprender vocalizaciones (el canto); otras especies, en cambio, no. Los científicos creen que este rasgo ha aparecido independientemente en las aves al menos en dos momentos, posiblemente tres. Analizando las nuevas secuencias, los investigadores pudieron acotar varios cientos de regiones reguladoras (responsables de activar o silenciar genes) que muestran evolución acelerada en los pájaros capaces de aprendizaje vocal. Como era de esperar, los genes regulados por estas regiones están relacionados mayoritariamente con los centros cerebrales responsables del canto de las aves y de su aprendizaje. Lo fascinante es la estrecha relación de todo esto con el habla humana.

Que el canto de los pájaros y nuestro lenguaje guardan una cierta similitud es algo bien conocido por los científicos. Ahora sabemos algo más, algo crucial: dicho parecido se debe a que ambos procesos usan circuitos genéticos similares. Por ejemplo, los investigadores hallaron unos cincuenta genes cuya actividad varía de forma parecida en los cerebros de pájaros cantores y de humanos, pero no en los cerebros de pájaros que no cantan o de primates (que no hablan). Se trata de genes implicados en las conexiones nerviosas necesarias para mover los músculos que producen el sonido. Como es natural, esos genes están en los genomas de muchas especies, pero sólo se activan en las regiones cerebrales responsables del canto de los pájaros o del lenguaje humano.

“Lo fascinante es que el parecido entre el canto de los pájaros y nuestro lenguaje se debe a que ambos procesos usan circuitos genéticos similares”

Por último, y a modo de curiosidad, algo que gustará a los amantes de los loros, que se distinguen por su especial habilidad para vocalizar imitando el habla humana. El estudio de la actividad de los genes implicados muestra que estas aves tienen un “súper-centro” cerebral del canto altamente sofisticado, algo así como dos sistemas de canto en uno. La próxima vez que hable con su loro, téngalo en cuenta…

 

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E pluribus unum

La frase del título, además de ser el lema del escudo de los Estados Unidos, podría aplicarse a cada uno de nosotros, o a cualquier ser vivo formado por más de una célula. El momento en que apareció la multicelularidad durante la evolución, y las causas, son todavía un misterio, pero hay muchas investigaciones en diversos campos de la ciencia que intentan resolver este enigma. Muchas de ellas, lógicamente, se centran en algunos seres vivos que -dependiendo de las condiciones ambientales- pueden existir como una sola célula o como una colonia de células que interaccionan entre sí.

El tema es apasionante. Una bacteria, al multiplicarse, forma colonias, que no son más que eso: grupos de bacterias que están unidas temporalmente pero que no funcionan de modo integrado. En cambio, un organismo multicelular se caracteriza porque desde el comienzo de su desarrollo embrionario las distintas células aprenden a cooperar, comunicarse y dividirse el trabajo, formando una unidad funcional con un único plan. ¿Cómo ha evolucionado algo tan complejo, pero que tiene ventajas biológicas evidentes? Probablemente, los primeros organismos multicelulares sencillos serían parecidos al Trichoplax o a las esponjas, y debieron aparecer sobre la Tierra (o más bien debería decir bajo el mar) hace más de 600 millones de años.

En la última reunión anual de la Sociedad de Biología del Desarrollo, el laboratorio de Nicole King en la Universidad de California en Berkeley, ha anunciado algo asombroso. En unos bichos unicelulares que están en el plancton, llamados coanoflagelados, han demostrado que la presencia de bacterias es totalmente imprescindible para que estos organismos formen colonias. Estudiando el asunto más a fondo, los científicos dieron con una proteína de la pared de las bacterias que es la principal responsable de este fenómeno. Ahora, los investigadores se proponen estudiar esponjas, los animales más simples, para comprobar si las bacterias han tenido algo que ver con la aparición de algo tan importante como la multicelularidad. Sería fascinante…

La pluma del dinosaurio

Qué bonito título para un libro, ¿verdad? A ver si me animo un día de éstos… La cosa es que hasta hace unos años sólo conocíamos un dinosaurio con plumas, Archeopteryx, la madre de todos los pájaros. En general, todos nos imaginábamos los dinosaurios como unos bichos con escamas, grises y feos. Esto ha cambiado radicalmente en los últimos tres años, gracias a los hallazgos de bastantes fósiles de dinosaurios con plumas de vivos colores. Bueno, en realidad se trata de plumas primitivas, filamentos largos que recuerdan más a un pelo que a una pluma actual (y que, evidentemente, no utilizaban para volar). El problema es que nadie sabía muy bien cómo había sido la transición desde esas estructuras hasta las plumas más sofisticadas de dinosaurios tardíos y pájaros.

La respuesta, publicada esta semana en la revista Science, está en el ámbar. Como mis lectores sabrán, el ámbar es resina de árbol fosilizada, y a veces contiene estructuras antiquísimas en perfecto estado de conservación. Pues bien, un sorprendente depósito de ambar de unos 80 millones de años de antigüedad, encontrado en Canadá, ha revelado una gran variedad de plumas, desde algunas muy primitivas hasta otras que permitían el vuelo o incluso estaban adaptadas a la inmersión bajo el agua, como en algunos pájaros de la actualidad.

Lo interesante del hallazgo, además de que confirma las teorías sobre la evolución de estas estructuras, es el hecho de que en un mismo periodo de tiempo coexistiesen dinosaurios -incapaces de volar- con tal variedad de plumas.

Los genes que necesitamos para crear una sociedad

Algunas “soluciones” biológicas son tan importantes que han aparecido múltiples veces durante la evolución, fenómeno que los científicos llaman evolución convergente. El ojo, por ejemplo, o la capacidad de volar, han aparecido independientemente en grupos de animales muy distintos. Algo similar sucede con la eusocialidad, que es la capacidad de desarrollar un sistema de castas en el que algunos individuos se sacrifican por el bien de la comunidad. Uno piensa inmediatamente en las hormigas o las abejas, pero -sólo en insectos- el comportamiento eusocial ha aparecido once veces por caminos independientes.

La revista PNAS acaba de publicar el trabajo de científicos de la Unviersidad de Cornell, en Estados Unidos. Los investigadores han leído el genoma de nueve especies de abeja, que representan tres vías distintas de alcanzar la eusocialidad, y lo han comparado con el genoma de Apis mellifera, la típica abeja doméstica. Algunas de éstas forman sistemas sociales muy rígidos, mientras que en otras la eusocialidad está en un estado más primitivo. Con la secuencia genética a la vista, los científicos han buscado genes sometidos a fuerte selección en cada una de las especies (otro día debería explicar cómo se hace esto), llegando a una sorprendente conclusión: aunque han alcanzado la eusocialidad por separado, todas han utilizado genes similares. O sea, que podemos hablar de una especie de “caja de herramientas” genética que ha permitido el desarrollo de la eusocialidad, al menos en insectos. ¿Tendremos nosotros algo parecido?

La importancia de la longitud

Uno siempre tiene algunos temas sobre los que le gustaría escribir un libro. A mí se me amontonan, qué le vamos a hacer. Pero hay uno que me parece especialmente apasionante: los mecanismos de orientación de los animales.

Hace unos años recogimos en A Ciencia Cierta una investigación sobre el “GPS” interno de las mariposas monarca, que parecen orientarse por la posición del sol. Muchos de los grandes migradores utilizan los campos magnéticos terrestres para calcular la latitud (posición norte-sur), y de hecho también hablamos aquí en su día del “sexto sentido” magnético de las vacas. Lo que no es tan fácil de explicar es cómo se calcula la posición este-oeste (la longitud): para ello es necesario saber con exactitud la hora, cosa que resulta complicada con los relojes biológicos internos.

Ahora, un sorprendente estudio publicado en Current Biology demuestra que las tortugas marinas utilizan los campos magnéticos para calcular tanto la latitud como la longitud, creando unos mapas bidimensionales que les permiten saber su posición. No puedo entrar en los detalles del estudio, en el que trasladaron tortugas caribeñas al otro extremo del Atlántico (manteniendo la misma latitud), pero me parece increíblemente interesante.