Tal y como ocurrió hace cientos de millones de años, cuando los animales marinos conquistaron los continentes y evolucionaron en millones de especies, familias y clases, incluidos los seres humanos, un grupo de peces actuales llamados petirrojos marinos han evolucionado para desarrollar aletas agrandadas parecidas a alas y seis apéndices similares a las extremidades de los cangrejos.
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Los petirrojos marinos son peces oceánicos especialmente adaptados a su estilo de vida en el fondo del mar: usan sus seis “patas”, que en realidad son apéndices especializados, para caminar y lo hacen con gran habilidad para cavar y encontrar presas, o para escabullirse.
“¿Cómo desarrollan los animales nuevos rasgos?” Se preguntó el equipo de investigadores de Alemania, Estados Unidos e Italia, encabezados por David Kingsley, de la Universidad de Stanford. “Aquí, demostramos que las patas son órganos sensoriales genuinos que localizan presas enterradas”.
En dos artículos científicos publicados esta semana en la revista Current Biology, (DOI: 10.1016/j.cub.2024.08.014 y DOI: 10.1016/j.cub.2024.08.042) los investigadores señalan que las extremidades están cubiertas de papilas sensoriales, similares a las papilas gustativas, que tienen una inervación densa de neuronas sensibles al tacto y al gusto, que utilizan para localizar químicamente a sus presas escondidas en la arena del suelo marino. Son excelentes depredadores y usan sus “patas” para excavar.
Los científicos realizaron una combinación de análisis del desarrollo, estudiaron cruces entre especies con y sin papilas, y realizaron comparaciones entre petirrojos marinos de todo el mundo para concluir que las papilas representan una innovación evolutiva clave asociada con la diversidad y la competencia en el fondo marino.
“Aquí, demostramos que las patas son órganos sensoriales genuinos que localizan presas enterradas”
“Estos descubrimientos proporcionan una perspectiva única sobre cómo las adaptaciones a escala genética, molecular, celular y tisular se integran para producir nuevos rasgos y comportamientos orgánicos”, señalan los científicos en el primer artículo titulado Evolución de nuevos órganos sensoriales en peces con patas.
“Los petirrojos marinos son un ejemplo de una especie con un rasgo muy inusual y muy novedoso”, señaló Corey Allard, de la Universidad de Harvard, quien investiga la biología sensorial y la fisiología celular de animales marinos como pulpos, medusas y babosas marinas. “Queríamos usarlos como modelo para preguntar: ¿Cómo se crea un nuevo órgano?”.
Estas investigaciones proporcionan la comprensión más completa hasta la fecha sobre cómo los petirrojos marinos utilizan sus extremidades, qué genes controlan la aparición de esas extremidades y cómo estos animales podrían usarse como un marco conceptual para comprender las adaptaciones evolutivas.
“Patas” excavadoras y andantes
Las “patas” de los petirrojos marinos son en realidad extensiones de sus aletas pectorales, de las que tienen tres en cada lado. Allard primero determinó si las extremidades son órganos sensoriales genuinos, algo que los científicos habían sospechado, pero nunca confirmado.
Llevó a cabo experimentos observando a los petirrojos marinos en cautiverio, cazando presas, tácticas en las que alternan breves episodios de natación y “caminatas”. También ocasionalmente rascan la superficie de la arena para encontrar presas enterradas, como mejillones y otros mariscos, sin señales visuales.
De esta manera los investigadores se dieron cuenta de que las “patas” eran sensibles tanto a estímulos mecánicos como químicos. Incluso enterraron cápsulas que solo contenían sustancias químicas individuales y los peces pudieron encontrarlas fácilmente.
Los investigadores analizaron otra especie de petirrojo marino, pero estas no excavaban ni encontraban presas enterradas o cápsulas como podían hacerlo los anteriores, por lo que los caracterizaron o clasificaron como un especies diferentes. Los Prionotus carolinus, que excavan para encontrar presas enterradas y es muy sensible al tacto y a las señales químicas, y P. evolans, que carece de estas capacidades sensoriales y usa sus extremidades solo para la locomoción y el sondeo, pero no para excavar.
Al examinar las diferencias en las patas de los dos peces, descubrieron que las de la variedad excavadora tenían forma de pala y estaban cubiertas de protuberancias llamadas papilas, similares a las papilas gustativas humanas. Las patas de los peces que no excavaban tenían forma de bastón y carecían de papilas. Basándose en estas diferencias, los investigadores concluyeron que las papilas son subespecializaciones evolutivas.
Aunque las extremidades no son técnicamente piernas, pues su posición en el cuerpo es más similar a usar los brazos para caminar, pero los peces usan los apéndices para moverse, lo que llevó al equipo de científicos a llamarlos “piernas”.
“Nuestro estudio establece a los petirrojos marinos como un organismo modelo para estudiar la evolución de la ganancia de rasgos principales e ilustra cómo los antiguos genes de control del desarrollo pueden ser la base de la formación de nuevos órganos”.
Los genes del caminar
Estos peces caminantes son un organismo modelo poderoso para estudiar y comparar rasgos especializados y para comprender cómo la evolución permite la adaptación a entornos muy específicos a lo largo del tiempo.
Hace alrededor de 6 millones de años, los humanos separaron de sus ancestros primates y desarrollaron la capacidad de caminar erguidos en sus piernas: el bipedalismo, una característica definitoria de nuestra especie, pero aún hay muchas interrogantes sobre cómo, cuándo y por qué se produjo ese cambio evolutivo.
Los petirrojos marinos y su adaptación a la vida en el fondo del océano podrían ofrecer pistas como, por ejemplo, los factores genéticos y de transcripción que controlan el desarrollo de las patas que también se encuentran en las extremidades de otros animales, incluidos los humanos.
La segunda investigación titulada Los genes del desarrollo antiguo subyacen a las novedades evolutivas en los peces caminantes, encabezada por Nicholas W. Bellono, de la Universidad de Harvard, se centró en el examen exhaustivo de los fundamentos genéticos del rasgo inusual del pez caminante.
Para ello, Bellono y si equipo realizaron estudios de edición genética, transcriptómica y genómica para identificar los factores de transcripción genética se utilizan en la formación de las patas y su función en los petirrojos marinos.
También generaron híbridos entre dos especies de petirrojos marinos con formas de extremidades distintas para explorar la base genética de estas diferencias.
“Una cuestión crítica en biología es cómo evolucionan los nuevos rasgos, pero estudiar esto en animales salvajes sigue siendo un desafío. Aquí, investigamos la base genética de la ganancia de rasgos en los peces petirrojos marinos, que han desarrollado apéndices especializados similares a extremidades para la locomoción y la excavación a lo largo del fondo del océano”, señalan los investigadores en el artículo.
Luego de los experimentos y análisis identificaron un antiguo factor de transcripción llamado tbx3a como un determinante principal del desarrollo de las patas sensoriales: Tanto para la formación normal de las patas, como para la formación de lóbulos agrandados del sistema nervioso central, papilas sensoriales y el comportamiento de excavación.
“Nuestro estudio establece a los petirrojos marinos como un organismo modelo para estudiar la evolución de la ganancia de rasgos principales e ilustra cómo los antiguos genes de control del desarrollo pueden ser la base de la formación de nuevos órganos”.
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