Nuevo árbol genealógico de animales plantea interrogantes sobre el origen del sistema nervioso – Ars Technica

Pídele a alguien que piense en un animal, y probablemente pensará en uno de nuestros parientes mamíferos. Algunas personas irían tan lejos como para mencionar otros vertebrados, como aves y peces. Pero estos apenas arañan la superficie de la diversidad animal, con cosas como cefalópodos, insectos y equinodermos que tienen características distintas.

Y eso es antes de llegar a las cosas realmente extrañas, como objetos huecos radialmente simétricos o esponjas que carecen de músculos y células nerviosas. O las medusas peine, que se mueven girando muchos cilios parecidos a hilos. o el La rareza es una estatura realmente extrañaCriaturas con forma de disco que tienen dos lados pero no interior y digieren cosas en su superficie.

Para las personas que tienden a pensar que la evolución implica agregar una mayor complejidad a los organismos, es tentador imaginar que el árbol genealógico de un animal surgió al agregar gradualmente más cosas, como células nerviosas y músculos. Pero ha habido un flujo constante de estudios genéticos que indican que hay dos linajes separados que terminaron con neuronas. Los resultados de estos estudios dependieron poco de los genes y especies elegidos para el análisis. Pero un nuevo estudio que no se basa en genes individuales ahora posiciona firmemente a las esponjas como más estrechamente relacionadas con los humanos que con otros animales con sistemas nerviosos.

reorganiza los cromosomas

La mayoría de los primeros estudios en este campo involucraron la identificación de genes relacionados presentes en todos los animales y el aprendizaje de cómo estos genes estaban vinculados. Se supone que los propios organismos están relacionados de la misma manera. Esto puede ser muy útil en muchas situaciones, pero el análisis tiende a volverse confuso cuando muchas especies divergen en un corto período de tiempo, o cuando los genes individuales cambian mucho debido a presiones evolutivas. Por lo tanto, la respuesta exacta que obtenga a veces puede depender de los genes que elija observar.

El nuevo estudio intenta evitar la confusión al observar cómo se organizan los genes en los cromosomas. Resulta que los genes individuales tienden a permanecer en el mismo lugar del cromosoma durante largos períodos de tiempo. Se estima que se necesitan 40 millones de años para que solo el uno por ciento de los genes en un genoma animal típico se transfiera a un nuevo cromosoma. Entonces, lo más probable es que si cuatro genes están uno al lado del otro ahora, estaban uno al lado del otro en los antepasados ​​​​de los mamíferos de hoy que habrían tenido que evitar ser comidos por los dinosaurios.

Esto no significa que estos ancestros tuvieran exactamente el mismo número y disposición de cromosomas. Se producen reordenamientos a gran escala, como la fusión o división de cromosomas, o el intercambio de un gran segmento de uno a otro. Pero estos grandes reordenamientos mantienen casi todos los genes cercanos uno al lado del otro, incluso si todo el ensamblaje termina en un cromosoma diferente (los intercambios pueden implicar una sola ruptura en una molécula de ADN).

Esto significa que descomponer la disposición lineal de un grupo de genes se denomina técnica. sintético– muy raro en la historia evolutiva de los animales. Y al rastrear los cambios en el orden de los genes en diferentes especies, podemos saber dónde se separaron las combinaciones de genes anteriores en un organismo y qué otras especies heredaron el mismo reordenamiento. Y eso puede decirnos qué organismos están más estrechamente relacionados con nosotros.

Seguimiento de reorden

Para hacer este tipo de análisis, necesita saber cómo se organizan los genes en los cromosomas. Recientemente hemos desarrollado una tecnología que nos permite secuenciar piezas muy largas de ADN, a menudo decenas de miles de bases que se extienden, lo que hace que sea mucho más fácil volver a unir los cromosomas. Los investigadores se basaron en tantos genomas animales como se hizo y completaron algunos propios para el estudio. Además, reconstruyeron los cromosomas de organismos unicelulares que se cree que están estrechamente relacionados con los animales para proporcionar una línea de base para sus arreglos iniciales.

Se cree que el origen de los animales ocurrió hace aproximadamente 800 millones de años. Por lo tanto, aunque la ruptura de grupos de genes es rara, es tiempo suficiente para que esto ocurra en una gran parte del genoma. Los investigadores solo pudieron identificar un poco menos de 300 genes que estaban en grupos que se extendían a parientes de animales unicelulares, y el grupo más grande comprendía 29 genes. Cuando los investigadores realizaron 10 millones de simulaciones que ensamblaron aleatoriamente genes a las tasas esperadas durante 800 millones de años, nunca terminaron con un grupo tan grande como ocho genes, por lo que la mayoría de estos son probablemente verdaderos casos ancestrales.

Al rastrear los reordenamientos, los investigadores pudieron identificar ocho reordenamientos comunes a los animales del lado derecho e izquierdo como los vertebrados, y cosas como las medusas (Cnidaria) y las esponjas (Porifera). Ninguno de estos ha sido visto en medusas peine (Ctenophora). Nuevamente, realizaron 100 millones de simulaciones aleatorias y nunca vieron este patrón de herencia, por lo que parece ser real.

Esto significa que los animales como nosotros como vertebrados, junto con todo lo demás que tiene un lado izquierdo y otro derecho, están más estrechamente asociados con las esponjas que nosotros con las medusas. Esto a pesar de que las esponjas no tienen músculos ni sistema nervioso, mientras que las medusas peine nos comparten a todos juntos.

¿Cómo puede esto ser verdad?

Aparte de su falta de nervios y músculos, las esponjas son inusuales porque muchas de ellas tienen una estructura mineral interna que se parece un poco a un esqueleto. Muchos de ellos usan carbonato de calcio para hacer esto, pero algunos tipos lo hacen de sílice, que es químicamente muy diferente de cualquier cosa que hacemos con dos patas. También carece de algo parecido a un sistema digestivo interno.

Pero si estos parecen parientes extraños, los placozoos son los tíos Festers de la familia animal. Estos existen como un disco de dos lados que se mueve de manera coordinada a través de las superficies. Cuando se deslizan a través de la comida, simplemente forman un pequeño saco en la parte inferior del disco y lo digieren en su lugar. Todo esto ocurre sin neuronas o músculos evidentes, aunque hay informes de que experimentan picos en la actividad eléctrica que, en otros animales, son el sello distintivo de las neuronas.

Una vez más, estos grupos parecen estar más estrechamente relacionados con nosotros que las medusas en peine, que contienen redes nerviosas y células musculares.

Hay dos posibles explicaciones para esto, y es imposible diferenciarlas en este momento. La primera es que los ancestros de esponjas y placozoos también tenían músculos y células nerviosas, pero las perdieron durante la evolución, lo que facilitó radicalmente los planes de sus cuerpos a lo largo de cientos de millones de años. Esto va en contra de cómo la mayoría de la gente esperaría que funcionara la evolución, pero hay muchos organismos que han prosperado con planes corporales aerodinámicos (muchos de ellos son parásitos). Las esponjas han prosperado en el nicho que ocupan. Los placozoos también pueden estar prosperando, pero son pequeños y fáciles de pasar por alto, por lo que no tenemos una comprensión sólida de eso.

La alternativa es que cosas como los músculos y las células nerviosas evolucionaron dos veces. Esto puede parecer imposible, pero hay algunas cosas que apuntan en esta dirección. Una es que parece haber diferencias significativas entre las neuronas y los músculos de las medusas peine y los de los animales del lado derecho e izquierdo. Los placozoos, como se mencionó anteriormente, parecen tener un comportamiento similar al de las neuronas, incluso si carecen de neuronas. Muchos de los compuestos proteicos necesarios para la función de las células nerviosas son producidos por esponjas. Así que podría ser que los ancestros de todos estos animales tuvieran piezas que permitieran que las neuronas se desarrollaran con menos cambios de los que de otro modo serían necesarios.

Distinguir entre estas posibilidades sería un serio desafío, y no es probable que la simple recopilación de más secuencias del genoma nos proporcione una respuesta. En cambio, tal vez debamos comenzar a trabajar en el cultivo de medusas de peine en el laboratorio, para que podamos observar más de cerca las neuronas y los músculos.

Naturaleza, 2023. DOI: 10.1038 / s41586-023-05936-6 (sobre los DOI).