Un pez en camino a nuevas costas

Los huesos de la Edad de Hielo revelan cómo los espinosos se adaptan a nuevos hábitats

23. Agosto 2021

La historia comienza con un hallazgo fortuito: en la primavera de 2018, un equipo de geólogos del Servicio Geológico Noruego partió en un viaje al extremo norte de Noruega. El objetivo de la expedición era recoger los núcleos de los sedimentos de los lagos cercanos a la costa con el fin de obtener una imagen de las fluctuaciones del nivel del mar al final de la última edad de hielo. Cuando el geólogo Anders Romundset del SGN filtró las muestras de sedimento a través de un tamiz fino en el laboratorio, encontraron no solo restos de algas y plantas en ellas. Los huesos de tamaño milimétrico y las espinas de los peces también colgaban en la malla.

Los huesos estaban tan bien conservados que los científicos supieron inmediatamente lo que habían encontrado: el espinoso (Gasterosteus aculeatus). Los peces espinosos de cuatro a seis centímetros de largo todavía se pueden encontrar en el mar y en los lagos de Escandinavia. Utilizando el método de radiocarbono, los investigadores determinaron una edad de alrededor de 12.000 años para los huesos. Esto significa que vinieron de la época en que grandes partes del norte de Europa todavía estaban cubiertas por gruesas capas de hielo. En este momento, los lagos estaban empezando a formarse mediante la transición de una bahía marina, a un lago de agua dulce aislado. El retroceso de las capas de hielo glaciar al final de la última edad de hielo permitió que la tierra se elevara lentamente por encima del nivel del mar, con el tiempo algunas bahías marinas se aislaron del océano y se llenaron de agua dulce. Incrustados en el sedimento en el fondo del lago, habían sobrevivido a los milenios.

Una mezcolanza de ADN

Los geólogos entregaron su hallazgo a Andrew Foote, ecólogo evolutivo de la Universidad Noruega de Ciencia y Tecnología en Trondheim. Foote, un experto en ADN antiguo, aprovechó la oportunidad. En un laboratorio especial de la Universidad de Copenhague, él y su colega Tom Gilbert se dispusieron a buscar restos del material genético en los huesos. Una de las dificultades fue que las muestras no sólo contenían ADN de espinosos, sino también trozos de ADN de otros organismos - plantas y bacterias, por ejemplo, que habían vivido en el mismo ambiente en ese momento. Finalmente, los fragmentos que buscaban eran sólo el uno por ciento de esta mezcolanza. Sin embargo, Foote logró pescar y secuenciar el ADN con gran esfuerzo.

Para Felicity Jones, líder del grupo de investigación en el Laboratorio Friedrich Miescher de Tubinga, el éxito de su socio de colaboración noruego Foote fue un golpe de suerte. Junto a su equipo, la australiana está investigando los fundamentos de la evolución. Los científicos quieren averiguar qué mecanismos moleculares garantizan que los organismos puedan adaptarse a nuevos hábitats o incluso formar nuevas especies. Los espinosos son ideales como organismos modelo para esto: en el transcurso de las últimas generaciones 10000-20000, las formas marinas han invadido y se han adaptado a numerosos y diversos hábitats de agua dulce (lagos, arroyos, pantanos). En las zonas de clima templado del hemisferio norte, los animales son comunes en muchos cuerpos de agua.

"Lo emocionante para nosotros es que los espinosos han colonizado nuevos hábitats de agua dulce del mar muchas veces de forma independiente", dice Felicity Jones, quien ha realizado investigaciones en Escocia, Nueva Zelanda y los Estados Unidos antes de instalarse en Tubinga. "Esto nos permite investigar las mismas preguntas en varios sistemas paralelos y, por lo tanto, descartar la posibilidad de que las mutaciones adaptativas que encontramos sean simplemente eventos casuales únicos". A medida que los peces se adaptaban a su nuevo entorno, se producían repetidamente cambios muy similares en su forma, comportamiento o fisiología en diferentes emplazamientos, un proceso conocido como evolución paralela. Al igual que en un enorme laboratorio de campo, los investigadores pueden, por lo tanto, utilizar los sticklebacks para elaborar los mecanismos moleculares fundamentales que desempeñan un papel cuando los organismos se adaptan a un nuevo entorno.

En su obra principal "Sobre el origen de las especies", Charles Darwin proporcionó la primera explicación plausible de cómo surgió la diversidad de la vida hace más de 160 años. Según esta explicación, todas las especies actuales descienden de ancestros comunes cuyos descendientes, en el transcurso de millones de años, se han distribuido entre los diversos hábitats y se han dividido en diferentes linajes. La fuerza impulsora detrás de este desarrollo es la selección natural: De todos los descendientes de un ser vivo, los que se adaptan mejor a su entorno producen más descendencia. Transmiten sus características genéticas/heredables a más individuos en la siguiente generación.

El hallazgo óseo prehistórico abrió posibilidades completamente nuevas para los investigadores de Tubinga y sus colaboradores: Por primera vez, tenían un antepasado del espinoso de agua dulce frente a ellos, y este pez, que había vivido hace unos 12.000 años, también reveló información genética. "Hasta donde sabemos, estos son los huesos de pez más antiguos de los que se han obtenido datos del genoma", dice Felicity Jones. "Abren una ventana al pasado, para que podamos entender el tipo de variación genética que los animales llevaron al adaptarse a su nuevo hábitat".

Las reliquias óseas se habían encontrado en una capa de sedimentos que marca la transición del agua salada al agua dulce. Los peces de los que provenían habían vivido una vez en aguas salobres. Cuando los glaciares se derritieron hacia el final de la Edad de Hielo y una enorme carga de hielo se desvaneció, la masa de tierra se elevó gradualmente. En el proceso, los lagos cercanos a la costa se separaron gradualmente del mar. Los sticklebacks, que quedaron atrapados en las aguas aisladas, lograron adaptarse a las nuevas condiciones y reproducirse. En las diferentes aguas, muchos nuevos tipos se desarrollaron con el tiempo que diferían de sus parientes en el mar. Desde un punto de vista puramente externo, los peces variaban en su tamaño corporal y pigmentación, la longitud de sus espinas dorsales y el tamaño y número de sus placas óseas.

Para hacerse una idea de lo que había cambiado a nivel genético, los investigadores compararon el material genético de la Edad de Hielo con el de sus descendientes. Para ello, analizaron espinosos de dos lagos costeros al sur de la ciudad de Hammerfest. Se encontraron huesos antiguos en ambos lagos, pero la secuenciación del ADN antiguo fue más exitosa para un lago que para el otro. Además, los investigadores también secuenciaron los genomas de espinosos marinos de la misma zona.

Bloques de construcción evolutivos

La comparación mostró que el pez de la Edad de Hielo era genéticamente muy similar a sus conespecíficos marinos de hoy en día: "Los huesos contenían principalmente variantes genéticas que son ventajosas para la vida en agua salada", dice Melanie Kirch, estudiante de doctorado en el grupo de investigación de Felicity Jones, quien analizó una gran parte de los datos del genoma. Sin embargo, también se encontraron variantes que ya mostraban una adaptación al agua dulce. Tales variantes del gen también se encuentran esporádicamente entre los espinosos marinos de hoy. Los investigadores suponen que estos últimos ocasionalmente se aparean con conespecíficos de agua dulce, por ejemplo en los estuarios de los ríos. Como resultado, las variantes de genes de agua dulce entran repetidamente en la población marina. Para los espinosos marinos, estas variantes son inútiles o incluso desventajosas y por lo tanto no se propagan. Sin embargo, cuando se colonizan nuevos hábitats de agua dulce, resultan ser comodines: si la evolución puede acceder a estos bloques de construcción ya hechos, la adaptación es posible en muy poco tiempo, en el caso de los espinosos dentro de unas pocas décadas. Si, por el contrario, las variantes genéticas apropiadas primero tienen que surgir por casualidad a través de la mutación, a veces pueden pasar millones de años.

La comparación del genoma proporcionó aún más detalles sobre el desarrollo de espinosos de agua dulce. Demostró que los peces de los dos lagos eran genéticamente menos diversos que sus antepasados del mar. Por un lado, esto se debió al hecho de que los individuos aislados que recién colonizaron los lagos en ese momento solo habían traído consigo una pequeña parte de las variantes genéticas que se encontraron entre los espinosos marinos. Por otro lado, algunas variantes habían desaparecido del acervo genético en las poblaciones recién establecidas por casualidad con el tiempo, un proceso conocido como deriva genética. "Solo por casualidad, incluso aquellas variantes que serían ventajosas para la vida en agua dulce se perdieron de esta manera", dice Felicity Jones. Este grave empobrecimiento genético, típico de las pequeñas poblaciones fundadoras, es lo que los biólogos llaman en sentido figurado un "cuello de botella genético".

Cuello de botella trascendental

Para los espinosos de agua dulce, este cuello de botella fue trascendental: la variación genética es el material a partir del cual la evolución produce nuevas adaptaciones. Si hay muchas variantes genéticas diferentes disponibles, puede recurrir a todos los recursos. En los peces de los dos lagos, sin embargo, la variación se redujo en gran medida: "Sospechamos que no están tan bien adaptados a su hábitat como podrían estar", interpreta Jones en los resultados.

En el futuro, Felicity Jones y su colaborador Andy Foote están entusiasmados con la investigación adicional sobre la historia evolutiva de los escandinavos. Uno de sus objetivos es evaluar genéticamente aún más huesos prehistóricos de las capas de sedimentos más jóvenes. "Si tuviéramos huesos no solo de un solo pez, sino de varios que vivieron cientos de años separados, podríamos rastrear directamente cómo el genoma cambió con el tiempo después de que los espinosos llegaron a su nuevo hábitat", dice.