El Cedazo

En las entradas anteriores de esta serie sobre la Biografía de la Vida comenzamos a desarrollar lo que llamaba la evolución de la complejidad. Cómo los seres del reino Animalia fueron evolucionando sus organismos hasta los fenotipos habituales para nosotros, habitantes del siglo XXI. En la entrada 22 hablamos del concepto de la diferenciación celular, y en la siguiente, la número 23, desarrollamos un curioso caso particular, el caso de la célula que decide diferenciarse por la vía del “altruismo”.

Hoy continuaremos con la tarea tratando brevemente la conquista de la simetría bilateral para seguir con el sorprendente proceso de la segmentación corporal.

Recuerdo una vez más que en esta entrada no estoy siguiendo estrictamente el orden cronológico de los acontecimientos, sino que voy a centrarme en cómo fue la evolución de estos dos aspectos, independientemente de en qué periodo temporal se produjeron los hechos de autos.

El camino de la simetría bilateral

Estamos situados en el planeta Tierra de hace 600 millones de años. Nos tenemos que adentrar en el periodo ediacárico -o quizás cien millones de años como algunos opinan- época de donde tenemos datados fósiles de los que se duda si son de la biota ediacara o bien formas aún más  primitivas de seres vivientes. El fósil más antiguo de este tipo, ya bilateral, es Vernanimalcula descubierto en la formación Doushantuo en China. Su identificación está en discusión, ya que algunos especialistas lo consideran la parte interior de un saco de huevos o quizás un acritarco. Ejemplos más recientes, aceptados casi universalmente como bilaterales, incluyen a Kimberella (de la que ya hablamos en la entrada número 19 sobre el Cámbrico), parecido a un molusco, Spriggina (¿anélido o artrópodo?) y Parvancorina, con forma de escudo  y parecido a un trilobites del Cámbrico.

A la vista de la gran cantidad de animales, vivos o extintos, que desarrollan una simetría bilateral en sus organismos, hay que afirmar que este tipo de morfología debe presentar una serie de ventajas evolutivas de gran éxito. Intentaremos imaginar cuál fue el camino y el porqué del paso desde la forma ameboide a la estructura corporal bilateral.

Cuando estudiamos el mecanismo de especialización celular^[1] hablamos de que el sistema de expresión de los genes maternos había seleccionado una proteína que fijaba el inicio de la simetría de su embrión. ¿Por qué pasó eso? Una consecuencia más del poder evolutivo de la selección natural. Dejemos que nos lo cuente el magistral zoólogo Richard Dawkins  que en su libro “El cuento del antepasado” nos da una magnífica explicación casi cinematográfica del porqué:

“Cualquier animal que se tenga que desplazar de un punto a otro, en vez de permanecer estático, absorbiendo agua con nutrientes, probablemente necesitará un extremo frontal especializado. Una cabeza. El posible alimento llegaría, para este animal, desde el extremo de la cabeza, por lo que es fácil imaginar que en ella se abriría el orificio para alimentarse, así como los detectores para conseguir más fácilmente el alimento, como pueden ser tentáculos táctiles, órganos olfativos y visuales. A la par, es lógico pensar que la mayor concentración de tejido nervioso se diera cerca de estos órganos sensitivos y cerca del principal centro de acción, el aparato con el que capturaba su alimento.

Así que podemos definir a la cabeza como extremo director, el que tiene la boca, los principales órganos sensoriales y el cerebro, si es que lo tiene. Otro mecanismo con lógica sería el que las sustancias residuales del animal se expulsasen por el extremo contrario al de la boca, para dificultar el reciclado de estos residuos.

Tendríamos pues una especie de gusano primigenio que ha conseguido aprovechar las oportunidades que le da una asimetría delante-detrás, ¿y por qué no también una asimetría arriba-abajo dorsal-ventral?

Basándonos en la realidad de la fuerza de la gravedad saltan a la vista las inevitables diferencias que existen entre “arriba” y “abajo”. Abajo es donde está el fondo marino, es donde uno se puede apoyar para moverse, arriba es de donde llega la luz solar, de arriba es por donde vienen las cosas que caen sobre uno. Los peligros, por tanto, no son los mismos si vienen de arriba o de abajo. Así que nuestro primitivo gusano no tuvo más que desarrollar una parte superior, o dorsal, especializada para las amenazas y oportunidades que le venían de arriba, de la parte luminosa, así como una cara inferior, o ventral, también preparada para lo que le venía de abajo, del fondo del mar.

Con estas dos asimetrías, delante-detrás y arriba-abajo, automáticamente quedan definidos ambos lados, izquierdo-derecho. Pero, a diferencia de los otros dos ejes, no hay motivos para diferenciar entre el lado derecho y el izquierdo. El peligro puede venir de la misma manera desde la derecha como por la izquierda. No hay una razón especial que le permita encontrar más comida por un lado que por el otro, aunque sí habría diferencias entre las capas de aguas más superficiales o más profundas”.

Es más, añadiremos, no resultaría muy conveniente el tener derecha e izquierda desiguales, ya que supondría un ineficaz sobreesfuerzo de coordinación tanto para alimentarse como para moverse, o para supervisar el amenazante entorno. Por tanto, parece lógico que cualquier modificación novedosa que hubiera sido buena para el lado derecho lo tenía que ser también para el izquierdo, ¿en razón de qué iba a ser lo contrario?

No obstante, comentaremos aquí como curiosidad el caso del lenguado y el de sus colegas las platijas y los gallos. Después de haber ensalzado las ventajas de la bilateralidad, a este animal habría que calificarlo como un irresponsable, ya que nace con esta simetría y poco a poco adopta un esquema picasiano. A medida que pasan los días se recuesta en el fondo del mar sobre su lado derecho. Como sólo vería con el ojo que queda libre, el izquierdo, su situación sería muy precaria. Así que poco a poco tuerce la boca situándola en posición arriba/abajo, y traslada a su ojo derecho junto al izquierdo, los dos mirando hacia la superficie luminosa. Misteriosamente, su orientación derecha/izquierda pasa a ser una deformada arriba/abajo.

El camino de la segmentación

El concepto de segmentación se refiere a la repetición de unidades anatómicas casi idénticas en los cuerpos de animales y vegetales: los segmentos. Ya en algunos organismos de los ancestrales platelmintos aparecen rudimentos de esta estructuración, claramente manifestada en los artrópodos, insectos o cordados. Ello nos permite pensar que, si nos remontamos hasta el más antiguo ancestro común de todos ellos, veríamos que debía ya participar de alguna manera de segmentación. La datación basada en los genes nos llevaría a una época en el entorno de hace 630 millones de años.

Este fenómeno permite un alto grado de especialización de las regiones corporales, por lo que los científicos creen que en la segmentación podría estar el origen de la diversidad y de la longevidad de los grupos animales más extendidos del mundo. Resulta mucho más eficiente para un animal el que gestione su actividad por medio de la repetición de bloques corporales especializados, los segmentos, antes que generalizar en todas y cada una de las partes de su organismo cualquier tipo de función.

Se conoce como metámero a cada uno de los segmentos que se repiten en ciertos grupos de animales con simetría bilateral y celoma. Cada metámero tiene cavidades celómicas, que como sabemos aparecen durante la gastrulación del embrión, separadas de las de otros metámeros por tabiques. Los órganos y sistemas tanto internos como externos de uno de esos animales pueden estar repetidos en cada metámero. Por ejemplo, en los artrópodos cada metámero puede llevar al menos un par de apéndices, que pueden ser patas, antenas o branquias en el caso de los acuáticos.

Los insectos tienen la cabeza formada por seis segmentos, que no son muy evidentes, en el nº 2 salen las antenas, y en los posteriores las mandíbulas y otros adminículos bucales. Les siguen claramente tres segmentos torácicos, cada uno llevando un par de patas y los dos últimos suelen desarrollar un par de alas cada uno. Más allá de los segmentos torácicos aparecen los abdominales, normalmente once. Cada célula de cada segmento “sabe” dónde está y “sabe” lo que tiene que hacer.

La metamerización se da también de modo característico en el filo de los anélidos e incluso en los vertebrados, aunque en este último grupo no es tan evidente porque a lo largo de la evolución del grupo ha habido múltiples modificaciones, fusiones y reducciones de dichos metámeros, perdiéndose parcialmente la apariencia metamérica externa.

No nos olvidemos de que algo semejante a la segmentación también es una opción que usan las plantas, aunque no parece que sea buscando la eficacia en el reparto orgánico de la especialización, sino como solución en la carrera armamentística por conseguir las alturas y por tanto la luz solar. Para ellas la segmentación es una buena solución estructural para crecer. Un buen ejemplo lo encontramos en las equisetáceas, ancestrales plantas con un extenso registro fósil del Devónico y Carbonífero.

Volviendo a los animales, es obligado hacerse las siguientes preguntas: ¿Cuándo se produjo el salto hacia la segmentación? ¿Y por qué?

A partir de estudios filogenéticos^[2] realizados por investigadores franceses del Centro de Genética Molecular del CNRS y de la Universidad Paris Diderot, se ha demostrado que la segmentación de los embriones de animales tan distintos como una mosca –artrópodo- o un gusano –anélido- la dirigen los mismos tipos de genes, lo que nos ayuda a pensar que esta característica biológica apareció por primera vez en un ancestro común que habría vivido hace unos 600 millones de años.^[3]

Llevar a cabo la segmentación durante el crecimiento de un embrión implica una labor de coordinación muy precisa, ya que a lo largo del proceso se va dando una activación progresiva de algunos genes específicos. En alrededor de 48 horas se han de completar el desdoblamiento de las capas repetitivas que acabarán conformando el cuerpo del embrión, comenzando por las más próximas a la cabeza y acabando con las de la cola.

Los seres humanos estamos formados por más de treinta capas paralelas a lo largo del eje que dibuja la columna vertebral, que se corresponden más o menos con el número de vértebras que tenemos. Durante la etapa fetal y en la niñez hay 33 vértebras. Durante la etapa adulta sólo quedan 24, debido a la soldadura de las que formarán los huesos sacro y cóccix.

Según los datos anteriores, durante el desarrollo embrionario deberán  generarse 33 metámeros en dos días. Y así es. Exactamente cada hora y media se genera un nuevo segmento. En este proceso, los genes que se van a expresar en los futuros segmentos se activan con exactitud en el momento preciso, uno detrás de otro, empezando por los de la cabeza y acabando con el último del cóccix. El desarrollo de esta sucesión es un proceso de alta precisión que no admite fallo ni alteración temporal, ya que, si no, los miembros aparecerían en lugares erróneos del cuerpo.

Pero, ¿cómo saben los genes que deben actuar de una manera tan sincronizada?

El ADN esconde la respuesta a este mecanismo. De hecho son unos genes muy específicos, los Homeobox -más conocidos como Hox-, los implicados en este proceso. Estos genes están situados con exactitud unos detrás de otros en la cadena de ADN, formando en todos los vertebrados tetrápodos, incluido el hombre, cuatro grupos como cuatro convoyes de vagones de tren. En otras especies el número de convoyes varía.

Parece sorprendente la existencia de estas cadenas de genes similares, pero existen evidencias que corroboran la formación de los cuatro complejos de genes Hox en vertebrados a partir de uno único ancestral, probablemente como consecuencia de duplicaciones y posterior divergencia.

Aunque la mecánica del proceso es igual en todos los animales, particularizamos aquí el caso de los humanos. En los primeros momentos del embrión los genes Hox están inactivos, permaneciendo enrollados como un carrete de hilo dentro del ADN. En el momento preciso la cadena de ADN comienza a desplegarse. Cada hora y media actúa enviando instrucciones de forma progresiva a los Hox, consiguiendo así la secuencia adecuada. Los genes que codifican la formación de la zona cervical se activan los primeros. Lo mismo ocurre más tarde con los genes correspondientes al desarrollo de las vértebras torácicas, lumbares, sacras y coccígeas. El embrión comienza así a formar sus capas.

Podría pensarse que cada metámero tiene activado su particular gen Hox y desactivados el resto. Pero esto no puede ser así, pues sólo hay trece tipos de genes Hox y los metámeros son muchos más, hasta 33 o 34. La explicación la encontramos una vez más en los gradientes químicos dentro del embrión. Cada gen Hox se expresa preferentemente en un segmento, pero también se expresa en los segmentos posteriores, cada vez con menos “potencia” y de una forma gradual. Por lo tanto, en cada segmento hay un cóctel diferente de influencias de genes Hox. Simplificando mucho, podemos decir que ésta es la herramienta que utilizan las células para saber en qué segmento se encuentran: “compara” las químicas de su segmento con las del anterior y el posterior.

Una vez que cada célula sabe dónde está, ya sólo tiene que seguir las instrucciones que le dicta el mar de proteínas en donde esta inmersa.  Así, un segmento desarrollará el corazón y otro desarrollará la vejiga: partiendo de un mismo patrimonio genético se han activado y desactivado los genes necesarios para una organogénesis diferenciada.^[4]

Ya sólo le queda a la selección natural el dirigir los ritmos de crecimiento. Dar órdenes para que se desarrolle más o menos la nariz y será un elefante o un hipopótamo; o que tenga el tórax redondo y será un cangrejo, o que lo tenga alargado y será un langostino. Es cuestión de “simples” crecimientos diferenciales.

No quiero dejar el tema de la metamerización, punto básico de partida en el modelado de los organismos, sin volver a hacer énfasis en lo que me parece el importante mensaje que nos están enviando cada uno de los segmentos de un animal.

Los genes Hox y otros colegas, como las proteínas Noggin o los BMP, modelan la estructura externa e interna de los cuerpos. Pero lo más importante es que estos genes participan en mayor o menor proporción, los mismos genes, en el desarrollo de los embriones de todos los organismos animales, desde una anémona, una mosca de la fruta o un ratón hasta un humano. En cualquier animal, ya sea actual, complejo o primitivo como una esponja, o ya fósil como un trilobites. Variarán en cantidad o proporción, expresando un distinto número de segmentos o diferentes formas corporales en cada uno de ellos. Pero su función e interrelaciones son y fueron siempre las mismas, lo que consolida en gran medida la idea de una unidad de Vida.

En la gráfica siguiente se ha representado la estructura de genes Hox de un humano, una anémona y una mosca de la fruta, dentro del cromosoma o cromosomas portadores. La anémona tiene Hox en un solo cromosoma. El hombre tiene cuatro juegos –uno en cada uno de cuatro cromosomas distintos- que han aparecido tras una doble duplicación, de uno a dos y posteriormente de dos a cuatro, que se habría producido a lo largo de su cadena evolutiva. De ahí la gran semejanza entre el tipo de sus Hox con los de la anémona, por ejemplo. Cada rectángulo de color representa un gen Hox que expresa proteínas en un segmento determinado de sus cuerpos, siendo el código de colores válido e idéntico para los tres animales.

La importancia de estos genes en la evolución es clara. Pudieron ser decisivos como promotores del nacimiento de una nueva especie. Basta que mute uno de ellos, basta que se mueva de lugar en el cromosoma que los lleva,  para que exprese en un segmento un tipo de proteínas diferentes a las que expresaba en el mismo segmento antes de la mutación. Un solo cambio en un Hox podría generar una nueva morfología animal, que si fuera favorable en el nicho ecológico de partida, a la larga podría desarrollar una generación de descendientes formando una nueva especie. Este es un argumento favorable a la tesis comentada de evolución de especies por equilibrio puntuado: la nueva especie puede aparecer casi de repente, por mutación puntual y rápida de un gen Hox, y no acontecer otra especiación en mucho tiempo, a escala geológica, hasta que el azar aporte un nuevo cambio en el mismo u otro Hox, cosa escasamente probable pero posible.

Vamos a dejar por hoy el análisis de los sucesivos cambios que han llevado a la complejidad corporal de los seres del reino Animal. Hoy hemos visto la bilateralidad y la segmentación. En la próxima entrada comenzaremos una serie de capítulos hablando de cómo se consiguieron desarrollar los principales órganos de estos animales. Hasta entonces.

1. Lo vimos en la entrada número 22 “El camino de la diferenciación celular”. [↩]
2. Un par de ellos los podemos encontrar en estos dos enlaces, uno de News Mediacom y otro de Science. [↩]
3. Podemos obtener más información en una publicación de la revista Science de julio de 2010, que podéis encontrar en este enlace. [↩]
4. La organogénesis es el conjunto de cambios que permiten que las capas embrionarias (ectodermo, mesodermo y endodermo) se transformen en los diferentes órganos que conforman un organismo. [↩]