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La Biografía de la Vida +1: Los misterios de las cuatro extremidades pareadas




En esta entrada retomo el relato de la serie La Biografía de la Vida. Serie de la que, aún cerrada en su conjunto, siempre quedará algún fleco nuevo o antiguo para incorporar y enriquecer la historia. Esta entrada aparece, por razones lógicas, como una independiente, aunque con vocación de ser incorporada al trabajo original.

El hecho del evidente éxito de los animales tetrápodos resalta la importancia de cómo pudo aparecer evolutivamente su particular característica: el tener cuatro extremidades pareadas, dos anteriores y dos caudales, especializadas en el movimiento. En la serie se explicó el desarrollo de ciertos órganos y sistemas importantes para la vida, como el sistema nervioso, el circulatorio, el ojo… y hoy lo complementamos con un relato acerca de la posible historia evolutiva de los cuatro miembros tetrápodos.

Reproducción artística de quién pudo ser de los primeros: El pez sarcopterigio Tiktaalik que vivió hace unos 375 millones de años (Wikimedia, dominio público)

He titulado la entrada de una forma que pretende incitar la curiosidad, aunque realmente debía haberlo hecho como: “La nada novedosa genética que desarrolla los miembros de los tetrápodos”, ya que resulta significativo el hecho de que el entramado génico que dirige el desarrollo de las extremidades de los tetrápodos -su morfología, su orientación espacial, las articulaciones con manos y pies, e incluso los dedos y su orden- tiene una antigüedad que puede remontarse incluso a épocas anteriores a la definición de la bilateralidad en el reino Animalia.

Siempre se ha supuesto que los cuatro miembros de los tetrápodos, pareados dos a dos, se consiguieron un poco por una presión de tipo lamarckiano sobre el genoma de aquellos peces lobulados y pulmonados que decidieron salir a dar un paseo por tierra firme. Con cuatro aletas pareadas usadas como cuatro patas pudo conseguir poblar el mundo terrestre. En la entrada 32 de esta serie se habla del individuo paradigma de este proceso: Tiktaalik, al que le llamamos “peztrápodo”, el eslabón perdido entre peces y tetrápodos. Era el heredero de los peces pulmonados y lobulados, y también de aquellos que anteriormente habían desarrollado un esqueleto óseo, los osteictios, a partir del cartilaginoso de los aún más ancestrales condríctios. Conocemos todo esto también de entradas anteriores.

Esquema de la filogenia de los animales craneados según Richard Dawkins (The ancestor’s tale)

Lo consiguieron con las cuatro extremidades y algunas conquistas más, como su capacidad pulmonar que le permitía absorber para su metabolismo el abundante oxígeno atmosférico libre. Ya sabemos de otra entrada, la número 31, que el pulmón proviene de un saco especializado que surgió en la faringe de ciertos peces en un momento muy ancestral. Venía a sustituir en su función la que hasta entonces realizaban las branquias. Ya los artrópodos de hace 550 millones de años del Cámbrico disponían de ellas. O los hemicordados que vivieron poco después, como Myllokunmingia, pariente del ya familiar[1] para nosotros Haikouichthys, que disponía de hasta cinco o seis branquias. Estos órganos se asientan sobre un elemento rígido que se conoce como arco branquial. Como se suele disponer de varios de aquellos, la configuración suele ser de una sucesión de opérculos y arcos con sus correspondientes branquias.

De otras entradas sabemos también que los arcos branquiales y las branquias han sido los precursores evolutivos de especificidades anatómicas que hoy observamos en muchos animales, como lo son el cráneo, la mandíbula, el paladar, los huesos del oído o incluso la glándula tiroides.

Y me diréis… ¿a qué viene esta literatura de la anatomía branquial? Y lo que es más curioso, ¿por qué la entrelazo con las extremidades de los tetrápodos? Pues porque sí tienen que ver. O al menos lo creemos así, como se ha podido comprobar al estudiar el mecanismo genético que define el pareado de extremidades, o el que fija el posicionamiento y orientación de estos miembros o de los dedos. E incluso de la regulación de la propia ontogenia de estos últimos,[2] o de los tobillos y muñecas.

Arcos branquiales (arco blanquecino) soportando las branquias (rojas) en un lucio (Wikimedia, CC BY-SA 3.0)

Dentro del patrón corporal de la bilateralidad, característica morfológica de la que ya hablábamos en la entrada 24 de esta serie, se ha logrado analizar[3] en los animales con mandíbula, los gnatostomados, los posibles orígenes genéticos de los miembros “pareados”. Proceso anatómico que podríamos considerar un paso evolutivo anterior al desarrollo adecuado de cada miembro. Desarrollo éste último en el que llegará a definirse cuál deberá ir a la derecha o a la izquierda, cuál en posición rostral o caudal, el lugar preciso para el dedo primero o el último, o su tamaño… Duplicar especularmente ciertos apéndices corporales ha tenido que ser una realidad anterior.

Este proceso de pareado parece que está inducido por la acción del ácido retinoico, un derivado de la vitamina A. En lo referente a los miembros de los tetrápodos, su gestación durante los primeros momentos del desarrollo general embrionario es gestionada por un circuito regulador en el que intervienen dos actores que se retroalimentan: el gen morfógeno Sonic hedgehog y el factor de crecimiento fibroblástico 8, Fgf8. El morfógeno actúa como el arquitecto de la construcción supervisando y decidiendo la morfología de la estructura que se va formando, mientras que un operario, el factor de crecimiento, va generando esta estructura con las instrucciones del gen. Éste, a su vez, recibe influencias del “operario” para redirigir las pautas de la construcción, básicamente en lo referente a la definición del eje antero-posterior o la longitud y forma del miembro.

Pero curiosamente este mismo circuito regulador es el que interviene en el desarrollo de las estructuras branquiales, como se ha podido observar al estudiar su desarrollo durante el crecimiento de los embriones de las rayas, unos curiosos animales del orden de los peces cartilaginosos. Además, se ha comprobado en el laboratorio que bajo la inducción del ácido retinoico es posible generar fuera del lugar anatómico normal un duplicado especular de partes de esa estructura según el embrión va creciendo bajo las órdenes de la pareja Sonic hedge y Fgf8, de la misma manera que lo hace con los miembros de los tetrápodos o con las aletas de los peces.

Comparación del crecimiento homólogo de apéndices en animales de diversos filos. El ciclo genético regulador de su desarrollo es idéntico en los tres casos (imagen: modificada de J. Andrew Gillis, fair use)

Esta correlación, apoyada en el hecho de que las branquias evolutivamente son anteriores a los miembros pareados -aletas o patas-, permite hacer la hipótesis de que bien pudiera ser que la red de señales duplicadoras inducidas por el ácido retinoico en el desarrollo de las branquias fuera también cronológicamente anterior a la aparición de los apéndices a pares en los vertebrados. Es decir, que cuando los miembros pareados surgieron ya en los peces, el mecanismo de duplicación que se usó para crear este particular patrón esquelético hacía tiempo que era operativo. Fue tomado prestado del de las branquias o quizás del patrón de desarrollo de una estructura faríngea aún más antigua, que genéticamente ya actuaba en un ancestro de los vertebrados deuteróstomos, la familia en donde se incluyen a animales mucho más antiguos que los “con mandíbula”. Estaríamos hablando posiblemente de hace más de 650 millones de años.

Creemos tener, por tanto, una posible explicación genética del porqué de los miembros pareados. Pero claro está, estos deben desarrollarse en el lugar preciso del organismo. Ya sabemos, también desde la entrada 24 de esta serie, que los genes Hox son los responsables de la metamerización de los organismos –la segmentación secuencial de los cuerpos según su eje longitudinal- y de la expresión de los particulares y precisos órganos que corresponden a cada uno de los metámeros. Un juego de proteínas, en cuanto a tipos y concentraciones, y de influencias intercelulares a lo largo del proceso de ontogenia define qué va en cada sitio determinado del organismo. Y de esta manera un par de miembros aparece en lo que será el lugar de las extremidades anteriores y un par de miembros diferentes en el sitio homólogo para las inferiores, cada miembro en su lugar adecuado. Los genes Hox actúan en diversos organismos multicelulares, que incluyen gran variedad de líneas filogenéticas animales, incluidos la mayoría de los tunicados ¿desde su posible aparición hace 565 millones de años? Incluso la maquinaria genética de los Hox es anterior, ya que se encuentran en los genomas de hongos y plantas. Por lo que podemos vislumbrar, su existencia y función está anclada en un tiempo muy profundo, antes de la divergencia de estos reinos. En los animales posiblemente inició su operativa hace más de mil millones de años.

Los Hox definen el lugar preciso donde aparecerán las cuatro aletas o las cuatro patas, pero a fin de cuentas su trabajo tiene que ser el resultado de un proceso evolutivo: ¿cuál es la historia de dos aletas delante y dos aletas detrás?

Volvamos al ejemplo de los condrictios. Tiburones y rayas protegen sus agallas con una especie de alerones de piel rigidizados mediante un armazón de radios cartilaginosos. Podemos verlo en la imagen anterior, donde se presenta un corte radial de la estructura branquial de una raya, a la izquierda. Nos damos cuenta de lo más curioso de estas estructuras cuando observamos su disposición anatómica en el esqueleto del animal. La imagen siguiente es un dibujo con la belleza de los croquis antiguos, extraído de la publicación[4] de 1866 “Anatomy of Vertebrates I. Fishes and Reptiles” realizada por el dibujante naturalista Owen Staples. En el se representan de forma exquisita los cinco arcos branquiales (ga) soportes de los radios branquiales en rojo (br). Las branquias (que  no aparecen el el dibujo) estarían unidas a los arcos y por detrás de los radios que son la estructura rigidizadora de los alerones que las protegen. Casi podemos considerar como el sexto arco branquial al cinturón pectoral -clavícula- (pg) en donde se soporta la aleta pectoral (pf) del tiburón.

Las cinco aletas protectoras de las branquias en un tiburón blanco (imagen: de la red, fair use) y  croquis de la parte anterior del esqueleto de un escualo (modificado de Owen Staples, uso público)

Es tan evidente lo que sugiere tal disposición de cartílagos que ya en 1859 el anatomista alemán Karl Gegenbaur, en su libro “Elementos de Anatomía Comparada”, había postulado la homología que había entre un arco branquial y las aletas o miembros de los vertebrados. Y que, por tanto, los últimos eran la etapa final del recorrido evolutivo del primero. Desgraciadamente no hay evidencias fósiles claras, eslabones definitivos que sustentan tal hipótesis. Además, sólo nos aclararía la realidad de un par de aletas anteriores, las pectorales, dejando al aire la realidad de las aletas pélvicas, en algunos peces muy alejadas de la zona branquial y soportadas por un hueso que podríamos calificar como “flotante” al estar embebido en la propia masa muscular del pez. Aunque tenemos una posible explicación.

Casi a la par de que Gegenbaur plantera su alternativa branquial, los biólogos británicos F. M. Balfour y J, K. Thacher abogaban por otra explicación conocida como “hipótesis del pliegue muscular y dérmico”.[5] De forma muy resumida, la idea surge al observar a los primeros vertebrados de esqueleto cartilaginoso, filogenéticamente anteriores a los peces “con mandíbula”, como el que más arriba ya hemos mencionado Myllokunmingia, de hace 530 millones de años. Disponía de agallas y de una membrana lateral pareada que discurría a lo largo del cuerpo. Más tarde, cien millones de años después, comenzaron a poblar los mares los acantodios, conocidos de otra manera como tiburones espinosos, que alargaron su existencia otros 200 millones de años. Se conocen acantodios con membranas longitudinales pareadas, como las de Myllokunmingia, y acantodios con aletas pareadas filogenéticamente más modernas. Algo había pasado entre una forma y otra, lo que constituye el corazón de la hipótesis de Balfour y Thacher: aletas pectorales y aletas pélvicas son la reminiscencia de las membranas pareadas que discurrían a lo largo del cuerpo del pez.

Hipótesis del pliegue muscular y dérmico (Imagen: Neal y Rand, 1939, uso público)

La imagen anterior proviene también de un libro con solera: “Chordate anatomy” de los biólogos Herbert V. Neal y Herbert W. Rand, publicado en 1939.[6] Representa la hipotética evolución de las aletas pareadas y su soporte en el esqueleto. La parte superior y media representan el paso desde un par de membranas longitudinales a dos pectorales y dos pélvicas, donde estas últimas serían el estadio particular ya conseguido por los tiburones. En la parte inferior se representa el caso particular de cómo se pudo pasar evolutivamente desde unas primitivas aletas pélvicas separadas a unas aletas fijadas por un hueso de cadera.

Gracias a las actuales técnicas de análisis genéticos podemos acercarnos más a la realidad de la hipótesis anterior.[7] En la imagen de más abajo vemos que la gestión del desarrollo tanto de las membranas longitudinales como de las aletas pareadas recaen sobre un circuito regulador en el que intervienen hasta tres genes: Engrailed-1, T-box4/5 y nuestro conocido gen Sonic hedgehog. El primero podría participar en el desarrollo embrionario de la membrana longitudinal pareada, el segundo haría lo equivalente con los huesos basales de fijación de las aletas y, por fin, el tercero lo que haría es inducir el alargamiento de estos huesos basales que a la postre formarían las aletas fuera del cuerpo.

El más ancestral T-box4/5 no estaría relacionado con estas últimas tareas, tal como se observa en un pariente actual de los peces más primitivos, el anfioxo, que no tiene aletas pero sí la doble membrana longitudinal. El origen de las cuatro aletas pareadas se habría producido evolutivamente más tarde con la especialización de T-box4/5 para formar hueso y su posterior duplicación en T-box4 y T-box5, los cuales sí forman apéndices en puntos independientes del organismo. La larga aleta lateral longitudinal se reforzaría en estos cuatro puntos, mientras que la región ventral perdería su membrana.

Genes que intervienen en el desarrollo de las aletas de los peces (imagen: Kenneth Kardong, “Vertebrates” 2011, fair use)

Situado cada par de miembros en el lugar adecuado, el siguiente paso en el que parece lógico curiosear sería el que define el eje estructural y el patrón de forma individual de cada uno de esos miembros. No vamos a dar muchas novedades acerca de este tema, que ya salió al hablar de los miembros pareados: hay un circuito regulador retroalimentado entre el gen Sonic hedgehog y el factor de crecimiento Fgf-8 que en los tetrápodos, durante los estadios más temprano de su desarrollo embrionario, determina el eje antero-posterior de cada miembro y, por tanto, en qué lado del organismo debe ir; como también lo hace con la identidad de cada dedo –pulgar o meñique- o definiendo su lugar preciso en manos o pies. El mismo circuito regulador genético que participa en el desarrollo de las estructuras branquiales de los peces condríctios. Se han realizado multitud de esfuerzos y estudios,[8] de los que han salido abundantes y repetidas conclusiones, todas ellas reforzando la tesis de la homología entre diversos aspectos del desarrollo embrionario de animales evolutivamente antiguos, como los condrictios, y otros de desarrollo posterior, como los modernos tetrápodos.

Todo ello nos permite pensar más seriamente en la veracidad de la hipótesis de Gegenbaur: los miembros de los tetrápodos puede que hayan evolucionado mediante la transformación de los arcos branquiales de un ancestro de los vertebrados. La base genética y química del proceso es idéntica, a pesar de que tenemos que reconocer que aún nos falta la pieza clave que nos daría la certeza, que sería el encontrar en el registro fósil un animal que corroborara la hipótesis: unos apéndices transición entre los radios de las branquias y los miembros pareados. Ahí queda Tiktaalik. Pero suena bien… no sería la primera vez que la evolución permite realizar diversas funciones usando la misma herramienta, lo que se conoce en biología como exaptación. Se habría aprovechado un mecanismo “diseñado” para poder respirar de forma que pudiera ser usado también para otra función tan distinta como es el desplazamiento. A mí la evolución me sigue asombrando.[9]

Tenemos ya, por tanto, una explicación para el fenómeno de parear los miembros durante el proceso ontológico de los bilaterales vertebrados. También, dentro de este esquema de apéndices pares, creemos tener una explicación para la aparición de sus miembros motores. Dos delanteros y dos traseros. Vamos a hablar ahora de cómo se pudo pasar a desarrollar en estos miembros unas “subestructuras” óseas como son las muñecas o tobillos, las manos y pies o los dedos.[10]

Sabemos que hace 365 millones de años algunos peces ya poseían los genes necesarios para el desarrollo de manos y pies, aunque no expresaran en ellos esta particularidad anatómica. Una vez más, al volver a épocas remotas nos encontramos procesos que hoy en día están aún operativos en formas de vida diferentes a las originales… ¿quién puede dudar de la evolución? Nos tenemos que fijar en los peces condrósteos, que posiblemente proceden de primitivos peces cartilaginosos -los tatarabuelos de tiburones y rayas- y ya presentan una cierta osificación de sus esqueletos. Aunque hay biólogos que prefieren pensar que proceden, tras una regresión del proceso de osificación, de los peces óseos. El pez espátula, un individuo de la familia de los esturiones -famosos por sus huevas-, sería un representante actual de uno de ellos.

Estos peces, que proceden de un primitivo linaje que se remonta a hace 415 millones de años, no han cambiado mucho morfológica y genéticamente desde entonces, por lo que se hacen idóneos si se tiene el propósito de comparar y buscar distinciones y homologías entre sus aletas y los miembros de los tetrápodos. Esas aletas tienen una particularidad anatómica que las diferencia de los mucho más evolucionados peces con esqueleto óseo: una aleta ósea más elaborada y similar a las presentes en los vertebrados más primitivos, como tiburones y otras especies extintas de peces. De nuevo los condríctios. En la evolución el déjà vu parece permanente.

Anatomía comparada de las aletas y patas (Esquema: Marcus C. Davis, fair use)

En la figura anterior podemos apreciar claramente la diferencia de la estructura ósea entre una aleta de un pez teleósteo, como es el pez cebra (Danio) -habitual personaje de los laboratorios- y una aleta de un pez condrósteo (Polyodon). En este último se aprecia una aleta ósea más elaborada, con más componentes que la del pez cebra. Aunque su extremo más basal puede resultar similar, la parte exterior tiene elementos nuevos de mayor longitud. Como ya hemos dicho, se asemeja más a la morfología presente en otras especies extintas de peces o en vertebrados actuales más primitivos, como pueden ser los tiburones.

Ya conocemos cómo durante el desarrollo embrionario de las aletas de los peces y de las extremidades de los tetrápodos intervienen los conocidos genes Hox. Cosa que hacen en dos etapas. La primera en el tiempo conforma la aleta simple, del tipo de la del pez cebra, o las patas sin extremidades de los tetrápodos. A esta fase funcional de los Hox se la considera el patrón más primitivo de expresión de estos genes en los más primitivos vertebrados, como lo es el pez cebra. No obstante, en los vertebrados tetrápodos se produce una segunda fase de expresión de los Hox, que ocurre con posterioridad en el desarrollo embrionario, en la que se gestan las manos y los pies.

La teoría aceptada en la comunidad científica mantiene que el patrón de la expresión del gen Hox visto en el pez cebra representa, en el caso de sus aletas, el estado más primitivo de cualquier vertebrado, y que el grupo de los tetrápodos añadió sobre este elaborado sistema una segunda fase que alteraba el patrón esquelético de la aleta para producir las manos y pies.

Dado que la aleta del pez espátula parece un estadio intermedio entre la del pez cebra y la de un tetrápodo primitivo, como el Tiltaalik roseae, parecía lógico que las tres fases estuvieran encadenadas en un proceso secuencial evolutivo. Se ha observado que a pesar de que la segunda fase de expresión de los Hox en el pez cebra no produce elementos adicionales, en el pez espátula se activa para completar su morfología aunque no tenga dedos, lo que revela que el patrón de actividad genética que se creía único en los vertebrados con manos y pies es, de hecho, mucho más general y primitivo, y que existía mucho antes de que hace 370 millones de años Tiktaalik empezara a abandonar el agua y a caminar sobre el suelo.

De peces a reptiles, pasando por Tiltaalik

A la vista de lo anterior esta claro que la capacidad de construir miembros con dedos existió durante mucho tiempo. Pero se necesitó un conjunto de cambios ambientales y ecológicos para que el patrón de genes que expresan las manos y los pies, y los dedos, pudiera asumir esta funcionalidad a pesar de que no era la suya original.

Demos, entonces, el último paso. Después de aparecer dos pares de extremidades, de posicionarse correctamente respecto del cuerpo, de adoptar cada una de ellas una eficaz morfología y de complementarse con una segunda fase de desarrollo en la que aparecen manos, pies, muñecas, tobillos y dedos, también eficientemente posicionados, ya sólo queda en el camino evolutivo el dejar a la heterocronía que trabaje imponiendo unos cambios de ritmo en los procesos de desarrollo corporal, desde la fase embrionaria a la adulta, que den lugar, dentro del mismo diseño, a la variabilidad que se observa en la forma y el tamaño de los organismos. Genética, epigenética y selección son sus responsables. La realidad de la heterocronía nos ha llevado por variados caminos evolutivos, todos ellos útiles y eficientes. Hablando de las extremidades de los tetrápodos, desde las alas de las aves a las palas zapadoras de los topos; de la ballesta del guepardo a la aleta del delfín; de la pezuña simple perisodáctila a la doble artiodáctila. De la robustez de una pata de elefante a la liviandad de la de un petirrojo, de la desproporción por corta en un perro salchicha a la desproporción por larga en la jirafa.

La misma estructura, los mismos componentes pero distintas formas. La heterocronía en funcionamiento.

Con eso damos por finalizado este breve relato de la evolución de las patas de los vertebrados. El rastro fósil nos ha dado unas pistas, ya que la progresión que se observa es clara entre las aletas de un pez, las extremidades del eslabón intermedio que representa Tiltaalik y los miembros de los vertebrados tetrápodos.

La genética nos ha permitido enfocar aún más ciertos procesos en donde hay un vacío del registro de fósiles… y nos ha llevado a procedimientos ancestrales que ya existían y operaban, alguno de ellos, posiblemente hace más de mil millones de años. Procedimientos que se han recuperado para la expresión de la morfología anatómica de estos magníficos adminículos que nos permiten desplazarnos y, al final de la línea evolutiva de complejidad funcional, manejar herramientas.

  1. Apareció en la entrada número 19 de esta serie sobre la biografía de la Vida. []
  2. La ontogenia describe el desarrollo de un organismo, desde la fecundación de un cigoto durante reproducción sexual hasta su senescencia, pasando por la forma adulta. []
  3. Para más información acudid a ésta publicación de la revista PNAS de abril de 2009. []
  4. Que podéis disfrutar en éste enlace. []
  5. En éste enlace podéis encontrar una breve reseña sobre la mencionada hipótesis del pliegue muscular y dérmico. []
  6. Éste es el enlace donde podéis disfrutar de esta joya. []
  7. Para mayor información acudid a ésta publicación de PNAS de diciembre de 2009. []
  8. Añadimos por su actualidad éste o éste publicados en 2016. []
  9. En 2019 aparece una publicación en eLife en donde se afirma que cuando en las sepias en desarrollo se impide la activación de un gen que en los artrópodos designa la colocación dorsal (hacia arriba) y ventral (hacia abajo) de las patas, los cefalópodos formaron ventosas en el lado equivocado de sus tentáculos. Asimismo, que el gen que controla el número de dedos que se forman en los embriones humanos también controla el número de filas de ventosas que se desarrollan en la sepia. []
  10. Según lo expuesto en ésta publicación de la revista Integrativa & Comparative Biology de agosto de 2013. []

Sobre el autor:

jreguart ( )

 

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