Con esta entrada vamos a finalizar un breve conjunto de tres en las que hemos desarrollado un tema específico: la evolución de los principales sistemas, órganos y aparatos que utilizan los seres del Reino Animalia para su supervivencia.^[1]

Continuaremos hoy la serie “la Biografía de la Vida” despiezando un trascendental órgano cuya evolución ha suscitado mucha curiosidad y ha generado infinidad de palabras: el ojo. Antes de seguir leyendo te puede resultar interesante el repasar los estudios teóricos de los biólogos suecos D. E. Nilsson y S. Pelger sobre la evolución de un ojo que ya explicamos en la entrada número 21 sobre “La posibilidad real del cambio”.

Recuerdo que en esta entrada no estoy siguiendo el orden cronológico estricto de los acontecimientos, como exigiría una biografía, sino que voy a centrarme en la evolución de este aspecto concreto, la evolución del órgano visual, independientemente de en qué periodo temporal se produjeron los hechos.

Evolución del ojo

Desde nuestra perspectiva de Homo sapiens es fácil imaginar que la capacidad de reaccionar frente a estímulos luminosos ha tenido que ser, obligatoriamente, una habilidad favorecida por la selección natural. Tanto es así que se cree que el ojo o un mecanismo similar se inventó en la naturaleza unas sesenta veces, todas ellas de forma independiente. Los organismos que hubiesen adquirido aquella sensibilidad podían orientarse, nadar hacía la superficie para conseguir alimento y energía, u ocultarse cuando se intuía una sombra amenazadora, por lo que se salvaba de ser predado.

Similitud entre el ojo humano y el del cefalópodo. La gran diferencia es el orden de situación del nervio óptico y la retina. En el humano el nervio va por delante y en el cefalópodo por detrás. Un ejemplo más de evolución convergente.

¿Cómo se pudo desarrollar la capacidad de percibir la luz? Por un lado, observamos que en la naturaleza hay animales de especies muy remotamente relacionadas que tienen ojos muy parecidos, como pueden ser los cefalópodos y los mamíferos. Por otro lado, también es evidente que hay muchas alternativas diferentes, tantas como necesidades: desde una célula fotosensible hasta un complejo ojo semejante a una cámara fotográfica. Se podría pensar que el azar evolutivo ha debido ser actor principal en este reparto. Y siendo esto así, hay evidencias muy consistentes de que, aún manteniendo la diversidad, todo tuvo un primitivo comienzo común. Idénticos genes son los responsables en todos los animales que ven.

Dejando volar un poco la imaginación nos adentramos aún en estas zonas tan profundas en el tiempo. Podemos percibir una gran semejanza entre las células fotorreceptoras de los ojos y las células fotosensibles con las que las plantas realizan su fotosíntesis. En ambos casos un fotón incide sobre una particular molécula excitándola energéticamente, de forma que la deja en una situación inestable. Como no podía ser menos, pues es lo que normalmente le pasa a cualquier molécula que la han arrancado de su nivel más bajo de energía, se desexcita espontáneamente emitiendo un cuanto de energía. En la planta se transforma en un hueco por donde se cuela el primer electrón de la cadena de transporte, como ya sabemos de la entrada 07 de esta serie, mientras que en los animales inicia la señal química desencadenante de una señal nerviosa. La base del invento no es muy sofisticada; cosa muy distinta es lo que se consiguió hacer más tarde con estos sencillos inicios.

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1. Puedes repasarlas si no las has leído aquí y aquí. [↩]

En la última entrada de esta serie sobre la Biografía de la Vida hemos estado profundizando en el camino evolutivo del sistema nervioso. Hoy continuaremos la saga dando por sabido al ente director y coordinador para centrarnos en algunos de los “trabajadores” de los organismos: nos sujetamos gracias a los huesos y músculos, nos alimentamos mediante el digestivo y con la ayuda del respiratorio y circulatorio. Ésta es su historia.

Pero antes de entrar en materia, recuerdo que en esta entrada, al igual que en las anteriores, no estoy siguiendo estrictamente el devenir cronológico de los acontecimientos, sino que me centraré en cómo evolucionaron estos órganos concretos, independientemente de en qué periodo temporal se desarrollaron los hechos.

Evolución del sistema óseo

A lo largo de los siguientes párrafos vamos a analizar el sistema óseo propio de los vertebrados, sin hacer mención a otros adminículos de sujeción y soporte pertenecientes a otros animales, como pueden ser las espículas de las esponjas, los caparazones de los artrópodos o los osículos de los equinodermos.

La evolución del sistema óseo transcurre paralela a la aparición y evolución del sistema nervioso o del aparato muscular. Es fácil de entender, ya que es imposible imaginar que hayan evolucionado por separado. Por ejemplo, los pares de ganglios del tronco encefálico relacionados con la vista, el olfato y el oído aparecieron como consecuencia de que añadieron un plus de utilidad y eficacia en la supervivencia, y fueron por tanto preservados por la selección natural. Sin embargo, esta utilidad y eficacia no servirían para nada si no tuvieran un propósito: eran útiles para orientarse y desplazarse por el medio, lo que nos lleva a que debieron coevolucionar con los músculos y estructuras óseas de soporte, una columna vertebral o unas extremidades. Como también sería ilógico pensar que estos ganglios hubieran aparecido independientemente de los correspondientes órganos sensoriales. Y a su vez, no se hubieran podido manifestar a no ser que les hubiera acompañado en su camino un soporte rígido craneal, con orificios por donde el sistema nervioso pudiera acceder a la información exterior. Fue un proceso evolutivo cooperante, no estrictamente a golpe de “decreto ley”, sino más bien cada uno a su ritmo, siguiendo las pequeñas ventajas que poco a poco iban apareciendo.

Aunque el uso de minerales como elementos de sostén y protección es muy antiguo, posiblemente del Neoproterozoico, es durante el Cámbrico cuando la biomineralización del CO₃Ca se usa como un elemento diferenciador, al emplearse de forma intensa y variada para crear elementos de soporte estructural.

En los fósiles marinos de  Pikaia gracilens, Haikouichthys ercaicunensis y Myllokunmingia fengjiaoa, así como en los fósiles de los peces marinos Pteraspidomorphi encontramos los ancestros más antiguos de los actuales vertebrados, y por tanto el origen del sistema óseo actual. Algunos de ellos ya son viejos conocidos.

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En las entradas anteriores^[1] de esta serie sobre la Biografía de la Vida habíamos caminado a lo largo de los diversos pasos que llevó a los animales hasta la variada complejidad de sus fenotipos. A partir de hoy desarrollaremos en sucesivos capítulos la evolución de los principales sistemas, aparatos u órganos de sus cuerpos.

Como en entradas anteriores, recuerdo que en esta entrada no estoy siguiendo fielmente el devenir cronológico de los hechos, sino que me centraré en cómo se formó este aspecto concreto, independientemente de en qué periodo temporal se desarrollaron los acontecimientos.

Evolución de la notocorda y del sistema nervioso

Comenzamos con la aparición de la notocorda, ya que con ella se abrió el complejo y variado mundo de los vertebrados.

La notocorda o cuerda dorsal es un cuerpo flexible con forma de vara que se encuentra en todos los embriones de todos los cordados y que corre a lo largo de su eje longitudinal. Se compone de células derivadas del mesodermo, de las que definen su eje primitivo de simetría. En los cordados inferiores persiste durante toda la vida como el principal apoyo axial del cuerpo, mientras que en los vertebrados es la columna vertebral la que toma su lugar.

¿Cómo se desarrolla orgánicamente la notocorda?

Todo se inicia durante la fase embrionaria, en el momento ya conocido en que el mesodermo, órgano precursor del esqueleto y del sistema muscular, iba creciendo y emigrando a lo largo de la línea central primitiva, como ya se comentó al hablar de la diferenciación celular. Durante este proceso el mesodermo va generando unas células nuevas que ocuparán también la posición del eje antero/posterior, y que poco a poco van invaginando y creando un cordón que será la notocorda, futuro eje vertebral de sostén del organismo. En la entrada 19, “Los filos del Cámbrico”, ya comentamos su probable procedencia evolutiva a partir de tejido muscular. Mientras, por encima de ella, quizás por el estí­mulo solar que llega desde el cénit, se produce un engrosamiento longitudinal del ectodermo que va a formar la placa neural en un movimiento progresivo de crecimiento hacia el polo anterior del embrión. Está demostrado que la aparición de las células “nerviosas” de la placa neural se produce como consecuencia de una inducción química llevada a cabo por las células de la notocorda que se encuentra inmediatamente debajo de ella. Esto significa que es el futuro tejido muscular y óseo quien induce la formación de tejido nervioso. Es curioso que el  sistema encargado de nuestra motricidad siguiendo las órdenes del sistema nervioso sea el que a nivel embrionario induce y sustenta al propio sistema neuronal. Sin mesodermo no sería posible la formación de un sistema nervioso desarrollado.

El camino del sistema nervioso

Acompañando al desarrollo de la notocorda sobre el mesodermo, en el ectodermo la placa neural hace un movimiento semejante, llevando a cabo una invaginación superior que creará el tubo neural precursor del sistema nervioso.

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1. Ésta, ésta y ésta última [↩]

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.

Spriggina flounensis (Wikimedia, GNU FDL 1.2)

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:

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1. Lo vimos en la entrada número 22 “El camino de la diferenciación celular”. [↩]

En la entrada anterior de la serie sobre la Biografía de la Vida nos habíamos introducido en el asombroso mundo de la complejidad. Conocemos ya, por tanto, los mecanismos por los que los seres vivos del reino Animalia pudieron llegar a diferenciar sus células para que realizaran funciones muy variadas. Hoy nos vamos a centrar en un caso muy particular, que en principio puede parecer un contrasentido: El caso de la célula que decide diferenciarse por la vía del “altruismo”.

Recuerdo que en esta entrada, como en las anteriores, no estoy siguiendo el orden cronológico estricto de los acontecimientos, sino que voy a centrarme en la evolución de cada aspecto concreto, independientemente de en qué periodo temporal se produce.

Todos percibimos al organismo vivo, al conjunto de células y tejidos, como la “nave” portadora de las células reproductoras, que a su vez son meras herramientas de los genes, que las utilizan para su replicación y dispersión.

En el campo de la diferenciación celular y posterior especialización de tejidos, es muy peculiar el hecho por el cual aparecen células somáticas separándose de las germinales. Resulta curioso al preguntarse cómo es que en un conjunto de células, todas procedentes de un mismo cigoto inicial y por tanto con idéntica carga genética, algunas deciden “sacrificar” su mayor razón de ser, el reproducirse y dar nuevos seres independientes, quedando como simples células estructurales de un cuerpo, favoreciendo así a unas pocas, los gametos, que sí se especializarán en la reproducción. Parece un contrasentido, y sin embargo la opción, basada en la colaboración, se ha demostrado de un gran éxito.

Dejando al margen el hecho que parece evidente que la cooperación lleva consigo un vector de beneficio para los cooperantes, la explicación de que existan esta serie de células “altruistas” se basa en la idea de que para ellas también resulta valioso el conseguir que genes que son portados por una célula hermana, es decir genes iguales que los suyos, pasen a la siguiente generación, lo que asegura también su objetivo, que es tan sencillo como el hecho de que su acervo genético se perpetúe. La mejora del éxito de los parientes puede a veces compensar la pérdida de oportunidades que sufren los individuos altruistas. Este concepto de “selección familiar” (kin selection), que fue ideado por el biólogo evolutivo británico William D. Hamilton para explicar el comportamiento social de algunos insectos, es perfectamente aplicable a nivel de célula: el ayudarte a ti supone una mejora para mis intereses. Dentro del conjunto de células hermanas alguna proteína da la señal externa “soy pariente tuyo”, señal que les ayuda a reconocerse y comportarse como un único ente evolutivo. Con el paso del tiempo se generó algún proceso de regulación tipo gen Hox (veremos en otra entrada quiénes son) que se encargaría de decidir qué célula de todas ellas sería la abanderada en la carrera de pasar el testigo genético.

Termitas Coptotermes formosanus un ejemplo muy evidente de sociedad de insectos movida por selección familiar. En colonias de tres millones de individuos sólo hay una pareja real reproductora. Otros individuos  pueden coger el relevo  en caso de envejecimiento de los anteriores o pueden ser los pioneros que se encarguen de generar nuevas colonias lejos de la propia de nacimiento (Wikimedia, dominio público)

El propio Hamilton consideró una norma aún más general que la anterior, que en teoría no tenía por qué exigir un comportamiento a ultranza de renuncia altruista. Partió de la misma idea: una nueva generación de genes como los “míos” puede surgir por dos vías, o a través de mi propia descendencia o bien a través de la descendencia de mis parientes. Por lo que lo más eficaz es optimizar la suma de ambas vías, lo cual no implica la renuncia de mi propia descendencia. A esta teoría se le llamó “eficacia total” (inclusive fitness) y puede propiciar respuestas parcial o totalmente “altruistas”. En algún momento el individuo puede optar por reproducirse y en otros momentos por ayudar a que sus hermanos, por ejemplo, tripliquen su tasa reproductiva, opción con la que se incrementa en un 50% el éxito total del conjunto. De una proyección de los genes por dos vías, a una proyección por una vía única, pero de eficacia triple.

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