Con sus potentes palas excavadoras, el topo europeo puede escarbar en el suelo con facilidad. Lo mismo ocurre con el topo marsupial australiano. Aunque las dos especies animales viven muy separadas, han desarrollado órganos similares en el curso de la evolución: en su caso, extremidades idealmente adaptadas para excavar en el suelo.

La ciencia habla de «evolución convergente» en estos casos, cuando especies animales, pero también vegetales, desarrollan de forma independiente características que tienen la misma forma y función.

Hay muchos ejemplos de ello: los peces, por ejemplo, tienen aletas, al igual que las ballenas, aunque éstas son mamíferos. Las aves y los murciélagos tienen alas, y cuando se trata de utilizar sustancias venenosas para defenderse de los atacantes, muchas criaturas, desde las medusas hasta los escorpiones y los insectos, han desarrollado el mismo instrumento: el aguijón venenoso.

Ejemplos de innovaciones fenotípicas en todo el árbol eucariota de la vida, a los que pueden aplicarse los nuevos enfoques desarrollados | Imagen Kenji Fukushima

Características idénticas a pesar de la falta de parentesco

Es evidente que los científicos de todo el mundo están interesados en averiguar qué cambios en el material genético de las respectivas especies son los responsables de que hayan evolucionado en ellas características idénticas, a pesar de que no exista relación entre ellas.

La búsqueda está resultando difícil: Tales rasgos -hablamos de fenotipos- están, por supuesto, siempre codificados en secuencias genómicas, afirma el fisiólogo vegetal Dr. Kenji Fukushima, de la Julius-Maximilians-Universität (JMU) de Wurzburgo. Las mutaciones -cambios en el material genético- pueden ser el detonante del desarrollo de nuevos rasgos.

Sin embargo, los cambios genéticos rara vez conducen a una evolución fenotípica porque las mutaciones subyacentes son en gran medida aleatorias y neutras. Así pues, en la escala temporal extrema en la que se producen los procesos evolutivos se acumula una enorme cantidad de mutaciones, lo que dificulta enormemente la detección de cambios fenotípicamente importantes.

Novedosa métrica de la evolución molecular

Ahora, Fukushima y su colega David D. Pollock, de la Universidad de Colorado (EEUU), han logrado desarrollar un método que consigue resultados significativamente mejores que los utilizados hasta ahora en la búsqueda de la base genética de los rasgos fenotípicos. Presentan su método en el número actual de la revista Nature Ecology & Evolution.

Hemos desarrollado una nueva métrica de la evolución molecular que puede representar con precisión la tasa de evolución convergente en secuencias de ADN codificadoras de proteínas, afirma Fukushima, describiendo el principal resultado del trabajo ahora publicado.

Este nuevo método, afirma, puede revelar qué cambios genéticos están asociados a los fenotipos de los organismos en una escala temporal evolutiva de cientos de millones de años. Ofrece así la posibilidad de ampliar nuestra comprensión de cómo los cambios en el ADN conducen a innovaciones fenotípicas que dan lugar a una gran diversidad de especies.

Los fenotipos focales y las mutaciones asociadas se muestran en rosa y naranja, los demás fenotipos en negro y las mutaciones y sustituciones no relacionadas en gris | Imagen Kenji Fukushima

Un enorme tesoro de datos como base

La base del trabajo de Fukushima y Pollock es un avance clave en las ciencias de la vida: el hecho de que en los últimos años se hayan descodificado y, por tanto, se hayan hecho accesibles para su análisis cada vez más secuencias genómicas de muchos organismos vivos de toda la diversidad de especies. Esto ha hecho posible estudiar las interrelaciones de genotipos y fenotipos a gran escala a nivel macroevolutivo, afirma Fukushima.

Sin embargo, como muchos cambios moleculares son casi neutros y no afectan a ningún rasgo, a menudo existe el riesgo de que se produzca una «convergencia de falsos positivos» al interpretar los datos, es decir, que el resultado prediga una correlación entre una mutación y un rasgo concreto que en realidad no existe. Además, los sesgos metodológicos también podrían ser responsables de esas convergencias falso-positivas.

Correlaciones a lo largo de millones de años

Para superar este problema, ampliamos el marco y desarrollamos una nueva métrica que mide la tasa de convergencia ajustada a errores de la evolución de las proteínas, explica Fukushima. Esto, dice, permite distinguir la selección natural del ruido genético y los errores filogenéticos en simulaciones y ejemplos del mundo real. Mejorado con un algoritmo heurístico, el método permite realizar búsquedas bidireccionales de asociaciones genotipo-fenotipo, incluso en linajes que han divergido a lo largo de cientos de millones de años, afirma.

Los dos científicos analizaron más de 20 millones de combinaciones de ramas en genes de vertebrados para examinar la eficacia de la métrica que desarrollaron.

El siguiente paso es aplicar este método a las plantas carnívoras. El objetivo es descifrar la base genética responsable en parte de la capacidad de estas plantas para atraer, capturar y digerir presas.

Fuentes

University of Würzburg | Fukushima, K., Pollock, D.D. Detecting macroevolutionary genotype–phenotype associations using error-corrected rates of protein convergence. Nat Ecol Evol 7, 155–170 (2023). doi.org/10.1038/s41559-022-01932-7

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