Durante más de un siglo, los biólogos se han preguntado cómo eran los primeros animales que surgieron en los antiguos océanos hace más de 500 millones de años.

Buscando entre los animales actuales de aspecto más primitivo, la rama más primitiva del árbol de la vida animal, los científicos fueron reduciendo las posibilidades a dos grupos: las esponjas, que pasan toda su vida adulta en un mismo lugar, filtrando el alimento del agua de mar; y los ctenóforos, voraces depredadores (algunos parecidos a las medusas) que se abren paso a remo por los océanos del mundo en busca de alimento.

En un nuevo estudio publicado en la revista Nature, los investigadores utilizan un novedoso método basado en la estructura cromosómica para dar con una respuesta definitiva: los ctenóforos fueron el primer linaje que se separó del árbol animal. Las esponjas fueron las siguientes, seguidas por la diversificación de todos los demás animales, incluido el linaje que conduce a los humanos.

Aunque los investigadores determinaron que el linaje de los ctenóforos se ramificó antes que el de las esponjas, ambos grupos de animales han seguido evolucionando a partir de su ancestro común. No obstante, los biólogos evolutivos creen que estos grupos siguen compartiendo características con los primeros animales y que el estudio de estas primeras ramas del árbol de la vida animal puede arrojar luz sobre cómo surgieron y evolucionaron los animales hasta llegar a la diversidad de especies que vemos hoy en día.

Los mapas detallados de los genomas de los ctenóforos permitieron a los investigadores ver patrones de genes vinculados que ayudaron a responder a la pregunta de si las esponjas o los ctenóforos son el pariente más lejano de todos los demás animales | foto MBARI

El antepasado común más reciente de todos los animales vivió probablemente hace 600 o 700 millones de años. Es difícil saber cómo eran porque eran animales de cuerpo blando y no dejaron un registro fósil directo. Pero podemos utilizar comparaciones entre animales vivos para aprender sobre nuestros antepasados comunes, afirma Daniel Rokhsar, profesor de Biología Molecular y Celular de la Universidad de California en Berkeley y coautor del artículo junto con Darrin Schultz y Oleg Simakov, de la Universidad de Viena. Es emocionante: estamos mirando hacia atrás en el tiempo, donde no tenemos ninguna esperanza de conseguir fósiles, pero comparando genomas, estamos aprendiendo cosas sobre estos antepasados muy tempranos.

Entender las relaciones entre linajes animales ayudará a los científicos a comprender cómo evolucionaron a lo largo del tiempo características clave de la biología animal, como el sistema nervioso, los músculos y el tracto digestivo, afirman los investigadores.

Hemos desarrollado una nueva forma de obtener una de las visiones más profundas posibles de los orígenes de la vida animal, afirma Schultz, autor principal y antiguo estudiante de postgrado de la UC Santa Cruz e investigador en el Monterey Bay Aquarium Research Institute (MBARI), que ahora es investigador postdoctoral en la Universidad de Viena. Este hallazgo sentará las bases para que la comunidad científica empiece a comprender mejor cómo han evolucionado los animales.

¿Qué es un animal?

La mayoría de los animales conocidos, como gusanos, moscas, moluscos, estrellas de mar y vertebrados -incluidos los humanos-, tienen una cabeza con un cerebro centralizado, un intestino que va de la boca al ano, músculos y otras características comunes que ya habían evolucionado en la época de la famosa «Explosión del Cámbrico», hace unos 500 millones de años. En conjunto, estos animales se denominan bilaterales.

Sin embargo, otros animales como las medusas, las anémonas de mar, las esponjas y los ctenóforos, tienen planos corporales más simples. Estas criaturas carecen de muchos rasgos bilaterales -por ejemplo, no tienen un cerebro definido y pueden incluso no tener sistema nervioso ni músculos-, pero comparten las características de la vida animal, sobre todo el desarrollo de cuerpos pluricelulares a partir de un óvulo fecundado.

Las relaciones evolutivas entre estas diversas criaturas -específicamente, el orden en que cada uno de los linajes se ramificó a partir del tronco principal del árbol animal de la vida- han sido controvertidas.

Con el auge de la secuenciación del ADN, los biólogos pudieron comparar las secuencias de genes compartidas por los animales para construir un árbol genealógico que ilustra cómo evolucionaron los animales y sus genes a lo largo del tiempo, desde que surgieron los primeros animales en el Precámbrico.

Los robustos mapas de los genomas de animales unicelulares emparentados, jaleas peine, esponjas y otros animales ayudaron a los investigadores a identificar patrones compartidos por las esponjas y todos los demás animales excepto los ctenóforos | foto MBARI

Pero estos métodos filogenéticos basados en secuencias de genes no lograron resolver la controversia sobre si las esponjas o los ctenóforos constituían la rama más primitiva del árbol animal, en parte debido a la gran antigüedad de su divergencia, señaló Rokhsar.

Los resultados de los estudios sofisticados basados en secuencias estaban básicamente divididos, dijo. Algunos investigadores hicieron análisis bien diseñados y descubrieron que las esponjas se ramificaron primero. Otros hicieron estudios igualmente complejos y justificables y obtuvieron ctenóforos. Realmente no ha habido ninguna convergencia hacia una respuesta definitiva.

Sólo con mirarlas, las esponjas parecen bastante primitivas. Tras su fase larvaria de nado libre, se asientan y suelen permanecer en un lugar, barriendo suavemente el agua a través de sus poros para capturar pequeñas partículas de alimento disueltas en el agua de mar. No tienen nervios ni músculos, aunque sus partes duras son un buen estropajo para el baño.

Tradicionalmente, se ha considerado que las esponjas son la rama superviviente más antigua del árbol animal, porque las esponjas no tienen sistema nervioso, no tienen músculos y se parecen un poco a las versiones coloniales de algunos protozoos unicelulares, explica Rokhsar. Y así, fue una bonita historia: Primero aparecieron los protozoos unicelulares y luego evolucionaron los consorcios multicelulares de este tipo de células, parecidos a esponjas, que se convirtieron en el antepasado de toda la diversidad animal actual. En este escenario, el linaje de las esponjas conserva muchas características del antepasado animal en la rama que conduce a todos los demás animales, incluidos nosotros. Se desarrollaron especializaciones que condujeron a las neuronas, los nervios, los músculos, las vísceras y todas esas cosas que conocemos y amamos como rasgos definitorios del resto de la vida animal. Las esponjas parecen primitivas, ya que carecen de esas características.

El otro candidato a linaje animal más primitivo es el grupo de las medusas peine (los ctenóforos), animales populares en muchos acuarios. Aunque superficialmente se parecen a las medusas -a menudo tienen forma de campana, aunque con dos lóbulos, a diferencia de éstas, y suelen tener tentáculos-, sólo están lejanamente emparentadas. Y mientras las medusas se mueven a chorros por el agua, los ctenóforos se impulsan con ocho filas de cilios batientes dispuestos a lo largo de sus costados como peines. A lo largo de la costa de California, un ctenóforo común es la grosella espinosa de mar (Pleurobrachia pileus), de 2,5 centímetros de diámetro.

Para saber si las esponjas o los ctenóforos fueron la primera rama de los animales, el nuevo estudio se basó en una característica poco probable: la organización de los genes en cromosomas. Cada especie tiene un número característico de cromosomas -los humanos tienen 23 pares- y una distribución característica de los genes a lo largo de los cromosomas.

El análisis de patrones de genes vinculados reveló que las jaleas peine representan un linaje cuyos antepasados se separaron en su propio grupo, separado de todos los demás animales, hace aproximadamente 700 millones de años | Ilustración Madeline Go/MBARI

Rokhsar, Simakov y colaboradores habían demostrado anteriormente que los cromosomas de esponjas, medusas y muchos otros invertebrados llevan conjuntos similares de genes, a pesar de más de 500 millones de años de evolución independiente. Este descubrimiento sugería que los cromosomas de muchos animales evolucionan lentamente y permitió al equipo reconstruir computacionalmente los cromosomas del antepasado común de estos diversos animales.

Pero la estructura cromosómica de los ctenóforos era desconocida hasta 2021, cuando Schultz -entonces estudiante de posgrado en la UC Santa Cruz- y sus coasesores, Richard Green, de la UCSC, y Steven Haddock, del MBARI y la UCSC, determinaron la estructura cromosómica del ctenóforo Hormiphora californensis. Su aspecto era muy diferente del de otros animales, lo que planteaba un rompecabezas, explica Rokhsar.

Al principio, no podíamos saber si los cromosomas del ctenóforo eran distintos de los de otros animales simplemente porque habían cambiado mucho a lo largo de cientos de millones de años, explicó Rokhsar. También podrían ser diferentes porque se ramificaron primero, antes de que aparecieran todos los demás linajes animales. Teníamos que averiguarlo.

Los investigadores unieron sus fuerzas para secuenciar los genomas de otro ctenóforo y otra esponja, así como de tres criaturas unicelulares ajenas al linaje animal: un coanoflagelado, una ameba filasterea y un parásito de los peces del grupo ictiospóreo. Ya existían secuencias genómicas aproximadas de estos organismos no animales, pero no contenían la información crítica necesaria para el enlace cromosómico: su posición en el cromosoma.

La avanzada tecnología del MBARI y su acceso único a las profundidades marinas permiten a los investigadores recolectar delicados ctenóforos para estudiarlos en el laboratorio. Los ctenóforos han sido notoriamente difíciles de estudiar, pero pueden ofrecer importantes pistas sobre la vida en la Tierra | foto MBARI

Sorprendentemente, cuando el equipo comparó los cromosomas de estos diversos animales y de los no animales, descubrió que los ctenóforos y los no animales compartían combinaciones particulares de genes y cromosomas, mientras que los cromosomas de las esponjas y otros animales estaban reorganizados de una manera claramente diferente.

Encontramos un puñado de reordenamientos compartidos por esponjas y animales no ctenóforos. En cambio, los ctenóforos se parecían a los no animales. La explicación más sencilla es que los ctenóforos se ramificaron antes de que se produjeran los reordenamientos, afirmó.

Las huellas de este antiguo acontecimiento evolutivo siguen presentes en los genomas de los animales cientos de millones de años después, afirmó Schultz. Esta investigación (…) nos da un contexto para entender qué hace que los animales sean animales. Este trabajo nos ayudará a entender las funciones básicas que todos compartimos, como la forma en que perciben su entorno, cómo comen y cómo se mueven.

Rokhsar subrayó que las conclusiones del equipo se basan sólidamente en cinco conjuntos de combinaciones de genes y cromosomas.

Encontramos una reliquia de una señal cromosómica muy antigua, dijo. Hizo falta un poco de trabajo estadístico de detective para convencernos de que realmente se trataba de una señal clara y no de ruido aleatorio, porque estamos tratando con grupos relativamente pequeños de genes y quizá mil millones de años de divergencia entre los animales y los no animales. Pero la señal está ahí y apoya firmemente la hipótesis del «ctenóforo ramificado primero». La única forma de que la hipótesis alternativa de la esponja primero fuera cierta sería que se produjeran múltiples reordenamientos convergentes tanto en las esponjas como en los animales no ctenóforos, lo cual es muy improbable.

Fuentes

Monterey Bay Aquarium Research Institute (MBARI) | University of California Berkeley | Schultz, D.T., Haddock, S.H.D., Bredeson, J.V. et al. Ancient gene linkages support ctenophores as sister to other animals. Nature (2023). doi.org/10.1038/s41586-023-05936-6

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