Evolución urbana: cómo se adaptan las especies para sobrevivir en las ciudades

Las ratas marrones en la ciudad de Nueva York podrían estar evolucionando a tener filas de dientes más pequeñas. Peces diminutos en el este de los EE. UU. se han adaptado para prosperar en aguas urbanas contaminadas. En todo el mundo, los seres vivos están evolucionando de manera diferente en las ciudades que en el campo que las rodea.

Está sucediendo en las plantas: es menos probable que el trébol blanco en el centro de Toronto produzca un cianuro que disuade a los herbívoros que el trébol en las áreas rurales circundantes —una tendencia que se refleja en las ciudades de muchos países, según descubrió un nuevo estudio—. Y está sucediendo en las aves: los pájaros cantores en Europa y los búhos en Argentina muestran evidencia de selección natural en genes asociados con la cognición.

Todos son ejemplos de evolución urbana: cambios genéticos que pueden ayudar a los seres vivos a adaptarse a la vida en entornos de grandes ciudades. “Una ciudad cambia un ambiente dramáticamente. Crea un ecosistema completamente nuevo”, dice Marc Johnson, ecólogo evolutivo de la Universidad de Toronto Mississauga.

La ciudad es también el ecosistema de más rápido crecimiento en el planeta, hogar de más de la mitad de la población mundial. Así que tal vez no sea una sorpresa que el estudio de la evolución de las especies en entornos urbanos, un campo que apenas existía a principios del milenio, ahora sea el foco de atención de muchos laboratorios de biología.

Las ciudades pueden actuar como bancos de pruebas para abordar preguntas de larga data sobre la evolución. ¿Evolucionan de manera similar diferentes poblaciones de la misma especie cuando se enfrentan a las mismas presiones ambientales? ¿Y diferentes especies en los mismos lugares desarrollan características similares?

Muchos factores ambientales son similares en miles de ciudades, dice Johnson: cosas como temperaturas más altas, contaminación y hábitats fragmentados por edificios y carreteras. Pero las ciudades también difieren en edad, cantidad de espacios verdes, clima y más.

“Uno puede mirar estas similitudes y estas diferencias y comenzar a preguntar, ¿cómo puede esto impulsar la evolución?”, dice Johnson.

Observar cómo responden las criaturas a la vida urbana también puede ayudar a mejorar la gestión de la conservación o el control de plagas, y a planificar ciudades con ecosistemas funcionales que sean ambientalmente más sólidos y mejores lugares para que viva la gente.

Y la evolución urbana puede contener pistas sobre nuestro mundo futuro. “Las ciudades son una especie de clave para comprender las respuestas al cambio climático global”, dice Sarah Diamond, ecologista evolutiva de la Universidad Case Western Reserve en Cleveland, Ohio, y coautora de un artículo sobre la investigación de la evolución urbana en el Annual Review of Ecology, Evolution, and Systematics. “Puedes caminar hacia adelante en el tiempo. Puedes decir: ‘esta ciudad te está dando el calentamiento del clima global que esperaríamos para 2050 o 2070 o 2100’”.

La gente a menudo siente que la vida de la ciudad está alejada de la naturaleza, dice Colin Garroway, ecólogo evolutivo de la Universidad de Manitoba en Winnipeg. “Pero las ciudades son naturaleza”.

Mirando por nuestras puertas traseras

Probablemente el ejemplo más conocido de evolución urbana sea la polilla moteada inglesa, cuya coloración se oscureció en el siglo XIX en respuesta a la contaminación por carbón. En un famoso artículo de 1955, el genetista británico Bernard Kettlewell presentó pruebas de que se trataba de un caso de selección natural en el que la oscuridad ayudó a las polillas a evadir la depredación de las aves mientras descansaban sobre troncos de árboles cubiertos de hollín.

Pero el campo de la ecología evolutiva urbana siguió siendo diminuto hasta hace poco: “La mayoría de los biólogos evolutivos no se dejarían ver en una ciudad”, dice Johnson. Eso comenzó a cambiar con el rápido crecimiento de los estudios de ecología urbana en los años noventa y se aceleró con los descubrimientos de casos de evolución sorprendentemente rápidos, como las poblaciones de lagartijas del Caribe que mostraban en sus patas un área de almohadillas más grande, crucial para adherirse a las superficies, después de dos grandes huracanes en 2017.

Tampoco perjudicó que los profesores de biología evolutiva generalmente estén empleados en universidades urbanas y sientan curiosidad por lo que sucede en sus patios traseros. “Estas dinámicas están ocurriendo a nuestro alrededor”, dice Ryan Martin, ecólogo evolutivo de Case Western Reserve y coautor con Diamond del artículo de Annual Reviews. “Salga y mire en su jardín, y verá un montón de polinizadores nativos que presumiblemente están evolucionando en respuesta a estos cambios en la ciudad... No se necesita hacer nada especial para ver estas geniales dinámicas; solo salir por la puerta”.

La pulga de agua Daphnia magna —un crustáceo de agua dulce de unos pocos milímetros de tamaño— es una especie que evoluciona en las ciudades en respuesta al calor, la contaminación e incluso a los depredadores locales. Este zooplancton puede prevenir la proliferación de algas que sobrecargan los estanques con cianobacterias tóxicas, por lo que esta adaptación puede tener un gran efecto en los ecosistemas de agua dulce, dice Kristien Brans, ecóloga evolutiva de KU Leuven en Bélgica, que estudia las pulgas de agua.

Un desafío básico en tales investigaciones urbanas es distinguir entre dos modos de respuesta a entornos alterados: evolución (alteraciones genéticas que aparecen a lo largo de las generaciones) y plasticidad fenotípica (la flexibilidad para alterar las características físicas y/o de comportamiento durante la vida de un organismo).

Para las pulgas de agua, resulta que ambos están en juego. Las pulgas criadas en experimentos de laboratorio a temperaturas similares a las de los estanques urbanos son más pequeñas, maduran y se reproducen más rápidamente que las pulgas criadas a temperaturas de estanques rurales que tienden a ser varios grados más bajas. (Eso es plasticidad fenotípica —no se han producido cambios genéticos—). Pero con el tiempo, las pulgas de agua urbanas que viven generación tras generación en aguas de estanques urbanos más cálidos han cambiado genéticamente para tener esos mismos tipos de alteraciones. (Eso es evolución).

En un artículo de 2017, por ejemplo, Brans y sus compañeros de trabajo tomaron poblaciones de pulgas de agua de una variedad de hábitats —algunos más rurales y otros más urbanos— y las criaron durante muchas generaciones antes de probar su capacidad para sobrevivir en agua a temperatura urbana y agua a temperatura de zonas rurales. Las pulgas recolectadas en estanques urbanos mostraron una mayor tolerancia al calor en los estanques cálidos que las recolectadas en estanques rurales, junto con un tamaño corporal más pequeño y otros cambios.

Un estudio de seguimiento publicado en 2018 mostró que las Daphnia urbanas tienen concentraciones significativamente más altas de grasa corporal total, proteínas y azúcares que las pulgas de agua rurales, cambios de rasgos que están asociados con el manejo de factores estresantes como el calor, así como con ciclos de vida más rápidos.

Brans y sus colegas también descubrieron recientemente que las pulgas de agua urbanas tienen más probabilidades que sus primos rurales de sobrevivir a la exposición a un pesticida común, y que las poblaciones de Daphnia muestran diferentes adaptaciones genéticas a los pesticidas dependiendo de si crecen en estanques rodeados de granjas convencionales, fincas orgánicas o reservas naturales. En pruebas de laboratorio, las pulgas de agua extraídas de estanques rodeados de tierras de cultivo convencionales mostraron una mayor resistencia a un pesticida llamado clorpirifós que se emplea habitualmente en este tipo de agricultura. Las pulgas cerca de las granjas orgánicas fueron más resistentes a dos pesticidas permitidos en la agricultura orgánica.

Mirando hacia arriba en la cadena alimenticia, Brans y sus colegas tienen evidencia de que las pulgas de agua urbanas y los insectos depredadores que se las comen —los caballitos del diablo o damiselas— están evolucionando uno al lado del otro. Las larvas de caballito del diablo urbanas son mucho mejores que las larvas de caballito del diablo rurales para encontrar y engullir pulgas de agua rurales, por ejemplo. Pero les resulta más difícil aprovecharse de las pulgas urbanas. En otras palabras, cuando se emparejan las poblaciones de pulgas y caballitos del diablo rurales o de la ciudad, parece haber más equilibrio —como era de esperar si dos poblaciones evolucionan al mismo tiempo—.

Brans también está estudiando cómo los microbios que viven en las entrañas de Daphnia difieren entre la ciudad y el campo. Estas comunidades microbianas —o microbiomas— dan forma a lo que pueden comer las pulgas de agua, y algunos genotipos de pulgas fomentan microbiomas que les permiten digerir cianobacterias tóxicas que pueden invadir estanques.

Adaptarse con éxito, o tal vez no

Las hormigas de la bellota ofrecen otro caso de evolución urbana adaptativa. Con colonias tan pequeñas que pueden vivir dentro de una sola bellota, son fáciles de estudiar. (“Póngalas en un pequeño vaso de plástico con un poco de agua azucarada y un pequeño gusano de la harina muerto y estarán totalmente felices”, dice Martin). Colonias en Cleveland, Ohio —donde la temperatura en el centro de la ciudad es en promedio 4 grados Celsius más elevada en cualquier momento de año que en los entornos rurales— tienen mayor tolerancia al calor, pero tolerancias al frío más bajas que las hormigas rurales, descubrieron Martin y Diamond. “Estamos bastante seguros de que se debe a diferencias genéticas subyacentes”, dice Martin.

Las ratas marrones en Manhattan ofrecen otro caso más de evolución urbana, aunque puede que no imparta ventajas a las criaturas poco queridas. Jason Munshi-South, ecologista evolutivo de la Universidad de Fordham en Nueva York, y sus colegas analizaron los genomas de 262 ratas y descubrieron que los animales han desarrollado perfiles genómicos distintos en diferentes vecindarios. Los científicos creen que se debe a que las poblaciones de ratas no se mueven libremente entre estos puntos y lentamente, con el tiempo, acumulan diferencias.

¿Qué las mantiene separadas? El Midtown o parte media de Manhattan puede actuar como una especie de barrera suave entre la parte baja y alta de Manhattan, dicen los científicos, porque es menos residencial (proporciona menos comida) y es una zona de intensos esfuerzos de control de ratas. Las carreteras y las vías fluviales también pueden dividir genéticamente las poblaciones de ratas, según estudios realizados en Nueva Orleans; Salvador, en Brasil, y Vancouver, en Canadá, donde las ratas también muestran variaciones genéticas según los vecindarios.

Tales conocimientos pueden resultar útiles en el diseño de medidas para suprimir las poblaciones de ratas. “Si uno comprende cómo se mueven las ratas y qué facilita o impide su movimiento, puede dividir la ciudad en unidades más manejables para el control de roedores”, dice Munshi-South.

Otros cambios en las ratas pueden ser adaptativos. El laboratorio de Munshi-South tiene evidencia de que la selección natural está cambiando los cráneos de las ratas para que tengan narices más largas y juegos de dientes más cortos. Estos podrían ser adaptaciones a ambientes más fríos y una dieta de sobras de comida de humanos, respectivamente, especulan los científicos. Se han observado cambios similares en los dientes en ratones urbanos de patas blancas, por lo que este podría ser un fenómeno general en los roedores de las ciudades, dice Munshi-South.

Entre tréboles

Las plantas urbanas también están en movimiento genético —como el trébol blanco, una planta perenne que prospera en los paisajes humanos—. La planta, debido a la actividad de dos genes conocidos, puede producir cianuro de hidrógeno, si invierte los recursos para hacerlo. Esto la protege de los herbívoros ramoneadores.

Al tomar muestras de las plantas desde el centro de Toronto hasta las áreas rurales circundantes, el laboratorio de Johnson descubrió una sorprendente correlación heredada: cuanto más cerca del centro, menos cianuro se produce. Johnson y sus colegas sugieren que esto sucede porque el centro es más frío en invierno, debido a la menor capa de nieve, y las plantas que producen cianuro de hidrógeno son más susceptibles a la congelación. (Su laboratorio encontró resultados generalmente similares en varias docenas de otras ciudades de América del Norte).

Para profundizar más en la evolución urbana, hace unos años, Johnson y sus colegas lanzaron el Proyecto de Evolución Urbana Global (GLUE, por sus siglas en inglés), que reunió a 287 científicos en 26 países. (Muchos respondieron a los tuits que Johnson envió mientras realizaba otro proyecto en Galápagos). “GLUE es el estudio colaborativo más grande jamás realizado en biología evolutiva, si no se incluye el proyecto del genoma humano”, dice Johnson.

GLUE tomó la producción de cianuro del trébol blanco como modelo para estudiar tres preguntas. ¿Las instancias de urbanización en diferentes ciudades conducen a entornos locales similares? ¿Esos ambientes similares hacen que el trébol evolucione de la misma manera, muestre una evolución paralela, en un rasgo de interés (en este caso, la producción de cianuro)? Y si es así, ¿qué factores ambientales están impulsando el patrón?

En un nuevo artículo en Science, los colaboradores demostraron que los entornos urbanos terminan siendo bastante similares entre sí, con menos vegetación, superficies más impermeables y temperaturas de verano más altas que las áreas rurales periféricas. (De hecho, los centros de ciudades como Beijing y Boston son más similares entre sí en esos factores que con sus áreas rurales, comenta Johnson). Al analizar más de 110.000 plantas de trébol de 160 ciudades en 26 países, los investigadores de GLUE también demostraron un fuerte vínculo entre la urbanización y la producción de cianuro de trébol. Y después de secuenciar más de 2.000 genomas de tréboles y analizar las diferencias urbano-rurales, los investigadores demostraron que la selección natural realmente está funcionando.

Pero ¿cuáles son los factores ambientales que impulsan este cambio en el cianuro? “La respuesta es bastante complicada”, dice Johnson, y puede que no sea la misma para todas las ciudades. Los más importantes que descubrió el equipo fueron los cambios en la vegetación general (probablemente relacionados con la abundancia y diversidad de herbívoros que comen trébol) y la aridez del medio ambiente. “No vemos que la temperatura resalte claramente, que es lo que habíamos identificado cuando observamos Boston, Toronto, Montreal y Nueva York”, dice.

Los primeros resultados de GLUE muestran que el trébol blanco es un poderoso modelo global para comprender la evolución y la ecología en respuesta a la urbanización, agrega.

Disparidades dentro de las ciudades

A medida que los investigadores continúan estudiando la evolución en la gran ciudad, algunos se centran en los efectos de la desigualdad social y económica. La pregunta, dice Simone Des Roches, ecóloga evolutiva de la Universidad de Seattle en Washington, es si las plantas y los animales evolucionan de manera diferente en los vecindarios de ingresos bajos y en los de ingresos altos. Des Roches, autora principal de un artículo de 2020 sobre la interacción de las dinámicas sociales, ecológicas y evolutivas en las ciudades, señala que la discriminación racial en los Estados Unidos ha producido entornos urbanos sorprendentemente diferentes.

Los barrios empobrecidos tienden a tener temperaturas más altas, mayor exposición a contaminantes y otras desventajas ambientales. Estos pueden actuar como patios de recreo para plagas portadoras de enfermedades, como mosquitos y ratas que disfrutan de la compañía humana: los mosquitos tigre invasores crecen más en vecindarios con edificios abandonados en Baltimore, por ejemplo. Los investigadores quieren saber si, y cómo, los organismos pueden evolucionar de manera diferente en estos entornos desfavorecidos.

Los estudios de evolución urbana también pueden arrojar luz sobre lo que se avecina en esta época del Antropoceno y sugerir pasos que podrían lograr un mundo más amigable para los humanos y otras formas de vida. Por ejemplo, en muchas ciudades, dice Diamond, los científicos pueden fechar el inicio de altos niveles de calentamiento debido a la industrialización. Luego, los investigadores pueden medir cuánto han cambiado las tolerancias al calor y al frío de una especie con el tiempo, inferir la tasa de evolución de esos rasgos y aplicar esas inferencias para predecir cómo responderán las formas de vida al cambio climático futuro.

El trabajo de Diamond en las hormigas de bellota sugiere que las poblaciones rurales podrían evolucionar para soportar mayor calor. Pero, dice, las hormigas bellota urbanas parecen estar menos bien adaptadas a las ciudades que las hormigas rurales a sus hogares ancestrales.

Brans, por su parte, busca aplicar su investigación para preservar la biodiversidad urbana y la salud pública —ya que los administradores de conservación urbana querrán ver estanques en los que crezcan poblaciones saludables de pulgas de agua que refuercen esos ecosistemas contra la proliferación de algas tóxicas—.

Desafortunadamente, la biodiversidad genética que puede impulsar la adaptación a menudo disminuye en las áreas urbanas. Un estudio genético realizado por Chloé Schmidt en el laboratorio de Garroway, por ejemplo, encontró que este es el caso, junto con tamaños de población más bajos, para los mamíferos de América del Norte que viven en ambientes más perturbados. Esa es una preocupación durante un período en el que tantas poblaciones de animales y plantas ven degradados o simplemente destruidos sus hábitats naturales.

Los científicos no toman los entornos urbanos como modelos precisos para los impactos del cambio climático. Pero dicen que tales estudios proporcionarán pistas importantes sobre cómo las criaturas pueden responder al acceso cada vez menor al agua y los alimentos, y la exposición a la contaminación, el calor, la sequía y otros peligros.

“Estamos en el Antropoceno y no entendemos cómo estamos cambiando el medio ambiente en todos los niveles, desde las emisiones de gases de efecto invernadero hasta cambiar la evolución de la vida que nos rodea”, dice Johnson. “La gente se da cuenta de que esta investigación es parte de la solución”.

Artículo traducido por Debbie Ponchner