Somos familia: rastreando la evolución de los animales

Érase una vez había un montón de microbios unicelulares que nadaban, comían, se reproducían y hacían todo lo que puede hacer un trocito de vida unicelular.

Algún tiempo después, aparecieron sus descendientes, los primeros animales: criaturas pluricelulares que seguían nadando, comiendo y reproduciéndose, pero lo hacían como equipos de células.

Lo que ocurrió exactamente entre esos puntos es un misterio casi insondable. Pero eso no impide en absoluto que los científicos se pregunten, formulen hipótesis e investiguen cómo pudo producirse la transición, hace unos 600 millones de años.

La incógnita es antigua, pero los investigadores han hecho grandes progresos en las dos últimas décadas, gracias a la secuenciación genética de formas de vida unicelulares que son los parientes más cercanos de los animales. Resulta que los antepasados unicelulares de los animales, hace mucho tiempo, ya estaban notablemente bien equipados para asumir el trabajo en equipo. Probablemente podían adoptar diversas formas celulares y realizar una serie de tareas que resultaron muy útiles para la pluricelularidad. De hecho, incluso podrían haber actuado como grupos, en lugar de como células individuales, de vez en cuando.

“Estaban experimentando con la pluricelularidad”, afirma Iñaki Ruiz-Trillo, biólogo evolutivo del Instituto de Biología Evolutiva de Barcelona, España.

Y en algún momento, ese experimento se convirtió en algo permanente.

Ventajas de aumentar de tamaño

Fue un experimento que demoró más de 3.000 millones de años. Las primeras células vivas aparecieron hace unos 3.500 millones de años, y algunas de ellas dieron un gran paso en el camino hacia los animales hace aproximadamente 2.000 millones de años, cuando añadieron un núcleo en el que almacenar su ADN. Estos microbios nucleados engendraron linajes pluricelulares complejos varias veces a lo largo de la historia evolutiva, creando hongos, plantas y algas. También dieron lugar a los animales hace unos 600 millones de años.

La inmensa mayoría de los seres vivos han mantenido un estilo de vida unicelular durante miles de millones de años, con excelente éxito evolutivo, por lo que no está garantizado que surja el trabajo en equipo celular ni mucho menos que este proporcione un estilo de vida superior. “Desarrollar la pluricelularidad lleva tiempo, energía y recursos”, afirma Thibaut Brunet, biólogo celular evolutivo del Instituto Pasteur de París. Pero para las formas de vida que dieron el salto y lo consiguieron, la pluricelularidad supuestamente ofrecía ventajas que compensaban los costos.

El tamaño, por ejemplo, fue probablemente un factor. Ser grande significa que hay más cosas que uno puede comer y menos cosas que se lo pueden comer a uno. La pluricelularidad también permite tener diferentes partes que hacen diferentes cosas al mismo tiempo: nervios para pensar, músculos para moverse, un estómago para digerir la comida, etcétera.

Los investigadores especulan con que algo importante debe haber sucedido en el mundo para que formar un equipo fuera tan bueno. “Debió haber sido ambiental, en gran medida”, afirma Will Ratcliff, biólogo evolutivo del Instituto de Tecnología de Georgia, Atlanta. Dos grandes tipos de cambios terrestres destacan como posibilidades.

Una es el final de la fase de la glaciación global. Hace entre 710 y 640 millones de años, hubo al menos dos periodos en los que la Tierra era, si no totalmente helada, al menos casi completamente cubierta de aguanieve. Ruiz-Trillo sugiere que un clima más cálido podría haber creado de algún modo una oportunidad para que evolucionara la pluricelularidad.

Otra posibilidad son los cambios en los niveles de oxígeno de la Tierra. Los primeros microbios no necesitaban oxígeno como los animales modernos. La primera vez que el suministro de oxígeno del planeta aumentó, durante el Gran Evento de Oxigenación hace unos 2.400 millones de años, fue cuando las cianobacterias liberaron oxígeno como parte de su fotosíntesis. Para los microbios de la época, este gas altamente reactivo era veneno y diezmó las formas de vida. Hace entre 850 y 540 millones de años se produjo un segundo acontecimiento de oxigenación, cuya causa es menos clara, que pudo sentar las bases para la aparición de los animales.

Los niveles de oxígeno son importantes para las grandes criaturas que lo necesitan, afirma Ratcliff, porque el gas vital solo puede difundirse hasta cierto punto en los tejidos. Para los animales modernos, la solución son los sistemas circulatorios que distribuyen el oxígeno por todo el cuerpo. Es de suponer que los primeros grandes seres pluricelulares aún no habían desarrollado tales sistemas. Cuanto más oxígeno hubiera en el exterior, más podría difundirse en los tejidos y más fácil sería crecer.

Fueran cuales fueran las presiones u oportunidades que indujeron a nuestro antepasado a adoptar la pluricelularidad, tomó ese camino, pero ¿quién era “él”? Eso sigue siendo un misterio: sus células eran cosas blandas que no dejaron muchos fósiles. “No sabemos qué aspecto tenía y, sinceramente, no creo que lo sepamos nunca”, afirma Ratcliff. “Es muy difícil hacer ingeniería inversa de algo que ocurrió hace casi mil millones de años”.

La tatarabuela era una maravilla unicelular

Aun así, los investigadores lo intentan. Para formular hipótesis sobre cómo podrían haber sido estas criaturas, científicos como Ruiz-Trillo adoptan un enfoque similar al de una reunión familiar: supongamos que se realiza una gran reunión a la que se invita a todos los primos, primos segundos, primos lejanos, etcétera. Luego, supongamos que alineamos a todos los parientes que comparten un antepasado común —digamos, la misma tatarabuela— y buscamos rasgos comunes. Si todos esos primos tienen pecas y hoyuelos, por ejemplo, se podría adivinar que probablemente la tatarabuela también los tenía.

Los científicos realizan estudios similares, aunque de carácter más técnico, comparando los genomas de los animales con los de nuestros primos muy lejanos. Se trata de una extraña reunión familiar: además de la gran diversidad de animales, incluidos algunos de los primeros grupos que se ramificaron en el árbol genealógico animal, las esponjas y los ctenóforos, los científicos conocen cuatro grupos de primos unicelulares.

Los más emparentados con los animales son los coanoflagelados. Presentes en aguas dulces y saladas, utilizan colas en forma de látigo, denominadas flagelos, para nadar o transportar bacterias hacia ellos. Completan la familia los filastereas, parecidos a las amebas y con flagelos, los ictiospóreos, que a menudo parasitan a los peces, y los ameboides o Corallochytrium inmóviles (también conocidos como pluriformeas).

Ninguna de estas cosas, tal como existen hoy, es el antepasado de los animales. Más bien, nuestro linaje y el suyo se separaron de un antepasado común hace unos 600 millones de años, y todos hemos evolucionado desde entonces. Pero ciertas similitudes de rasgos entre nosotros y ellos sugieren que nuestro antepasado perdido hace mucho tiempo podría haber tenido también esos rasgos.

A lo largo de la última década, científicos han secuenciado los genomas de 15 de esos parientes lejanos. Y ahí están las sorpresas. Según Brunet, estas rarezas unicelulares contienen casi tantos genes como las personas, incluidos códigos de ADN que antes se consideraban exclusivos de los animales. Las criaturas tienen genes relacionados con los que fabrican integrinas y cadherinas, proteínas que ayudan a las células animales a adherirse entre sí. Tienen genes de agentes de control que guían la identidad celular, similares a los factores que determinan que una célula animal sea cerebral, muscular o estomacal. Y tienen genes implicados en la comunicación entre células.

En otras palabras, estos bichos parecen estar preadaptados para la pluricelularidad y, por tanto, nuestro antepasado común probablemente también lo estaba. Pero, ¿qué habría hecho un preanimal unicelular, completamente solo, con este tipo de genes?

En las formas de vida unicelulares, proteínas como las cadherinas podrían haber sido útiles porque son adhesivas. “Las comparo con el velcro”, afirma Jordi Paps, biólogo evolutivo de la Universidad de Bristol, Inglaterra. Para un ser unicelular, las moléculas adhesivas podrían ser una forma estupenda de capturar bacterias de paso para la cena.

Los genes que rigen la identidad celular pueden haber contribuido a que los antepasados unicelulares de los animales adoptaran diferentes formas en distintos momentos. Los cuatro primos cercanos de los animales hacen esto. Los filastereas, por ejemplo, pueden adoptar una forma parecida a la de las amebas, con brazos largos, que pueden dividirse en células hijas, pero también pueden adoptar una forma sin brazos, que no se divide.

Por último, los cuatro primos cercanos de los animales tienen momentos en su vida en los que coquetean con la pluricelularidad. Algunos coanoflagelados pueden formar colonias al no separarse totalmente unos de otros cuando se dividen. Al menos un filastereas puede agregar células que antes estaban separadas. Los Corallochytrium viven con dos o más núcleos durante al menos un tiempo, mientras que los ictiospóreos se dividen repetidamente para formar una gran bola de docenas o cientos de núcleos antes de estallar repentinamente en entidades separadas. Esto sugiere que el precursor animal también podría haber agrupado células de forma transitoria. No hay certeza de que esto haya sido beneficioso; los científicos especulan que las células podrían haber ganado protección al estar en manada, o viajando o cazando en masa.

Ruiz-Trillo y sus colegas sugieren que el preanimal unicelular experimentó serias transformaciones durante su ciclo de vida. Quizá a veces era como una ameba, capaz de arrastrarse en busca de alimento, y quizá otras veces desarrollaba un flagelo para nadar. Quizá unas veces sobrevivía solo y otras agrupaba células.

Pero en un momento dado, nuestros primos unicelulares solo pueden tener una forma, y los científicos creen que probablemente también era así en el antepasado preanimal. Si se estuviera dividiendo, probablemente no podría nadar ni comer, dice Brunet. Tenía que elegir. Lo que esto significa es que, incluso en una criatura unicelular, la división del trabajo podría haber existido y conferido un beneficio —pero se gestionó a lo largo del tiempo, no del espacio—.

Los científicos creen que el truco para la pluricelularidad consistió en reutilizar los genes responsables de esos cambios temporales para que actuaran en el espacio, controlando las formas y funciones de las células en las distintas partes del cuerpo. Este reciclaje o “cooptación” de genes se ha producido una y otra vez a lo largo de la evolución. Los escarabajos, por ejemplo, crean sus cuernos con genes cooptados de la génesis de otros apéndices, como patas y antenas. Del mismo modo, las aletas de los peces para nadar fueron cooptadas para que los animales pudieran caminar sobre la tierra, y las hojas para la fotosíntesis fueron cooptadas por los cactus como defensas espinosas. Mismos genes, distintas funciones.

Actuar como animales

Para seguir investigando el misterio pluricelular, un paso clave es ir más allá de las comparaciones genéticas y examinar la biología de los parientes unicelulares de los animales, afirma Omaya Dudin, biólogo celular evolutivo de la Universidad de Ginebra. Al explorar los ictiospóreos, su grupo descubrió sorprendentes similitudes con el desarrollo animal. Cuando los ictiospóreos crean sus grandes bolas de núcleos y luego las separan, las células se dividen de una forma muy parecida a la de un embrión animal temprano (como un embrión de insecto en una especie, como un embrión de rana o ratón en otra).

Según Dudin, esto no significa necesariamente que el antepasado común de bichos, mamíferos e ictiospóreos también llevara a cabo una división celular similar a la embrionaria. Podría ser simplemente que el antepasado común tuviera suficientes genes y capacidades para que sus descendientes desarrollaran procesos de división muy similares.

Sin embargo, esto significa que incluso algo que parece muy específico de los animales, como la división embrionaria, no es necesariamente exclusivo de los animales.

De hecho, incluso tener múltiples tipos de células al mismo tiempo podría no ser una característica exclusivamente animal. Al observar las bolas multinucleadas del ictiospóreo Chromosphaera perkinsii, el equipo de Dudin observó algo sorprendente: había dos tipos de células, una con flagelos y otra sin ellos. Los investigadores también han encontrado indicios de múltiples tipos de células —la mayoría redondas, pero algunas oblongas— en colonias de coanoflagelados. Eso sugiere, solo tal vez, que el precursor de los animales podría haber tenido momentos no solo de pluricelularidad, sino también de división del trabajo celular.

En conjunto, parece claro que nuestros antepasados unicelulares estaban preparados para la pluricelularidad. Aunque el simple hecho de agruparse pudo ocurrir rápidamente, “probablemente hubo mucha complejidad en el origen de los animales”, afirma Brunet. “El alcance total de la complejidad pluricelular animal surgió sin duda a lo largo de miles, y muy probablemente millones, de años”.

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Aún quedan muchos detalles por dilucidar: ¿tenían los preanimales aspecto de coanoflagelados, como afirma una teoría popular, o tal vez adoptaron diversas formas en distintos momentos? ¿Eran los primeros animales como esponjas, como se supone tradicionalmente, o tal vez más parecidos los ctenóforos?

Ruiz-Trillo, coautor de una revisión sobre las raíces de la pluricelularidad en el Annual Review of Microbiology 2023, se niega a nombrar una hipótesis favorita: “Creo que no tenemos suficientes datos para decirlo”, dice.

Para obtener más datos, tendrá que invitar a más criaturas a la reunión familiar. Y eso es precisamente lo que está haciendo, buscar microbios aún desconocidos en lugares acuáticos de todo el mundo. Hasta ahora, ha identificado al menos ocho nuevos grupos de primos animales analizando únicamente sus genes. Si los científicos consiguen encontrar, cultivar y estudiar estas criaturas, probablemente encontrarán nuevas pistas sobre el origen de la especie animal pluricelular.

Será toda una fiesta.

Artículo traducido por Debbie Ponchner