De las aletas a las manos: el vínculo evolutivo entre las personas y los peces

Para ayudar a que sus lectores se imaginaran la evolución, Charles Darwin les pidió que miraran sus propias manos.

“¿Qué puede ser más curioso que el hecho de que la mano de un hombre, hecha para agarrar; la de un topo, hecha para cavar; la pata de un caballo; la aleta de la vaquita marina, y el ala del murciélago estén construidas bajo el mismo patrón e incluyan huesos similares en las mismas posiciones?”, preguntó.

Darwin tenía una explicación sencilla: las personas, los topos, los caballos, las vaquitas marinas y los murciélagos comparten un ancestro común que desarrolló extremidades con dedos. Sus descendientes tienen distintos tipos de extremidades adaptadas para tareas diferentes. Pero jamás perdieron las similitudes anatómicas que revelan su parentesco.

Como naturalista de la época victoriana, Darwin estaba limitado a las similitudes que podía encontrar. El equipo más sofisticado que pudo utilizar para su tarea fue un microscopio. Hoy, los científicos realizan su trabajo con nuevas herramientas biológicas y están revelando grandes similitudes que habían pasado desapercibidas hasta ahora.

Hace poco un equipo de investigadores de la Universidad de Chicago informó que nuestras manos no solo comparten una fuerte conexión evolutiva con las alas de los murciélagos o las pezuñas de los caballos, sino también con las aletas de los peces.

El descubrimiento ayudará a que los investigadores entiendan cómo nuestros ancestros dejaron el agua, transformando las aletas en extremidades que podían utilizar para moverse en la tierra.

Para el ojo humano no hay mucha similitud entre la mano de una persona y la aleta de un pez dorado. La mano de una persona está al final de un brazo. Tiene huesos que se desarrollan a partir del cartílago y contienen vasos sanguíneos. Este tipo de tejido se llama hueso endocondral.

Un pez dorado tan solo desarrolla un pequeño cúmulo de huesos endocondrales en la base de su aleta. El resto de la aleta está conformada por rayos delgados, hechos de un tejido completamente distinto, llamado hueso dermal. El hueso dermal no se desarrolla como cartílago y no contiene vasos sanguíneos.

Durante mucho tiempo estas diferencias han intrigado a los científicos. El registro fósil muestra que compartimos un ancestro acuático común con los actinopterigios que vivieron hace unos 430 millones de años. Las criaturas de cuatro extremidades con espinas dorsales -conocidos como tetrápodos- habían evolucionado hace 360 millones de años y continuaron su desarrollo al colonizar la tierra firme.

Durante más de dos décadas el biólogo evolucionista Neil H. Shubin ha investigado esta transición de dos maneras radicalmente distintas.

Por un lado consiguió fósiles que datan de la transición del mar a la tierra. Sus descubrimientos incluyen un pez de 370 millones de años llamado Tiktaalik que tenía aletas parecidas a extremidades. Ese espécimen desarrolló huesos endocondrales que corresponden a los que tenemos en los brazos que comienzan en el hombro con el húmero, después el radio, el cúbito y los huesos de las muñecas. Sin embargo, le faltaban dedos y aún tenía una pequeña franja de espinas en las aletas.

Cuando no está cavando para encontrar fósiles, Shubin dirige un laboratorio en la Universidad de Chicago, donde él y sus colegas comparan cómo los tetrápodos -los ratones, por ejemplo- y los peces se desarrollan como embriones.

Sus embriones comienzan con una apariencia muy similar que consiste en cabezas y colas sin muchos componentes entre esas dos partes. Entonces se desarrollan dos pares de brotes en sus flancos. En los peces, los brotes se convierten en aletas. En los tetrápodos, se vuelven extremidades.

En décadas recientes, los investigadores han descubierto algunos de los genes que rigen este desarrollo. En 1996, un equipo de investigadores franceses que estudiaban a los ratones descubrió genes esenciales para el desarrollo de sus patas.

Cuando los científicos eliminaron dos genes llamados Hoxa-13 y Hoxd-13 los ratones desarrollaron huesos largos y normales en las piernas. No obstante, los huesos de sus muñecas y tobillos no pudieron formarse y no desarrollaron dedos.

Este descubrimiento sugirió que esos genes le indican a ciertas células en la extremidad del tetrápodo que se convertirán en manos y pies.

Shubin sabía que los peces tienen genes relacionados con los Hoxa-13 y Hoxd-13. Se preguntó qué hacían esos genes para desarrollar aletas. Un experimento con peces podría darle una pista.

“Pero no tendremos los medios para hacerlo hasta que la tecnología alcance el nivel de nuestras aspiraciones”, dijo Shubin.

En los noventa nadie sabía cómo eliminar genes en los embriones de los peces. Pero eso ha cambiado en los últimos años gracias a una nueva tecnología de edición de genes llamada Crispr. Los científicos pueden utilizarla para alterar genes de manera fácil y en casi cualquier especie.

En 2013, un investigador del laboratorio de Shubin llamado Tetsuya Nakamura comenzó a utilizar Crispr para manipular los embriones de peces. Decidió estudiar peces cebras porque sus embriones transparentes facilitan el rastreo de su desarrollo.

Nakamura introdujo fragmentos de ADN en las versiones de los genes Hoxa-13 y Hoxd-13 que tienen los peces. El ADN insertado alteró la secuencia para que el pez no pudiera producir proteínas a partir de ellos.

Según los estudios, los peces cebra con copias defectuosas de ambos genes desarrollaron aletas deformes. Sin embargo, para su sorpresa, el pez no logró desarrollar espinas en las aletas. Lo que mostró su experimento es que los genes Hox estaban controlando células que se convirtieron en huesos dermales en vez de los huesos endocondrales que se encuentran en las extremidades de los humanos.

Shubin también se sorprendió cuando vio los resultados de un experimento paralelo dirigido por Andrew R. Gehrke, un estudiante de posgrado. Gehrke usó técnicas de ingeniería en los peces cebra para darle seguimiento a células individuales durante el desarrollo de los embriones.

En los peces alterados de Gehrke, las células que encendieron los genes Hox comenzaron a brillar. Siguieron brillando a lo largo del desarrollo hasta que alcanzaron su ubicación final en el cuerpo de los peces.

Gehrke observó que un grupo de células comenzaron a producir las proteínas Hox al principio del desarrollo de las aletas de los peces. Cuando estuvieron completamente desarrolladas, Gehrke halló que las espinas de las aletas brillaban. En un experimento similar con ratones, los dedos y los huesos de las muñecas se encendieron.

“Vimos que los dedos y las espinas de las aletas tienen una suerte de equivalencia en el nivel de las células que los producen”, dijo Shubin. “Honestamente, casi me desmayo… era lo contrario a lo que esperaba después de trabajar con este problema durante décadas”.

El nuevo estudio es importante porque reveló que el desarrollo de aletas y extremidades comparte algunas reglas, dijo Matthew P. Harris, genetista de la Escuela Médica de Harvard. En ambos casos, los genes Hox le dicen a un grupo de células embrionarias que necesitan terminar en el extremo de un apéndice. “La instrucción molecular es la misma”, dijo Harris, quien no participó en el estudio.

En los peces cebra, las células que obtienen la instrucción molecular producen huesos dermales para las espinas de las aletas. La investigación muestra que en los tetrápodos como nosotros, las mismas células producen los huesos endocondrales de manos y pies.

El nuevo descubrimiento podría ayudar a entender a los peces intermedios con aletas parecidas a las extremidades que Shubin y sus colegas han desenterrado. Estos animales aún utilizaban las instrucciones moleculares que sus ancestros usaron. Pero cuando sus células cumplieron con las instrucciones, algunos de ellos hicieron huesos endocondrales en vez de espinas en las aletas. Cambiar de un tipo de tejido a otro pudo haber sido algo sencillo.

“Fue posible ajustar todas estas características”, dijo Shubin.