Los peces salvajes prosperan a pesar de las mutaciones de ‘bestia desesperada’

Una serie de experimentos dirigidos por investigadores de la Universidad Médica de Stanford que involucraron la conexión de peces, CRISPR y saltos de lago confirmaron una suposición de larga data, pero no probada, sobre la evolución natural. También desacredita un punto de discusión favorecido por los defensores del diseño inteligente, quienes argumentaron que las mutaciones que ocurren naturalmente solo dañarían o destruirían a un animal y no podrían conducir a nuevos rasgos y estructuras corporales beneficiosos.

Los investigadores han identificado cambios frecuentes en la regulación de uno de los genes clave del desarrollo que aumentan el número y controlan la longitud de las principales espinas defensivas de un pez llamado espinoso. Los nuevos rasgos de la columna vertebral mejoran la supervivencia de los peces frente a diversos depredadores, y contradicen una importante afirmación de los antievolucionistas de que los cambios importantes siempre dejarán a los animales incapaces de sobrevivir en la naturaleza.

«Los científicos ya saben que los cambios en la regulación de este gen, llamado HOX, controlan el desarrollo de estructuras corporales clave durante el desarrollo». david reyesleyPh.D., profesor de biología del desarrollo. «Lo nuevo es que hemos demostrado de manera concluyente que las mutaciones en este gen producen cambios importantes en los animales salvajes, nuevas características que ayudan a los peces a prosperar en entornos naturales. Nuestros hallazgos refutan el argumento común de que este tipo de genes son muy importantes, muy básicos, y que los animales Las mismas mutaciones en estas áreas no sobrevivirían en la naturaleza, que si jugaras con los reguladores maestros, solo serías una bestia sin esperanza”.

Kingsley, investigador del HHMI y profesor Rudy J. Daphne Donohue Munzer es la autora principal de Investigarque se publicó en línea el 1 de septiembre en El medio ambiente y la evolución de la naturaleza.. La estudiante graduada Julia Vocherbvenig es la autora principal del estudio.

Aunque el concepto de evolución es ampliamente aceptado, puede ocurrir de diferentes maneras. La evolución regresiva es la pérdida de rasgos existentes, que antes eran útiles pero ahora son desfavorables o inútiles, dando como resultado un animal más adecuado a su entorno natural. Estos cambios son siempre neutrales (piense en los peces de las cavernas que perdieron sus ojos después de generaciones en la oscuridad) o beneficiosos, como en los primeros humanos que se despojaron del traje peludo de nuestros parientes simios, permitiéndonos perseguir presas largas distancias sin sobrecalentarnos. .

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juego de suerte

En contraste, la evolución gradual ocurre cuando los organismos adquieren nuevos rasgos que les permiten superar a sus pares. Pero cambios como este son básicamente un acto de fe equivalente a lanzar un dado genético con la esperanza de que todos salgan con un seis. Los cambios más pequeños y graduales son menos serios. Los cambios estructurales significativos, a veces llamados mutaciones de alto impacto, pueden ser especialmente sospechosos: imagine que un día sale de su apartamento con una o dos piernas. ¿Tendrá una ventaja sobre sus vecinos cuando corra hacia el autobús, o es más probable que tropiece y caiga de cabeza en el tráfico?

Aunque ha habido algunos casos en los que los animales han adquirido características beneficiosas en la naturaleza a partir de cambios en los genes HOX (las moscas de la fruta han desarrollado ciertos patrones sensoriales de pelo en sus patas y algunas abejas han adquirido un color distintivo en sus estómagos), la mayoría de los cambios estructurales importantes ganancias causadas por mutaciones en estas áreas han sido perjudiciales.

«Las moscas de la fruta tetrápodos criadas en laboratorio son un ejemplo bien conocido de cómo los cambios genéticos relativamente simples en las regiones reguladoras de los genes HOX pueden alterar drásticamente la forma del cuerpo de un animal», dijo Kingsley. «Pero debido a que estas moscas no pueden sobrevivir en la naturaleza, los antievolucionistas las han aprovechado, no como buenos ejemplos de cómo los genes impulsan la evolución, sino como evidencia de que los cambios genéticos solo pueden hacer que los animales sean menos eficientes».

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El espinoso de 2 a 4 pulgadas de largo, que tiene un número variable de espinas puntiagudas en la espalda, es un tema de investigación fascinante porque evoluciona rápida y dramáticamente en respuesta a las condiciones ambientales cambiantes. Un lago lleno de insectos que se alimentan de peces a menudo alberga espinosos que tienen menos espinas y más cortas para atrapar. Pero un estanque con peces más grandes o pájaros que tragan sus palitos de pescado enteros es más probable que tenga un grupo de cardos con espinas más largas y numerosas que se rascan la garganta. Los bosques de algas acuáticas son excelentes para los peces resbaladizos y resistentes que pueden esconderse en la vegetación, mientras que en el océano abierto, las enormes placas de armadura y las espinas son el camino a seguir.

El laboratorio de Kingsley comenzó el estudio con un parche de yuxtaposición de agua. Antiguos estudiantes de posgrado cruzaron un cardo de dos espinas hembra de un lago de agua dulce en la Columbia Británica con un cardo de tres espinas macho de agua salada en Bodega Bay, California. Luego cruzaron a los descendientes de ese partido entre sí y analizaron el número y la forma de sus espinas. La mayoría de los 590 peces grandes tenían tres espinas, pero seis tenían dos plumas y 21 tenían cuatro espinas, más que cualquiera de sus antepasados. Amplios estudios genéticos de peces con espinas alteradas han identificado diferencias en la región alrededor de un gen llamado HOXDB, un miembro de la familia de genes HOX.

Vínculo entre genes y anatomía

Wucherpfennig continuó recolectando y cruzando espinosos de innumerables lagos y arroyos de América del Norte, estudiando su composición genética y utilizando métodos CRISPR para confirmar los efectos del gen HOXDB en la columna dorsal. encontraron una variedad de cambios en las regiones proximales del gen HOXDB y demostraron que están relacionados con los principales cambios anatómicos que se desarrollan en la armadura defensiva de los peces salvajes.

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«En Nueva Escocia, algunos grupos de espinosos han evolucionado hasta tener cinco o incluso seis espinas», dijo Kingsley. La naturaleza dejó intacta la región codificante de este gen, pero cambió cómo y cuándo se expresa durante la evolución normal para agregar estructuras en lugar de eliminarlas. Y los peces con estas nuevas estructuras prosperan en un entorno completamente salvaje sujeto a una amplia gama de presiones ambientales”.

Wucherpfennig y sus colegas muestran que los cambios frecuentes en las regiones reguladoras del gen HOXDB son responsables de la evolución reciente de nuevos fenotipos de la columna vertebral en las dos especies diferentes de espinosos que estudiaron en América del Norte. Ahora están interesados ​​en averiguar si cambios similares son responsables de las diferencias en las que los peces están más estrechamente relacionados.

¿Existen reglas predecibles que gobiernen el cambio evolutivo? Dijo Kingsley. «¿Las especies naturales usan el mismo truco una y otra vez, o tienen que inventar un nuevo truco cada vez? Hasta ahora, era el mismo gen incluso en estos pinzones altamente diferenciados de diferentes entornos. Aquí mostramos que la naturaleza agrega rutinariamente «Estructuras clave para generar animales más adecuados. entorno, y que lo hacen repetidamente usando el mismo gen regulador clave. Es un argumento crucial para la evolución gradual, y se ha debatido en círculos académicos y no académicos durante décadas».

Referencia: Wucherpfennig JI, Howes TR, Au JN et al. Evolución vertebral espinal a través de cambios regulatorios independientes de cis en HOXDB. Nat École Evol. 2022 doi: 10.1038 / s41559-022-01855-3

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