Los genes perdidos explican la transición evolutiva de los cetáceos

Aunque las ballenas y los delfines pasan toda su vida en el océano, estos mamíferos acuáticos que todavía respiran aire en realidad evolucionaron a partir de especies terrestres.

La transición de la tierra al agua en los antepasados ​​de las ballenas y delfines modernos, hace unos 50 millones de años, estuvo acompañada de profundas adaptaciones anatómicas, fisiológicas y de comportamiento que facilitaron la vida en el agua.

La ciencia no ha podido aclarar todavía qué cambios genéticos hicieron posible esa transición evolutiva, por lo que investigadores del Instituto Max Planck de Biología y Genética Celular Molecular (MPI-CBG), del MPI para la Física de Sistemas Complejos (MPI-PKS) y del Centro de Biología de Sistemas Dresden (CSBD), se propusieron descubrir el misterio.

El camino que escogieron fue indagar en los genes que se perdieron en el curso de esa mutación evolutiva, genes que estuvieron presentes en los ancestros de las ballenas y delfines que hoy viven en los océanos y que hoy han desaparecido de su mapa genético.

Un gen se pierde cuando se elimina físicamente del genoma o bien se conserva en el genoma pero no es funcional a causa de una mutación. Un estudio previo, realizado por científicos españoles en 2016, estableció las ventajas evolutivas de la pérdida de genes.

El nuevo estudio confirma esta constatación. Sus resultados se publican en la revista Science Advances.

Cambios notables

Dada la apariencia de una ballena o un delfín, es fácil confundirlos con peces grandes. Sin embargo, al igual que sus parientes vivos más cercanos, como los hipopótamos o las vacas, las ballenas son mamíferos que respiran aire porque sus ancestros evolutivos se adaptaron a pasar toda su vida en el agua.

Durante esta transición de la tierra al agua, ocurrieron cambios notables en la anatomía y la fisiología de estos cetáceos. Por ejemplo, las ballenas y los delfines adquirieron cuerpos aerodinámicos y perdieron el vello corporal para convertirse en nadadores más rápidos. Desarrollaron una gruesa capa de grasa para conseguir el aislamiento térmico.

Sus extremidades posteriores también se perdieron, mientras que las grandes aletas de la cola evolucionaron para la propulsión. El aumento de las reservas de oxígeno facilitó a su vez las inmersiones largas, al mismo tiempo que una caja torácica flexible permite en la actualidad que sus pulmones no colapsen mientras se sumergen a profundidades de 100 metros y más.

Rastros genéticos

El rastro de los cambios en el ADN (el genoma) que hicieron posibles esas adaptaciones fue seguido por los investigadores a través de los genes que desaparecieron en el curso de esta transición evolutiva.

El estudio se desarrolló examinando los genomas de las ballenas, delfines y de otros mamíferos de hoy en día para detectar mutaciones que inactivan los genes.

Matthias Huelsmann, autor principal del estudio, explica en un comunicado : “Buscamos mutaciones que ocurren en todas las ballenas y delfines, pero que no han tenido lugar en el hipopótamo u otros mamíferos terrestres. Estas mutaciones (exclusivas de estos cetáceos) nos dicen qué gen retrospectivo se perdió en los ancestros de las ballenas".

Esta comparativa reveló 85 pérdidas de genes entre sus ancestros y los cetáceos actuales, y los investigadores piensan que muchos de esos genes probablemente desaparecieron porque su función ya no era útil.

Por ejemplo, la saliva ya no es necesaria para lubricar los alimentos en un ambiente acuático, lo que probablemente explica por qué se perdió un gen involucrado en la secreción de saliva.

Sorprendentemente, la pérdida de otros genes puede incluso haber proporcionado una ventaja para las ballenas ancestrales.
"Una pérdida de genes que descubrimos probablemente mejora la forma en que las ballenas reparan un tipo específico de daño en el ADN", dicen los investigadores. Este tipo de daño en el ADN es causado por una grave escasez de oxígeno que las ballenas enfrentan regularmente cuando bucean.

“Si el ADN no se repara adecuadamente, podría provocar tumores o tener otras consecuencias negativas”, añade Matthias Huelsmann. Del mismo modo, las pérdidas de otros genes probablemente protegen a las ballenas buceadoras de la formación de coágulos sanguíneos y daño pulmonar.

Cambios en los comportamientos

Pero no solo la anatomía y la fisiología cambiaron en el ambiente acuático, también cambiaron las características de los comportamiento de las ballenas y los delfines.

En particular, la necesidad de emerger constantemente para respirar condujo a un tipo peculiar de sueño. Al igual que  las aves migratorias, solo la mitad del cerebro de una ballena duerme al mismo tiempo, mientras que la otra mitad coordina el movimiento y la respiración.

Curiosamente, los investigadores descubrieron que todos los genes necesarios para producir melatonina, la hormona que regula el sueño, se han perdido en las ballenas y delfines actuales. Estas pérdidas genéticas pueden haber sido una condición previa para adoptar el tipo especial de sueño que mantienen hoy en día.

Michael Hiller, supervisor de este estudio, concluye: "Encontramos nueva evidencia de que la pérdida de genes durante la evolución a veces puede ser beneficiosa, lo que respalda los resultados anteriores de nuestro laboratorio que sugieren que la pérdida de genes es un mecanismo evolutivo importante", concluye.

Referencia

Genes lost during the transition from land to water in cetaceans highlight genomic changes associated with aquatic adaptations. Matthias Huelsmann et al. Science Advances, 25 Sep 2019: Vol. 5, no. 9, eaaw6671. DOI: 10.1126/sciadv.aaw6671