La Ciencia y sus Demonios

El espinoso de tres espinas (Gasterosteus aculeatus Linnaeus, 1758) Crédito: Friends of the Creeks

Una de las marcas de este blog es la Biología Evolutiva. Y quizás, de este cada día más fructífero campo de la ciencia, una de sus ramas más interesantes es aquella que se encarga directamente del legado de Darwin, hoy con 150 años; hablamos de la ESPECIACIÓN, que no es otra cosa que el estudio del ORIGEN DE LAS ESPECIES y que alguna gente insiste en llamarlo “macroevolución”.

Conocemos varios ejemplos de este fenómeno. Y en este blog ya hemos visto unos cuantos: aves conducidas irremediablemente a especiación por culpa de algunas bases (aquí); mosquiteros que a causa del espacio y del tiempo son conducidos a la especiación (aquí); gorriones a medio camino del caso anterior (aquí); mutaciones lo suficientemente potentes como para lograr especiación quasi-instantánea (aquí y aquí)…

Hoy añadamos un caso más a la colección… Como motivo de una reciente publicación en Nature sobre la especiación de un grupo de peces llamados “Espinosos” ¿Qué nos ofrecen estos bichines? Pues tipos de especiación para todos los gustos.

Los espinosos son un grupo de peces pertenecientes a la familia Gasterosteidae (un nombre derivado del griego que literalmente significa vientre <<gaster>> óseo <<osteon>>). Son un grupo de pececitos repartidos por el Hemisferio Norte que no superan los 18 cm de longitud. Están caracterizados fundamentalmente por la presencia de 3 a 16 espinas óseas bien desarrolladas en el dorso, placas óseas en el vientre y flancos del cuerpo, así como un comportamiento de cortejo muy llamativo, basado en la elaboración de un nido por parte del macho y en el cual la hembra depositará sus huevos, que una vez fecundados serán protegidos por el macho hasta su eclosión.

El espinoso de tres espinas, Gasterosteus aculeatus

El espinoso, así a secas, o <<threespine stickleback>> como lo llaman en inglés, es uno de los más famosos e interesantes espinosos que podemos encontrar. No es un bicho muy remilgado, podemos encontrarlo en aguas costeras, en aguas salobres como estuarios o marismas y también en aguas dulces como riachuelos o lagos. Su distribución abarca la costa este y oeste de los EE. UU., la costa asiática y del Japón, así como las costas atlánticas y mediterráneas de Europa; y también lo encontramos en la Península Ibérica. Su nombre científico es Gasterosteus aculeatus y forma todo un complejo de especies (Ref. 1.).

Al hablar de complejo de especies nos estamos refiriendo a un grupo de organismos que aunque satisfacen la definición científica de especie –esto es, forman poblaciones aisladas reproductivamente- son extraordinariamente similares entre sí; y a menudo este término engloba a taxones extremadamente emparentados entre sí.

En el caso del espinoso, el que podamos observar este fenómeno se debe a la sorprente velocidad a la que se ha dado su múltiple especiación. Así, el más antiguo miembro de este complejo, según los estudios moleculares, apareció hace unos dos millones de años, es el “sistema marino del Japón”, mientras que el más joven, que incluye especies dulceacuícolas, apareció hace entre 10.000 y 12.000 años (Ref. 1), dos días como aquel que dice.

La enorme variedad de Gasterosteus aculeatus (pulsar para ampliar). Crédito: Ref. 1.

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En el caso de Gasterosteus aculeatus encontramos un fenómeno de especiación alopátrica (también llamada alopátrida) de libro (Ref. 1.). Este tipo de especiación tiene lugar cuando el área de distribución de la especie progenitora se «rompe«, algo que puede deberse a la aparición de barreras geográficas, pérdida de poblaciones que actúan como ligandos entre poblaciones distantes, etc. De modo que al aislarse las poblaciones, estas terminan por evolucionar unas independientes de otras, hasta que llegados a un punto los miembros de las mencionadas poblaciones son incapaces de reconocerse entre sí. Esto mismo ya lo vimos en un artículo sobre el mosquitero troquiloide.

Pero en el espinoso también encontramos casos de especiación simpátrica (también llamada simpátrida) de libro (Ref. 1). Este fenómeno, a diferencia del anterior, tiene lugar dentro del mismo área geográfica, del mismo territorio; solo que esta vez distintas subpoblaciones se especializan en nichos específicos. Algo así como si de dos hermanos, uno de ellos fundara un Gremio de Asesinos y el otro, un Gremio de Ladrones, los dos en la misma ciudad (no me miréis así, es cosa legal en ciertos sitios); al cabo de algunos años cada uno sostendrá una serie de expertos en una u otra materia, pero raramente estos expertos se mezclaran unos con otros en sus labores…

Así, un buen ejemplo de este caso es el que encontramos en las poblaciones que habitan en la Columbia Británica, un rinconcito situado al sudeste de Alaska provisto de numerosos lagos formados tras la retirada de los hielos de la última era glacial (hace unos 10.000-12.000 años). En aquel entonces poblaciones marinas de espinoso conquistaron los lagos de agua dulce recién formados y… comenzó una nueva cadena de fenómenos de adaptación y consecuente especiación (Ref. 2).

En algunos de estos lagos evolucionaron, de forma independiente y paralela, dos tipos de espinoso: bentónicos y limnéticos. Los bentónicos son grandes, gruesos, con espinas sobre el dorso y el vientre, con filamentos branquiales cortos y se alimentan de invertebrados de la zona litoral. Por su parte los limnéticos son pequeños, delgaduchos, más hidrodinámicos, con espinas más recortadas y se alimentan del zooplancton de la columna de agua, razón por la cuál además poseen filamentos branquiales más alargados (Ref. 2 y 4).

Izquierda. Espinoso «modelo limnético». Derecha. Espinoso «modelo bentónico». Busque las diferencias. Crédito: Ref. 2.

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Además, ambos grupos están aislados tanto comportamental como sexualmente, no totalmente, pero casi (Ref. 2).

No es casualidad que los machos de los limnéticos sean rojos  y los machos de los bentónicos sean negros, cada color es sutilmente empleado para atraer a su respectiva pareja; por otro lado los machos bentónicos construyen nidos densos en zonas con mucha vegetación, los limnéticos por su parte construyen nidos más holgados en zonas menos tupidas. Esto tiene una razón de ser; si dos poblaciones están especializadas en nichos concretos, la “mezcla genética”, una hibridación, originaría híbridos con características intermedias y poco eficientes en ambos medios, con la consiguiente pérdida de eficacia biológica para ellos mismos y sus progenitores (que perdieron el tiempo al engendrarlos). Esta es la razón por la cuál además evolucionan mecanismos de cortejo y búsqueda de pareja eficaces y específicos (Ref. 3).

Para rematar y como prueba adicional de que ambos grupos de peces son en realidad una especie justo a medio camino de escindirse en dos, es que tenemos a progenitores que evitan a toda costa (por los mecanismos que hemos visto más arriba) cruzarse entre sí mientras que a su vez, los híbridos son fértiles (Ref. 4).

Ilustración de espinoso macho, de colores llamativos, construyendo su nido de amor. Crédito: AnimalPicturesArchive.

Se evita la hibridación. Salvo excepciones. Se ha estudiado un caso, el del Lago Enos de la Columbia Británica, en el que observamos en vivo y en directo la evolución de un nuevo “modelo” corporal de espinoso mientras que otro va directo hacia la extinción. En este caso, resulta que tanto los fenotipos limnéticos como los bentónicos van derechitos hacia la extinción, mientras que el fenotipo híbrido cada vez es más abundante, a la vez se están rompiendo las barreras reproductivas existentes (Ref. 4).

¿Por qué? ¿Qué tiene el Lago Enos que no tienen los demás lagos? Pues, lo que lamentablemente suele ser habitual… un cangrejo de río exótico, llamado Pacifastacus leniusculus, el cangrejo señal, una especie que se ha cargado las reglas del juego ya que altera la calidad y turbidez de las aguas, la cantidad de vegetación presente en el lago y como consecuencia, también el comportamiento de cortejo y finalmente el reproductor del espinoso. En cualquier caso, aquí estamos viendo la Selección Natural en acción, que no es un cangrejo, sino las reglas del juego dictadas por el ambiente (que incluye muchas cosas, hasta cangrejos) (Ref. 4).

Debido a los cambios ambientales observados, los autores sospechan que es el fenotipo híbrido el más eficiente a la hora de reproducirse en un medio colonizado por estos foráneos crustáceos (Ref. 4).

Tampoco es un secreto que las poblaciones de estos peces poseen un muy elevado riesgo de extinción… (Ref. 2 y 4).

El cangrejo señal, Pacifastacus leniusculus. Una especie invasora que también ha llegado a los ríos ibéricos. Crédito: Guillaume DOUCET

Desde un punto de vista evolutivo, quizás lo más llamativo es que además, las poblaciones limnéticas y bentónicas de un lago no son antecesoras o descendientes de las poblaciones limnéticas y bentónicas de otro lago, sino que cada población de limnéticos y cada población de bentónicos de cada lago ha evolucionado por su cuenta desde ancestros marinos, como han revelado los estudios genéticos (Ref. 2.). Y el modelo de especiación es en sí bastante sencillo: primero llega una población desde el mar y se adapta a un modo de vida (por ejemplo, bentonico); luego, cuando después de cientos de años se eleva y retira el nivel del mar, una segunda colonización del lago se produce, y esta nueva población evoluciona adaptándose al nicho restante (en este caso, limnético) (Ref. 2).

Modelo de evolución de los espinosos «limnéticos» y «bentónicos». En una primera colonización, un grupo de espinosos se adaptaría a un medio concreto, como por ejemplo, el bentónico. En una segunda colonización, sucedida de cientos a miles de años después, otro grupo de espinosos se adaptaría a otro nicho no colonizado previamente, en este caso y por ejemplo, limnético. Crédito: Ref. 2.

Pero el caso publicado por Nature el pasado 27 de septiembre marca otra dinámica. Esta vez volamos al mar de Japón y nos encontramos con aquel antiguo grupo de Gasterosteus aculeatus de dos milloncejos de años. El equipo de Jun Kitano, un biólogo evolutivo de la Universidad de Tohoku de Japón, ha descubierto que el complejo japonés del espinoso posee unos cromosomas sexuales muy diferentes con respecto al resto de sus parientes.

Las diferencias son importantes, a nivel genético el cromosoma Y de los machos se ha fusionado con un cromosoma somático, creando un nuevo tipo de cromosoma. No es la primera vez que se observa algo así, el cromosoma 2 del ser humano es prácticamente la fusión de un par de cromosomas del chimpancé, incluso se observa en el cromosoma 2 humano los primitivos telómeros y centrómeros.

Izquierda. Cromosoma 2 humano. Derecha. Los  cromosomas, hoy vistos en el chimpancé, que lo originaron. Crédito: EvolutionPages

Pero la cosa no queda ahí. A consecuencia de la formación del nuevo cromosoma, también se ha alterado el comportamiento de estos animales. En especial el comportamiento de cortejo. Los machos japoneses son mucho más agresivos que su contraparte ancestral, ¿qué efecto tiene esto?

A las hembras no japonesas les atraen sus machos galantes no violentos, lo contrario sucede con los machos japoneses, por ello solo se aparearán con los primeros; por el contrario, las hembras japonesas se sienten mucho más atraídas por los violentos machos del Japón, no así por los tranquilos machos de otras partes del globo. De ese modo se levanta una nueva barrera genética, previa a la reproducción.

Por añadidura, en laboratorio se ha comprobado que: a) si cruzamos hembras japonesas con machos no japoneses, tenemos descendencia fértil; pero si cruzamos machos japoneses con hembras no japonesas, tenemos machos estériles. ¿Paradoja? No, solo un fenómeno de especiación observado a medio camino. Aquí tenemos el levantamiento de una nueva barrera genética, esta vez, posterior a la reproducción.

Los espinosos. Un grupo humilde pero exitoso y heterogéneo de pececitos que actualmente nos muestran múltiples y dispares fenómenos de especiación, el origen de las especies, en vivo y en directo ¿Y quien lo diría?.

Pero como siempre digo, en cualquier caso, se requieren más estudios 😀

A continuación, nuestro protagonista:

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Entradas relacionadas:

• Nuestra serie: Entendiendo la evolución

• Especiación en ranas: (1), (2), (3), (4)

• Macroevolución en aves: Monarchinae dan la razón a Darwin

• Pinzones de Darwin y Selección Natural. Evolución a tiempo real

• El origen del hermafroditismo y los nemátodos del género Caenorhabditis

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REFERENCIAS Y LA NOTICIA

La noticia:

• Sex chromosomes linked to evolution of new species.

El artículo:

• Kitano, J. et al (2009) A role for a neo-sex chromosome in stickleback speciation. Nature advance online publication 27 September 2009 | doi:10.1038/nature08441; Received 4 May 2009; Accepted 20 August 2009; Published online 27 September 2009

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Referencias para ampliar:

• 1.- McKinnon, J. S. y Rundle, H. D. (2002) Speciation in nature: the threespine stickleback model system. Trends in Ecology & Evolution, Volume 17, Issue 10, 1 October 2002, Pages 480-488.

• 2.- Rundle, H. D. y Schluter, D. (2004). Natural Selection and Ecological Speciation in Sticklebacks. In: Adaptive Speciation, eds. Dieckmann U, Doebeli M, Metz JAJ & Tautz D, pp. 192–209. Cambridge University Press._c International Institute for Applied Systems Analysis Paciencia, tarda un rato en cargar.

• 3.- Boughman, J. W. (2002) How sensory drive can promote speciation. TRENDS in Ecology & Evolution Vol.17 No.12 December 2002

• 4.- Taylor, E. B. et al (2006) Speciation in reverse: morphological and genetic evidence of the collapse of a three-spined stickleback (Gasterosteus aculeatus) species pair. Molecular Ecology (2006) 15, 343-355