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¿Pequeña Maya, de dónde sacaste tus alas?

4 junio, 2010

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Esta es otra de las preguntas que está ofuscando a los biólogos desde hace bastante tiempo. Al fin y al cabo, no encontramos precedentes de las alas de los insectos en ningún grupo de artrópodos moderno. Parecen surgidas de la nada, al contrario de lo que sucede con los murciélagos o las aves, cuyas alas son delatadas como extremidades anteriores modificadas ¡y de qué manera! gracias a los estudios anatómicos y embriológicos. El registro fósil de la evolución temprana de los insectos tampoco nos dice mucho, es relativamente escaso y difícil de interpretar. Así, el origen de las alas de los insectos permanece invisible al ojo clínico… ¿o quizás no? Un equipo de científicos japoneses responde.

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El ala de los insectos es una estructura quitinosa poblada de venas en las que se alterna la circulación de la hemolinfa (la sangre sin pigmentos de los insectos) y el aire (ver aquí). Las alas se anclan en el tórax, esa parte del cuerpo situada entre la cabeza y el abdomen, concretamente, encontramos un par de alas en el mesotórax y otro par en el metatórax (el 2º y el 3º segmentos torácicos, respectivamente). Asimismo, el ala se articula entre el tergum «pieza dorsal del segmento de un insecto» y el pleuron «pieza lateral del segmento de un insecto»; siendo su movimiento fruto de una grandiosa musculatura que permite el vuelo.

Corte transversal del aparato alar de los insectos. Crédito: NC State Universty

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Lo peor (o quizás lo excitante) desde el punto de vista de un biólogo evolutivo, no es solo que el ala sea una estructura francamente compleja (que lo es), sino que contrariamente al ala de los extintos pterosaurios, de las aves o de los murciélagos… no encontramos una estructura homóloga que nos permita escudriñar su origen. Y lamentablemente, el registro fósil está tan recortado como confuso.

Ante esta encrucijada los biólogos solo podían hacer una cosa: trabajar con el material disponible lo mejor  posible. En función de esto, se elaboraron dos modelos alternativos para explicar el origen de las alas de los hexápodos:

  • Hipótesis paranotal. Según la cuál, el ala se originaría como una nueva estructura desarrollada a partir de una extensión del tergum (alias «lóbulo paranotal»), la pieza dorsal del segmento de un insecto. El aspecto y posición del ala concuerdan con este planteamiento, sin embargo, no explica ni el origen de la articulación, ni la musculatura, ni el movimiento alar.
  • Hipótesis branquial. En base a esta hipótesis las alas originalmente eran branquias situadas en posición dorsal, que fueron modificadas. Es coherente al darle un origen a las alas como estructura dotada de músculos y vasos, sin embargo, no explica nada del aspecto plano ni de la mismísima situación dorsal de las alas, ambos elementos fundamentales para el vuelo.

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¿Cuál modelo es el correcto? No lo sabemos. Una posible vía para resolver el empate podría ser apelar a la evo-devo, la biología evolutiva del desarrollo, una rama de la ciencia que estudia la evolución de los seres vivos desde la perspectiva de los cambios que afectan al desarrollo del organismo, los cuales pueden darse desde el estado embrionario hasta la madurez. Es una ciencia relativamente nueva que nos permite discernir los orígenes de distintos elementos corporales y averiguar que cambios en el desarrollo los han llevado a ser lo que son.

En esta línea llega hasta nosotros una interesante publicación del pasado número del 17 de Mayo de 2010 de la revista científica Evolution & Development. La investigación fue liderada por Nao Niwa, miembro del Laboratory for Morphogenetic Signaling (dirigido por el doctor Shigeo Hayashi), situado en el Center for Developmental Biology (Japón). La investigación contó además con la colaboración de expertos de las universidades de Nagoya, Shinshu y Tsukuba.

Para el equipo japonés el mejor punto de partida era la mosquita de la fruta Drosophila melanogaster, uno de los bichos más estudiados del planeta. Se conoce casi todo de ella y los genéticos llevan “jugando” con esta humilde criatura desde hace décadas. Este pequeño insecto de apenas 2.5 mm nos ha permitido descubrir incontables cosas sobre genética, embriología, fisiología… y entre medias, que el desarrollo de sus alas durante la metamorfosis está mediado por tres genes principales:

  • wingless (wg), promueve el desarrollo del primer esbozo de las alas y su posterior crecimiento.
  • vestigial (vg), regula el crecimiento y desarrollo del tejido alar.
  • apterus (ap), especifica la forma plana del ala.

La mosca de la fruta, Drosophila melanogaster Meigen, 1830. Este bicho sí que se merece altares y alabanzas, le debemos demasiado a esta humilde criatura. Crédito: Wikipedia

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¿De qué sirve saber esto? Según la hipótesis branquial las alas proceden de antiguas branquias. Hoy día conocemos muchas especies de insectos cuyo linaje nunca desarrolló alas, son los apterigotas, que incluyen a los famosos «pececillos de plata». Y también tenemos insectos “primitivos”, los cuales pasan una etapa de su vida como criaturas acuáticas provistas de branquias, un ejemplo de ello son las cachipollas, también llamadas efímeras. Los autores trabajaron con el «pececillo de plata» Pedetontus unimaculatus como representante del primer grupo, y con la efímera Ephoron eophilum como representante del segundo grupo.

Arriba, apterigota, ejemplar adulto de Pedetontus unimaculatus. El símbolo japonés muestra los stylus del insecto. Crédito: Tsukuba Journal of Biology. Abajo, efemeróptero en su etapa larvaria, del género Ephoron. Nótese las branquias surgiendo a ambos lados del abdomen. Crédito: waterbugkey.vcsu.edu

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Y ahora podemos hacernos la pregunta… ¿Estos insectos tienen esos genes que fabrican alas en la mosca de la fruta? Adelantemos la respuesta: Sí, los tienen. Sabiendo esto, ¿qué función tienen?

Gracias a los avances de la ciencia hoy día es posible ver en qué tejidos está actuando un gen en un momento dado. En este caso los investigadores quisieron ver donde actuaban los genes wg, vg y ap en los embriones de las especies elegidas, si es realmente realizaban alguna acción.

Para ello se valieron de una técnica conocida como «Hibridación in situ e Inmunohistoquímica Combinadas» (Combined Whole-Mount in Situ Hybridization and Immunohistochemistry). El nombre asusta, pero no es para tanto, los principios de esta técnica no son muy difíciles de entender. De hecho, se basa en la realización de dos técnicas diferentes (disculpas de antemano por las grandes simplificaciones):

  • Hibridación in situ. Es una técnica que detecta secuencias de ácidos nucleicos (DNA o RNA) en cromosomas, células o incluso tejidos. Se basa en el principio de complementariedad: toda cadena de ácidos nucleicos tiene una «cadena complementaria» con la que se unirá irremediablemente si contacta con ella. Además, esta «cadena complementaria» es única para cada secuencia. Los científicos aprovechan esta propiedad para saber dónde se está expresando un gen: los genes activos fabrican versiones de si mismos basadas en moléculas de RNA mensajero. Nosotros solo tenemos que fabricar una «cadena complementaria» de este RNA mensajero para saber en qué lugar de esa célula o tejido está actuando nuestro gen objetivo: nuestra «cadena complementaria» solo se une al RNA mensajero de nuestro gen; y este RNA mensajero únicamente está presente allá donde nuestro gen está activo. Ahora bien, nuestra «cadena complementaria» debe estar asociada a un «marcador», un letrero que nos permita verla fácilmente, para ello nos sirven átomos radioactivos, cromóforos, moléculas que emiten fluorescencia, etc.
  • Inmunohistoquímica. Es una técnica que delata la situación de moléculas objetivo (por ej. proteínas) en un tejido. Se basa en el principio de que aunque los anticuerpos, en general, son moléculas que pueden unirse a cualquier otra molécula, el anticuerpo «x» solo se unirá a la molécula «X» y a ninguna otra. Rutinariamente los científicos aprovechan esta propiedad para saber en donde de todo un tejido se halla nuestra proteína «X»: solo tenemos que fabricar un anticuerpo anti-proteína «X», que se unirá a ella allá donde se encuentre. Nuevamente, para detectar a nuestros anticuerpos anti-proteína «X», debemos contar con «marcadores» que revelen su posición.

Sencillo esquema de la: (A) Hibridación in situ. (B) Inmunohistoquímica. Crédito: UC San Diego

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Por fin, los resultados obtenidos nos permiten resolver la pregunta: ¿Qué función tienen los genes que fabrican las alas en la mosca de la fruta durante su metamorfosis, en insectos que nunca han desarrollado alas en su linaje y en las ninfas acuáticas de las cachipollas? En el caso de las ninfas de las cachipollas, los genes wingless (wg) y vestigial (vg) se manifiestan durante el desarrollo de las branquias… en los tejidos que se convertirán en branquias.

Por su parte en los apterigotas, los mismos genes se encargan del desarrollo del «stylus»; un apéndice muy interesante de estos insectos que está situado a lo largo del abdomen y del tórax. Al igual que las alas es un apéndice provisto de músculos, seguramente, utilizado como ayuda a la hora de realizar escaladas difíciles.

Como nota de contraste, en ninguno de ambos insectos encontraron actividad del gen apterus (ap) en las branquias  de las cachipollas o en el «stylus» del apterigota, sino que este gen manifiesta una notable actividad sobre el desarrollo del tergum, el «lóbulo paranotal», la porción dorsal de cada segmento torácico o abdominal de los insectos.

Esquemas de apéndices de insectos apterigotas. Sty: Stylus. Nótese la musculatura que le acompaña. Crédito: Cornell University. Department of Entomology.

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¿Qué conclusiones pueden obtenerse? Para este equipo de investigación los dos principales modelos que pretenden explicar el origen de las alas de los insectos tienen notables carencias: un origen desde el “lóbulo paranotal” no puede explicar la presencia de musculatura y venas; por su parte si partimos desde las “branquias”, de acuerdo, tenemos tales elementos, pero tales branquias no se parecen en nada a un ala. Por ello propusieron un nuevo modelo evolutivo, fruto en parte de la conjugación de los dos anteriores.

Según este nuevo modelo, por la razón que fuese, en un linaje de insectos tuvo lugar una migración de la actividad del paquete génico wg-vg desde la región lateral hasta la región dorsal, donde se conjugó exitosamente con ap. El resultado de esto sería la emergencia de una estructura semejante a un ala, cuyo aspecto y posición derivan del «lóbulo paranotal» (gen ap mediante) y cuya musculatura y/o venas derivan de los apéndices laterales del cuerpo, como las branquias o los «stylus» (genes wg-vg mediante).

Modelo combinatorio del origen del ala de los insectos. Izquierda. Secciones transversales y laterales del segmento generalizado de un insecto mostrando la expresión de “wg” (rojo) y la subdivisión en tres regiones: tergum, sternum y región lateral. La frontera entre el tergum y la pared lateral del cuerpo es la región con el margen azul, especificada por el módulo genético ap, wg y vg. La region lateral pierde la expresión de wg. Esto provee de un campo relativamente abierto en el que su reactivación (círculos rojos) induce a la formación de apéndices dorsales a lo largo de un área lateral determinada (en amarillo). Derecha. Escenario propuesto de la evolución del ala de los insectos: (1) Establecimiento del plan corporal con una región lateral libre de la expresión de wg. (2) Adquisición de zonas puntuales con el módulo wg–vg, inductor de apéndices dorsales. (3) Formación del stylus. (4) Formación de branquias traqueales. (5) Formación del ala. La posición del modulo wg–vg varía a lo largo de la región lateral, una combinación exitosa con la frontera con el tergum induce la formación de algo semejante a un ala. Crédito: Niwa, N. et al (2010)

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Las alas de los insectos son un aparato fascinante cuyo origen es bastante oscuro. Afortunadamente los científicos realizan trabajos como los que hoy hemos visto, capaces de arrojar un poco de luz sobre el asunto, aunque como siempre, ¡son requeridos más estudios!

Para terminar, nada mejor que admirar el vuelo de estas criaturas.

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REFERENCIAS:


  1. Rhay
    4 junio, 2010 de 10:52

    Interesantísimo artículo, Cnidus.

    Sobre este tema me asalta una duda que seguro que es una tontería, pero las alas de los lepidópteros no se parecen prácticamente en nada a las del resto de insectos alados. ¿Tienen el mismo origen? ¿El hecho de que tengan esa variedad de colores y formas en las mariposas se debe a la especialización?

  2. 4 junio, 2010 de 12:50

    El mundo de los insectos me resulta tan vasto que asusta.

  3. josemi
    4 junio, 2010 de 14:39

    Rhay, desde mi ignorancia yo no veo tan distintas las alas de los lepidopteros (aka mariposas). Ten en cuenta que desde hace mucho se sabe que los primeros insectos alados tenian 4 alas separadas del cuerpo, como las libelulas. Si coges esas alas, las haces mas cortas y mas anchas y le pones unas escamas de color, ya tienes unas alas de mariposa.

  4. 4 junio, 2010 de 16:41

    Josemi tiene razón 🙂
    Las alas de los lepidópteros es igual a la del resto de los insectos (con el primer matiz de que los tipos de aparato alar se dividen en dos según el tipo de musculatura; y el segundo matiz de que según el grupo de insectos encontramos distintas nerviaciones; y con otros matices que me dejaré por ahí). Solo sucede que las mariposas, a diferencia de otros insectos, tienen sus alas maquilladas con escamas que les otorgan distintos colores. Sin esas escamas, sus alas no son tan distintas a la de otros insectos.

    […]las alas de los lepidopteros (aka mariposas)[…]

    y polillas 😉

  5. Rhay
    4 junio, 2010 de 16:48

    Ya, pero… ¿por qué las escamas? Quiero decir ¿se sabe por qué los lepidópteros terminaros desarrollando escamas en sus alas? ¿Se debe a alguna especialización?

  6. 4 junio, 2010 de 17:45

    Impresionante artículo. E impresionante el trabajo de los japoneses. Felicidades Cnidus. Una pregunta medio-fuera de lugar: ¿En Japón hay magufería o creacionismo al estilo de otros países que conocemos más?…es solamente una curiosidad que se me acaba de ocurrir…

  7. 4 junio, 2010 de 19:30

    Rhay :

    Ya, pero… ¿por qué las escamas? Quiero decir ¿se sabe por qué los lepidópteros terminaros desarrollando escamas en sus alas? ¿Se debe a alguna especialización?

    Ah! Pues ahora que lo dices, nu se. Especialización del grupo es, como el halterio de los dípteros o los élitros de coleópteros, pero su origen último, lo desconozco… sorry 🙄

    Dani :

    Una pregunta medio-fuera de lugar: ¿En Japón hay magufería o creacionismo al estilo de otros países que conocemos más?…

    Lamentablemente, la magufería nunca está demasiado lejos

  8. Jose
    4 junio, 2010 de 23:50

    Dani :
    Impresionante artículo. E impresionante el trabajo de los japoneses. Felicidades Cnidus. Una pregunta medio-fuera de lugar: ¿En Japón hay magufería o creacionismo al estilo de otros países que conocemos más?…es solamente una curiosidad que se me acaba de ocurrir…

    Una magufería muy popular en Japón es predecir la personalidad, temperamento y compatibilidad entre personas de una persona a partir del grupo sanguíneo.

  9. 5 junio, 2010 de 0:33

    Gran artículo, Cnidus! El trabajo del equipo japonés resulta especialmente interesante porque ataca uno de los mayores problemas para explicar el origen evolutivo de las alas de los insectos: la discutible utilidad de los esbozos o estados intermedios.

    La hipótesis mixta puede explicar como surge una estructura musculada que, aunque mucho más rudimentaria que las alas actuales, puede resultar adaptativa. Obviamente, es un estudio muy preliminar, pero promete la línea…

  10. 5 junio, 2010 de 9:46

    Muy buen articulo 🙂

    PD: Creo que lapalabra “encruzijada” esta mal escrita.

  11. 5 junio, 2010 de 10:47

    josepzin :

    Muy buen articulo :)

    PD: Creo que lapalabra “encruzijada” esta mal escrita.

    Ouch!!! Jopé, en qué estaría pensando!!!!
    Graxias! 😉

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