biología del desarrollo evolutivo

En la antigüedad clásica , los filósofos comenzaron a reflexionar sobre cómo los animales adquirían forma en el útero . Aristóteles afirma en su tratado de Física que, según Empédocles , el orden aparece «espontáneamente» en el embrión en desarrollo. En su tratado Las partes de los animales , argumenta que la teoría de Empédocles era errónea. Según Aristóteles, Empédocles afirmaba que la columna vertebral se divide en vértebras porque, casualmente, el embrión gira y la rompe en pedazos. Aristóteles, en cambio, sostiene que el proceso tiene un objetivo predefinido: que la «semilla» que se desarrolla en el embrión comenzó con un «potencial» inherente para convertirse en partes específicas del cuerpo, como las vértebras. Además, cada especie animal da origen a animales de su propia especie: los humanos solo tienen bebés humanos. ^{[ 2 ]}

Étienne Serres propuso entre 1824 y 1826 una teoría de la recapitulación del desarrollo evolutivo , haciéndose eco de las ideas de Johann Friedrich Meckel de 1808. Argumentaban que los embriones de los animales "superiores" atravesaban o recapitulaban una serie de etapas, cada una de las cuales se asemejaba a un animal inferior en la gran cadena del ser . Por ejemplo, el cerebro de un embrión humano se parecía primero al de un pez , luego al de un reptil , un ave y un mamífero antes de volverse claramente humano . El embriólogo Karl Ernst von Baer se opuso a esto, argumentando en 1828 que no existía una secuencia lineal como en la gran cadena del ser, basada en un único plan corporal , sino un proceso de epigénesis en el que las estructuras se diferencian. Von Baer, ​​en cambio, reconoció cuatro planes corporales animales distintos : radiado, como las estrellas de mar ; molusco, como las almejas ; articulado, como las langostas ; y vertebrado, como los peces. Los zoólogos abandonaron entonces en gran medida la recapitulación, aunque Ernst Haeckel la revivió en 1866. ^{[ 4 ] [ 5 ] [ 6 ] [ 7 ] [ 8 ]}

Desde principios del siglo XIX hasta la mayor parte del siglo XX, la embriología se enfrentó a un misterio. Se observó que los animales se desarrollaban en adultos con planes corporales muy diferentes , a menudo a través de etapas similares, desde el huevo, pero los zoólogos sabían casi nada sobre cómo se controlaba el desarrollo embrionario a nivel molecular y, por lo tanto, igualmente poco sobre cómo habían evolucionado los procesos de desarrollo . ^{[ 9 ]} Charles Darwin argumentó que una estructura embrionaria compartida implicaba un ancestro común. Por ejemplo, Darwin citó en su libro de 1859 Sobre el origen de las especies la larva parecida a un camarón del percebe , cuyos adultos sésiles no se parecían en nada a otros artrópodos ; Linneo y Cuvier los habían clasificado como moluscos . ^{[ 10 ] [ 11 ]} Darwin también señaló el hallazgo de Alexander Kowalevsky de que el tunicado tampoco era un molusco, pero en su etapa larvaria tenía una notocorda y hendiduras faríngeas que se desarrollaban a partir de las mismas capas germinales que las estructuras equivalentes en los vertebrados , y por lo tanto debería agruparse con ellos como cordados . ^{[ 10 ] [ 12 ]}

La zoología del siglo XIX convirtió así la embriología en una ciencia evolutiva, conectando la filogenia con las homologías entre las capas germinales de los embriones. Zoólogos como Fritz Müller propusieron el uso de la embriología para descubrir relaciones filogenéticas entre taxones. Müller demostró que los crustáceos compartían la larva Nauplius , identificando varias especies parásitas que no habían sido reconocidas como crustáceos. Müller también reconoció que la selección natural debe actuar sobre las larvas, al igual que sobre los adultos, desmintiendo la recapitulación, que requeriría que las formas larvarias estuvieran protegidas de la selección natural. ^{[ 10 ]} Otras dos ideas de Haeckel sobre la evolución del desarrollo han tenido mejor suerte que la recapitulación: argumentó en la década de 1870 que los cambios en el momento ( heterocronía ) y los cambios en el posicionamiento dentro del cuerpo ( heterotopía ) de aspectos del desarrollo embrionario impulsarían la evolución al cambiar la forma del cuerpo de un descendiente en comparación con el de un ancestro. Transcurrió un siglo antes de que se demostrara la veracidad de estas ideas. ^{[ 13 ] [ 14 ] [ 15 ]}

En 1917, D'Arcy Thompson escribió un libro sobre las formas de los animales , mostrando con matemáticas sencillas cómo pequeños cambios en parámetros , como los ángulos de la concha espiral de un gasterópodo , pueden alterar radicalmente la forma de un animal , aunque prefería una explicación mecánica a una evolutiva. ^{[ 17 ] [ 18 ]} Pero sin evidencia molecular, el progreso se estancó. ^{[ 10 ]}

En 1952, Alan Turing publicó su artículo « La base química de la morfogénesis », sobre el desarrollo de patrones en los cuerpos de los animales. Sugirió que la morfogénesis podía explicarse mediante un sistema de reacción-difusión , un sistema de sustancias químicas reactivas capaces de difundirse por el cuerpo. ^{[ 16 ]} Modeló reacciones químicas catalizadas utilizando ecuaciones diferenciales parciales , demostrando que surgían patrones cuando la reacción química producía tanto un catalizador (A) como un inhibidor (B) que ralentizaba la producción de A. Si A y B se difundían a velocidades diferentes, A predominaba en algunos lugares y B en otros. El bioquímico ruso Boris Belousov había realizado experimentos con resultados similares, pero no pudo publicarlos porque los científicos de la época pensaban que crear un orden visible violaba la segunda ley de la termodinámica . ^{[ 19 ]}

En la denominada síntesis moderna de principios del siglo XX, entre 1918 y 1930, Ronald Fisher reunió la teoría de la evolución de Darwin , con su insistencia en la selección natural, la herencia y la variación , y las leyes de la genética de Gregor Mendel en una estructura coherente para la biología evolutiva . Los biólogos asumieron que un organismo era un reflejo directo de sus genes componentes: los genes codificaban proteínas, que construían el cuerpo del organismo. Las vías bioquímicas (y, suponían, las nuevas especies) evolucionaban a través de mutaciones en estos genes. Era una imagen simple, clara y casi completa; pero no explicaba la embriología. ^{[ 10 ] [ 20 ]} Sean B. Carroll ha comentado que, de haber estado disponibles las ideas de la evo-devo, la embriología sin duda habría desempeñado un papel central en la síntesis. ^{[ 1 ]}

El embriólogo evolutivo Gavin de Beer anticipó la biología del desarrollo evolutivo en su libro de 1930, Embriones y Ancestros , ^{[ 21 ]} al demostrar que la evolución podía ocurrir por heterocronía , ^{[ 22 ]} como en la retención de características juveniles en el adulto . ^{[ 13 ]} Esto, argumentó de Beer, podría causar cambios aparentemente repentinos en el registro fósil , ya que los embriones se fosilizan mal. Como las lagunas en el registro fósil se habían utilizado como argumento contra la evolución gradualista de Darwin, la explicación de de Beer apoyó la posición darwiniana. ^{[ 23 ]} Sin embargo, a pesar de de Beer, la síntesis moderna ignoró en gran medida el desarrollo embrionario para explicar la forma de los organismos, ya que la genética de poblaciones parecía ser una explicación adecuada de cómo evolucionaban las formas. ^{[ 24 ] [ 25 ] [ a ]}

En 1961, Jacques Monod , Jean-Pierre Changeux y François Jacob descubrieron el operón lac en la bacteria Escherichia coli . Se trataba de un conjunto de genes organizados en un bucle de retroalimentación, de modo que sus productos solo se producían al ser activados por un estímulo ambiental. Uno de estos productos era una enzima que hidroliza un azúcar , la lactosa; y la lactosa misma era el estímulo que activaba los genes. Esto supuso una revelación, ya que demostró por primera vez que los genes, incluso en organismos tan pequeños como una bacteria, están sujetos a un control preciso. Esto implicaba que muchos otros genes también estaban regulados de forma compleja. ^{[ 27 ]}

En 1977, comenzó una revolución en el pensamiento sobre la evolución y la biología del desarrollo, con la llegada de la tecnología del ADN recombinante en genética , el libro Ontogenia y filogenia de Stephen J. Gould y el artículo "Evolución y experimentación" ^{[ 28 ]} de François Jacob . Gould dejó de lado la interpretación de Haeckel de la embriología evolutiva, mientras que Jacob estableció una teoría alternativa. ^{[ 10 ]} Esto condujo a una segunda síntesis , ^{[ 29 ] [ 30 ]} que finalmente incluyó la embriología, así como la genética molecular , la filogenia y la biología evolutiva para formar evo-devo. ^{[ 31 ] [ 32 ]} En 1978, Edward B. Lewis descubrió genes homeóticos que regulan el desarrollo embrionario en las moscas de la fruta Drosophila , que como todos los insectos son artrópodos , uno de los principales filos de animales invertebrados. ^{[ 33 ]} Bill McGinnis descubrió rápidamente secuencias de genes homeóticos, homeoboxes , en animales de otros filos, en vertebrados como ranas , aves y mamíferos ; posteriormente también se encontraron en hongos como levaduras y en plantas . ^{[ 34 ] [ 35 ]} Evidentemente, existían fuertes similitudes en los genes que controlaban el desarrollo en todos los eucariotas . ^{[ 36 ]} En 1980, Christiane Nüsslein-Volhard y Eric Wieschaus describieron genes gap que ayudan a crear el patrón de segmentación en embriones de mosca de la fruta ; ^{[ 37 ] [ 38 ]} ellos y Lewis ganaron un Premio Nobel por su trabajo en 1995. ^{[ 34 ] [ 39 ]}

Más tarde, se descubrieron similitudes más específicas: por ejemplo, en 1989 se encontró que el gen distal-less estaba involucrado en el desarrollo de apéndices o extremidades en moscas de la fruta, ^{[ 40 ]} las aletas de los peces, las alas de los pollos, los parapodios de los gusanos anélidos marinos , las ampollas y sifones de los tunicados y los pies ambulacrales de los erizos de mar . Era evidente que el gen debía ser antiguo, remontándose al último ancestro común de los animales bilaterales (antes del período Ediacárico , que comenzó hace unos 635 millones de años). La evo-devo había comenzado a descubrir las formas en que todos los cuerpos animales se construían durante el desarrollo. ^{[ 41 ] [ 42 ]}

Los huevos, aproximadamente esféricos, de diferentes animales dan lugar a morfologías distintas, desde medusas hasta langostas, mariposas y elefantes. Muchos de estos organismos comparten los mismos genes estructurales para proteínas formadoras de cuerpos , como el colágeno y las enzimas, pero los biólogos esperaban que cada grupo de animales tuviera sus propias reglas de desarrollo. La sorpresa de la evo-devo es que la formación de los cuerpos está controlada por un porcentaje relativamente pequeño de genes, y que estos genes reguladores son ancestrales y compartidos por todos los animales. La jirafa no tiene un gen para un cuello largo, del mismo modo que el elefante no tiene un gen para un cuerpo grande. Sus cuerpos se forman mediante un sistema de conmutación que provoca que el desarrollo de diferentes características comience antes o después, ocurra en una u otra parte del embrión y continúe durante más o menos tiempo. ^{[ 9 ]}

El enigma de cómo se controlaba el desarrollo embrionario comenzó a resolverse utilizando la mosca de la fruta Drosophila melanogaster como organismo modelo . El control paso a paso de su embriogénesis se visualizó mediante la unión de colorantes fluorescentes de diferentes colores a tipos específicos de proteínas producidas por genes expresados ​​en el embrión. ^{[ 9 ]} Un colorante como la proteína verde fluorescente , originaria de una medusa , se unía típicamente a un anticuerpo específico para una proteína de la mosca de la fruta, formando un indicador preciso de dónde y cuándo aparecía esa proteína en el embrión vivo. ^{[ 43 ]}

Utilizando esta técnica, en 1994 Walter Gehring descubrió que el gen pax-6 , vital para la formación de los ojos de las moscas de la fruta, coincide exactamente con un gen formador de ojos en ratones y humanos. El mismo gen se encontró rápidamente en muchos otros grupos de animales, como el calamar , un molusco cefalópodo . Biólogos como Ernst Mayr habían creído que los ojos habían surgido en el reino animal al menos 40 veces, ya que la anatomía de los diferentes tipos de ojos varía ampliamente. ^{[ 9 ]} Por ejemplo, el ojo compuesto de la mosca de la fruta está formado por cientos de pequeñas estructuras lenticulares ( omatidios ); el ojo humano tiene un punto ciego donde el nervio óptico entra en el ojo, y las fibras nerviosas recorren la superficie de la retina , por lo que la luz tiene que pasar a través de una capa de fibras nerviosas antes de llegar a las células detectoras en la retina, por lo que la estructura está efectivamente "al revés"; en cambio, el ojo del cefalópodo tiene la retina, luego una capa de fibras nerviosas, luego la pared del ojo "en el sentido correcto". ^{[ 44 ]} Sin embargo, la evidencia de pax-6 fue que los mismos genes controlaban el desarrollo de los ojos de todos estos animales, lo que sugiere que todos evolucionaron a partir de un ancestro común. ^{[ 9 ]} Los genes antiguos se habían conservado a través de millones de años de evolución para crear estructuras disímiles para funciones similares, demostrando una profunda homología entre estructuras que alguna vez se pensaron puramente análogas. ^{[ 45 ] [ 46 ]} Esta noción se extendió posteriormente a la evolución de la embriogénesis ^{[ 47 ]} y ha provocado una revisión radical del significado de homología en la biología evolutiva. ^{[ 45 ] [ 46 ] [ 1 ]}

Una pequeña fracción de los genes del genoma de un organismo controla su desarrollo. Estos genes se denominan conjunto de herramientas genéticas del desarrollo. Están altamente conservados entre los filos , lo que significa que son ancestrales y muy similares en grupos de animales muy distantes entre sí. Las diferencias en la utilización de los genes del conjunto de herramientas afectan el plan corporal y el número, la identidad y el patrón de las partes del cuerpo. La mayoría de los genes del conjunto de herramientas forman parte de vías de señalización : codifican factores de transcripción , proteínas de adhesión celular , proteínas receptoras de la superficie celular y ligandos de señalización que se unen a ellas, así como morfógenos secretados que se difunden por el embrión. Todos estos elementos ayudan a definir el destino de las células indiferenciadas en el embrión. En conjunto, generan los patrones espacio-temporales que dan forma al embrión y, en última instancia, conforman el plan corporal del organismo. Entre los genes más importantes del conjunto de herramientas se encuentran los genes Hox . Estos factores de transcripción contienen el motivo de ADN de unión a proteínas homeobox , que también se encuentra en otros genes del conjunto de herramientas, y crean el patrón básico del cuerpo a lo largo de su eje anteroposterior. ^{[ 1 ]} Los genes Hox determinan dónde crecerán las partes repetitivas, como las numerosas vértebras de las serpientes , en un embrión o larva en desarrollo. ^{[ 9 ]} Pax-6 , ya mencionado, es un gen clásico del conjunto de herramientas. ^{[ 48 ]} Aunque otros genes del conjunto de herramientas están involucrados en el establecimiento del plan corporal de la planta , ^{[ 49 ]} los genes homeobox también se encuentran en las plantas, lo que implica que son comunes a todos los eucariotas . ^{[ 50 ] [ 51 ] [ 52 ]}

Los productos proteicos del conjunto de herramientas reguladoras se reutilizan no por duplicación y modificación, sino por un complejo mosaico de pleiotropía , es decir, se aplican sin cambios en muchos procesos de desarrollo independientes, dando forma a muchas estructuras corporales disímiles. ^{[ 1 ]} Los loci de estos genes del conjunto de herramientas pleiotrópicas tienen elementos cis-reguladores grandes, complejos y modulares . Por ejemplo, mientras que un gen de rodopsina no pleiotrópico en la mosca de la fruta tiene un elemento cis-regulador de solo unos pocos cientos de pares de bases de longitud, la región cis-reguladora pleiotrópica eyeless contiene 6 elementos cis-reguladores en más de 7000 pares de bases. ^{[ 1 ]} Las redes reguladoras involucradas suelen ser muy grandes. Cada proteína reguladora controla "de decenas a cientos" de elementos cis-reguladores. Por ejemplo, 67 factores de transcripción de la mosca de la fruta controlaban en promedio 124 genes diana cada uno. ^{[ 1 ]} Toda esta complejidad permite que los genes involucrados en el desarrollo del embrión se activen y desactiven en los momentos y lugares precisos. Algunos de estos genes son estructurales y forman directamente enzimas, tejidos y órganos del embrión. Pero muchos otros son genes reguladores, por lo que lo que se activa suele ser una cascada de activación con una sincronización precisa, que implica la activación de un proceso de desarrollo tras otro en el embrión en desarrollo. ^{[ 1 ]}

Esta red reguladora en cascada se ha estudiado en detalle en el desarrollo del embrión de la mosca de la fruta . El embrión joven tiene forma ovalada, como un balón de rugby . Un pequeño número de genes produce ARN mensajeros que establecen gradientes de concentración a lo largo del eje longitudinal del embrión. En el embrión temprano, los genes bicoid y hunchback se encuentran en alta concentración cerca del extremo anterior y dan forma a la futura cabeza y tórax; los genes caudal y nanos se encuentran en alta concentración cerca del extremo posterior y dan forma a los segmentos abdominales más posteriores. Los efectos de estos genes interactúan; por ejemplo, la proteína Bicoid bloquea la traducción del ARN mensajero de caudal , por lo que la concentración de la proteína Caudal disminuye en el extremo anterior. Posteriormente, Caudal activa genes que crean los segmentos más posteriores de la mosca, pero solo en el extremo posterior, donde se encuentra más concentrada. ^{[ 53 ] [ 54 ]}

Las proteínas Bicoid, Hunchback y Caudal regulan a su vez la transcripción de genes gap como giant , knirps , Krüppel y tailless en un patrón de rayas, creando el primer nivel de estructuras que se convertirán en segmentos. ^{[ 37 ]} Las proteínas de estos genes controlan a su vez los genes pair-rule , que en la siguiente etapa establecen 7 bandas a lo largo del eje longitudinal del embrión. Finalmente, los genes de polaridad de segmento como engrailed dividen cada una de las 7 bandas en dos, creando 14 segmentos futuros. ^{[ 53 ] [ 54 ]}

Este proceso explica la conservación precisa de las secuencias genéticas del conjunto de herramientas, lo que ha dado lugar a una profunda homología y equivalencia funcional de las proteínas del conjunto de herramientas en animales disímiles (como se observa, por ejemplo, cuando una proteína de ratón controla el desarrollo de la mosca de la fruta). Las interacciones de los factores de transcripción y los elementos cis-reguladores, o de las proteínas de señalización y los receptores, se fijan mediante múltiples usos, lo que hace que casi cualquier mutación sea perjudicial y, por lo tanto, eliminada por la selección natural. ^{[ 1 ]}

El mecanismo que establece el eje anteroposterior de cada animal es el mismo, lo que implica un ancestro común. Existe un mecanismo similar para el eje dorsoventral en los animales bilaterales , pero se invierte entre artrópodos y vertebrados . ^{[ 55 ]} Otro proceso, la gastrulación del embrión, está impulsado por motores moleculares de miosina II , que no se conservan entre especies. El proceso pudo haber sido iniciado por movimientos del agua de mar en el ambiente, y posteriormente reemplazado por la evolución de los movimientos tisulares en el embrión. ^{[ 56 ] [ 57 ] [ 58 ]}

Heliconius erato

Heliconius melpomene

Las distintas especies de mariposas Heliconius han desarrollado de forma independiente patrones similares, aparentemente facilitados y a la vez limitados por los genes del conjunto de herramientas genético-desarrollativas disponibles que controlan la formación del patrón de las alas .

Las variaciones en el conjunto de herramientas pueden haber producido gran parte de la evolución morfológica de los animales. El conjunto de herramientas puede impulsar la evolución de dos maneras. Un gen del conjunto de herramientas puede expresarse en un patrón diferente, como cuando el pico del gran pinzón terrestre de Darwin se agrandó por el gen BMP , ^{[ 63 ]} o cuando las serpientes perdieron sus patas cuando distal-less se subexpresó o no se expresó en absoluto en los lugares donde otros reptiles continuaron formando sus extremidades. ^{[ 64 ]} O bien, un gen del conjunto de herramientas puede adquirir una nueva función, como se ve en las muchas funciones de ese mismo gen, distal-less , que controla estructuras tan diversas como la mandíbula en los vertebrados, ^{[ 65 ] [ 66 ]} las patas y antenas en la mosca de la fruta, ^{[ 67 ]} y el patrón de manchas oculares en las alas de las mariposas . ^{[ 68 ]} Dado que pequeños cambios en los genes del conjunto de herramientas pueden causar cambios significativos en las estructuras corporales, a menudo han permitido la misma función de manera convergente o en paralelo . El gen distal-less genera patrones de alas en las mariposas Heliconius erato y Heliconius melpomene , que son mímicas müllerianas . En la llamada variación facilitada , ^{[ 69 ]} sus patrones de alas surgieron en diferentes eventos evolutivos, pero están controlados por los mismos genes. ^{[ 70 ]} Los cambios en el desarrollo pueden contribuir directamente a la especiación . ^{[ 71 ]}

La innovación evolutiva a veces puede comenzar al estilo lamarckiano con alteraciones epigenéticas de la regulación génica o la generación de fenotipos , posteriormente consolidadas por cambios a nivel genético . Los cambios epigenéticos incluyen la modificación del ADN por metilación reversible, ^{[ 72 ]} así como la remodelación no programada del organismo por efectos físicos y otros efectos ambientales debido a la plasticidad inherente de los mecanismos de desarrollo. ^{[ 73 ]} Los biólogos Stuart A. Newman y Gerd B. Müller han sugerido que los organismos en las primeras etapas de la historia de la vida multicelular eran más susceptibles a esta segunda categoría de determinación epigenética que los organismos modernos, lo que proporciona una base para los primeros cambios macroevolutivos . ^{[ 74 ]}

El desarrollo en linajes específicos puede estar sesgado positivamente, hacia una trayectoria o fenotipo determinado, ^{[ b ]} o negativamente, alejándose de producir ciertos tipos de cambio; cualquiera puede ser absoluto (el cambio siempre o nunca se produce) o relativo. Sin embargo, es difícil obtener evidencia de cualquier dirección de este tipo en la evolución y también puede resultar de restricciones del desarrollo que limitan la diversificación. ^{[ 47 ]} Por ejemplo, en los gasterópodos , la concha de tipo caracol siempre se construye como un tubo que crece tanto en longitud como en diámetro; la selección ha creado una amplia variedad de formas de concha, como espirales planas, cauris y espirales de torre alta dentro de estas restricciones. Entre los ciempiés , los Lithobiomorpha siempre tienen 15 segmentos de tronco como adultos, probablemente el resultado de un sesgo de desarrollo hacia un número impar de segmentos de tronco. Otro orden de ciempiés, los Geophilomorpha , el número de segmentos varía en diferentes especies entre 27 y 191, pero el número siempre es impar, lo que hace que esto sea una restricción absoluta; Casi todos los números impares de ese rango están ocupados por una u otra especie. ^{[ 75 ] [ 76 ] [ 77 ]}

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