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Los primeros pasos de las nuevas especies

Las plantas y los animales se diferencian mediante sorprendentes mecanismos

Epidendrum denticulatum:  diversificación en proceso

Eduardo CesarEpidendrum denticulatum: diversificación en procesoEduardo Cesar

Orquídeas con flores rosadas, todavía consideradas de una misma especie, crecen en las dunas cercanas a las playas de Marambaia, en Río de Janeiro, y de Alcobaça, en Bahía. Aunque están separadas por 900 kilómetros, deberían generar semillas si un cierto día se topasen mutuamente sus células reproductivas. Sin embargo, no se obtuvo ningún embrión luego de que botánicos de São Paulo indujeron la polinización entre plantas de ambas localidades. Otros representantes de la misma especie de orquídea, Epidendrum denticulatum, de las sabanas de Itirapina, en São Paulo, y de Peti, en Minas Gerais, también se dieron la espalda unos con otros. Los cuatro grupos de orquídeas parecen transitar sus propios caminos evolutivos, y quizá constituyen actualmente especies diferentes, aunque siguen siendo idénticas en cuanto al tamaño, las flores, los colores y las estructuras externas.

“Estamos asistiendo a algo muy raro: el surgimiento de nuevas especies”, dice Fábio Pinheiro, investigador del Instituto de Botánica de São Paulo. Pinheiro detectó la formación de especies ‒o especiación‒ entre representantes de una misma especie. “Darwin ya hablaba de variaciones entre especies, pero no pudo imaginar que fueran relevantes a punto tal de imposibilitar los cruzamientos entre poblaciones de una misma de éstas”. En 2010, Pinheiro recolectó polen e indujo el cruzamiento entre 258 ejemplares de 13 poblaciones de Epidendrum denticulatum, halladas en selvas del interior y del litoral de los estados de Bahía, Espírito Santo, Minas Gerais, Río de Janeiro y São Paulo, cobijadas en el orquideario del instituto. Algunas poblaciones, incluso las de un mismo ecosistema, acumularon diferencias genéticas que imposibilitaron la formación de embriones viables. La imposibilidad de las células reproductivas de una misma especie para generar descendientes fértiles ‒la incompatibilidad reproductiva‒ “es una de las primeras etapas de la diferenciación genética que, al cabo de miles de años, puede conducir al surgimiento de una nueva especie”, dice.

Pinheiro analizó la separación entre linajes de una única especie, mientras que el enfoque habitual compara especies distintas, y después de haberse formado. “Este abordaje le permitió no sólo cuantificar la intensidad del aislamiento entre linajes nuevos sino también asociar estas etapas iniciales de diferenciación con los eventos históricos de expansión y fragmentación de selvas y campos, que propiciaron la diferenciación entre poblaciones y definieron los modelos de aislamiento reproductivo observados”, comenta Salvatore Cozzolino, experto en orquídeas de la región del Mediterráneo y profesor de la Universidad de Nápoles Federico II, en Italia, donde el botánico brasileño llevó a cabo parte de sus análisis. “El reconocimiento de las primeras fases de aislamiento reproductivo involucradas en la formación de nuevas especies constituye un paso importante para comprender cómo se genera y perdura la extraordinaria biodiversidad de Brasil y de las regiones tropicales en general”.

Simultáneamente, un estudio con dos especies de bromelias del Pan de Azúcar y de otras formaciones rocosas del municipio de Río de Janeiro ‒una con flores blancas y otra con flores rojas‒ puso de manifiesto algo más de los tortuosos caminos de la evolución de los seres vivos. En sintonía con un concepto clásico, para considerárselos pertenecientes a una misma especie, los organismos deben intercambiar genes entre sí y no con seres de otras especies. No obstante, los análisis de Clarisse Palma da Silva, de la Universidade Estadual Paulista (Unesp) de Rio Claro, indicaron que las poblaciones de la misma especie de bromelia ya son genéticamente bastante diferentes entre sí y muy rara vez intercambian genes, incluso creciendo en cerros muy próximos. Además, las bromelias de especies diferentes de un mismo lugar intercambian genes, produciendo híbridos fértiles que pueden cruzarse entre sí y con los ejemplares de las especies puras de las que se originaron. La evolución se rige por lo inesperado.

Estudios recientes con un importante basamento genético indican que los procesos observados en orquídeas y bromelias ocurren también con otras plantas y animales. Los fenómenos que están describiéndose revelan la fragilidad de las supuestas reglas de funcionamiento de uno de los procesos biológicos básicos, la especiación. Ahora se sabe que este proceso sucede mediante mecanismos más diversos de los que se pensaba. Tanto en plantas como en animales, los seres que deberían cruzarse normalmente entre sí pierden afinidad reproductiva, a veces como consecuencia de una mínima alteración genética, y aquéllos que aparentemente no podrían reproducirse entre sí generan descendientes, en muchas ocasiones fértiles. Diferencias genéticas sutiles pueden inviabilizar el cruzamiento entre seres morfológicamente idénticos. Otras veces, en cambio, las diferencias genéticas, si bien son grandes, permiten que lagartos o anfibios lejanamente emparentados, por ejemplo, se crucen y ‒a veces, rápidamente‒ formen otras especies.

Phyllomedusa híbrida, triploide (39 cromosomas): un organismo improbable según los postulados clásicos de la evolución

CÉLIO HADDAD/UNESP Phyllomedusa híbrida, triploide (39 cromosomas): un organismo improbable según los postulados clásicos de la evoluciónCÉLIO HADDAD/UNESP

Definiciones frágiles
Los nuevos hallazgos complican algo que ya no era fácil de comprender, comenzando por el concepto de especie, tan básico para la biología como el de gen para la genética. “Hoy mismo no contamos con un buen concepto de especie”, dice el zoólogo Célio Haddad, docente de la Unesp de Rio Claro. Desde 1859, cuando Charles Darwin publicó el libro El origen de las especies y reconoció que la distinción entre especie y linaje ‒o población‒ era vaga y arbitraria, la situación no mejoró demasiado. En 2007, Kevin de Queiroz, biólogo del Museo Smithsonian de Washington, revisó varios conceptos de especie ‒el aislamiento o reconocimiento biológico, la capacidad para habitar en un mismo espacio, cohesión genética o espacial o bien, una historia evolutiva común‒ y reconoció que todos eran imperfectos.

“El abordaje más conservador, que solamente considera los aspectos morfológicos, tiende a unificar varias especies en una sola”, dice Haddad, “mientras que la denominada taxonomía integrativa, más moderna, descriptiva y precisa, que también tiene en cuenta las variaciones del ADN y del comportamiento, tiende al desmembramiento de especies”. A su juicio, el concepto de especie varía en cada caso, de acuerdo con el criterio y el enfoque. Las orquídeas que ya no se cruzan entre sí pueden analizarse de tres maneras diferentes: como una especie diferenciándose; como representantes de especies distintas; o como subespecies, un concepto que presentó el zoólogo Ernst Mayr en 1963 para definir a aquellas poblaciones de animales o plantas que no completaron el proceso de diferenciación.

Haddad cree que la incompatibilidad reproductiva que se observa en las orquídeas y en las bromelias podría ser común también en los animales. “Pero aún no lo hemos analizado debidamente”. Los ejemplos son escasos. Se ha observado que las poblaciones de una especie de planta con flores blancas de una región cercana al Ártico, la Draba fladnizensis, presentaban incompatibilidad reproductiva total. Poblaciones de unos crustáceos marinos conocidos con el nombre de copépodos ‒en la costa este, y otros en la costa oeste de Estados Unidos‒ no lograban generar descendientes fértiles. Otros invertebrados marinos, los briozoos [o ectoproctos], constituían poblaciones incompatibles genéticamente a lo largo del litoral de los países europeos.

Ana Paula CAmposTales trabajos “abren una ventana hacia los diferentes mecanismos involucrados en la formación de nuevos linajes”, dice Samantha Koehler, investigadora de la Universidad Federal de São Paulo (Unifesp) y experta en orquídeas. Y revelan cómo las diferencias en el ADN pueden determinar la formación de nuevas especies y redimensionar las reglas evolutivas. Para esas orquídeas y bromeliáceas, la incompatibilidad reproductiva parece ser más decisiva que un factor que Darwin consideraba fundamental para la especiación: el aislamiento geográfico, mediante el cual las poblaciones alejadas geográficamente podrían diferenciarse a punto tal de constituir nuevas especies.

“La base de la especiación es el aislamiento, pero el mecanismo de aislamiento no es obligatoriamente geográfico”, dice Mário de Pinna, investigador del Museo de Zoología de la Universidad de São Paulo (USP). “El aislamiento reproductivo es el resultado de algún factor que impide el flujo de genes, que puede ser el aislamiento geográfico o alguna contingencia biológica o local que derive en la segregación de parte de una población”.

La distancia ya no parece ser tan relevante como para impedir la afinidad reproductiva entre las poblaciones de Epidendrum. Incluso poblaciones separadas por una distancia de mil kilómetros se mostraron aptas para cruzarse entre sí y producir embriones viables, mientras que otras de una misma localidad ya no lo eran (vea el diagrama).

“El aislamiento reproductivo es lo que efectivamente separará a los distintos linajes”, reitera Rodrigo Marques Lima dos Santos, investigador del Instituto de Biociencias de la USP y docente de la Universidad de Mogi das Cruzes (UMC) quien estudia la especiación en lagartos. Especies con parentesco distante, incluso pertenecientes a géneros taxonómicos diferentes, pueden cruzarse entre sí, generando híbridos fértiles. Esos cruzamientos, anteriormente considerados improbables, indican que el aislamiento geográfico y la acumulación de diferencias genéticas durante el transcurso de miles de años no bastan para el aislamiento reproductivo. Ampliando nuevamente el enfoque clásico de la evolución, el surgimiento de nuevas especies también podría ser inmediato, incluso sin fases intermedias. “Dos lagartos de distintas especies, pero cromosómicamente compatibles, podrían cruzarse dando origen a crías híbridas que ya podrían considerarse especies nuevas”, añade. “De ser factible, el híbrido inmediatamente prospera, incluso mejor que sus padres”.

Generar la propia muerte
Del mismo modo que los perros sin raza definida tienden a ser más vigorosos y resistentes a las enfermedades que los de raza pura, los lagartos híbridos generalmente son más lozanos que sus padres, más competitivos por alimentos y espacio y pueden conducir a sus padres a la extinción, puesto que conviven en el mismo sitio. “Las especies parentales crían un fuerte competidor, que puede llevarlas a la muerte”, sostiene Santos. A veces, al repasar las líneas de parentesco entre los animales, halló únicamente híbridos, no así las especies de las que probablemente éstos surgieron. “A pesar de los problemas de muestreo implicados y del impacto humano que conduce a ciertas especies a la extinción, la hibridación también puede reducir la biodiversidad, a medida que las especies se van fusionando y luego desaparecen”.

Hay especies de ranas que también pueden surgir a partir de cruzamientos improbables. Éste es el caso de una rana arborícola verde de los bosques del sudeste y sur de Brasil que recibió el nombre de Phyllomedusa tetraploidea debido a una característica rara entre los animales vertebrados: cada célula de esa especie alberga cuatro copias de cada cromosoma, o sea, es tetraploide (la especie humana y la mayoría de los vertebrados, que poseen dos copias, son diploides).

As bromélias do Rio: a Pitcairnia albiflos...

CLARISSE PALMA-SILVA/UNESPLas bromeliáceas de Río de Janeiro, Pitcairnia albiflos… CLARISSE PALMA-SILVA/UNESP

Haddad y otros biólogos arribaron a la conclusión de que la nueva especie sería el resultado del cruzamiento entre machos y hembras de una especie diploide, la Phyllomedusa distincta, o de un ancestro común. Aquélla es tetraploide porque los gametos (espermatozoides y óvulos) que la originaron eran diploides; cuando normalmente son haploides, con tan sólo una versión de cada cromosoma. Los gametos generaron descendientes con 52 cromosomas en cada célula, duplicando los 26 cromosomas de la especie parental que los originó. “Éste es un fenómeno altamente improbable”, dice Haddad, “pero en millones de años de evolución tiene alguna posibilidad de suceder”.

La P. tetraploidea puede cruzarse con sus parientes y engendrar ranas arborícolas híbridas triploides, con 39 cromosomas en cada célula. Sus descendientes (triploides) intentan reproducirse con sus parientes (diploides), pero son estériles, puesto que sus gametos son defectuosos. A veces, sin embargo, el resultado puede ser un animal al que Haddad denomina cuasi estéril: sus cromosomas se organizan de modo tal que permiten la producción de unos pocos gametos viables, “contradiciendo las definiciones clásicas de aislamiento reproductivo entre especies diferentes”, dice.

Pero, ¿por qué seres evolutivamente lejanos logran reproducirse entre sí y otros muy similares no? ¿Cuáles son las diferencias relevantes? Santos estima que la compatibilidad reproductiva puede determinarse según el número y la forma de los cromosomas, puesto que especies de lagartos con una similitud genética de tan sólo un 85%, pero cromosómicamente compatibles, pueden engendrar descendientes fértiles. “El hombre y el chimpancé se asemejan en un 98% desde el punto de vista genético, y no se reproducen entre sí, como consecuencia en gran medida de deleciones, fusiones y reordenamientos cromosómicos”, dice. “La especie humana posee 46 cromosomas, y el chimpancé 48; y estas especies también se encuentran separadas por alrededor de 10 grandes inversiones cromosómicas. Eso es suficiente para el aislamiento reproductivo”.

Cromosomas, cantos y olores
Entre los animales, las sutiles modificaciones del comportamiento ‒en el canto de las aves o en el croar de los batracios‒ pueden dificultar el reconocimiento entre especies y el apareamiento, induciendo la diferenciación de los linajes. La incompatibilidad reproductiva también puede ser el resultado de diferencias morfológicas expresivas, como por ejemplo, la dimensión de los órganos sexuales, que impide a un perro san bernardo cruzarse con una caniche, aunque pueden cruzarse con razas de tamaños intermedios, ya que las 400 razas de perros cuentan con el mismo número de cromosomas.

... y  P. staminea, que producen híbridos, y el Pan de Azúcar, uno de los cerros donde crecen

CLARISSE PALMA-SILVA/UNESP… y P. staminea, que producen híbridos, y el Pan de Azúcar, uno de los cerros donde crecenCLARISSE PALMA-SILVA/UNESP

Entre las plantas, las variaciones en su aroma pueden dejar de atraer a los insectos polinizadores y funcionar como una barrera para la reproducción. En el estudio con orquídeas, lo que primó fueron las diferencias genéticas, a menudo, en forma sorprendente. La mayoría de los cruzamientos entre ejemplares de Epidendrum reveló un patrón asimétrico: el polen extraído de la flor de un determinado sitio puede que no fertilice a la flor de otro lugar, pero la fertilización en sentido inverso era exitosa (observe el diagrama). “El patrón asimétrico de reproducción es algo típico en las primeras fases de la especiación, cuando comienzan a diferenciarse los distintos linajes”, dice Pinheiro. “El patrón reproductivo asimétrico sería común en la naturaleza”, comenta Fábio de Barros, coordinador del orquideario.

Este fenómeno puede ser el resultado de la incompatibilidad entre el ADN del núcleo de las células reproductivas y el ADN de un compartimiento no nuclear, el cloroplasto, del óvulo de la planta receptora. “Casi siempre se piensa solamente en el ADN del núcleo, pero es la variación del ADN del cloroplasto lo que determina la viabilidad del embrión y la compatibilidad entre poblaciones”, concluyó, luego de analizar las semillas de todos los cruzamientos valiéndose de nueve marcadores para el ADN nuclear y seis para el ADN de los cloroplastos.

Pequeños tramos del genoma o incluso unos pocos genes quizá puedan determinar el surgimiento o la preservación de las especies. “Los organismos intercambiarían fácilmente segmentos del genoma que facilitan su adaptación, pero los genes o islas de especiación, que definen las características de una especie, como por ejemplo el color de las flores, no se intercambian”, dice Palma da Silva. Este concepto explicaría por qué las especies de bromeliáceas de los cerros de Río de Janeiro, incluso produciendo híbridos, siguen siendo distintas, unas con flores blancas y otras con flores rojas.

“Tenemos que aprovechar el privilegio de hallarnos en un país megadiverso y recabar más datos sobre reproducción y polinizadores, para definir los factores ambientales que podrían contribuir a la diferenciación de los linajes”, sugiere Koehler, de la Unesp. Esto es lo que Pinheiro se propone, al planificar el trasplante de linajes de Epidendrum de la costa hacia el cerrado para probar su hipótesis que plantea que el aislamiento geográfico sería una consecuencia, y no la causa de la especiación. Si eso se comprueba, sumará su aporte a la actualización de los conceptos de Darwin.

Proyectos
1. Filogeografía de las especies de Epidendrum (Orchidaceae) integrantes del clado Atlántico (subgénero Amphiglottium) (09/15052-0); Modalidad Posdoctorado; Coordinador Fábio Pinheiro – Instituto de Botánica; Inversión R$ 280.131,37 (FAPESP).
2. Especiación, aislamiento reproductivo y genética de poblaciones en la familia Bromeliaceae: implicaciones taxonómicas, evolutivas y conservacionistas (09/52725-3); Modalidad Programa Biota – Apoyo a Jóvenes Investigadores; Coordinadora Clarisse Palma da Silva; Inversión R$ 441.491,60 (FAPESP).
3. Especiación de batracios anuros en ecosistemas de altitud (08/50928-1); Modalidad Proyecto Temático Coordinador Célio Haddad – Unesp; Inversión R$ 1.407.985,13 (FAPESP).

Artículos científicos
GRUBER, S. L. et al. Cytogenetic analysis of Phyllomedusa distinct Lutz, 1950 (2n = 2x = 26), P. tetraploidea Pombal and Haddad, 1992 (2n = 4x = 52), and their natural triploid hybrids (2n = 3x = 39) (Anura, Hylidae, Phyllomedusinae). BMC Genetics. v. 14, n. 1, p. 75, 2013 (online).
PINHEIRO, F. et al. Phylogeographic structure and outbreeding depression reveal early stages of reproductive isolation in the Neotropical orchid Epidendrum denticulatum. Evolution. v. 67, p. 2.024-39, 2013.
PALMA-SILVA C. et al. Sympatric bromeliad species (Pitcairnia spp.) facilitate tests of mechanisms involved in species cohesion and reproductive isolation in Neotropical inselbergs. Molecular Ecology. v. 20, 3.185-201, 2011.

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