Los biólogos a menudo se han preguntado qué pasaría si pudieran rebobinar la cinta de la historia de la vida y dejar que la evolución se repita de nuevo. ¿Evolucionarían los linajes de organismos de maneras radicalmente diferentes si se les diera esa oportunidad? ¿O tenderían a desarrollar el mismo tipo de ojos, alas y otros rasgos adaptativos porque sus historias evolutivas previas ya los habían enviado por ciertas vías de desarrollo?

A nuevo artículo publicado hoy in Ciencia: describe un caso de prueba poco común e importante para esa pregunta, que es fundamental para comprender cómo interactúan la evolución y el desarrollo. Un equipo de investigadores de la Universidad de California en Santa Bárbara lo encontró mientras estudiaba la evolución de la visión en un oscuro grupo de moluscos llamados quitones. En ese grupo de animales, los investigadores descubrieron que dos tipos de ojos (manchas oculares y ojos de concha) evolucionaron dos veces de forma independiente. Un linaje determinado podría desarrollar un tipo de ojo u otro, pero nunca ambos.

Curiosamente, el tipo de ojo que tenía un linaje estaba determinado por una característica más antigua aparentemente no relacionada: el número de ranuras en la armadura del quitón. Esto representa un ejemplo del mundo real de “evolución dependiente del camino”, en el que la historia de un linaje da forma irrevocablemente a su futura trayectoria evolutiva. Las coyunturas críticas en un linaje actúan como puertas de un solo sentido, abriendo algunas posibilidades y cerrando otras para siempre.

"Este es uno de los primeros casos [en los que] hemos podido ver una evolución dependiente de la trayectoria", dijo Rebeca Varney, becaria postdoctoral en El laboratorio de Todd Oakley en UCSB y autor principal del nuevo artículo. Aunque se ha observado una evolución dependiente de la trayectoria en algunas bacterias cultivadas en laboratorios, "mostrar eso en un sistema natural fue algo realmente emocionante de poder hacer".

"Siempre hay un impacto de la historia en el futuro de un rasgo en particular", dijo Lauren Sumner-Rooney, que estudia los sistemas visuales de invertebrados en el Instituto Leibniz para la Evolución y las Ciencias de la Biodiversidad y no participó en el nuevo estudio. "Lo que es particularmente interesante y emocionante de este ejemplo es que los autores parecen haber señalado el momento en el que se produce esa división".

Por esa razón, los quitones "es probable que aparezcan en futuros libros de texto sobre evolución" como un ejemplo de evolución dependiente del camino, dijo. Dan-Eric Nilsson, un ecólogo visual de la Universidad de Lund en Suecia que no participó en la investigación.

Los quitones, pequeños moluscos que viven en las rocas intermareales y en las profundidades del mar, son como pequeños tanques protegidos por ocho placas de concha, una estructura corporal que se ha mantenido relativamente estable durante unos 300 millones de años. Lejos de ser una armadura inerte, estas placas de caparazón están fuertemente decoradas con órganos sensoriales que permiten a los quitones detectar posibles amenazas.

Los órganos sensoriales son de tres tipos. Todos los quitones tienen estetas, un receptor todo en uno tremendamente sinestésico que les permite detectar la luz, así como señales químicas y mecánicas en el entorno. Algunos quitones también tienen sistemas visuales adecuados: miles de puntos oculares sensibles a la luz o cientos de ojos en forma de concha más complejos, que tienen una lente y una retina para capturar imágenes aproximadas. Los animales con ojos de concha pueden detectar a los depredadores que se avecinan y, en respuesta, se aferran firmemente a la roca.

Para comprender cómo evolucionó esta variedad de ojos de quitón, un equipo de investigadores dirigido por Varney observó cómo se relacionan cientos de especies de quitones. Utilizaron una técnica llamada captura de exoma para secuenciar secciones estratégicas de ADN de especímenes antiguos de la colección de Doug Eernisse, especialista en quitones de la Universidad Estatal de California en Fullerton. En total, secuenciaron el ADN de más de 100 especies cuidadosamente seleccionadas para representar toda la diversidad de quitones, reuniendo la filogenia (o árbol de relaciones evolutivas) más completa de los quitones hasta la fecha.

Luego, los investigadores asignaron los diferentes tipos de ojos a la filogenia. Los investigadores observaron que el primer paso antes de desarrollar ojos de concha o manchas oculares era un aumento en la densidad de estetas en el caparazón. Sólo entonces podrían aparecer ojos más complejos. Las manchas oculares y los ojos de concha evolucionaron cada uno en dos momentos separados a lo largo de la filogenia, lo que representa dos casos separados de evolución convergente.

"De forma independiente, los quitones evolucionaron cuatro veces los ojos y, a través de ellos, lo que creemos que probablemente sea algo así como la visión espacial, lo cual es realmente impresionante", dijo Varney. "También evolucionaron increíblemente rápido". Los investigadores estimaron que en el género neotropical chitón, por ejemplo, las manchas oculares evolucionaron en sólo 7 millones de años: un abrir y cerrar de ojos en el tiempo evolutivo.

Los resultados sorprendieron a los investigadores. "Estaba pensando que era una evolución gradual en complejidad, pasando de los estetas a un sistema de manchas oculares y a los ojos en forma de concha: una progresión muy satisfactoria", dijo Dan Speiser, ecólogo visual de la Universidad de Carolina del Sur y coautor del artículo. "En cambio, existen múltiples caminos hacia la visión".

Pero ¿por qué algunos linajes desarrollaron ojos de concha en lugar de manchas oculares? Durante un viaje de seis horas desde una conferencia en Phoenix a Santa Bárbara, Varney y Oakley comenzaron a desarrollar la hipótesis de que el número de hendiduras en el caparazón de un quitón podría ser clave para la evolución de la visión del quitón.

Todas las estructuras sensibles a la luz en el caparazón del quitón, explicó Varney, están unidas a nervios, que pasan a través de las ranuras del caparazón para conectarse con los nervios principales del cuerpo. Las ranuras funcionan como organizadores de cables y agrupan neuronas sensoriales. Más ranuras significan más aberturas a través de las cuales pueden pasar los nervios.

Sucede que el número de rendijas es una información estándar que se registra cada vez que alguien describe una nueva especie de quitón. "La información estaba ahí fuera, pero sin el contexto de una filogenia para mapearla, no tenía ningún significado", dijo Varney. “Así que fui, miré esto y comencé a ver este patrón”.

Varney vio que dos veces, de forma independiente, linajes con 14 o más hendiduras en la placa de la cabeza desarrollaron manchas oculares. Y dos veces, de forma independiente, linajes con 10 o menos rendijas desarrollaron ojos de concha. Se dio cuenta de que la cantidad de rendijas fijadas en su lugar determinaba el tipo de tipo de ojo que podía evolucionar: un quitón con miles de manchas oculares necesita más rendijas, mientras que un quitón con cientos de ojos en forma de concha necesita menos. En resumen, el número de hendiduras de los caparazones determinó la evolución de los sistemas visuales de las criaturas.

Los hallazgos conducen a una nueva serie de preguntas. Uno que los investigadores están investigando activamente es por qué el número de rendijas limita el tipo de ojo que puede evolucionar. Responder a esta pregunta requerirá trabajo para dilucidar los circuitos de los nervios ópticos y cómo procesan las señales de cientos o miles de ojos.

Alternativamente, la relación entre el tipo de ojo y el número de hendiduras podría estar determinada no por las necesidades de visión sino por la forma en que las placas se desarrollan y crecen en diferentes linajes, sugirió Sumner-Rooney. Las placas del caparazón crecen desde el centro hacia afuera por acreción, y se agregan ojos a lo largo de la vida del quitón a medida que crece el borde. "Los ojos más antiguos son los que se encuentran en el medio del animal, y los más recientes se añaden en los bordes", dijo Sumner-Rooney. Como quitón, “puedes comenzar la vida con 10 ojos y terminarla con 200 ojos”.

Como consecuencia, el borde creciente de una placa de concha tiene que dejar agujeros para nuevos ojos: muchos agujeros pequeños para las manchas oculares o menos agujeros más grandes para los ojos de concha. Demasiados agujeros o demasiado grandes podrían debilitar un caparazón hasta el punto de romperse, por lo que los factores estructurales podrían limitar qué ojos son posibles.

Queda mucho por descubrir sobre cómo ven el mundo los quitones, pero mientras tanto, sus ojos están preparados para convertirse en el nuevo ejemplo favorito de los biólogos de evolución dependiente del camino, dijo Nilsson. "Los ejemplos de dependencia de la trayectoria que pueden demostrarse muy bien, como es este caso, son raros, aunque el fenómeno no sólo es común, sino que es la forma estándar en que suceden las cosas".