¿Cómo fue la transición del medio acuático al terrestre de la vida animal?

La transición desde el medio acuático hasta el terrestre de la vida animal ha sido uno de los retos evolutivos más importantes. Este proceso decisivo en la evolución de la vida en el planeta requirió una profunda renovación del genoma. Pero ¿qué cambios experimentaron los genomas para facilitar el paso hacia el medio terrestre? Ahora, un estudio publicado en la revista Nature reconstruye las adaptaciones principales del genoma en diferentes momentos del proceso de transición evolutiva hacia los ecosistemas terrestres. Los resultados muestran que, aunque cada linaje siguió caminos evolutivos propios, muchas de las funciones adaptativas aparecieron de manera independiente y también repetida.

El estudio lo lideran Marta Álvarez-Presas, actualmente en la Facultad de Biología y el Instituto de Investigación de la Biodiversidad (IRBio) de la Universidad de Barcelona, y Jordi Paps Montserrat, de la Universidad de Bristol (Reino Unido). La primera autora es Jialin Wei, estudiante de doctorado bajo la dirección de Álvarez-Presas y Paps.

La investigación perfila por primera vez una visión global dentro de una escala temporal de la colonización terrestre de los animales y revela que buena parte de la adaptación a la vida fuera del medio acuático es un proceso sorprendentemente previsible para dar respuesta a los mismos retos ambientales.

A diferencia de las plantas, el estudio de la base genómica de la terrestrialización animal todavía está poco caracterizado porque muchos grupos clave no han sido lo bastante estudiados a escala genómica. Últimamente, se han impulsado varias iniciativas para secuenciar estos genomas, una información que empieza a estar disponible para que la comunidad científica pueda elaborar nuevos estudios sobre genes y evolución.

Para intentar resolver algunas de estas incógnitas, el equipo ha analizado 154 genomas de 21 filos animales para reconstruir las adaptaciones genómicas asociadas a once eventos independientes de terrestrialización. El trabajo aplica un enfoque integrativo y combina el análisis genómico comparativo, la anotación funcional y la reconstrucción evolutiva de la escala temporal.

"En el estudio, hemos constatado que todos los linajes terrestres, a pesar de evolucionar por separado, han ganado y perdido genes de manera convergente para hacer frente a los retos del medio terrestre. Las innovaciones más recurrentes están relacionadas con la osmorregulación —control del agua y las sales del cuerpo para no deshidratarse ni saturarse de agua—, la protección ante el estrés ambiental, la inmunidad, el metabolismo, la percepción sensorial y la reproducción", detalla Marta Álvarez-Presas, del Departamento de Biología Evolutiva, Ecología y Ciencias Ambientales.

"Las pérdidas génicas también han tenido un papel importante en la transición a la tierra; algunas han coincidido en diferentes grupos", dice Jialin Wei, primera autora del trabajo.

"Sin embargo, otros cambios son exclusivos de cada grupo y reflejan caminos evolutivos particulares", añade Jordi Paps, colíder del trabajo.

La terrestrialización se ha producido múltiples veces de forma independiente dentro de los diferentes linajes del reino animal. No obstante, cada uno de estos experimentos naturales de adaptación al medio terrestre tuvo que superar retos fisiológicos y ambientales similares.

En este contexto de retos para la supervivencia, la convergencia evolutiva ha tenido un papel crucial. "Muchas adaptaciones genómicas a la vida animal terrestre son convergentes, lo que sugiere respuestas moleculares ampliamente predecibles. Enfrentados a retos ecológicos similares, como el riesgo de desecación o la baja salinidad, los animales que han colonizado la tierra han llegado repetidamente a soluciones moleculares similares. Esto muestra que hay respuestas que la vida tiende a repetir cuando se enfrenta a las mismas presiones evolutivas", indica Álvarez-Presas.

El nuevo estudio revela que la evolución es a la vez predecible y contingencial. Hay adaptaciones que emergen una y otra vez porque son necesarias para vivir fuera del agua. "Pero cada linaje también sigue un camino propio, condicionado por su pasado evolutivo y su ambiente y presiones asociadas. La terrestrialización ejemplifica este equilibrio: se repiten patrones, pero nunca de forma idéntica", detalla la investigadora.

Los linajes que han hecho una transición evolutiva hacia el medio terrestre muestran una fuerte renovación génica, especialmente aquellos que son completamente terrestres, que presentan más ganancias de genes nuevos para regular el agua y para la protección ante un ambiente mucho más seco como el terrestre.

"Por ejemplo, los vertebrados terrestres y el grupo de los moluscos terrestres, como caracoles y babosas que encontramos en nuestros jardines, son de los que incorporan más novedades, como la expansión de familias génicas relacionadas con el transporte de iones o modificaciones específicas en el metabolismo para reducir la pérdida de agua", apunta Wei.

"También hemos encontrado pérdidas convergentes de genes asociados a la regeneración en varios grupos terrestres, una función que posiblemente sea menos esencial fuera del medio acuático. Sin embargo, una cobertura genómica todavía incompleta puede hacer crecer estas cifras a medida que incorporamos más especies en futuros análisis".

Uno de los resultados más sorprendentes del trabajo ha sido la identificación de tres grandes oleadas de terrestrialización —que coinciden con grandes cambios ecológicos globales—, así como el hecho de que haya funciones similares entre linajes que se separaron hace más de 500 millones de años.

"Este patrón temporal nos da una perspectiva única sobre cómo se ha ido reescribiendo la vida terrestre en las diferentes épocas geológicas. Además, aunque era esperable, es notable el alcance de la renovación genómica que hemos detectado y la recurrencia de funciones de osmorregulación en todos los grupos, lo que confirma que mantener el equilibrio hídrico e iónico fue un "cuello de botella" para conquistar la tierra", concluye la investigadora.