Categoría: Evolución biológica

  • La vida en transición: Tiktaalik y la evolución de los vertebrados

    Sedna, la hija del dios creador Anguta, es una figura femenina de gran importancia en las tradiciones inuit.  En una de las muchas historias de la vasta mitología de los pueblos del Ártico, Anguta está tan furioso por la desobediencia de su hija que la arroja al mar desde un kayak.  Cuando Sedna intenta regresar al bote, su trastornado padre le corta los dedos, que se convierten en los animales del mar que sirven de alimento a los inuit.  Sedna, por su parte, se ve forzada a habitar las frías y oscuras regiones de las profundidades marinas.

    Tiktaalik roseae, Zina Deretsky, National Science Foundation

    En la mitología natural, la historia verdadera del pez tiktaalik es tan fascinante como la de Sedna y tiene que ver con la tierra de los inuit, con el origen de los dedos y con la evolución de los animales del agua y la tierra.  Tiktaalik roseae es un pez de finales del Devónico (hace unos 375 millones de años) con tantas características típicas de los anfibios que puede considerarse una forma de transición entre los peces y los vertebrados terrestres.  Los restos fósiles de este pez fueron hallados en las inhóspitas tierras heladas de la isla Ellesmere, en el territorio canadiense de Nunavut, por lo que sus descubridores decidieron bautizar a la extraña criatura con la palabra tiktaalik, que en el dialecto inuktitut se usa para referirse a un pez de agua dulce de gran tamaño emparentado con el bacalao.

    Tiktaalik, como todos los peces, tenía agallas, escamas y aletas.  En cambio, tenía también pulmones y huesos costales semejantes a los de los vertebrados terrestres, además de que su cabeza tenía movimiento independiente del resto del cuerpo; es decir, tenía un cuello, elemento no existente en los peces.  Además de todo ello, la forma de la cabeza, la estructura de los huesos del oído y, sobre todo, la disposición de los huesos de las aletas apuntan a que Tiktaalik es un representante del tipo de peces que hace millones de años dieron origen a la línea de los vertebrados terrestres, es decir, los ancestros de todos los anfibios, reptiles, aves y mamíferos.

    Una de las estructuras que más claramente muestra el carácter transicional de Tiktaalik es la aleta pectoral, bellamente preservada en el material fósil de Ellesmere.  Para entender la importancia de la aleta de Tiktaalik, comencemos por recordar la estructura ósea de nuestros brazos y manos: articulado al hombro tenemos un hueso largo (el húmero) que a su vez se conecta a un par de huesos (el cúbito y el radio) que forman el antebrazo; la mano es un complejo sistema de huesos constituido por la muñeca (los ocho huesos cortos del carpo), la palma (los cinco huesos alargados del metacarpo) y los dedos (los 14 huesos delgados de las falanges).

    Esta estructura general (un hueso largo, dos huesos, varios huesos cortos y hasta cinco dedos alargados) es fundamentalmente la misma en todos los grupos de vertebrados terrestres y la podemos reconocer (con pequeñas o grandes modificaciones) en las patas de los mamíferos y reptiles, las alas de las aves y los murciélagos, las aletas de las ballenas y los pingüinos y hasta en las extremidades vestigiales como las diminutas manos de los tiranosaurios.

    En la inmensa  mayoría de los peces modernos (los llamados actinopterigios), los huesos de las aletas forman una especie de abanico de espinas alargadas. Sólo en los peces pulmonados y los celacantos (que en conjunto son llamados comúnmente sarcopterigios o peces de aletas lobuladas) encontramos un hueso alargado en la base de la aleta. La aleta de Tiktaalik  es claramente intermedia entre la de los peces modernos y las extremidades de los vertebrados terrestres.  En ella podemos reconocer claramente la estructura un hueso-dos huesos-varios huesos cortos en la que los especialistas pueden reconocer hueso por hueso el arreglo que vemos en todos los vertebrados terrestres.  Como lo ha dicho Neil Shubin, uno de sus descubridores, Tiktaalik era un pez con muñeca.

    En depósitos más antiguos que los de Tiktaalik se han hallado fósiles de peces como  Eusthenopteron en los que la aleta tenía la estructura un hueso-dos huesos.  En capas más recientes, se han encontrado fósiles de anfibios que muestran la disposición moderna ya descrita para los vertebrados  terrestres.  Tiktaalik no sólo muestra la morfología correcta para ser considerado una forma de transición, sino que sus fósiles son además de la antigüedad correcta y corresponden con el ambiente adecuado.  Hace 375 millones de años lo que ahora es el frío ártico canadiense se localizaba prácticamente sobre el ecuador. El ambiente en el que se desarrolló Tiktaalik estaba formado por lagunas someras, probablemente asociadas con el delta de un río.  La anatomía de la aleta de Tiktaalik sugiere que el pez era capaz de usar sus extremidades para anclarse firmemente al fondo fangoso de las lagunas para permanecer parcialmente fuera del agua, como se ve en la ilustración al comienzo de esta nota.

    En la mitología inuit, los dedos de Sedna podían dar origen a nueva vida marina.  En la historia de la vida sobre la Tierra, los huesos de las extremidades de los animales nos dan invaluables pistas para entender el largo camino desde los primitivos peces del Devónico hasta nosotros mismos. Tal vez la próxima vez que volteemos a ver nuestra mano podamos entender que en la estructura de sus huesos ha quedado registrada nuestra historia de más de 375 millones de años.

    Esta página de la Universidad de Chicago contiene gran cantidad de información sobre la historia de Tiktaalik.

    Neil Shubin y una réplica de Tiktaalik

    ADDENDUM.  [3 de mayo 2011] Cuando esta nota estaba  lista para publicarse se dio a conocer que Neil Shubin, líder del proyecto que condujo al descubrimiento de Tiktaalik y experto en el tema del desarrollo de las extremidades en los vertebrados, había sido electo miembro de la Academia de Ciencias de los Estados Unidos.  Shubin ocupa la cátedra Robert R. Bensley de biología de organismos y anatomía en la Unversidad de Chicago y participa en el comité de biología evolutiva de la misma universidad y en el Museo Field de historia natural de Chicago.

  • ¿Creación vs. evolución?

    Las paredes del Museo de Ciencias Naturales del Colegio de San José de la Salle, en Medellín Colombia están adornados con una interesante serie de murales alusivos.  El mural central, basado en gran medida en las clásicas imágenes de Rudolph F. Zallinger  en el Museo Peabody de la Universidad de Yale, muestra una progresión desde las nebulosas hasta el hombre, pasando por diversas formas marinas, dinosaurios, mamíferos pleistocénicos y primates ancestrales. Según explica el rótulo anexo, las imágenes muestran “la creación, la evolución, el relieve marino y el desarrollo filogenético de los organismos.”

    Es interesante hacer notar la presencia de las palabras «creación» y «evolución» juntas en la descripción de la obra artística.  Debido a los intensos debates que se dan sobre todo en los Estados Unidos, se tiene la idea de que creación y evolución tienen que ser conceptos mutuamente excluyentes.  Los creacionistas americanos son en su mayoría cristianos protestantes que rechazan la teoría de la evolución por considerarla contraria a su interpretación literal del libro del Génesis.  Para ellos, el universo fue creado por Dios hace unos pocos miles de años en exactamente seis días y todos los animales actuales son descendientes de los individuos que sobrevivieron al diluvio universal en el arca de Noé.  En esta visión del cosmos, la mayoría de las teorías científicas que tienen que ver con la cosmología, la formación de las estrellas y de los sistemas planetarios y el origen y evolución de la vida son falsas por contradecir las sagradas escrituras.  Claramente, esta visión fundamentalista es incompatible con la teoría de la evolución biológica.

    Los murales del Colegio de San José, pintados por Salvador Arango Botero en 1956, nos muestran una idea diferente.  En una de las paredes laterales aparece la imagen de Dios, muy al estilo de Miguel Ángel Buonarroti, presidiendo sobre las galaxias y otros objetos del universo.  Esta conciliación entre ciencia y religión, entre creación y evolución puede no resultar del agrado de los fundamentalistas religiosos ni de muchos científicos que preferirían no mezclar la ciencia con la religión.

    Para muchos cristianos devotos, sin embargo, no existe contradicción alguna.  De hecho, la Iglesia Católica acepta que la evolución biológica no es incompatible con la fe cristiana y diversas denominaciones protestantes optan por una interpretación metafórica, alegórica y espiritual del Génesis, e incluso algunas de ellas ven en la evolución el mecanismo usado por Dios para concretar la creación del mundo y del hombre.

    Para entender el contexto de los murales de Arango Botero es necesario conocer algo de la historia del Colegio de San José.  La investigación científica en el Colegio fue iniciada por Nicéforo María, un religioso lasallista, en 1911.  Años antes, en 1904, Apolinar María había iniciado una colección de historia natural en el Colegio La Salle de Bogotá y se pensó que era una buena idea contar con un museo similar especializado en la flora y fauna de Antioquia, el departamento en el que se asienta Medellín.

    En 2006 el municipio de Medellín recibió en comodato el campus del Colegio, junto con el museo y la colección científica, de manera que ambos pertenecen ahora al Instituto Tecnológico Metropolitano (ITM).  La colección cuenta con 15,197 ejemplares, algunos de ellos de gran importancia científica.

    Los murales datan de la década de los 1950s, de manera que algunos de los conceptos biológicos y de las reconstrucciones de los animales representados ahí son ya obsoletos.  Sin embargo, la idea de representar en una sola obra la evolución física, química y biológica del cosmos en el contexto de la idea judeo-cristiana de la creación sigue siendo interesante y, por supuesto, controversial.  Se trata de un tema muy amplio sobre el que cada persona tiene una opinión particular.  En futuras entregas de este blog se discutirán aspectos particulares de la siempre tensa relación entre la ciencia y la religión.

    Figuras

    1.  Panel central del mural de Salvador Arango Botero en el Museo de Ciencias Naturales del Colegio de San José de la Salle, en Medellín Colombia.
    2. Vista panorámica del mural.
    3. Investigadores trabajando en el recinto de la colección científica.  En el mural se ven paisajes típicos de Antioquia y un retrato del Hno. Nicéforo María, fundador del museo.

    Agradezco la hospitalidad de mis colegas colombianos y en particular la de la Biól. Danny Zurc, curadora de la colección del Museo de Ciencias Naturales.

  • Arsénico: historias de bacterias y de nobles italianos

    El 17 de octubre de 1587, después de 11 días de agonizante sufrimiento, el Gran Duque de Toscana, Francesco I de Medici murió a consecuencia de la malaria, de acuerdo con los documentos oficiales de la época.  La muerte del duque italiano probablemente no se hubiera convertido en evento histórico de no ser por una extraña circunstancia: apenas horas después del fallecimiento del sobrio gobernante, su esposa Bianca Cappello murió también de la misma enfermedad.

    Dos semanas antes de este extraño episodio, Ferdinando, el hermano menor de Francesco, se había mudado a la villa de los Medici en Poggio a Caiano, en las afueras de Florencia.  Ferdinando era el sucesor natural de Francesco, y de hecho fue el último de los duques de Toscana después de la muerte de su hermano.  Sin embargo, Bianca tenía dos hijos de un matrimonio anterior y cabía la posibilidad de que el mayor de ellos fuese nombrado heredero del ducado.  Todas estas circunstancias hicieron surgir el rumor de que la muerte de Francesco y Bianca no había sido natural y que probablemente Ferdinando había urdido un letal plan para conservar su rica herencia.

    A finales del 2006, un equipo encabezado por Francesco Mari, de la Universidad de Florencia, encontró altos niveles de arsénico en restos de órganos atribuidos a Francesco, aunque esos niveles fueron relativamente bajos en muestras de hueso y cabello.  Este patrón, que es consistente con una exposición de corto plazo al arsénico, llevó a Mari y sus colegas a concluir que Francesco había muerto por envenenamiento y que posiblemente Ferdinando habría usado trióxido de arsénico, el llamado arsénico blanco, para asesinar a su hermano y su cuñada.

    El arsénico es probablemente el veneno más conocido, al menos en la mente de los asiduos lectores de las novelas policíacas y de intriga.  También es protagonista de una de las historias en El sistema periódico, el clásico libro de Primo Levi, en la que un zapatero se presenta en el modesto laboratorio de Levi en Turín para solicitar el análisis químico de una muestra de azúcar con la que, sospecha el zapatero, un competidor está tratando de envenenarlo con arsénico. En diferentes épocas se ha atribuido al arsénico la muerte de personajes como Napoleón y Simón Bolívar.  También se piensa que varios pintores impresionistas podrían haber sufrido envenenamiento crónico con arsénico por el uso del verde de París, un pigmento que contiene un compuesto de cobre y arsénico.

    El arsénico actúa a nivel celular inhibiendo el funcionamiento de enzimas clave en la captación de energía.  La disrupción de la función celular se manifiesta a nivel del organismo con desbalances en la concentración de iones de potasio y subsecuentes fallas en los órganos vitales.  En su forma aguda, el envenenamiento produce espectaculares episodios de vómito y diarrea, así como intensos dolores abdominales y sudoración fría.  Es fácil ver cómo un envenenamiento con arsénico puede confundirse con una malaria fulminante (o viceversa).  Como el arsénico tiene la capacidad de suplantar al fósforo en algunas moléculas y cambiar la química de esas moléculas, se convierte en un potente veneno para cualquier forma de vida.

    Hoy (2 de diciembre de 2010), la NASA ha anunciado el descubrimiento de un tipo de bacteria (llamada GFAJ-1) que no sólo es capaz de crecer perfectamente en un ambiente con alta concentración de arsénico, sino que incluso ha evolucionado para incorporar los átomos de arsénico en sus biomoléculas.  En el ambiente extremo del lago Mono, en California, la bacteria ha logrado incorporar el arsénico en las moléculas de DNA en los lugares normalmente ocupados por átomos de fósforo.  Se trata, sin ninguna exageración, de un tipo de molécula completamente nueva, no conocida en ningún otro organismo del planeta.  Como explica Felisa Wolfe-Simon, investigadora principal en el estudio, nos encontramos ante un organismo que abre una enorme serie de nuevas puertas para el estudio de la vida en la Tierra y fuera de ella.

    No se trata de una forma de vida extraterrestre, como algunos medios especularon durante la semana, pero sí es un tipo de organismo que demuestra la enorme versatilidad y capacidad de adaptación de la vida.  Si hay bacterias capaces de sobrevivir, y de hecho prosperar en un ambiente que resultaría absolutamente inhóspito para otros organismos, es perfectamente plausible la existencia de vida de algún tipo en los ambientes extremos de algunos de los planetas y satélites de nuestro sistema solar.  El descubrimiento también abre la puerta para especulaciones sobre la existencia de vida en alguno de los más de 500 planetas que se han descubierto recientemente fuera del sistema solar.

    El arsénico, ese poderoso veneno protagonista de tantas historias de muerte e intriga, resulta fundamental para la vida bacteriana en un lago de California.  Así como las pinturas impresionistas nos muestran en los vivos colores verdes un aspecto positivo del arsénico, los descubrimientos anunciados por la NASA nos proporcionan una perspectiva completamente nueva: el arsénico como componente imprescindible para un ser vivo.

    ¿Y realmente el arsénico mató a Francesco de Medici?  En septiembre de este año, Gino Fornaciari, de la Universidad de Pisa y sus colaboradores demostraron con métodos inmunológicos que Francesco estuvo expuesto a Plasmodium falciparum, el protozoario responsable de la malaria.  Los altos niveles de arsénico encontrados por el equipo de Mari podrían resultar de los químicos usados en el embalsamamiento del cuerpo del duque y no de un envenenamiento, en opinión de Fornaciari.  De acuerdo con este nuevo estudio, la muerte del duque de Toscana, y probablemente también la de su consorte, se debió a la malaria, tal como fue asentado por los médicos de la época.

    ACTUALIZACIÓN [1 DE MARZO 2019]
    El artículo sobre GFAJ-1 se publicó el 11 de junio de 2011 en la revista Science (ver Wolfe-Simon et al. 2011 en las referencias). De inmediato provocó severas críticas por no demostrar experimentalmente algunas de las afirmaciones fundamentales del trabajo, como la presencia misma del arsénico en las biomoléculas de la bacteria. Sin embargo, como estas críticas no se publicaron en revistas científicas sino en el blog técnico de la investigadora Rosie Redfield, la controversia continúo por algunos meses.

    El golpe final que terminó por desmentir el trabajo de Wolfe-Simon y colaboradores fue la demostración de que la incorporación de arsénico es letal para GFAJ-1, como sucede en todos los seres vivos, y que de hecho la bacteria puede sobrevivir en el ambiente extremo del lago Mono a través de mecanismos químicos que le permiten distinguir los fosfatos (PO4) de los arsenatos (AsO4) y emplear solo los primeros, aunque la concentración de arsénico sea muchísimo mayor que la de fósforo.  (Elias et al. 2012).

    Figuras

    1. Francesco I de Medici, Gran Duque de Toscana.
    2. Pintura de Paul Cézanne.  En la parte inferior se muestra (aproximadamente) el color verde de París.
    3. La bacteria GFAJ-1.  Foto NASA.

    Referencias

    Elias, M., et al.. (2012). The molecular basis of phosphate discrimination in arsenate-rich environmentsNature491(7422), 134.

    Fornaciari, F. et al. (2010) Plasmodium falciparum immunodetection in bone remains of members of the Renaissance Medici family (Florence, Italy, sixteenth century). Transactions of the Royal Society of Tropical Medicine and Hygiene 104:583-587.

    Mari, F. et al. (2006) The mysterious death of Francesco I de’ Medici and Bianca Cappello: an arsenic murder? British Medical Journal 333:1299-1301.

    Wolfe-Simon, F. et al. (2011) A bacterium that can grow by using arsenic instead of phosphorusScience332 (6034): 1163–1166.

    2019: Año Internacional de la Tabla Periódica