Un macroestudio de 48 especies descifra el árbol filogenético de las aves

Un consorcio internacional con científicos del Centro de Regulación Genómica en Barcelona ha diseñado el árbol filogenético de las aves modernas basándose en datos de secuenciación del genoma.

Hace 66 millones de años los dinosaurios, tal y como se conocen, se extinguieron pero algunos reptiles y aves sobrevivieron a esta extinción masiva. Las aves que sobrevivieron sufrieron una rápida evolución y una gran diversificación pero, hasta ahora, no ha sido fácil para los científicos explicar el árbol familiar de las aves modernas.

 

El consorcio internacional para el estudio de la genómica de las aves, liderado por Guoije Zhang, del 'National Genebank BGI', en China y la Universidad de Copenhague; Enrich D. Jarvis, de la 'Duke University' y el 'Howard Hughes Medical Institute', en Estados Unidos; y M. Thomas P. Gilbert, del Museo de Historia Natural de Dinamarca; han trabajado durante cuatro años en la secuenciación masiva de los genomas de 48 especies de aves y de otros animales como los cocodrilos.

 

En este proyecto han participado más de 200 científicos de 80 instituciones repartidas en 20 países. En España, ha participado el investigador Toni Gabaldón, jefe del grupo de Genómica Comparativa en el Centro de Regulación Genómica (CRG) de Barcelona y profesor del Instituto Catalán de Investigación y Estudios Aplicados (ICREA).

 

Las especies estudiadas han sido, entre otras, cuervos, patos, halcones, periquitos, grúas, ibis, pájaros carpinteros y águilas, en representación de las principales familias de aves modernas. Los primeros resultados de este estudio se publican simultáneamente en ocho artículos en la revista 'Science' y 15 artículos más en otras revistas científicas como 'Genome Biology' o 'GigaScience'.

 

Los estudios filogenéticos disponibles hasta ahora sobre la evolución de las aves modernas habían analizado conjuntos de genes concretos que se relacionaban con características anatómicas o de comportamiento en las aves.

 

Los resultados presentados por el 'Avian Phylogenomics Consortium'  comparan el genoma entero de todas las especies, lo que ha permitido a los científicos reconstruir el árbol filogenético de las aves con mucho más detalle, incluyendo información sobre las relaciones de parentesco entre grupos y el momento en que se separaron.

 

UNA PÉRDIDA TEMPRANA DE CIENTOS DE GENES

 

El hecho de comparar genomas enteros ha permitido dibujar un mapa de la evolución del genoma de las aves. Los expertos han observado que las aves tienen pocas repeticiones de ADN y que ya desde el inicio de su aparición perdieron cientos de genes que compartirían con los humanos ancestralmente. En concreto, los genes que los pájaros han perdido son clave para los humanos y están implicados en funciones importantes como la reproducción, la formación del esqueleto o los pulmones.

 

Las aves controlan estos aspectos desde otra aproximación que explicaría por qué tienen un esqueleto más ligero, un sistema respiratorio tan particular, una gran variedad de especialidades en la dieta y muchos otros rasgos característicos diferentes a los mamíferos.

 

En este estudio, además de a 48 especies de aves, también se han secuenciado y analizado los genomas de los reptiles actuales más cercanos a las aves: los cocodrilos. Los científicos esperaban poder encontrar los puntos de conexión entre ellos y aportar datos sobre la diversificación de los arcosaurios (que incluiría a los cocodrilos, los dinosaurios y las aves).

 

"La secuenciación de tres especies diferentes de cocodrilos nos sirve para contextualizar el trabajo del estudio genómico de las aves que ahora presentamos. Los datos nos demuestran que los cocodrilos han evolucionado relativamente poco y que, por tanto, son un reflejo bastante fiable de sus antepasados ", explica Toni Gabaldón, profesor investigador ICREA en el CRG y uno de los coautores del artículo publicado en 'Science' sobre los genomas de cocodrilos.

 

"Asimismo, el hecho de compararlo con los genomas de las aves nos ha permitido reconstruir parcialmente el que sería el genoma del ancestro común de los arcosaurios, y por tanto, una herramienta muy valiosa para el estudio del origen los cocodrilos, las aves y los dinosaurios", añade el doctor Gabaldón. A su juicio, la "rápida" diversificación de las aves en muchos grupos visiblemente diferentes contrasta con la "estabilidad e inmovilidad" de los cocodrilos que se han mantenido prácticamente iguales después de muchos años de evolución.

 

"Esto nos muestra cuán relativa es la velocidad evolutiva en grupos diferentes y cómo la oportunidad de diversificación para ocupar nuevos nichos ecológicos genera diversidad morfológica y especialización muy rápidamente", concluye el investigador.

 

EL APRENDIZAJE VOCAL EVOLUCIONÓ EN DOS OCASIONES

 

Los principales artículos de este estudio indican que el aprendizaje vocal, es decir, la capacidad para emitir sonidos, modificar el tono y reproducir un sonido por imitación, evolucionó de forma independiente como mínimo, en dos ocasiones. En general, se ha descubierto que los circuitos cerebrales para el aprendizaje musical y vocal en aves y en humanos son similares, pero se ha llegado a ellos por vías diferentes en la evolución.

 

Este macroanálisis constata que los pájaros presentaban mutaciones en grupos de genes que codifican para el esmalte y la dentina y cinco de estos genes relacionados con la formación de dientes se habrían inhabilitado hace unos 116 millones de años en algún antepasado de las aves modernas.

 

Sobre la base de la evidencia fósil y molecular, los investigadores proponen un escenario de dos fases en el que la pérdida de dientes y el desarrollo pico evolucionaron juntos en el ancestro común de todas las aves modernas. En la primera etapa, la pérdida de dientes y el desarrollo del pico parcial comenzó en la parte anterior de la mandíbula superior e inferior, mientras la segunda fase consistió en la progresión concurrente de la pérdida de dientes y el desarrollo de la parte del pico anterior de ambas mandíbulas a la parte posterior.

 

Este trabajo ha analizado muestras de tejido congelado y recolectado en los últimos 30 años, provenientes de museos y otras instituciones. En concreto, se ha separado el ADN en la Universidad de Duke y en la Universidad de Copenhague y la mayoría de la secuenciación genómica y los primeros análisis se han llevado a cabo en el BGI de China, mientras el estudio filogenómico de estos datos se ha realizado entre más de 80 instituciones en el mundo.

 

EL PINGÜINO, UN AVE DE HACE 60 MILLONES DE AÑOS

 

Entre otras cosas, los investigadores este consorcio estiman que los pingüinos aparecieron por primera vez hace unos 60 millones de años. El estudio muestra que la población de pingüinos Adelia se incrementó rápidamente hace aproximadamente 150.000 años, cuando el clima se volvió más cálido, pero más tarde se redujo en un 40 por ciento hace unos 60.000 años, durante un periodo glacial frío y seco, mientras la población de pingüinos emperador se mantuvo estable, lo que sugiere que se adaptó mejor a las condiciones glaciales, por ejemplo, al ser capaces de proteger sus huevos contra temperaturas bajo cero e incubarlos en sus pies.

 

El consorcio encontró que ambos pingüinos expandieron genes relacionados con beta-queratinas, las proteínas que constituyen el 90 por ciento de las plumas, con al menos 13 genes responsables de un solo tipo de beta-queratina, que es el número más alto en comparación con todos los otros genomas de aves conocidas y todo ello explicaría su importancia para asegurar que las plumas de pingüinos sean cortas, rígidas y densamente pobladas para minimizar la pérdida de calor, siendo resistentes al agua y adyudando a nadar bajo el agua.