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La explosión cámbrica era esto

La demostración que acabamos de ver de que el precursor de todos los organismos bilaterales, al que hemos llamado Urbilateria, era un ser ya dotado de los principales sistemas genéticos complejos que construyen a los animales actuales es una gran ayuda para comprender la explosión cámbrica. El problema ya no es explicar que todos los planes generales de diseño (bauplanes), tan aparentemente dispares, aparecieran de súbito en la explosión. Sabemos ahora que esos planes no son más que variaciones secundarias sobre el bauplan original de Urbilateria. Y lo que necesitamos explicar, por lo tanto, es de dónde demonios salió ese Urbilateria y todo su equipamiento tan asombrosamente preparado para la vida moderna. Como veremos, no se trata sólo de los genes Hox. Urbilateria también inventó las tres capas germinales de todos los embriones actuales (ectodermo, mesodermo y endodermo, véase el glosario), la simetría bilateral, un cuerpo dividido al menos en cabeza, tronco y abdomen, una cuerda nerviosa central, un sistema digestivo que atraviesa el cuerpo de boca a ano y los sistemas básicos para especificar los ojos, las extremidades y varios órganos internos.

Todo ello debió evolucionar desde un ancestro que ya era un animal multicelular, sí, pero que no había llegado mucho más allá de ese logro nominal. Los seres vivos inmediatamente anteriores a Urbilateria eran toscos diploblastos (tenían ectodermo y endodermo, pero no mesodermo; véase el glosario) de forma redonda, como las anémonas, las medusas y las hidras, dotados de una poco prometedora simetría radial y carentes de todas las avanzadísimas cualidades del prodigioso Urbilateria, que acabamos de enumerar. El salto entre la hidra, que puede considerarse el más avanzado de esos precursores, y Urbilateria es, por expresarlo de manera suave, un abismo evolutivo. Para colmo, y según el mejor árbol genealógico del que disponemos en la actualidad, el que ha propuesto Conway Morris reuniendo los datos paleontológicos y moleculares, el último antecesor común de la hidra y Urbilateria (un animal diploblástico que no podía ser más complejo que la propia hidra) surgió sólo… ¡dos millones de años antes que Urbilateria! (figura 6.2). Si hemos de fiarnos del cálculo de Conway Morris, ese ridículo lapso de tiempo es todo lo que tenemos para inventar las apabullantes complejidades del mundo bilateral al que pertenecemos. Es importante, de todos modos, que recordemos que estas dataciones son todavía provisionales, y que la magnitud de esos lapsos de tiempo sufrirá con seguridad notables revisiones en los próximos años. Pero aun cuando el error del árbol de Conway Morris sea garrafal en este punto, fijémonos en lo siguiente:

El cambio desde los diploblastos (anémonas, medusas, hidras) hasta Urbilateria es —no importa qué criterio morfológico, embriológico o genético se considere— un avance evolutivo abrumadoramente mayor que cualquier cosa que haya ocurrido después en la historia natural de este planeta. Llamémoslo el Gran Salto. Si el cálculo de Conway Morris es correcto, el tiempo disponible para el Gran Salto, dos millones de años, sería comparable al que separa evolutivamente a dos especies de moscas, Drosophila mauritiana y Drosophila melanogaster, que son prácticamente indistinguibles a simple vista. Si el cálculo estuviera equivocado en diez veces, el tiempo del Gran Salto (20 millones de años) equivaldría al necesario para la divergencia de dos especies de monos no muy diferentes entre sí. Incluso si el error fuera de 100 veces (200 millones de años), lo que ya es desbarrar, el Gran Salto habría dispuesto de un tiempo comparable al de la diversificación de los mamíferos. Las diferencias entre cualesquiera dos mamíferos —ratones y primates, por ejemplo— son una verdadera nimiedad en comparación con el salto de la hidra a Urbilateria. Por mucho que se corrijan las estimaciones de Conway Morris, los tiempos no cuadrarán jamás con un modelo parsimonioso para el origen de nuestro asombroso ancestro precámbrico.

Reparemos además en que, al menos desde los tiempos de la fauna de Ediacara (hace unos 560 millones de años), los fósiles de los organismos diploblásticos son muy abundantes en todo tipo de depósitos paleontológicos. Y desde hace unos 550 millones de años (algo antes del inicio del Cámbrico), los animales bilaterales han dejado restos fósiles igualmente abundantes. Pese a ello, no hay ninguna evidencia de un intermediario evolutivo entre ambos. Más aún, todos los animales actuales son o diploblásticos o bilaterales. Tampoco por este criterio hay términos medios. ¿Recuerdan la limpia distinción entre las bacterias y las células eucariotas? O uno es una bacteria, o uno es un eucariota, o se calla uno. Pues algo parecido ocurre aquí. La transición entre los animales diploblásticos y los bilaterales, el Gran Salto, no sólo es aparentemente rápida, sino también aparentemente nítida, discreta, excluyente. ¿Qué esperanzas tenemos de resolver este enigma?

Una cuestión crucial es comprender el origen de los genes Hox. Como Urbilateria es el último ancestro común de las moscas, los humanos y las lombrices (por citar sólo tres de sus 30 millones de nietos), las propiedades de la fila Hox que sean comunes a esos tres animales, cuyos linajes llevan separados desde antes de la explosión cámbrica, debían estar ya presentes en Urbilateria. Ello quiere decir que este increíble animal poseía una fila de ocho o diez genes Hox. Y que esos genes eran esencialmente los mismos, y estaban en el mismo orden, que los genes Hox de los animales actuales. Y que su función era definir —regulando a redes completas de otros genes— las identidades a lo largo del eje del cuerpo, respetando la colinearidad entre los genes y las partes del cuerpo especificadas por los genes, desde labial hasta caudal y de cabeza a cola. ¿De dónde sacó Urbilateria toda esa arquitectura genética tan chocantemente elaborada?

Lo primero que tenemos que hacer es volver la cabeza hacia la hidra y los demás metazoos diploblásticos, los animales más avanzados que precedieron a Urbilateria. ¿Tenía la hidra algo parecido a una fila Hox? ¿Algo a lo que poder agarrarnos como punto de partida para generar con rapidez la batería ordenada de ocho o diez genes Hox que organizan el eje del cuerpo? Ya tenemos la respuesta, gracias sobre todo a las exhaustivas comparaciones de secuencia entre las hidras actuales y los animales bilaterales publicadas en abril de 2000 por el equipo de Brigitte Galliot, de la Universidad de Ginebra. Se puede afirmar con seguridad que la hidra tenía primitivamente —todavía tiene— tres genes Hox. Uno fue probablemente el precursor de labial, el primero de la fila bilateral canónica. Otro puede ser el antecesor de proboscipedia, el segundo de la fila canónica, y otro el de Abdominal-B, el noveno (o penúltimo) de la fila. No está mal, después de todo. El alivio, si se mira bien, es muy similar al que ya nos ofrecía la paleontología. La aparición en el registro fósil de los animales bilaterales es un poco menos misteriosa desde que sabemos que fue precedida por un registro abundante de organismos diploblásticos. E igualmente, la formación de la fila Hox de los animales bilaterales, con sus ocho o diez genes, es un poco menos misteriosa cuando reparamos en que los metazoos diploblásticos disponían ya de tres genes Hox. Pero ¿a qué se dedicaban esos genes en la hidra? ¿Se les puede considerar no sólo precursores en un estrecho sentido molecular (parecido de secuencia de ADN), sino también en un profundo sentido funcional? ¿Se dedicaban los genes Hox de la hidra a organizar el (escaso) repertorio de formas de este animal a lo largo de un eje? Aquí empezamos a pinchar.

Por un lado, los tres genes Hox de la hidra no parecen estar organizados en una fila a lo largo del cromosoma. Andan sueltos por el genoma. Es posible, desde luego, que hubieran formado una fila originalmente, hace unos 600 millones de años, y que se hayan separado en los representantes actuales de las hidras, que son los que utilizan los biólogos moleculares para analizar sus genes. Estas escisiones de la fila Hox original no son muy comunes en los linajes bilaterales, pero han ocurrido en ocasiones. Sin ir más lejos, y como ya hemos mencionado, la especie en la que se descubrieron los genes Hox, la mosca Drosophila, es uno de los pocos metazoos que tienen la fila partida en dos. Y Gary Struhl, de la Universidad de Columbia en Nueva York, demostró ya en los años setenta que esos dos bloques pueden separarse experimentalmente en aún más fragmentos sin que su función se resienta. El hecho de que los genes Hox aparezcan en fila es probablemente una consecuencia de que así se originaron en la evolución, no una necesidad impuesta por su función. Es perfectamente posible, por tanto, que los dos o tres genes Hox de la hidra formaran inicialmente una fila y se hayan escindido desde entonces.

Las dificultades son más graves cuando uno intenta hacerse una idea sobre la función de estos genes en la hidra. Lo ideal para esto es hacer genética clásica: inactivar los genes uno a uno y ver qué le pasa a la estructura del animal diploblástico. De momento no se ha intentado, ya que hacer genética en la hidra es difícil. Pero Brigitte Galliot y sus colaboradores han salvado esta dificultad examinando dónde y cuándo se activan los tres genes Hox en el cuerpo de la hidra, tanto en una situación normal como durante la regeneración que este animal lleva a cabo con pasmosa facilidad cuando los investigadores le cortan la cabeza, el pie o ambos. Veamos estos resultados, que están resumidos en la figura 8.1.

FIGURA 8.1: La hidra tiene tres genes Hox, aunque no forman una fila ni se activan ordenadamente a lo largo del cuerpo. Sin embargo, sí se activan con cierto orden temporal durante la regeneración del cuerpo tras un corte.

Hubiera sido bonito que los tres genes aparecieran activos en una ordenada pauta espacial, labial en lo más alto de la cabeza, proboscipedia un poco más abajo y Abdominal-B cerca de la base del pie, pero por desgracia no es así. Simplificando, los tres genes están activos en la misma zona de la cabeza, sin seguir una pauta clara en el eje anteroposterior. ¿Y durante la regeneración? Aquí sí hay una pauta, pero no es espacial, sino temporal. Tras cortarle la cabeza al animal, labial se activa muy rápidamente (a las dos horas) en la parte superior, cercana al corte, cuyas células ya están empezando a proliferar para regenerar la parte extirpada. El gen probosdpedia se activa a las 48 horas, hacia la mitad del periodo de regeneración. Y Abdominal-H no se activa hasta las 72 horas, cuando la hidra ya tiene de nuevo una cabeza completa y con sus tentáculos en buena forma. Esto no está mal, pero fíjense en la siguiente complicación: si los investigadores cortan el pie en lugar de la cabeza, es también labial el que se activa rápidamente en la zona adyacente al pie cortado, y los otros dos genes no hacen nada destacable. En suma, los resultados parecen indicar que labial y probosdpedia tienen algo que ver con el desarrollo de la cabeza de la hidra, y que el mismo labial tiene relación también con la regeneración del pie. Abdominal-B no parece hacer nada durante las fases interesantes del desarrollo, ni en la cabeza ni en el pie. Bueno, puede que no sea para tirar cohetes, pero menos da una esponja. Lo digo porque las esponjas, familiares primitivos de las hidras y demás metazoos de simetría radial, sólo tienen un gen de tipo más o menos Hox. Un gen no hace una fila, ni puede servir para establecer pautas, ni a lo largo de un eje ni en el curso del tiempo. La hidra, al menos, había empezado ya a jugar con los genes Hox. El Gran Salto de hidra a Urbilateria, pese a ello, sigue pareciendo un abismo evolutivo. ¿Cómo pudo ocurrir?

He aquí una pista. Olvidémonos por un momento de la hidra, de Urbilateria y del origen de las especies en su conjunto y miremos a los genes Hox como si no pertenecieran a ningún cuerpo, como si fueran entidades virtuales flotando en el espacio. Al igual que las especies animales actuales pueden compararse para deducir su historia evolutiva, los genes Hox actuales se pueden cotejar entre sí con el mismo objetivo. Aquí no tratamos de ver si un gusano y una mosca son primos cercanos o parientes distantes. Tratamos de ver si los genes labial y Abdominal-B, por ejemplo, tienen una relación familiar estrecha o no, independientemente de a qué cuerpo pertenezcan (recuerden que ambos genes pueden estar en el mismo cuerpo a la vez).

Pues bien, cuando hacemos esta pirueta en el vacío, se acabaron los saltos, grandes o pequeños. Tras centenares de comparaciones de ese tipo realizadas en varios laboratorios, podemos asegurar que todos los genes Hox forman una gran familia, y que pueden organizarse sin problemas en un árbol genealógico perfectamente convencional, gradual, parsimonioso, sin discontinuidades ni rarezas saltatorias, todos los genes Hox han evolucionado a partir de un único gen Hox ancestral mediante duplicaciones sucesivas y la divergencia gradual, cada vez, de los dos hijos duplicados. El gen Hox ancestral se duplicó y bifurcó para producir los precursores de labial y probosdpedia. Del precursor de labial se bifurcaron luego labial propiamente dicho y el precursor de Abdominal-B. De éste se bifurcó Abdominal-B propiamente dicho y el precursor de Zen, y así sucesivamente hasta que tenemos los ocho o diez genes de la fila Hox canónica.

¿Qué pasa entonces con el Gran Salto entre la hidra y Urbilateria? Pues que uno de los tres genes Hox de la hidra, probablemente Abdominal-B, experimentó con vertiginosa rapidez no uno, sino cuatro o cinco ciclos de duplicación y divergencia. La familia de los genes Hox, si se me permite la metáfora, sufrió un frenético proceso de especiación durante el Gran Salto: su propia explosión cámbrica, sólo que unas decenas de millones de años antes que la explosión cámbrica de verdad. Fascinante.

Ya estoy oyendo la bronca que llega desde el gallinero: ¿Cómo se puede hablar de un Gran Salto, cuando la genética subyacente nos cuenta una historia llena de divergencia gradual y parsimonia? En el capítulo 5, cuando analizamos las incursiones de Stephen Jay Gould por los heréticos territorios de la macromutación al estilo de Goldschmidt y sus «monstruos esperanzados», ya vimos que ese argumento es una falacia: lo que necesita Darwin es gradualismo en el fenotipo, en las características externas, de modo que pueda generarse un espectro continuo de variación morfológica sobre el que pueda actuar la selección natural. Me cito a mí mismo: «Si es preciso romper el genoma en mil pedazos para que a un tigre le crezca el colmillo medio milímetro, hágase, porque eso es darwinismo puro». Por el contrario, si una pequeña mutación, por más nimia que sea desde el punto de vista genético, afecta a algún proceso básico del desarrollo y provoca por tanto una gran alteración en la forma final del animal, eso no es darwinismo. Eso es lo que Gould hubiera llamado «evolución impulsada desde dentro», promovida por la lógica interna del genoma, causada por cambios en la estrategia genética básica del desarrollo, explicada por el diseño versátil del bauplan, por mucho que el resultado de esos cambios sea después pulido (o descartado) por la selección natural.

Una crítica gradualista más interesante sería ésta: en el momento en que un gen Hox (pongamos el precursor de Abdominal-B) se duplica, los dos genes hijos (pongamos Abdominal-B propiamente dicho y Zen) son idénticos y por lo tanto no provocan ningún cambio en la forma del animal. Sólo después, durante el largo y lento proceso de divergencia entre los dos genes hijos, aquella duplicación original genera gradualmente estructuras distintas. Creo que éste sí es un argumento válido en principio. Lo que ocurre es que, por todo lo que sabemos de los genes Hox, que es mucho, las cosas no funcionan de ese modo. Intentaré mostrarlo a continuación.

En primer lugar, la mera acumulación gradual de mutaciones en un gen Hox no provoca cambios graduales de forma. El gen Deformed de Drosophila y el gen Hox-4 del ser humano, por ejemplo, tienen un origen común: el gen que ocupaba la cuarta posición en la fila Hox de Urbilateria. Durante los 600 millones de años que los linajes de las moscas y de los humanos llevan evolucionando por separado, Deformed y Hox-4 han ido acumulando, cada uno por su lado, una enorme cantidad de mutaciones (muchísimas más de las que podían tener en Urbilateria dos genes Hox contiguos en la fila, recién originados por la duplicación de un solo gen de la hidra). Y, pese a ello, el gen Hox-4 humano puede curar a una mosca cuyo gen Deformed propio haya sido inactivado en el laboratorio: los dos genes, tan diferentes cuantitativamente después de 600 millones de años de evolución gradual, son intercambiables funcionalmente. Sin embargo, un gen de la fila (digamos el cuarto) nunca puede sustituir a otro (digamos el tercero), ni en la misma especie ni en dos especies distintas. Por todo lo que sabemos, esta diferencia esencial entre el gen tercero y el cuarto puede depender de muy pocos cambios en la secuencia de bases (o en los aminoácidos de la proteína correspondiente, véase el glosario, tal vez de un solo cambio crítico. Y lo que es más importante: esas diferencias críticas ya debían existir en Urbilateria. Recuerden: Urbilateria es, por definición, el último ancestro común entre la mosca y el ser humano. Puesto que tanto las moscas como los humanos contienen esas diferencias cruciales entre el gen tercero y el cuarto, y las usan para lo mismo (organizar distintas estructuras a lo largo del eje del animal), estamos forzados a concluir que las diferencias cruciales entre el gen tercero y el cuarto ya existían en Urbilateria, y también que Urbilateria utilizaba esas diferencias para lo mismo, para organizar distintas estructuras a lo largo del eje del cuerpo. Las diferencias cruciales entre los genes de la fila Hox no se han ido generando gradualmente a lo largo de los 600 millones de años de la divergencia animal: estaban ahí desde el principio, desde Urbilateria.

Sigo con otro argumento. Pese a la exhaustiva investigación sobre los genes Hox, ningún cambio gradual en uno de ellos se ha podido asociar a un caso de variación morfológica gradual. Como ya sospechó Bateson y demostró después Ed Lewis, las alteraciones en los genes Hox provocan saltos morfológicos cualitativos, sustituciones bruscas de una estructura corporal por una distinta que corresponde a otra parte del cuerpo: moscas con cuatro alas en vez de dos, o con ocho patas en vez de seis, patas transformadas por completo en antenas, vertebras dorsales convertidas en cervicales, etcétera. Las variaciones graduales del cuerpo, la materia prima de la selección natural darwiniana, no son cosa de la fila Hox, sino de decenas o centenares, quién sabe si miles de genes, con efectos mucho más modestos sobre el crecimiento celular, la diferenciación terminal y otros procesos cuantitativos.

¿Qué hay del territorio evolutivo intermedio? Quiero decir, ¿qué hay de los mecanismos evolutivos que ni son tan drásticos como el Gran Salto ni tan modestos como una pequeña alteración de tamaño? No hablamos ya de hacer que un colmillo crezca medio milímetro, pero tampoco de inventar de repente el bauplan de los artrópodos. Hablamos, por ejemplo, de diversificar el phylum de los artrópodos en sus varias grandes familias: miriápodos, crustáceos, arácnidos, insectos, etcétera. Bien, pues aquí los Hox sí tienen mucho que decir. Pero cuidado: no es que las variaciones graduales de secuencia en una proteína Hox acaben provocando la bifurcación entre los crustáceos y los insectos. Ya hemos visto que eso no ocurre nunca. Todos los artrópodos tienen la misma fila Hox, y sus genes individuales son intercambiables entre una y otra familia de artrópodos. Es la zona del cuerpo en que se activa un gen Hox concreto la que subyace a estas bifurcaciones de familias. Gracias sobre todo al magnífico trabajo del equipo de Sean Carroll, un genetista de Drosophila de la Universidad de Wisconsin (Madison, Estados Unidos), sabemos hoy que se da una buena correlación evolutiva entre la zona del cuerpo en que está activo cada gen de la fila Hox y las características estructurales de esa zona del cuerpo. Simplificando mucho, podemos visualizarlo así (figura 8.2): cuando un gen Hox se expresa en un segmento dado del cuerpo, ese segmento hace dos patas. Los miriápodos (como el ciempiés) tienen activo ese gen Hox en muchos segmentos de su cuerpo, y por eso tienen tantas patas. Los insectos (como la libélula) lo tienen activo en sólo tres segmentos, y por eso sólo tienen tres pares de patas. Los detalles son mucho más farragosos, pero este simple esquema capta la esencia del asunto.

FIGURA 8.2: Las principales diferencias morfológicas entre las distintas familias de artrópodos se deben a alteraciones en las pautas de activación espacial de los genes Hox. Los sombreados representan la activación de algunos genes Hox.

La evolución de los animales sí ha jugado con los genes Hox a lo largo de los cientos de millones de años que han transcurrido desde el Cámbrico, pero ese juego no se ha basado en la acumulación de cambios en sus proteínas (que ocurre pero no sirve de gran cosa), sino en la alteración del ADN regulador adyacente a cada gen, el ADN que le dice a cada gen dónde y cuándo tiene que activarse. Esos cambios no tienen por qué ser muy drásticos en el ADN —otra vez el gradualismo genético subyacente—, pero provocan de un plumazo grandes alteraciones en el diseño del cuerpo.

Podríamos seguir con argumentos de este tipo, pero no creo que sea necesario. Espero haber mostrado que las prodigiosas propiedades de la fila Hox no son el resultado de cientos de millones de años de evolución gradual. La fila Hox de los animales bilaterales se originó por duplicación y divergencia de un gen Hox de la hidra, sí, pero todo ese proceso de duplicación y divergencia estaba ya completado, en lo esencial, en el mismísimo Urbilateria. En los 600 millones de años que han pasado desde Urbilateria, la evolución ha jugado con la fila Hox, eso sí, pero sólo en las ocasiones más espectaculares, como la divergencia entre las distintas familias de artrópodos. Las diferencias entre un ratón y un ser humano no se explican sólo por alteraciones de la fila Hox. Las diferencias más drásticas, como la que existe entre los ciempiés y las libélulas, sí tienen que ver con la fila Hox, pero no con sus propiedades esenciales, sino sólo con la alteración de la zona del cuerpo en que se activa alguno de los genes Hox.

Mirando el problema desde el otro extremo (sus orígenes), es cierto que la fila Hox se formó siguiendo una receta genética de bifurcación progresiva, pero es muy improbable que esa receta saliera de la cocina de Darwin. Por todo lo que sabemos, la generación de repertorios continuos de variedad fenotípica (variedad en las características externas de una especie), que es la materia prima de la selección natural darwiniana, no depende de la fila Hox, sino de cientos o miles de genes de otro tipo. Así nos lo enseñó la teoría sintética de Dobzhansky y los demás neodarwinistas, y seguimos sin tener razones para dudarlo. Por lo tanto, proponer que la rápida concatenación de cuatro o cinco ciclos de duplicación y divergencia de los genes Hox estuvo guiada por la selección natural debe considerarse una hipótesis infundada, cuando no plenamente extravagante. El suceso parece más bien un espectacular ejemplo de la herejía que Gould propuso en otro contexto: la evolución promovida desde dentro, causada por la dinámica interna del genoma. La formación de la fila Hox no consiste en una mera extrapolación de pequeños ajustes darwinianos, acumulados durante miles o millones de generaciones por la acción tenaz de la selección natural. El gran paso entre los tres genes Hox de la hidra y la fila Hox de Urbilateria no es sólo la consecuencia de la selección darwiniana: en cierto modo es más bien su causa, por cuanto esa rebelión genómica inventó una estrategia de diseño multicelular tan sólida y abstracta, en los fundamentos, que podía permitirse el lujo de ser versátil y detallista en la superficie. Los pinzones de las Galápagos pudieron evolucionar gradualmente por selección natural gracias a que su cuerpo está dividido en módulos por la fila Hox. De otro modo, los mismos genes cuantitativos que contorsionaron sus picos hubieran desfigurado también sus patas, sus esternones o sus corazones, con lamentables resultados para la imagen y la salud.

Los esquemas del gradualismo darwiniano no sirven para entender las asombrosas y enigmáticas propiedades de la fila Hox. Necesitamos otro tipo de idea, y la encontraremos en el siguiente capítulo.