Com els avantpassats dels peixos marins actuals van aconseguir conquerir els oceans
Un equip internacional liderat per investigadors de l’IRTA a l’IBB-UAB identifica els gens que permeten als peixos teleostis marins hidratar els ous perquè surin i es dispersin, i aconsegueixin així sobreviure. Els mecanismes identificats aporten nova informació sobre l’evolució dels teleostis, grup al qual pertany gairebé el total dels peixos marins actuals, els avantpassats dels quals es van aventurar a passar de l’aigua dolça al domini salí.
Investigadors d’Espanya, Itàlia i Noruega aporten nous coneixements sobre com la majoria dels teleostis, que conformen el 96 % dels peixos marins actuals, van desenvolupar mecanismes d’hidratació que fan que els seus ous surin i es dispersin als oceans, en un nou estudi publicat a la revista Molecular Biology and Evolution. Els científics han descobert un grup de gens de canals d’aigua que només existeix en els teleostis. Aquests gens permeten que l’aigua flueixi a través de les membranes cel·lulars i s’expressin específicament en les membranes externes de l’ou durant la maduració.
L’estudi ha estat liderat per Joan Cerdà i Roderick Nigel Finn, investigadors de l’Institut de Recerca i Tecnologia Agroalimentàries (IRTA) i de la Universitat de Bergen (Noruega), adscrits a l’Institut de Biotecnologia i Biomedicina de la Universitat Autònoma de Barcelona (IBB-UAB). Hi han participat també investigadors de l’Institut de Ciències del Mar (ICM-CSIC), el Centre de Regulació Genòmica de Barcelona (CRG), l’Institut de Recerca Marina de Noruega (IMR) i la Universitat de Pàdua (Itàlia).
Tot i que els peixos han nedat al mar des de fa centenars de milions d’anys, no sempre ha estat així. Es considera que els seus avantpassats van evolucionar en aigua dolça. Això va suposar un gran problema fisiològic per als pioners i els seus seguidors que es van aventurar en el domini salí, ja que la concentració de sal dels seus fluids corporals era, com en els humans, molt inferior a la de l’aigua de mar. Tots els teleostis moderns reflecteixen aquesta condició i, tal com els seus avantpassats, s’enfronten a la deshidratació a causa del moviment passiu de l’aigua del seu cos cap al medi extern amb alt contingut en sal. A diferència dels humans, que no podem beure aigua de mar per la incapacitat dels nostres ronyons per eliminar l’excés de sal, els teleostis marins van desenvolupar aquesta capacitat utilitzant cèl·lules especialitzades a les brànquies. No obstant això, hi havia una important excepció. Per conquerir plenament un medi, és necessari reproduir-s’hi, però els ous unicel·lulars dels teleostis no tenen cap dels sistemes orgànics dels individus juvenils i adults i no poden beure aigua de mar. La solució adaptativa desenvolupada pels teleostis marins consisteix en el fet que hidraten els seus ous en maduració abans que siguin ovulats per proporcionar-los l’aigua necessària perquè es desenvolupin els embrions. Aquesta acumulació d’aigua determina si els ous alliberats són més pesats o lleugers que l’aigua de mar circumdant i, per tant, si s’enfonsaran en el fons marí o suraran i es dispersaran en els oceans.
Gens duplicats amb la mateixa funció
Un aspecte inusual dels gens que han identificat els investigadors és que són duplicats estretament relacionats que fan la mateixa funció. Normalment, quan sorgeixen duplicats de gens estretament relacionats, un d’ells pot adquirir una nova funció o es perd a causa de la seva redundància funcional. «En aquest cas, els nous gens conserven la mateixa funció en la mateixa membrana dels ous», assenyala Joan Cerdà.
Mitjançant el cribratge de centenars de genomes de teleostis, l’estudi revela que pràcticament totes les espècies que produeixen exclusivament ous flotants conserven almenys un dels gens, i un terç d’elles conserven tots dos gens. En canvi, gairebé la meitat de les espècies que produeixen ous que no suren en aigua de mar han perdut tots dos gens, i gairebé totes les espècies que incuben els seus ous internament, com els cavallets marins, també han perdut tots dos gens.
Per descobrir com els ous flotants utilitzen els gens, els investigadors han emprat una àmplia varietat de tècniques experimentals unides a les tecnologies més avançades de seqüenciació de l’ADN per demostrar que les proteïnes resultants de cada gen han desenvolupat mecanismes evolutius específics que controlen la seva inserció en les membranes externes dels ous. «Quan aquests mecanismes s’activen, cada canal s’uneix a una mena de proteïna fins ara desconeguda que manté els canals en la membrana», detalla Roderick Nigel Finn. Aquestes noves proteïnes descobertes pels investigadors només es troben en peixos teleostis.
Una característica que ha sorprès els investigadors és que un segon mecanisme d’activació fa que un dels canals es desplaci a una part diferent de la membrana externa de l’ou. D’aquesta manera, tots dos canals continuen exercint la mateixa funció i eviten competir pel mateix espai en la membrana. El resultat és que s’accelera el flux d’aigua cap a l’interior de l’ou en maduració. El procés finalitza quan s’alliberen les noves proteïnes d’unió, la qual cosa provoca que els dos canals abandonin la membrana externa de l’ou i l’aigua adquirida a l’interior de l’ou quedi retinguda.
El mecanisme d’hidratació és tan eficaç que dota als ous de més d’un 90 % d’aigua. Quan, un cop alliberats al medi marí, són fecundats, els ous suren com passatgers passius en els corrents oceànics i són transportats a nous horitzons.
Article: Alba Ferré, François Chauvigné, Anna Vlasova, Birgitta Norberg, Luca Bargelloni, Roderic Guigó, Roderick Nigel Finn, Joan Cerdà, Functional evolution of clustered aquaporin genes reveals insights into the oceanic success of teleost eggs, Molecular Biology and Evolution, 2023; msad071, https://doi.org/10.1093/molbev/msad071