Cómo los antepasados de los peces marinos actuales consiguieron conquistar los océanos

Investigadores de España, Italia y Noruega aportan nuevos conocimientos sobre cómo la mayoría de los teleósteos, que conforman el 96 % de los peces marinos actuales, desarrollaron mecanismos de hidratación que hacen que sus huevos floten y se dispersen en los océanos, en un nuevo estudio publicado en la revista Molecular Biology and Evolution. Los científicos han descubierto un grupo de genes de canales de agua que solo existe en los teleósteos. Dichos genes permiten que el agua fluya a través de las membranas celulares y se expresen específicamente en las membranas externas del huevo durante su maduración.

El estudio ha sido liderado por Joan Cerdà y Roderick Nigel Finn, investigadores del Instituto de Investigación y Tecnología Agroalimentarias (IRTA) y de la Universidad de Bergen (Noruega), adscritos al Instituto de Biotecnología y Biomedicina de la Universitat Autònoma de Barcelona (IBB-UAB). Han participado también investigadores del Instituto de Ciencias del Mar (ICM-CSIC), el Centro de Regulación Genómica de Barcelona (CRG), el Instituto de Investigación Marina de Noruega (IMR) y la Universidad de Padua (Italia).

Aunque los peces han nadado en el mar desde hace cientos de millones de años, no siempre ha sido así. Se considera que sus antepasados evolucionaron en agua dulce. Esto supuso un gran problema fisiológico para los pioneros y sus seguidores que se aventuraron en el dominio salino, ya que la concentración de sal de sus fluidos corporales era, como en los humanos, muy inferior a la del agua de mar. Todos los teleósteos modernos reflejan esta condición y, al igual que sus antepasados, se enfrentan a la deshidratación debido al movimiento pasivo del agua de su cuerpo hacia el medio externo con alto contenido en sal. A diferencia de los humanos, que no podemos beber agua de mar debido a la incapacidad de nuestros riñones para eliminar el exceso de sal, los teleósteos marinos desarrollaron esta capacidad utilizando células especializadas en las branquias. Sin embargo, había una importante salvedad. Para conquistar plenamente un medio, es necesario reproducirse en él, pero los huevos unicelulares de los teleósteos carecen de cualquiera de los sistemas orgánicos de los individuos juveniles y adultos y no pueden beber agua de mar. La solución adaptativa desarrollada por los teleósteos marinos consiste en que hidratan sus huevos en maduración antes de que sean ovulados para proporcionarles el agua necesaria para que se desarrollen los embriones. Esta acumulación de agua determina si los huevos liberados son más pesados o ligeros que el agua de mar circundante y, por tanto, si se hundirán en el fondo marino o flotarán y se dispersarán en los océanos.

Genes duplicados con la misma función

Un aspecto inusual de los genes que han identificado los investigadores es que son duplicados estrechamente relacionados que realizan la misma función. Normalmente, cuando surgen duplicados de genes estrechamente relacionados, uno de ellos puede adquirir una nueva función o se pierde debido a su redundancia funcional. «En este caso, los nuevos genes conservan la misma función en la misma membrana de los huevos», señala Joan Cerdà.

Mediante el cribado de cientos de genomas de teleósteos, el estudio revela que prácticamente todas las especies que producen exclusivamente huevos flotantes conservan al menos uno de los genes, y un tercio de ellas conservan ambos genes. En cambio, casi la mitad de las especies que producen huevos que no flotan en agua de mar han perdido ambos genes, y casi todas las especies que incuban sus huevos internamente, como los caballitos de mar, también han perdido ambos genes.

Para descubrir cómo los huevos flotantes utilizan los genes, los investigadores han usado una amplia variedad de técnicas experimentales unidas a las tecnologías más avanzadas de secuenciación del ADN para demostrar que las proteínas resultantes de cada gen han desarrollado mecanismos evolutivos específicos que controlan su inserción en las membranas externas de los huevos. «Cuando tales mecanismos se activan, cada canal se une a un tipo de proteína hasta ahora desconocida que mantiene los canales en la membrana», detalla Roderick Nigel Finn. Estas nuevas proteínas descubiertas por los investigadores solo se encuentran en peces teleósteos.

Una característica que ha sorprendido a los investigadores es que un segundo mecanismo de activación hace que uno de los canales se desplace a una parte diferente de la membrana externa del huevo. De este modo, ambos canales siguen desempeñando la misma función y evitan competir por el mismo espacio en la membrana. El resultado es que se acelera el flujo de agua hacia el interior del huevo en maduración. El proceso finaliza cuando se liberan las nuevas proteínas de unión, lo que provoca que los dos canales abandonen la membrana externa del huevo y el agua adquirida en el interior del huevo quede retenida.

El mecanismo de hidratación es tan eficaz que dota a los huevos de más de un 90 % de agua. Cuando, una vez liberados al medio marino, son fecundados, los huevos flotan como pasajeros pasivos en las corrientes oceánicas y son transportados a nuevos horizontes.

Artículo: 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