En lo profundo de los ecosistemas acuáticos de todo el mundo, ciertas especies de sapos han logrado sobrevivir a un cambio climático más cálido y seco. Pero el método detrás de su adaptación metamórfica al cambio ambiental a lo largo del tiempo ha desconcertado a los científicos durante mucho tiempo, hasta ahora.
La investigación en la Universidad de Cincinnati revela cómo ciertas especies de sapos de espuelas regordetes logran aumentar sus períodos larvales. Instintivamente regulan su producción de hormonas alterando sus calendarios de desarrollo, todo en una respuesta adaptativa a los cambios en su entorno.
Daniel Buchholz, profesor asociado de la UC y biólogo del estudio, atribuye este proceso de supervivencia a una teoría llamada «adaptación genética»: cambios hereditarios que ocurren en respuesta a un entorno cambiante.
«Descubrimos que cuando ciertas especies combinaban hormonas del estrés producidas por la glándula suprarrenal con hormonas producidas en la glándula tiroides, esto era clave para acelerar su desarrollo y acortar los períodos larvarios. Este proceso ayuda a asegurar que se metamorfoseen o eclosionen antes de que el estanque se seque. , afirma Buchholz.
El estudio, publicado recientemente en Comunicaciones de la naturalezaarroja luz sobre cómo la metamorfosis es controlada por cambios hormonales en ciertas especies de sapos de espuelas, apoyando la teoría de la modificación genética a través de la «plasticidad fenotípica» o un cambio en las características físicas de cualquier planta, animal o microbio como reacción a cambios en su entorno a lo largo del tiempo.
La vida encuentra un camino
Para ilustrar este fenómeno, los investigadores recorrieron el mundo y recolectaron tres especies dentro de la familia de las patas de espuelas. Compararon los cultripes Pelobates de Doñana, España, con dos especies diferentes de Arizona.
En experimentos controlados en el laboratorio de la UC, Buchholz y Saurabh Kulkarni, estudiante graduado de biología de la UC en ese momento y primer autor de la publicación, compararon los períodos larvales directamente entre sí sin impacto ambiental externo.
Descubrieron que las especies españolas y americanas autóctonas de estanques permanentes y semipermanentes tenían un control más flexible sobre su desarrollo y podían activar su propia metamorfosis cuando percibían que su estanque se estaba secando demasiado pronto.
Por otro lado, la especie desértica Scaphiopus couchii del suroeste seco de Estados Unidos ya había desarrollado períodos larvales cada vez más cortos, principalmente en respuesta a las condiciones ambientales que gradualmente se volvieron más efímeras o de corta duración con el tiempo. En esta etapa de evolución, los sapos del desierto no pudieron reaccionar al nivel del agua del estanque y sus breves períodos larvales ahora estaban fijos.
Si bien muchos de una especie dada morirán si se les introduce un cambio profundo en su entorno, argumenta Buchholz, algunos de los más fuertes y saludables de la especie eventualmente evolucionarán para sobrevivir en un nuevo entorno en una evolución por selección natural. Pero Buchholz dice que el problema clave con estas especies del desierto es: «¿Cómo ocurrió exactamente ese proceso?»
«Uno de los efectos del rápido desarrollo larvario en los sapos del desierto es que no tienen ciertas características físicas que tienen sus primos en ambientes más húmedos», dice Buchholz. «Por ejemplo, la pata de espuela del desierto es más pequeña y no tiene los tubérculos metatarsianos para cavar, y no tienen las gónadas diferenciadas en ese punto.
«Así que hay consecuencias por tener esta rápida metamorfosis».
Pero las modificaciones genéticas a lo largo del tiempo permitieron a las especies del desierto no solo sobrevivir sino también prosperar en este nuevo entorno previamente inhóspito.
¿Cuál vino primero?
En el complejo ciclo de supervivencia, los investigadores se preguntaron si los genes cambiaron primero o si una plasticidad fenotípica permitió la supervivencia que posteriormente permitió que sus genes cambiaran para finalmente sobrevivir en las piscinas del desierto.
Los investigadores dicen que su evidencia es la mejor hasta ahora para mostrar cómo las diferencias entre especies pueden surgir directamente como consecuencia de la evolución de la plasticidad fenotípica en un entorno cambiante.
Por ejemplo, otros científicos han demostrado efectos similares en poblaciones experimentales de insectos o dentro de especies con varias poblaciones que viven en diferentes entornos. Pueden ver cambios en el fenotipo porque han estado viviendo en diferentes entornos. Pero los investigadores dicen que este estudio es el ejemplo más claro en el que las diferencias entre especies pueden entenderse en función de la evolución a partir de la plasticidad fenotípica.
«Una de mis preguntas básicas ha sido: ‘¿Por qué estas especies animales y humanas se ven diferentes entre sí?'», pregunta Buchholz.
«Lo que hemos encontrado sobre una parte importante no apreciada de la explicación es que las diferencias entre especies en las características físicas pueden ser causadas inicialmente por niveles de hormonas sensibles al medio ambiente que controlan el desarrollo, seguidos de cambios genéticos que establecen la forma física o la diferencia morfológica».
Eres lo que hicieron tus antepasados
Si las hormonas controlan el desarrollo y esas hormonas son un sistema que responde al medio ambiente, Buchholz dice que el medio ambiente puede transmitir una señal ambiental a través de la temperatura, la comida, los depredadores, el estrés y cualquier cosa que pueda impactar al animal lo suficiente como para activar las señales hormonales que lo ayuden. adaptarse a esos estresores ambientales.
De manera similar, los humanos pueden alcanzar diferentes tamaños corporales y condiciones de la piel dependiendo de sus dietas, actividad, estrés y otros factores ambientales.
Él dice que las diferencias entre las especies pueden evolucionar a través del cambio de sus características físicas ancestrales, lo que explica cómo algunos cambios pueden fijarse a través del proceso de adaptación genética.
«Creemos que los ancestros permitieron la supervivencia en el desierto porque sus características físicas eran flexibles y pudieron responder a una piscina seca enloqueciendo y teniendo un aumento en la tasa metamórfica inducido por el estrés», dice Buchholz. «Esto les permitió acortar sus períodos larvarios de meses y semanas a solo días al activar las hormonas del estrés de corticosterona que actúan de forma sinérgica con las hormonas tiroideas para acelerar la metamorfosis y acelerar el desarrollo.
«Eventualmente, esta capacidad se vuelve fija ya que las especies del desierto constantemente encontraron estanques de corta duración. Esto permitió que los renacuajos usaran pulmones recién desarrollados para escapar del estanque que se estaba secando y moverse con seguridad hacia la tierra».
Cambios impulsados por el clima
Buchholz sostiene que las especies que viven en estanques permanentes o semipermanentes pueden provocar su propia metamorfosis cuando sienten que su estanque se está secando demasiado rápido.
Las glándulas tiroides son críticas en el desarrollo de las ranas, al igual que en los humanos, pero los sapos de espuelas también activan sus glándulas suprarrenales. Esto produce una hormona del estrés que acelera la metamorfosis en especies con períodos larvarios naturalmente más largos.
«Con el tiempo, los sapos del desierto más pequeños que sobrevivieron a un proceso de selección natural desarrollaron una metamorfosis más rápida, pero ahora carecen de la capacidad de cambiar su tasa de desarrollo en respuesta a nuevos cambios ambientales», dice Buchholz. «Otra estrategia para sobrevivir en los estanques del desierto que se observa en otras especies de patas de espuelas es volverse carnívoro cuando el número de renacuajos es alto para aprovechar una fuente de alimento altamente nutritiva, lo que ayuda a aumentar su tasa de crecimiento y desarrollo».
Este estudio caracterizó las diferencias en el crecimiento y desarrollo de las especies en diferentes condiciones de secado del estanque y muestra claramente cómo la evolución de la plasticidad fenotípica dentro de las especies puede explicar las diferencias físicas entre especies a través del proceso de acomodación genética, dicen los investigadores.
«Quedan dudas sobre si los mecanismos detallados en nuestro documento pueden aplicarse a las especies que se enfrentan al cambio climático moderno que está ocurriendo a un ritmo tan rápido». añade Buchholz.
