La transició des del medi aquàtic fins al terrestre de la vida animal ha estat un dels reptes evolutius més importants. Aquest procés decisiu en l’evolució de la vida al planeta va requerir una profunda renovació del genoma. Però, quins canvis van experimentar els genomes per facilitar el pas cap al medi terrestre? Ara, un estudi publicat a la revista
Nature reconstrueix les adaptacions principals del genoma en diferents moments del procés de transició evolutiva cap als ecosistemes terrestres. Els resultats mostren que, tot i que cada llinatge va seguir camins evolutius propis, moltes de les funcions adaptatives van aparèixer de manera independent i també repetida.
L’estudi el lideren Marta Álvarez-Presas, actualment a la Facultat de Biologia i l’Institut de Recerca de la Biodiversitat (IRBio) de la Universitat de Barcelona, i Jordi Paps Montserrat, de la Universitat de Bristol (Regne Unit). La primera autora és Jialin Wei, estudiant de doctorat sota la direcció d’Álvarez-Presas i Paps.
La recerca perfila per primera vegada una visió global dins una escala temporal de la colonització terrestre dels animals i revela que bona part de l’adaptació a la vida fora del medi aquàtic és un procés sorprenentment previsible per donar resposta als mateixos reptes ambientals.
Com va ser la transició cap al medi terrestre?
A diferència de les plantes, l’estudi de la base genòmica de la terrestrialització animal encara està poc caracteritzat perquè molts grups clau no han estat gaire estudiats a escala genòmica. Més darrerament, s’han impulsat diverses iniciatives per seqüenciar aquests genomes, una informació que comença a estar disponible per a la comunitat científica per impulsar nous estudis sobre gens i evolució.
Per intentar resoldre algunes d’aquestes incògnites, l’equip ha analitzat 154 genomes de 21 fílums animals per reconstruir les adaptacions genòmiques associades a onze esdeveniments independents de terrestrialització. El treball aplica un enfocament integratiu i combina l’anàlisi genòmica comparativa, l’anotació funcional i la reconstrucció evolutiva de l’escala temporal.
«En l’estudi, hem constatat que tots els llinatges terrestres, tot i evolucionar per separat, han guanyat i perdut gens de manera convergent per fer front als reptes del medi terrestre. Les innovacions més recurrents estan relacionades amb l’osmoregulació —control de l’aigua i les sals del cos per no deshidratar-se ni saturar-se d’aigua—, la protecció davant l’estrès ambiental, la immunitat, el metabolisme, la percepció sensorial i la reproducció», detalla Marta Álvarez-Presas, del Departament de Biologia Evolutiva, Ecologia i Ciències Ambientals.
«Les pèrdues gèniques també han tingut un paper important en la transició a la terra; algunes han coincidit en diferents grups», diu Jialin Wei, primera autora del treball.
«Altres canvis, però, són exclusius de cada grup i reflecteixen camins evolutius particulars», afegeix Jordi Paps, colíder del treball.
Un procés independent que es repeteix en diversos llinatges
La terrestrialització s’ha produït múltiples vegades de manera independent dins dels diferents llinatges del regne animal. No obstant això, cadascun d’aquests experiments naturals d’adaptació al medi terrestre va haver de superar reptes fisiològics i ambientals similars.
En aquest context de reptes per a la supervivència, la convergència evolutiva ha tingut un paper crucial. «Moltes adaptacions genòmiques a la vida animal terrestre són convergents, cosa que suggereix respostes moleculars àmpliament predictibles. Enfrontats a reptes ecològics similars, com ara el risc de dessecació o la baixa salinitat, els animals que han colonitzat la terra han arribat repetidament a solucions moleculars semblants. Això mostra que hi ha respostes que la vida tendeix a repetir quan s’enfronta a les mateixes pressions evolutives», indica Álvarez-Presas.
El nou estudi revela que l’evolució és alhora predictible i contingencial. Hi ha adaptacions que emergeixen una vegada i una altra perquè són necessàries per viure fora de l’aigua. «Però cada llinatge també segueix un camí propi, condicionat pel seu passat evolutiu i el seu ambient i pressions associades. La terrestrialització exemplifica aquest equilibri: es repeteixen patrons, però mai de manera idèntica», detalla la investigadora.
Els llinatges que han fet una transició evolutiva cap al medi terrestre mostren una forta renovació gènica, especialment aquells que són completament terrestres, que presenten més guanys de gens nous per regular l’aigua i a la protecció davant un ambient molt més sec com el terrestre.
«Per exemple, els vertebrats terrestres i el grup dels mol·luscs terrestres, com ara cargols i llimacs que trobem als nostres jardins, són dels que incorporen més novetats, com l’expansió de famílies gèniques relacionades amb el transport d’ions o modificacions específiques en el metabolisme per reduir la pèrdua d’aigua», apunta Wei.
«També hem trobat pèrdues convergents de gens associats a la regeneració en diversos grups terrestres, una funció que possiblement sigui menys essencial fora del medi aquàtic. Tot i això, una cobertura genòmica encara incompleta pot fer créixer aquestes xifres a mesura que incorporem més espècies en futures anàlisis».
Reescriure la història evolutiva al planeta
Un dels resultats més sorprenents del treball ha estat la identificació de tres grans onades de terrestrialització —que coincideixen amb grans canvis ecològics globals—, així com el fet que hi hagi funcions similars entre llinatges que es van separar fa més de 500 milions d’anys.
«Aquest patró temporal ens dona una perspectiva única sobre com s’ha anat reescrivint la vida terrestre en les diferents èpoques geològiques. A més, tot i que era esperable, és notable l’abast de la renovació genòmica que hem detectat i la recurrència de funcions d’osmoregulació en tots els grups, fet que confirma que mantenir l’equilibri hídric i iònic va ser un “coll d’ampolla” per conquerir la terra», conclou la investigadora.