Un megaestudio genético dibuja el árbol familiar de aves, reptiles y dinosaurios

Hace 66 millones de años, los dinosaurios se extinguieron, pero algunos reptiles y aves sobrevivieron a esta extinción masiva. Las aves que sobrevivieron sufrieron una rápida evolución y una gran diversificación. Hasta ahora, explicar el árbol familiar de las aves modernas no ha sido fácil.

Gracias a la investigación de un consorcio internacional de científicos con participación de investigadores del Centro de Regulación Genómica (CRG) en Barcelona, se han obtenido nuevas pistas sobre cómo fue esta evolución. El trabajo propone además un nuevo método para el estudio filogenético basado en datos secuenciación genómica masiva.

Los más de 200 científicos de 80 instituciones repartidas en 20 países que han estudiado la genómica de las aves, liderados por Guoije Zhang del National Genebank BGI (China) y la Universidad de Copenhague (Dinamarca), han trabajado durante cuatro años en la secuenciación masiva de los genomas de 48 especies de aves y los de otros animales como los cocodrilos.

Han estudiado cuervos, patos, halcones, periquitos, grúas, ibis, pájaros carpinteros y águilas, entre otros, en representación de las principales familias de aves modernas. Los primeros resultados se publican simultáneamente en ocho artículos en la revista Science y en 15 artículos más en otras revistas científicas, como Genome Biology y GigaScience.

La genómica, una herramienta clave para explicar la evolución

Los estudios filogenéticos disponibles hasta ahora sobre la evolución de las aves modernas habían estudiado conjuntos de genes concretos que se relacionaban con características anatómicas o de comportamiento. Ahora, los resultados presentados por el Avian Phylogenomics Consortium comparan el genoma entero de todas las especies, lo que ha permitido reconstruir el árbol filogenético de las aves con mucho más detalle e incluir información sobre las relaciones de parentesco entre grupos y el momento en el que se separaron.

De las muestras de tejido muscular de aves recogidas por el Instituto Smithsonian se extrajo el ADN en la Universidad de Duke, que se envió a China para la secuenciación del genoma completo. / Duke Photo, Les Todd

Los científicos han descubierto que para poder ser minuciosos y obtener todas las tendencias en la evolución de las especies deben tener en cuenta las regiones del ADN que no codifican proteínas.

Las aves tienen pocas repeticiones de ADN y ya desde su aparición perdieron cientos de genes que compartirían ancestralmente con los humanos. En concreto, los genes que los pájaros han perdido son clave para los humanos y están implicados en funciones importantes como la reproducción, y la formación del esqueleto o los pulmones.

Sin embargo, las aves controlan estos aspectos desde otra aproximación que explicaría por qué tienen un esqueleto más ligero, un sistema respiratorio tan particular, una gran variedad de especialidades en la dieta y muchos otros rasgos característicos diferentes a los mamíferos.

Sobre pájaros y demás parientes

Además de secuenciar los genomas de 48 especies de aves, también se han secuenciado y estudiado los genomas de los reptiles actuales más cercanos a las aves: los cocodrilos. Los científicos esperaban encontrar los puntos de conexión entre ellos y aportar datos sobre la diversificación de los arcosaurios (grupo que incluiría los cocodrilos, los dinosaurios y las aves).

"La secuenciación de tres especies diferentes de cocodrilos nos sirve para contextualizar el trabajo del estudio genómico de las aves que ahora presentamos. Los datos que hemos estudiado nos demuestran que los cocodrilos han evolucionado relativamente poco y que, por tanto, son un reflejo bastante fiable de sus antepasados", explica Toni Gabaldón, jefe del grupo de Genómica Comparativa en el CRG, profesor de investigación del ICREA y uno de los coautores del papel publicado en Science sobre los genomas de cocodrilos.

"Asimismo, el hecho de compararlo con los genomas de las aves nos ha permitido reconstruir parcialmente el que sería el genoma del ancestro común de los arcosaurios, y por tanto, una herramienta muy valiosa para el estudio del origen los cocodrilos, las aves y los dinosaurios", añade Gabaldón.

Cocodrilo del norte de Australia. / Sally Isberg

Según el investigador, "la diversificación rápida de las aves en muchos grupos visiblemente diferentes contrasta con la estabilidad e inmovilidad de los cocodrilos, que se han mantenido prácticamente iguales después de muchos años de evolución". Esto muestra cuán relativa es la velocidad evolutiva en diferentes grupos y cómo la oportunidad de diversificación para ocupar nuevos nichos ecológicos genera "diversidad morfológica y especiación muy rápidamente", concluye.

Cantar, hablar, pensar

Los principales artículos del estudio indican que el aprendizaje vocal –la capacidad para emitir sonidos, modificar el tono y reproducir un sonido por imitación– evolucionó de forma independiente en dos ocasiones, como mínimo. En general, se ha descubierto que los circuitos cerebrales para el aprendizaje musical y vocal en aves y en humanos son similares, pero se ha llegado a ellos por vías diferentes en la evolución.

Algunos de los trabajos destacan que la mayoría de los genes relacionados con el aprendizaje vocal están implicados en la formación de conexiones neuronales.

En otro de los trabajos publicados en Science, los científicos han comparado los pájaros actuales con especies de vertebrados y han constatado que los pájaros presentaban mutaciones en grupos de genes que codifican para el esmalte y la dentina. Cinco de estos genes relacionados con la formación de dientes se habrían inhabilitado hace más de 100 millones de años, en algún antepasado de las aves modernas.

Este trabajo ha sido todo un reto. Los científicos analizaron muestras de tejido congelado y recolectado en los últimos 30 años, procedentes de museos y otras instituciones. En la Universidad de Duke y en la Universidad de Copenhague se separó el ADN. La mayoría de la secuenciación genómica y los primeros análisis se realizaronen el BGI de China y el estudio filogenómico de estos datos se compartió entre más de 80 instituciones en el mundo.