Per primera vegada, aquesta recerca revela les claus del procés evolutiu d'uns animals subterranis a escala macroevolutiva, que comprèn entre 6 i 30 milions d'anys d'evolució. La recerca ha descobert que els ancestres dels escarabats subterranis van patir molts canvis genòmics que posteriorment els facilitarien viure a les coves.

Els resultats revelen que el guany de gens va ser clau per a l'adaptació al món subterrani i que els trets característics de les espècies subterrànies com la pèrdua de la visió i de pigmentació no està necessàriament lligat a la pèrdua de gens, com es creia. L'estudi ha determinat les dues maneres d'evolució que van seguir aquests escarabats (tant evolució paral·lela com convergent), que serviran per a investigar les claus de l'adaptació d'altres animals subterranis.

Leptodirus hochenwartii Crèdit a Tvrtko Dražina

L'estudi liderat per Rosa Fernández, investigadora de l'Institut de Biologia Evolutiva, un centre mixt del CSIC i la UPF (IBE, CSIC-UPF), va comparar diferents llinatges d'escarabats terrestres i aquàtics dels quals diverses espècies havien aconseguit colonitzar el món subterrani de manera independent, i va descobrir que tots dos grups compartien un augment en la variabilitat genètica que va facilitar la seva posterior adaptació a les coves. Segons els resultats, els canvis en el repertori de gens que posteriorment facilitarien la seva adaptació a aquest medi subterrani van succeir milions d'anys abans d'endinsar-se en ell.

Contràriament a la teoria més estesa, l'estudi ha demostrat que va ser aquest augment en la diversitat genètica el que va permetre l'adaptació a les coves, i no solament la pèrdua genètica associada als trets que determinen algunes adaptacions, com la pèrdua de la pigmentació o de la visió.

L'estudi també ha determinat que aquest procés evolutiu va ser tan paral·lel, amb canvis similars en els mateixos gens de diferents espècies, com a convergent, amb canvis similars a gens diferents realitzant la mateixa funció.

L'adaptació dels escarabats a les coves va succeir abans de la seva incursió subterrània

L'ordre dels escarabats es va dividir en dos llinatges principals fa més de 300 milions d'anys: un principalment format per escarabats terrestres i un altre que, a més, inclouria la majoria dels escarabats aquàtics. Aquest gran ordre d'insectes, però, va continuar diversificant-se durant milions d'anys fins que diversos dels seus llinatges van conquerir el medi subterrani.

L'estudi va comparar amb eines de genòmica comparativa les espècies actuals de 6 llinatges diferents d'escarabats subterranis i de superfície, els quals provenen de llinatges ancestrals molt separats. No obstant això, no va trobar una gran diferència genètica entre les espècies subterrànies i les de superfície, sinó que en tots els casos es van observar els canvis molt abans.

Posició filogenètica i ecologia de les tres tribus d'escarabats estudiades. Fotos: Paroster macrosturtensis © P. Balart-Garcia (a dalt); Troglocharinus elongatus © A. Miralles-Nuñez (a baix).

"Els canvis genòmics en el repertori de gens s'observen abans de la colonització de les coves. En aquests ancestres va haver-hi més canvis genètics que entre les espècies pròximes de les coves i les seves espècies germanes terrestres", afirma Rosa Fernández, investigadora principal de l'IBE (CSIC-UPF) que ha liderat l'estudi.

Els resultats apunten a un cas d'exaptació evolutiva, que succeeix quan un tret, característica o estructura d'un organisme o grup taxonòmic assumeix una funció que no existia anteriorment o que difereix de la funció original derivada de la seva evolució. Un exemple d'això podria ser l'ús de plomes per a aparellament o vol en ocells, que originalment van desenvolupar plomes per a mantenir-se calentes.

Desmuntant els "naufragis evolutius" de Darwin

La pèrdua de visió i pigmentació en els animals de vida subterrània, entre altres, es relaciona amb la pèrdua dels gens relacionats amb aquests trets a causa d'un ambient tan restrictiu com les coves, tal com defensa el lema "O ho utilitzes, o ho perds". Per aquest motiu, Darwin creia que els animals que s'endinsaven en aquest mitjà eren “naufragis evolutius” que anirien degenerant i que no podrien tornar a emergir. Els resultats de l'estudi, no obstant això, el contradiuen.

La recerca va descobrir que va haver-hi més guany de gens que pèrdua en aquest procés d’adaptació dels escarabats.

"La duplicació i guany de gens van tenir un paper fonamental per a la colonització i posterior adaptació al mitjà subterrani profund. Aquest mecanisme podria ser la clau per a entendre millor les adaptacions d'aquests animals, més enllà de la pèrdua de gens", afegeix Pau Balart-García, investigador a l'IBE (CSIC-UPF) i primer autor de l'estudi.

D'aquesta manera, l'estudi refuta la teoria de la simplificació del repertori genètic com a mecanisme d'adaptació a aquest mitjà subterrani.

Astagobius angustatus. Credit a Tin Rožman

Revelant les claus de l'evolució dels animals subterranis

Fins ara, es creia que l'evolució convergent era la principal força modelant dels genomes de les espècies d'animals subterranis, la cual resultaria de canvis similars en diferents gens o famílies gèniques que comportarien una funció molt semblant, com la pèrdua de visió dels escarabats subterranis. L'evolució paral·lela, en canvi, s'observa entre les mateixes famílies gèniques que van patir canvis similars, com ara expansions o contraccions.

Aquest estudi posa de manifest que totes dues formes d'evolució són els responsables de facilitar l'adaptació a coves en espècies d'escarabats subterranis totalment diferents. Aquest descobriment facilita la recerca de l'evolució d'altres animals subterranis en futurs estudis, com els mol·luscs, escorpins o salamandres, i pot ajudar a comprendre amb major profunditat la base genòmica de l'adaptació a les coves.

Article de referència: Pau Balart-García1*, Leandro Aristide1, Tessa M. Bradford2,3, Perry G. Beasley-Hall2,3, Slavko Polak4, Steven J. B. Cooper2,3, Rosa Fernández1* .2023. Parallel and convergent genomic changes underlie independent subterranean colonization across beetles. Nature Communications. https://doi.org/10.1038/s41467-023-39603-1