Por primera vez, esta investigación revela las claves del proceso evolutivo de unos animales subterráneos a escala macroevolutiva, que comprende entre 6 y 30 millones de años de evolución. La investigación ha descubierto que los ancestros de los escarabajos subterráneos ya sufrieron muchos cambios genómicos que posteriormente les facilitaría vivir en las cuevas.

Los resultados revelan que la ganancia de genes fue clave para la adaptación al mundo subterráneo y que los rasgos característicos de las especies subterráneas como la pérdida de la visión y de pigmentación no está necesariamente ligado a la pérdida de genes, como comúnmente se cree. El estudio ha determinado los dos modos de evolución que siguieron estos escarabajos (tanto evolución paralela como convergente), que servirán para investigar las claves de la adaptación de otros animales subterráneos.

Leptodirus hochenwartii Credito a Tvrtko Dražina

El estudio liderado por Rosa Fernández, investigadora del Instituto de Biología Evolutiva, un centro mixto del CSIC y la UPF, (IBE, CSIC-UPF), comparó diferentes linajes de escarabajos terrestres y acuáticos, de los cuales varias especies habían logrado colonizar el mundo subterráneo de manera independiente, y descubrió que ambos grupos compartían un aumento en la variabilidad genética que facilitó su posterior adaptación a las cuevas. Según los resultados, los cambios en el repertorio de genes que posteriormente facilitarían su adaptación sucedieron millones de años antes de adentrarse en este medio.

Contrariamente a la teoría más extendida, el estudio ha demostrado que fue este aumento en la diversidad genética lo que permitió la adaptación a las cuevas, y no solamente la pérdida genética asociada a los rasgos que determinan algunas adaptaciones, como la pérdida de la pigmentación o de la visión.

El estudio también ha determinado que este proceso evolutivo fue tanto paralelo, con cambios similares en los mismos genes de diferentes especies, como convergente, con cambios similares en genes distintos realizando la misma función.

La adaptación de los escarabajos a las cuevas sucedió antes de su incursión en ellas

El orden de los escarabajos se dividió en dos linajes principales hace más de 300 millones de años: uno formado principalmente por escarabajos terrestres y otro que incluiría además la mayoría de los escarabajos acuáticos. A raíz de ello, este gran orden de insectos continuó diversificándose durante millones de años hasta que varios de sus linajes conquistaron el medio subterráneo.

Este estudió comparó con herramientas de genómica comparativa especies actuales de 6 linajes distintos de escarabajos subterráneos y de superficie, los cuales provienen de linajes ancestrales muy separados. Sin embargo, no halló una gran diferencia genética entre las especies subterráneas y las de superficie, sino que en todos los casos se observaron los cambios mucho antes.

Posición filogenética y ecología de las tres tribus de escarabajos estudiadas. Fotos: Paroster macrosturtensis © P. Balart-García (arriba); Troglocharinus elongatus © A. Miralles-Nuñez (abajo). 

“Los cambios genómicos en el repertorio de genes se observan antes de la colonización de las cuevas. En estos ancestros hubo más cambios genéticos que entre las especies cercanas de las cuevas y sus especies hermanas terrestres”, afirma Rosa Fernández, investigadora principal del IBE (CSIC-UPF) que ha liderado el estudio.

Los resultados apuntan a un caso de exaptación evolutiva, que sucede cuando un rasgo, característica o estructura de un organismo o grupo taxonómico asume una función que no existía anteriormente o que difiere de la función original derivada de su evolución. Un ejemplo de ello podría ser el uso de plumas para apareamiento o vuelo en aves, que originalmente desarrollaron plumas para mantenerse calientes.

Desmontando los “naufragios evolutivos” de Darwin

La pérdida de visión y pigmentación en los animales de vida subterránea, entre otros, se relaciona con la pérdida de los genes relacionados con estos rasgos debido a un ambiente tan restrictivo como las cuevas, tal y como defiende el lema “O lo usas, o lo pierdes”. Por este motivo, Darwin creía que los animales que se adentraban en este medio eran ‘naufragios evolutivos’ que irían degenerando y que no podrían volver a emerger. Los resultados del estudio, sin embargo, lo contradicen.

La investigación descubrió que hubo más ganancia de genes que pérdida en este proceso de adaptación de los escarabajos.

“La duplicación y ganancia de genes tuvieron un papel fundamental para la colonización y posterior adaptación al medio subterráneo profundo. Este mecanismo podría ser la clave para entender mejor las adaptaciones de estos animales, más allá de la pérdida de genes”, añade Pau Balart-García, investigador en el IBE (CSIC-UPF) y primer autor del estudio.

De este modo, el estudio refuta la teoría de la simplificación del repertorio genético como mecanismo de adaptación a este medio subterráneo.

Astagobius angustatus. Credito a Tin Rožman

Desvelando las claves de la evolución de los animales subterráneos

Hasta ahora, se creía que la evolución convergente era la principal fuerza modelando los genomas de las especies de animales subterráneos, y resultaría de cambios similares en distintos genes o familias génicas que conllevarían una función muy parecida, como la pérdida de visión de los escarabajos subterráneos. La evolución paralela, en cambio, se observa entre las mismas familias génicas que sufrieron cambios similares, como expansiones o contracciones.

Este estudio pone de manifiesto que ambos modos de evolución son los responsables de facilitar la adaptación a cuevas en especies de escarabajos subterráneos totalmente diferentes. Este descubrimiento facilita la investigación de la evolución de otros animales subterráneos en futuros estudios, como los moluscos, escorpiones o salamandras, y puede ayudar a comprender con mayor profundidad la base genómica de la adaptación a las cuevas.

Artículo de referencia: 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