El pico de los pinzones de Darwin

Por Javier Novo, Profesor de Genética de la Universidad de Navarra, publicado en a100ciacierta, el 12 de Febrero de 2015

No sé si los editores de Nature tenían en la cabeza la coincidencia de fechas, pero la publicación ayer de un artículo sobre los genes que regulan la forma del pico de los pinzones de las Islas Galápagos viene que ni pintado para celebrar el aniversario del nacimiento de Darwin, un 12 de febrero hace 206 años. La investigación está firmada, entre otros, por el archifamoso matrimonio Grant, que durante más de 30 años ha estado observando el comportamiento y recogiendo muestras de estos pájaros. Gracias a su paciente trabajo, ahora se ha podido leer el genoma completo de 120 ejemplares de las 15 especies de pinzones que viven en el archipiélago. El análisis de estos datos ha identificado algunas regiones que controlan la forma del pico de estos pájaros, pero además tiene implicaciones que van mucho más allá y que intentaré transmitir en este post. Pero para eso hay que comprender, hasta donde sea posible, la ciencia que hay detrás.

El genoma colectivo de las 15 especies de pinzones estudiadas revela una gran diversidad. En un genoma de tamaño cercano a los mil millones de nucleótidos, con unos 16.000 genes codificantes de proteínas, los investigadores han encontrado más de 40 millones de variantes genéticas del tipo conocido como SNPs (single nucleotide polymorphisms), o sea, cambios de una sola letra. Dentro de cada especie, dos individuos tienen entre 1,5 y 4 millones de diferencias entre ellos, en promedio. Este grado de diversidad genética es bastante alto considerando que se trata de especies que se han diferenciado hace relativamente poco, en el último millón y medio de años cuando llegaron a esas islas desde el continente americano.

“El análisis del genoma de 15 especies de pinzones revela un grado de diversidad genética bastante alto, considerando que se trata de especies que se han diferenciado hace relativamente poco”

Esta expansión rápida tras la colonización de las islas, que los científicos denominan radiación, es una de las causas de que la clasificación de estas especies, siguiendo únicamente criterios morfológicos, sea complicada. Además, las condiciones ambientales han cambiado de modo a veces drástico, como en la sequía de 1985 que provocó la aparición de picos más finos en la especie Geospiza fortis de la isla Daphne Mayor. Los investigadores confiaban que la lectura y comparación de los genomas completos de todas estas especies resolvería alguno de estos problemas, y realmente así ha sido. De hecho, documentan que ha habido bastante flujo genético de unas especies a otras, un fenómeno que los expertos llaman introgresión, lo cual indica que no están totalmente aisladas entre sí desde el punto de vista reproductivo: de ahí que algunos caracteres morfológicos aparezcan en especies distintas y en islas diferentes. A un nivel más filosófico, esto también muestra la insuficiencia de las definiciones clásicas de especie, porque las poblaciones de animales tienen barreras difusas y siguen una dinámica que se resiste a nuestra obsesión por sistematizar y clasificarlo todo.

Esto se ve muy bien en uno de los caracteres mejor estudiados en estos pinzones: el pico. Básicamente hay dos tipos extremos de pico, picos romos, robustos, y picos más finos y puntiagudos. Algunas especies sólo muestra picos de un tipo, como Geospiza magnirostris de la isla Genovesa (con picos romos). Otras especies tienen distintos tipo de pico según la isla que habitan, siendo el mejor ejemplo la especie Geospiza conirostris que muestra picos romos en la isla Española pero picos finos en la isla Genovesa. El caso extremo sería Geospiza fortis, que dentro de la misma isla Daphne Mayor muestra picos de ambos tipos. Los científicos querían encontrar las regiones del genoma que puedan explicar esta variabilidad, y para ello compararon los genomas de las especies más extremas en cuanto al tipo de pico: los G. magnirostris y G. conirostris de Española por un lado, frente a G. conirostris de Genovesa (y otra especie con picos finos) por otro.

“El análisis de 335 polimorfismos en el gen ALX1 muestra que los pinzones con pico fino son homocigotos para los alelos más antiguos, mientras que los pinzones de pico romo han sustituido esos polimorfismos por una variante más moderna”

Los detalles del análisis no son del caso, pero baste decir que calcularon el índice de fijación de Wright a lo largo de todo el genoma de estas especies, buscando regiones en las que la variabilidad genética hubiese disminuido mucho en uno de estos grupos (por haber fijado uno de los dos posibles alelos). De las 15 regiones más significativas, se centraron en una que contiene el gen ALX1, que curiosamente es un gen homeobox relacionado con la formación de las estructuras de la cara. En humanos, la mutación de este gen da lugar a malformaciones faciales, lo cual le hace un magnífico candidato a controlar también la forma del pico en los pinzones. Pues bien, el análisis identificó una región de 240 kilobases con 335 SNPs que discriminaban perfectamente los dos tipos de pico. Los pinzones con pico fino eran homocigotos para los alelos más antiguos, mientras que los pinzones de pico romo habían sustituido esos 335 polimorfismos por una variante más moderna.

El resultado es espectacular, pero la cosa no queda ahí. Al ver qué sucedía en los genomas de otra especie de pinzones de pico fino (Geospiza difficilis) los investigadores comprobaron que tienen únicamente los alelos correspondientes a ese tipo de pico. Y lo más increíble es el caso de Geospiza fortis, que como se recordará muestra gran variedad de tipos de pico: los alelos de tipo “fino” aumentan significativamente en los pájaros de esta especie que tienen picos más finos, y los alelos de tipo “romo” en los que tienen picos más romos.

“Los investigadores han evidenciado la importancia de la introgresión y el flujo genético en la radiación adaptativa de estos pájaros, y de paso han propuesto una nueva clasificación más acorde con los resultados genómicos”

Evidentemente, es poco probable que la estructura del pico esté controlada sólo por un gen, aunque se trate de un gen homeobox que activa a otros genes. Aún así, los datos demuestran que la variación de un gen o unos pocos genes es capaz de orquestar cambios globales en las redes transcripcionales que regulan el desarrollo embrionario de una estructura compleja como el pico. Al mismo tiempo, los investigadores han evidenciado la importancia de la introgresión y el flujo genético en la radiación adaptativa de estos pájaros, y de paso han propuesto una nueva clasificación más acorde con los resultados genómicos. Lo cual no es poco. Felicidades, señor Darwin…