Mans humanes i aletes de peix: origen comú

Per ajudar els seus lectors a entendre l’evolució, Charles Darwin els va demanar que es fixessin en les seves pròpies mans. “Què pot ser més curiós que el fet que la mà d’un home -formada per agafar-, la pota d’un talp -per cavar-, la d’un cavall, l’aleta d’una marsopa i l’ala d’un ratpenat, estiguin totes construïdes amb el mateix patró i conformades per ossos semblants, en les mateixes posicions relatives?”, preguntava.

Darwin tenia una explicació ben senzilla: els éssers humans, els talps, els cavalls, les marsopes i els ratpenats comparteixen tots un ancestre comú, que va desenvolupar extremitats amb dits. Per bé que els seus descendents van desenvolupar tipus d’extremitats diferents adaptades a tasques diferents, no van perdre mai les semblances anatòmiques que en revelaven el parentiu.

Com a naturalista de l’època victoriana, Darwin comptava amb certes limitacions. El material més sofisticat que podia utilitzar per investigar era un mer microscopi. Avui dia, però, els científics donen continuïtat a la seva feina amb noves eines biològiques, i estan descobrint semblances profundes que fins ara els havien passat per alt.

Aquest mateix any, un equip de la Universitat de Chicago va publicar un article en què sosté que existeix un vincle evolutiu profund que relaciona les nostres mans no només amb les ales dels ratpenats i les peülles dels cavalls, sinó també amb les aletes dels peixos. Aquest descobriment inesperat ajudarà els investigadors a entendre com els nostres avantpassats van sortir de l’aigua, cosa que va fer que les seves aletes es transformessin en extremitats que els servissin per desplaçar-se pel medi terrestre.

Un ancestre compartit

A ull nu, la mà humana i l’aleta d’un carpí daurat, posem per cas, no s’assemblen gaire. La mà humana està situada a l’extrem del braç. Té ossos que es desenvolupen a partir de cartílag i conté vasos sanguinis. Aquesta mena de teixit s’anomena os endocondral.

El carpí daurat, per la seva banda, només desenvolupa un nucli diminut d’ossos endocondrals a la base de l’aleta. La resta de l’aleta l’ocupen radis fins fets d’un teixit completament diferent anomenat os dèrmic, que no comença sent cartílag i tampoc no conté vasos sanguinis.

Aquestes diferències han intrigat els científics durant molt de temps. Les restes fòssils demostren que compartim un ancestre aquàtic comú amb els peixos d’aletes radiades que va viure fa uns 430 milions d’anys. D’altra banda, fa 360 milions d’anys ja havien sorgit criatures dotades de quatre extremitats i una espina dorsal (el que es coneix com a tetràpodes), que després van colonitzar el medi terrestre.

Quan li surten braços a un embrió?

Durant més de dues dècades, Neil H. Shubin, un biòleg evolutiu, ha investigat aquesta transició de dues maneres radicalment diferents. D’una banda, ha desenterrat fòssils que daten del període de la transició del medi marí al terrestre. Un dels seus descobriments és un peix de fa 370 milions d’anys anomenat tiktaalik i dotat d’aletes que semblen extremitats. Aquest animal va desenvolupar ossos endocondrals que corresponen als dels nostres braços, que començaven des de l’espatlla, amb l’húmer, i seguien més avall amb el radi, el cúbit i els ossos del canell. Això sí: no tenia dits i encara presentava una franja curta de radis d’aleta.

D’altra banda, quan no excava a la recerca de fòssils, Shubin dirigeix un laboratori de la Universitat de Chicago on ell i els seus col·legues comparen el desenvolupament dels embrions dels tetràpodes (els ratolins, per exemple) amb el dels peixos. En un primer moment, els embrions d’uns i altres tenen un aspecte molt semblant: estan formats per caps i cues i, entremig, no gaire més. Més tard, els apareixen als costats dos parells de gemmes. En els peixos, es converteixen en aletes; en els tetràpodes, en extremitats.

En les últimes dècades, els investigadors han descobert alguns dels gens que regeixen aquest desenvolupament. El 1996, un equip d’investigadors francesos que estudiava els ratolins va detectar gens que són fonamentals per a la formació de les cames d’aquests rosegadors. Quan els científics desactivaven dos gens, els anomenats Hoxa-13 i Hoxd-13, els ratolins desenvolupaven ossos llargs normals a les potes, però no els apareixien ni els ossos dels canells i els turmells ni dels dits. Aquest descobriment suggeria que els gens Hoxa-13 i Hoxd-13 donen indicacions a certes cèl·lules de la gemma de les extremitats dels tetràpodes que acabaran formant mans i peus.

Shubin sabia que els peixos tenen gens relacionats amb l’Hoxa-13 i l’Hoxd-13 i es preguntava quina és la seva funció, si és que en tenen alguna, en el desenvolupament de les aletes. Experimentar amb peixos podia aportar pistes al seu equip. “Però no disposàvem dels mitjans per fer-ho, fins que la tecnologia va progressar i es va posar a l’altura de les nostres aspiracions”, explica Shubin.

A la dècada dels 90 encara no se sabia com desactivar gens d’un embrió de peix, però les coses han canviat els últims anys gràcies a una nova tècnica d’edició genòmica anomenada CRISPR. Els científics hi poden recórrer per alterar amb facilitat gens de pràcticament qualsevol espècie.

Intervenir en l’evolució

El 2013 un investigador postdoctoral del laboratori de Shubin, Tetsuya Nakamura, va començar a utilitzar el CRISPR per manipular embrions de peix. Va decidir estudiar els peixos zebra perquè el fet que els seus embrions siguin transparents fa més fàcil seguir-ne el desenvolupament.

Nakamura va inserir bocins d’ADN a les versions dels gens Hoxa-13 i Hoxd-13 dels peixos. L’ADN introduït va distorsionar la seqüència dels gens, de manera que els peixos eren incapaços de generar proteïnes a partir d’ells.

Els científics van constatar que els peixos zebra amb còpies defectuoses de tots dos gens Hox desenvolupaven aletes deformes. Tot i això, i davant la sorpresa dels investigadors, els peixos no desenvolupaven radis a les aletes. L’experiment va revelar que, en els peixos, els gens Hox controlen les cèl·lules que es converteixen en os dèrmic i no en l’os endocondral que trobem a les nostres extremitats.

Shubin es va endur una sorpresa semblant en veure els resultats d’un experiment paral·lel que va dur a terme un dels seus estudiants de postgrau, Andrew R. Gehrke, en el qual va manipular els peixos zebra per poder seguir les cèl·lules individuals al llarg del desenvolupament dels embrions.

En els peixos que Gehrke havia alterat, les cèl·lules que activaven els gens Hox van començar a brillar i van continuar brillant al llarg del seu desenvolupament fins que van arribar a la seva ubicació definitiva al cos del peix.

Gehrke va observar que hi havia un conjunt de cèl·lules que començava a produir les proteïnes Hox en l’etapa primerenca del desenvolupament de les aletes dels peixos. Quan les aletes van estar del tot desenvolupades, Gehrke es va adonar que els radis de les aletes brillaven.

En un experiment similar dut a terme amb ratolins, el que s’il·luminava eren els dits i els ossos del canell dels animals. “Estem observant que els dits i els radis de les aletes presenten una mena d’equivalència respecte a les cèl·lules que els generen”, explica Shubin. “Honestament, si em punxen, no em surt sang: anava en contra de totes les meves expectatives després de treballar durant dècades en aquest problema”, afegeix l’investigador.

El nou estudi és important perquè ha revelat que el desenvolupament de les aletes i les extremitats segueix en part les mateixes normes, afirma Matthew P. Harris, genetista de la Facultat de Medicina de Harvard. En tots dos casos, els gens Hox indiquen a un grup de cèl·lules embrionàries que han d’acabar situant-se a l’extrem d’un apèndix. “Tenen la mateixa adreça molecular”, diu Harris, que no va participar a l’estudi.