Clasificación de los seres vivos: de la morfología a la secuenciación del ADN

2008/02/01 Etxebeste Aduriz, Egoitz - Elhuyar Zientzia Iturria: Elhuyar aldizkaria

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(Foto: N. G.W. de Kurz Rouse/Tree of Life Web Project)

a.C. Hacia el año 350 Aristóteles hizo una clasificación de los seres vivos. Los dividió en dos grupos: el reino animal y el de las plantas. También utilizó el término especie. Sin embargo, la taxonomía real XVIII. Se puede decir que nació en el siglo XX de la mano del sueco Lineo. Lino quiso clasificar plantas, animales y minerales creados por Dios.

Según las mentalidades de su tiempo, Dios creó las cosas con un plan o orden. Y parece que el objetivo de Línea era encontrar ese orden. Así, estudió las características morfológicas y creó una clasificación jerárquica teniendo en cuenta semejanzas y diferencias. En su libro Species Plantarum describió las especies vegetales, agrupando en géneros especies similares --con características comunes– y, a su vez, los géneros en familias. Además, para designar cada especie utilizó el nombre binomial latino --Género especia-. En la actualidad, este tipo de nombres siguen siendo utilizados por científicos de todo el mundo para llamar a una especie de la misma manera, y las bases de la taxonomía actual son también las establecidas por Line.

Sin embargo, con la teoría de la evolución de Darwin, la filosofía de la clasificación de los seres cambió. De hecho, según la teoría de la evolución, de unas especies a otras surgieron a lo largo de la historia de la vida, de manera que, más que conocer los planes de Dios, desde Darwin se ha buscado una clasificación que refleje esta historia de la vida --filogenia--.

La clasificación de los seres vivos adopta la forma de un árbol llamado árbol filogenético. En uno de los extremos del árbol se encuentran los antepasados o antepasados de todos los seres vivos, y en el otro extremo todas las especies actuales. En este árbol, las especies no se recogen en género sólo por sus características similares, sino por su procedencia, y por ello tienen características similares.

En la huella de la morfología

Estos cuatro animales son moluscos. Esto significa que las características morfológicas de los cuatro han surgido de la evolución del mismo antepasado.

macrophile; sarae; D. Burdick/NOAA; J. Petersen

Las características morfológicas han sido durante mucho tiempo las principales huellas de los taxónimos para poder construir el árbol de la vida. Pero la clasificación de los seres por estas características no es una tarea sencilla. Por ejemplo, veremos a simple vista que los caracoles y los babosos tienen características similares, o chipirones, txokos y pulpos. Pero para ver que todos ellos, a otro nivel, tienen el mismo origen, hay que mirar más a fondo. Todos ellos son moluscos porque tienen el mismo modelo organizativo básico. Es decir, aunque parezca mentira, las características de los caracoles, los bazos, los chipirones, los pulpos o los mejillones pueden explicarse por la evolución de las supuestas características de un hipotético antepasado de todos los moluscos.

Para llegar a este tipo de conclusiones hay que analizar algo más que las características que están a la vista. Por ejemplo, muchas veces se encuentran pistas útiles en las primeras fases de desarrollo de los seres vivos. Por ejemplo, nuestros antepasados tenían cola y nosotros también tenemos en estado embrionario. O los embriones de las ballenas, como el resto de mamíferos, primero desarrollan cuatro patas y luego casi desaparecen.

Además, hay que tener mucho cuidado con las huellas falsas. En muchos casos, a lo largo de la evolución, diversas especies han obtenido características similares por diferentes vías. Esto es lo que se conoce como convergencia evolutiva, como son las alas de aves y murciélagos, o las estructuras en forma de aletas que los animales acuáticos han desarrollado de forma diferente. A veces está claro que los seres de características similares no tienen relación, ya que tienen muchas otras características diferentes. Sin embargo, en otras ocasiones, no es fácil saber si algunas características tienen o no el mismo origen, y si se utilizan para construir filogenia, se puede pensar que grupos alejados entre sí están cerca.

Por el contrario, los seres morfológicamente simples, como los nematodos, ofrecen muy pocas huellas. Este tipo de grupos causan grandes quebraderos de cabeza a los taxonómicos. Y no digamos en el caso de los microorganismos. Muchas veces es muy difícil clasificarlas por características morfológicas.

Así, aunque se ha trabajado mucho en la construcción de la filogenia en base a la morfología, tiene sus limitaciones. Y en algunos puntos hay grandes dificultades para avanzar sólo con la morfología.

Los animales alados han desarrollado sus alas por diferentes vías.

De archivo; Dr. Hemmert; De archivo

Historia de la vida en el genoma

En los últimos 30 años, las técnicas moleculares basadas en el ADN han sido revolucionarias en la clasificación de los seres vivos. En definitiva, los cambios en la evolución están reflejados en el genoma de los seres vivos, por lo que la información contenida en el genoma puede ser de gran utilidad para el estudio de la filogenia.

Filogenómica es el estudio de la filogenia a partir de grandes cantidades de datos genéticos. Las técnicas de secuenciación automática de PCR y ADN, por ejemplo, permiten amplificar y secuenciar muchos genes de forma relativamente sencilla y rápida. De este modo, los genéticos están golpeando y secuenciando el ADN. Ya han secuenciado genomas completos de unas mil especies y cada mes se están publicando genomas secuenciados de más especies. Y mediante la comparación de las secuencias de estos genomas --o de algunos génes- se construyen filogenias moleculares.

A lo largo del tiempo se producen mutaciones o cambios en el genoma. Estos cambios, a veces, tendrán consecuencias decisivas y avanzarán o no en función de la selección natural. Pero otros muchos cambios no tienen consecuencias significativas. Por ejemplo, en los genes hay regiones que no codifican proteínas: intronas. Los cambios que se producen en estas zonas, en la mayoría de los casos, no afectan a la selección, por lo que se van acumulando a lo largo de la evolución. Lo mismo ocurre con el ADN mitocondrial, donde se acumulan muchos cambios, el ADN mitocondrial es muy utilizado en la taxonomía molecular. Los grupos próximos entre sí experimentarán cambios similares acumulados, por lo que sus secuencias de ADN serán muy similares.

Las técnicas moleculares han permitido grandes avances en las clasificaciones de microorganismos. El estudio de la diversidad de bacterias realizado hace 10-15 años mediante secuencias de ADN dio resultados sorprendentes. La toma de muestras de diferentes medios y la amplificación y secuenciación de los genes del ARN ribosómico (SSU) permitieron observar que la cantidad de secuencias de fuego variada era entre 20 y 100 veces superior a lo observado hasta entonces en estudios basados en culturas. Además, aunque algunas de estas secuencias eran similares a las de las bacterias conocidas de los cultivados en las culturas, otras eran bastante diferentes para sugerir diferentes líneas evolutivas sin representantes conocidos.

Las técnicas moleculares han cobrado gran importancia en la taxonomía de los microorganismos.

ANDÉN

Y, a pesar de las controversias que genera, en el resto de los seres vivos cobra cada vez mayor importancia la taxonomía basada en el ADN. Tiene sus problemas, pero también sus ventajas frente a la taxonomía clásica. Por un lado, son muy útiles para aclarar muchas cosas que no pueden ser aclaradas con características morfológicas, y por otro, mucho más rápido que realizar estudios morfológicos.

A pesar del debate, parece que en la taxonomía la genética se adelantará a la morfología y, en adelante, en las secuencias de ADN podremos leer muchos pasajes sobre la historia de la vida.

Raúl Bonal: "los debates surgen porque los taxónomos clásicos han visto la filogenia molecular como una amenaza"

En el Departamento de Entomología del Natural History Museum de Londres, un equipo de investigadores dirigido por Alfried Vogler investiga la filogenia de los escarabajos basada en la secuenciación del ADN. De hecho, han publicado recientemente un árbol filogenético elaborado con 1.900 especies de escarabajo. El Dr. Raúl Bonal es un investigador de este equipo que ha respondido con muy buena voluntad a nuestras preguntas.

Parece que las técnicas moleculares están fortaleciendo la taxonomía. Eso es innegable, ¿no?

Sí, es cierto, las técnicas moleculares están revolucionando la taxonomía. Gracias a las técnicas desarrolladas en los últimos años, en la actualidad es relativamente fácil secuenciar el ADN. Y comparando los cambios que se han producido a lo largo de la evolución en diferentes genes, se pueden clasificar los seres.

Las técnicas moleculares permiten resolver en gran medida algunos problemas de la taxonomía clásica, como la convergencia evolutiva. Sin embargo, las filogenias moleculares también presentan problemas similares: a veces un cambio producido por una mutación puede ser restaurado por otra, y en estos casos no detectaremos ningún cambio, donde en realidad han existido dos cambios.

Por otro lado, es posible conocer la biodiversidad de un lugar de forma rápida, secuenciando y clasificando el ADN de los seres encontrados. Además, es muy útil para identificar algunas de las fases del ciclo de vida de algunos seres. Por ejemplo, las larvas de muchos insectos carecen de clave de identificación y pueden identificarse comparando su ADN con el ADN de los adultos identificados. Lo mismo con especies distintas (crípticas) que no pueden separarse morfológicamente, o que, por ser morfológicamente diferentes, son la misma especie. En estos casos es muy útil la secuenciación de ADN.

(Foto: S. Chozas)

Pero la taxonomía molecular genera grandes controversias...

Creo que las controversias se deben, más que a problemas técnicos, a que los taxónomos clásicos han visto la filogenia molecular como una amenaza. Por ejemplo, un taxónomo clásico, experto en un grupo de insectos, -cuyo trabajo hay que respetar y estimar- no gusta que científicos de otro campo, como el genético, empiecen a hablar de nuevas especies. Sienten que están invadiendo lo suyo.

Además, la aparición de nuevas especies es a gran velocidad y muchas veces se utilizan en filogenias sin dar nombre ni describirlas. Eso no gusta nada a los clásicos. Sin embargo, el número de nuevas especies que se concentran en algunos lugares del planeta es tan elevado que es muy difícil realizar una descripción morfológica previa a la construcción de la filogenia.

En definitiva, creo que es un enfrentamiento entre escuelas y profesionales diferentes.

Uno de los principales problemas de la taxonomía ha sido siempre el problema de la correcta definición de la especie. ¿La genética solucionará este problema?

En este cromatograma de ADN se pueden comparar las secuencias de ADN de seis individuos.

(Foto: Molecular Systematics Group, Dept. Entomology, NHM)

Definir qué es una especie es muy difícil. La definición clásica 'dura' dice que no se pueden cruzar las diferentes especies y que si se cruzan los siguientes híbridos deben ser estériles. Pero en la realidad esto no siempre se cumple. Un ejemplo son las famosas txontas de Darwin, que sin embargo se consideran especies diferentes. Por ello, la especie se define a partir de un conjunto de poblaciones que comparten unas características y que interactúan espacio-temporalmente.

Las filogenias moleculares tienen en cuenta esta última definición. En el árbol filogenético, realizado mediante la comparación de secuencias de ADN, se puede calcular, mediante cálculos estadísticos y modelos de evolución molecular, dónde comienza la especiación. Es decir, se puede dibujar una línea que corta las ramas del árbol a cierta altura, y los individuos que quedan ahí juntos pertenecen a la misma especie. Por el contrario, las ramas que se forman a partir de ahí indican la diversidad genética de una misma especie.

El concepto de especie es discutible en biología, pero la eficacia de esta forma de determinación de especies mediante secuencias de ADN está demostrada. En los casos en los que se ha realizado la prueba con especies conocidas, se han obtenido resultados muy similares a los obtenidos de forma clásica.

¿Las clasificaciones basadas en el ADN dejarán de lado la morfología?

Quizás porque pienso que tienen que llegar a hablarnos o yo creo que no. Es cierto que la genética es mucho más rápida. Mucha gente no se da cuenta de cuántas especies hay por descubrir. En los insectos, por ejemplo, se estima que pueden existir diez millones de especies y no se conoce ninguna décima. En este sentido, la morfología no puede competir con la genética.

Los escarabajos del género Curculia perforan y ponen sus huevos en las bellotas.

(Foto: R. Bonal)

Pero no creo que haya que abandonar la morfología. La descripción morfológica de las especies es importante. También pueden realizarse filogenias que combinan características moleculares y morfológicas. Además, aunque la secuenciación de ADN está cada vez más al alcance de científicos, no está al alcance de los naturalistas aficionados, por lo que es bueno tener claves morfológicas. Además, el conocimiento que tienen los taxónomos clásicos no se puede perder. Y aquí quiero denunciar que se está perdiendo porque en muchos museos no salen nuevas plazas para este tipo de profesionales.

¿Qué opinas sobre el código de barras genético?

Es una idea interesante y atractiva, casi como se hace en los supermercados: pasar un ser por un detector y decir qué especie es el detector...

Como se planteó al principio, tiene varios problemas. La idea era secuenciar un mismo gen para todas las especies y así utilizar una secuencia determinada como identificadores de cada especie. Pero las especies se definen según la clasificación clásica. De esta forma se mantienen los problemas de la taxonomía morfológica y se cometen los mismos errores. Además, para especies crípticas que no se diferencian morfológicamente pero que tienen una secuencia genética diferente, ¿qué criterio hay que tomar?

Creo que es más adecuado hacer la filogenia en base al ADN, y así utilizar la clasificación realizada para fijar el código de barras que corresponde a cada especie.

Los estudios de ADN son muy útiles para identificar las larvas de muchos insectos.

(Foto: Entomart)

Tú trabajas con coleópteros. Es el grupo más grande de insectos con una gran diversidad morfológica. ¿Qué ventajas ofrecen las técnicas moleculares en el caso de los coleópteros?

Por las características que menciona, el grupo de coleópteros es uno de los grupos que más destaca por las ventajas antes mencionadas. Con un número tan grande de especies, muchas no se conocen o se conocen mal, y en la taxonomía clásica hay muchas lagunas. En las regiones tropicales este desconocimiento es muy evidente. Además, para muchas larvas no hay claves de identificación (en algunos casos las larvas nunca se han recogido). Todos estos problemas pueden resolverse gracias a la taxonomía molecular.

¿Qué investigáis exactamente?

En nuestro grupo hay gente que trabaja con diferentes grupos de coleópteros: escarabajos más coprofos, granívoros, acuáticos... Construimos árboles filogenéticos a partir del ADN, determinamos especies... Y, además de investigar el árbol, también se investigan los patrones evolutivos de los genes.

Por otro lado, a partir de la filogenia, también investigamos la evolución de ciertas características morfológicas, ecológicas, estrategias reproductivas, etc. Yo mismo estoy investigando la evolución del tamaño corporal del género Curculio. Las larvas de estos insectos son parásitos de las bellotas. El primer paso consiste en construir una filogenia molecular y el siguiente, analizar el modelo de evolución que ha seguido el tamaño corporal en función de esta filogenia.

Precisamente, a través de estos estudios he podido comprobar algunas de las ventajas de la taxonomía molecular. En Europa hay cinco especies del género Curculio, bien conocidas. En Estados Unidos hay más especies, pero están bien estudiadas. En Centroamérica la cuestión es muy diferente. En un muestreo realizado en México durante un mes, se encontraron 20 especies, según estudios de ADN, y estimamos que teniendo en cuenta las zonas que faltan para muestrear, pueden ser cientos. Si tuviéramos que hacer este estudio de diversidad desde la morfología, necesitaríamos mucho tiempo. Además, mediante el ADN podemos introducir larvas en la filogenia que son mucho más fáciles de recoger.