¿Como surgió la inteligencia en nuestro mundo?

Si la evolución  volviera a suceder aquí en la Tierra, ¿surgiría el mismo tipo de inteligencia por segunda vez? Y si lo hiciera, ¿podría aparecer en alguna otra rama del árbol animal?

El cerebro del ctenóforo, o nuez de mar, algo parecido a una medusa,  sugiere que, si la evolución comenzara de nuevo, la inteligencia volvería a emerger porque la naturaleza camina siempre por la misma senda.

Leonid Moroz, neurocientífico,  ha pasado dos décadas tratando de comprobar una idea sorprendente: la existencia de animales de biología y  cerebro completamente diferentes, aquí mismo en la Tierra. Esos “aliens” se han escondido a plena vista durante milenios. Tienen mucho que enseñarnos sobre la naturaleza de la evolución y sobre lo que podemos esperar cuando descubramos la vida en otros mundos.

Moroz había dedicado años de investigación a estudiar los sistemas nerviosos en todo el reino animal, con la esperanza de comprender el origen evolutivo de los cerebros y la inteligencia.

El ctenóforo fue considerado durante mucho tiempo simplemente otro tipo de medusa. Pero Moroz hizo un descubrimiento sorprendente: debajo del monótono exterior de este animal, había un caso monumental de identidad equivocada. Desde sus primeros experimentos, pudo ver que estos animales no estaban relacionados con las medusas. De hecho, eran profundamente diferentes de cualquier otro animal en la Tierra.

Moroz llegó a esta conclusión buscando en las células nerviosas de los ctenóforos  los neurotransmisores serotonina, dopamina y óxido nítrico, mensajeros químicos considerados el lenguaje neuronal universal de todos los animales, asi como los respectivos receptores. Pero por más que lo intentaba, no podía encontrar estas moléculas. Las implicaciones eran profundas.

El ctenóforo ya era conocido por tener un sistema nervioso relativamente avanzado; pero estos primeros experimentos de Moroz mostraron que sus nervios se construyeron a partir de un conjunto diferente de bloques de construcción moleculares -diferentes de cualquier otro animal- usando 'un lenguaje químico diferente', es decir,  estos animales son 'extraterrestres del mar'.

Si Moroz tiene razón, entonces el ctenóforo representa un experimento evolutivo de proporciones deslumbrantes, que ha estado funcionando durante más de medio billón de años. Esta vía de evolución separada, una especie de Evolution 2.0, ha inventado neuronas, músculos y otros tejidos especializados, independientemente del resto del reino animal, utilizando diferentes materiales de partida.

Este animal, el ctenóforo, proporciona pistas sobre cómo podría haber evolucionado la evolución si no hubiera sido por el advenimiento de vertebrados, mamíferos y humanos, que llegaron a dominar los ecosistemas de la Tierra. Arroja luz sobre un debate profundo que se ha desatado durante décadas: cuando se trata de analizar la vida en la Tierra, ¿cuánto de eso sucedió por puro accidente y cuánto fue inevitable desde el principio?

El ctenóforo ofrece algunas pistas tentadoras al mostrar cuán diferentes pueden ser los cerebros. Los cerebros son el caso más importante de la evolución convergente: el proceso por el cual las especies no relacionadas desarrollan rasgos similares para sobrevivir en el mismo tipo de mundo. Los humanos podríamos haber desarrollado un intelecto sin precedentes, pero el ctenóforo sugiere que quizás no estemos solos. La tendencia de los sistemas nerviosos complejos a evolucionar es probablemente universal, no sólo en la Tierra, sino también en otros mundos.

El  ctenóforo es poco conocido. Su cuerpo se parece superficialmente al de una medusa: gelatinosa, oblonga o esférica, con una boca circular en un extremo. Los ctenóforos son abundantes en los océanos, pero los científicos los descuidaron durante mucho tiempo.

A diferencia de la medusa, que usa los músculos para mover su cuerpo y nadar, el ctenóforo usa miles de cilios para nadar. Y a diferencia de las medusas con sus tentáculos punzantes, el ctenóforo caza con dos tentáculos pegajosos que secretan cola, una adaptación sin paralelo en el resto del reino animal. El ctenóforo es un depredador voraz, conocido por sus tácticas de emboscada. Caza extendiendo sus tentáculos ramificados y pegajosos para formar algo así como una telaraña, y atrapa a su presa meticulosamente, una por una.

Cuando los científicos comenzaron a examinar el sistema nervioso del ctenóforo a fines del siglo XIX, lo que veían a través de sus microscopios parecía normal. Una gruesa maraña de neuronas se encontraba cerca del polo sur del animal, una red difusa de nervios extendidos por todo su cuerpo, y un puñado de gruesos paquetes de nervios extendidos a cada tentáculo y a cada una de sus ocho bandas de cilios. Los estudios del microscopio electrónico en la década de 1960 mostraron lo que parecían ser sinapsis entre estas neuronas, con compartimentos similares a burbujas listos para liberar neurotransmisores que estimularían la célula vecina.

Los científicos inyectaron calcio a las neuronas de los ctenóforos vivos, lo que les provocó el impulso de pulsos eléctricos, tal como sucede en los nervios de ratas, gusanos, moscas, caracoles y cualquier otro animal. Al estimular los nervios adecuados, los investigadores incluso pudieron provocar que sus cilios giraran en diferentes patrones, haciendo que nadara hacia delante o hacia atrás.

En resumen, los nervios del ctenóforo parecían formarse y actuar como los de cualquier otro animal. 

Entonces los biólogos supusieron que eran lo mismo. Esta visión de los ctenóforos reproducía una narración más amplia sobre la evolución de todos los animales, una que también resultaría errónea.

En la década de 1990, los científicos habían colocado a los ctenóforos en el árbol animal de la vida, en una rama al lado de los cnidarios, el grupo que incluye medusas, anémonas de mar y coral. Las medusas y los ctenóforos tienen músculos, y ambos tienen sistemas nerviosos difusos que no se han condensado completamente en un cerebro. Y, por supuesto, ambos tienen cuerpos que son famosos por ser suaves, ondulados y, a menudo, transparentes.

En el árbol evolutivo, debajo de los ctenóforos y las medusas, había otras dos ramas de animales que eran claramente más primitivas: los placozoos y las esponjas marinas, que carecían de células nerviosas de ningún tipo. La esponja en particular parecía apenas estar en la cúspide de la animalidad: no fue hasta 1866 que el biólogo inglés Henry James Clark demostró que la esponja era, de hecho, un animal.

Esto ayudó a consagrar a la esponja como nuestro vínculo vivo más cercano a un mundo antiguo, pre-animal de protistas unicelulares, similar a la ameba moderna y el paramecio. Los investigadores razonaron que las esponjas habían evolucionado cuando los antiguos protistas se reunieron en colonias, con cada célula utilizando sus estructuras parecidas a un flagelo similar a los cilios, para alimentarse en lugar de nadar.

Esta narración apoyaba la opinión conveniente de que el sistema nervioso había evolucionado gradualmente, hacia una mayor complejidad, con cada rama sucesiva del árbol animal. Todos los animales eran hijos e hijas de un solo momento de creación evolutiva: el nacimiento de la célula nerviosa. Y solo una vez, en la evolución posterior, esas neuronas cruzaron un segundo umbral trascendental: se agregaron formando un cerebro centralizado. Este punto de vista fue reforzado por otra línea de evidencia: las sorprendentes similitudes en la forma en que las células nerviosas individuales se organizan tanto en insectos como en humanos, en los circuitos neuronales subyacentes a la memoria episódica, la navegación espacial y el comportamiento general. De hecho, los científicos sostuvieron que el primer cerebro debe haber aparecido bastante temprano, antes de que los antepasados ​​de los insectos y los vertebrados se separaran en diversas  formas evolutivas. Si esto fuera cierto, entonces los 550 a 650 millones de años transcurridos desde ese evento representarían una sola trama, con múltiples linajes animales elaborados sobre el mismo patrón cerebral básico a lo largo de la cadena.

Esta imagen de la evolución del cerebro tenía sentido, pero Moroz comenzó a sospechar que estaba profundamente equivocada. Para demostrar su corazonada, recolectó varias especies de ctenóforos. Cortó sus tejidos neurales en finas láminas y los trató con reactivos químicos que indicarían la presencia de dopamina, serotonina u óxido nítrico, tres neurotransmisores que están diseminados por todo el reino animal. Una y otra vez, miró al microscopio y no vio rastros de las manchas amarillas, rojas o verdes, que deberían haber aparecido.

Una vez que repites los experimentos, obteniendo un resultado inesperado, según Moroz: "Comienzas a darte cuenta de que es un animal realmente diferente". Conjeturó que el ctenóforo no era solo diferente de su supuesto grupo hermano, la medusa. También era muy diferente de cualquier otro sistema nervioso en la Tierra.

El ctenóforo parecía haber seguido un camino evolutivo completamente diferente, pero Moroz no podía estar seguro, por lo que trató de aquilatar su conocimiento sobre esta especie. Así que recurrió al análisis genético de individuos de esta especie, hasta conseguir un "transcriptoma" parcial del ctenóforo: unas 5.000 o 6.000 secuencias de genes que están activos en las células nerviosas del animal. Los resultados fueron sorprendentes.

Primero, mostraron que el ctenóforo carecía de los genes y las enzimas requeridas para fabricar una larga lista de neurotransmisores ampliamente encontrados en otros animales. Estos neurotransmisores perdidos incluían no solo los que Moroz había notado: serotonina, dopamina y óxido nítrico, sino también acetilcolina, noradrenalina y otros. El ctenóforo también carecía de genes para los receptores que permiten a una neurona capturar estos neurotransmisores y responder a ellos.

Esto confirmó lo que Moroz había esperado años para descubrir: que cuando no conseguía encontrar neurotransmisores comunes en los nervios de los ctenóforos, no era simplemente que sus experimentos no funcionaban; más bien, era porque el animal no los estaba usando de ninguna manera.

"Todos usamos neurotransmisores", según Moroz, "De las medusas a los gusanos, a los moluscos, a los humanos, a los erizos de mar, verás un conjunto muy consistente de moléculas de señalización." Pero, de alguna manera, el ctenóforo había desarrollado un sistema nervioso en el que estos roles eran ocupados por otros compuestos diferentes, un conjunto todavía desconocido de moléculas.

El ctenóforo había evolucionado desde cero, utilizando un conjunto diferente de moléculas y genes distinto al de cualquier otro animal conocido en la Tierra.

Las secuencias de transcriptoma y ADN genómico que analizó Moroz mostraron que el ctenóforo también carecía de muchos otros genes, conocidos del resto del reino animal, que son cruciales para construir y operar sistemas nerviosos. Al ctenóforo le faltaban muchas proteínas comunes que forman los canales iónicos que generan señales eléctricas que viajan rápidamente por un nervio. Le faltaban genes que guían las células embrionarias a través de la compleja transformación en células nerviosas maduras. Y le faltaban genes conocidos que orquestan la conexión gradual de esas neuronas en circuitos maduros y funcionales. "Fue mucho más que solo la presencia o ausencia de unos pocos genes", según Moroz "Fue realmente un gran cambio de diseño".

Significaba que el sistema nervioso del ctenóforo había evolucionado desde cero, utilizando un conjunto diferente de moléculas y genes distinto al de ningún otro animal conocido en la Tierra. Era un caso clásico de convergencia: el linaje de los ctenóforos había desarrollado un sistema nervioso usando cualquier material de partida genético disponible. En cierto sentido, era un sistema nervioso alienígena, desarrollado por separado del resto del reino animal.

Pero las sorpresas no se detuvieron allí. El ctenóforo estaba resultando ser único y distinto de otros animales en mucho más que solo su sistema nervioso. Los genes involucrados en el desarrollo y la función de sus músculos también eran completamente diferentes. Y el ctenóforo carecía de varias clases de genes que modelaran el cuerpo en general, que se pensaba eran universales para todos los animales. Estos incluían los llamados genes de micro ARN, que ayudan a formar tipos celulares especializados en órganos, y genes HOX, que dividen los cuerpos en partes separadas, ya sea el cuerpo segmentado de un gusano o langosta, o la columna vertebral segmentada y los huesos de los dedos de un humano. Estas clases de genes estaban presentes en las esponjas y en los placozoos, pero ausentes en los ctenóforos.

Todo esto apuntaba a una sorprendente conclusión: a pesar de ser más complejos que las esponjas y los placozoos -que carecen de células nerviosas y músculos y prácticamente cualquier otro tipo de célula especializada- los ctenóforos no formaban parte del antiguo árbol animal de la vida. De alguna forma durante 550 a 750 millones de años, el ctenóforo había logrado desarrollar un sistema nervioso y músculos de complejidad similar a los de medusas, anémonas, estrellas de mar y muchos tipos de gusanos y mariscos, improvisados ​​a partir de un conjunto alternativo de genes.

Moroz finalmente publicó su genoma del ctenóforo Pleurobrachia en la revista NATURE, en junio de 2014. Su trabajo, tras siete años de investigación, estableció firmemente que las células nerviosas y el sistema nervioso del ctenóforo  se habían desarrollado por separado de los de todos los demás animales. El ctenóforo representaba por tanto lo más parecido a un cerebro alienígena, en la Tierra.

Los ctenóforos proporcionan un ejemplo extremo y llamativo de lo que probablemente sea un patrón general: así como los ojos, las alas y las aletas evolucionaron muchas veces en el curso de la evolución animal, también así lo hicieron las células nerviosas. Moroz ahora cuenta de 9 a 12 orígenes evolutivos independientes del sistema nervioso, incluyendo al menos uno en cnidaria (el grupo que incluye medusas y anémonas), tres en equinodermos (el grupo que incluye estrellas de mar, lirios de mar, erizos y galletas de mar), uno en artrópodos (el grupo que incluye insectos, arañas y crustáceos), uno en moluscos (el grupo que incluye almejas, caracoles, calamares y pulpos), uno en vertebrados, y ahora, al menos uno en ctenóforos.

"Hay más de una forma de hacer una neurona, más de una forma de hacer un cerebro", dice Moroz. En cada una de estas ramas evolutivas, se eligió ciegamente un subconjunto diferente de genes, proteínas y moléculas, a través de la duplicación y mutación genética al azar, para participar en la construcción de un sistema nervioso.

Lo que es fascinante es cómo estas diferentes vías de evolución llegaron a sistemas nerviosos que se ven muy similares en todo el árbol animal de la vida. Tomemos, por ejemplo, el trabajo de Nicholas Strausfeld, neuroanatomista de la Universidad de Arizona en Tucson. Él y otros han descubierto que los circuitos neuronales subyacentes al olfato, la memoria episódica, la navegación espacial, la elección del comportamiento y la visión en los insectos son casi idénticos a los que realizan las mismas funciones en mamíferos, a pesar del hecho de que se aprovecharon diferentes conjuntos de genes, aunque superpuestos, para construir cada uno.

Estas similitudes reflejan dos principios clave de la evolución, factores que probablemente sean importantes en cualquier mundo donde haya surgido la vida. El primero es la convergencia: estas ramas lejanas del árbol evolutivo llegaron a diseños comunes para un sistema nervioso porque cada uno tenía que resolver los mismos problemas fundamentales. La segunda es la historia compartida: la idea de que todos estos sistemas nerviosos construidos de forma diferente compartían al menos algún elemento de origen común. En nuestro mundo, cada uno evolucionó a partir de bloques de construcción molecular que se forjaron en los entornos físicos y químicos de la Tierra primitiva.

De hecho, gran parte de la maquinaria básica de señalización de todos los sistemas nerviosos podría haber evolucionado a partir de una adaptación a vida o muerte que surgió en las primeras células de la Tierra, hace cuatro mil millones de años. Las primeras células probablemente habitaban ambientes acuáticos, como aguas termales o piscinas de salmuera, que contenían una mezcla de minerales disueltos que incluían algunos, como el calcio, que amenazaban la vida. (Se sabe que moléculas biológicas importantes como ADN, ARN y ATP se fusionan en una materia viscosa refractaria cuando se exponen al calcio, similar a la espuma que se forma en las bañeras). Así que los biólogos conjeturan que la vida temprana debe haber evolucionado para mantener los niveles más bajos de calcio en el interior de sus células. Esta maquinaria de protección puede incluir proteínas que bombean átomos de calcio al exterior de la célula y un sistema de alarma que se activa cuando aumentan los niveles de calcio. La evolución más tarde aprovechó esta exquisita capacidad de respuesta al calcio para señalizar tanto en el interior como entre las células: controlar el latido de cilios y flagelos que los microbios usan para moverse o controlar la contracción de las células musculares o desencadenar el disparo eléctrico de neuronas en organismos como el nuestro. Cuando comenzaron a surgir los sistemas nerviosos, hace aproximadamente quinientos millones de años, ya se habían establecido muchos de los componentes básicos.

Estos principios tienen enormes implicaciones para comprender la evolución y comprender las formas que la vida podría tener en la Tierra o en otros mundos. Arrojan luz sobre la importancia relativa del accidente y el destino en la configuración de la trayectoria de la evolución a lo largo de miles de millones de años.

El fallecido paleontólogo de Harvard, Stephen Jay Gould, argumentó en su libro Vida Maravillosa (1989) que los accidentes importan: que la historia evolutiva de los animales ha sido determinada tanto por la destrucción como por la innovación. Señaló que el mundo cámbrico hace 570 millones de años contenía más grupos de animales, llamados phyla, que existen hoy en día. Esas ramas diversas en el árbol animal temprano fueron constantemente podadas por las extinciones masivas. Esas extinciones alimentaron la evolución al abrir nichos ecológicos en los que los grupos de animales supervivientes podrían diversificarse, proporcionando oportunidades para la innovación.

Al mismo tiempo, Simon Conway Morris, un paleontólogo de la Universidad de Cambridge, ha enfatizado la importancia de la convergencia evolutiva: que la evolución tiende a llegar a las mismas soluciones una y otra vez, incluso en ramas distantes del árbol animal, e incluso cuando las proteínas o genes utilizados para construir una estructura similar no están relacionados.

Si llevamos estas dos ideas a sus fines lógicos,  se llega a una conclusión sorprendente. Si la historia de la Tierra fuese rebobinada y reproducida, la evolución podría no llegar al presente actual con la misma variedad de grupos de animales que vemos hoy. Mamíferos o pájaros, quizás incluso todos los vertebrados, podrían estar ausentes. Pero la evolución aún podría llegar a la mayoría, o incluso a todas las mismas innovaciones que permitieron la aparición de cerebros sofisticados: esas innovaciones podrían simplemente emerger en otras ramas del árbol animal.

Mientras los científicos especulan qué tipo de vida podría existir en otros mundos, una idea provocadora se está afianzando: esa vida alienígena, a diferencia de todo lo que conocemos, podría existir ya aquí en la Tierra. La idea es que la vida pudo haber surgido dos o más veces en nuestro planeta, no solo una vez, como se suponía. Nuestra forma de vida llegó a dominar, mientras que otras formas retrocedieron a los rincones. Esta 'biosfera en la sombra' sería difícil de detectar, ya que podría no contener ADN, proteínas u otras moléculas de las que dependemos para detectar la vida.

Basado en: https://www.nature.com/articles/nature13400