Publicado el 17 de abril de 2023 por José Ramón Alonso
El cerebro más antiguo
El genetista ucranoamericano Theodosius Dobzhansky tituló su ensayo más famoso «Nada en biología tiene sentido, sino es a la luz de la evolución». La evolución del cerebro es uno de los grandes temas de la biología moderna, cómo ha surgido nuestro encéfalo, cómo se ha convertido en lo que es ahora, cómo funciona y se adapta, qué posibilidades tiene en el futuro.
El gran problema es que los tejidos blandos fosilizan raramente. Hay quien ha dicho que la evolución de los seres humanos, basados en los fósiles que tenemos, eran muelas que se apareaban para dar nuevas generaciones de muelas ligeramente modificadas. No es así y el mejor ejemplo puede ser el yacimiento de Atapuerca, donde la colección de restos de tejidos duros es espectacular, de los huesecillos del oído interno a los de la pelvis o el pie, aunque de nuevo carecemos de los tejidos blandos.
El estudio del cerebro humano se ha podido hacer gracias a que en mamíferos el cerebro rellena totalmente el cráneo y el contenido de un cráneo fósil es una medida bastante exacta del volumen cerebral y de sus grandes divisiones. Sin embargo, las cosas se complican para animales invertebrados, más antiguos que los vertebrados y con mayor diversidad estructural.
Los animales actuales más numerosos son los artrópodos, con más de diez millones de especies y, algunos, como las hormigas, con billones de individuos. Los artrópodos incluyen insectos, crustáceos, arañas y otros arácnidos, además de otros linajes como milpiés y ciempiés. Los artrópodos, término que significa pies articulados, presentan exoesqueleto, simetría bilateral, un cuerpo segmentado y apéndices articulados en pares. Una característica notable de los artrópodos son sus apéndices cefálicos, que se han adaptado a una diversidad de funciones, desde detectar el entorno hasta capturar presas.
El sistema nervioso de los artrópodos es «en escalera», con cordones nerviosos ventrales emparejados que recorren todos los segmentos y presentan una pareja de ganglios en cada uno de ellos. Hasta ahora se consideraba que sus cabezas estaban formadas por la fusión de un número variable de segmentos, y sus cerebros eran el resultado de la fusión de los ganglios de estos segmentos. Ya no más.
Un estudio publicado en Science y dirigido por Nicholas Strausfeld, catedrático del Departamento de Neurociencia de la Universidad de Arizona, y Frank Hirth, profesor de neurociencia evolutiva del King's College de Londres- ha planteado una posibilidad completamente diferente. El artículo ofrece la primera descripción detallada de Cardiodictyon catenulum, un animal parecido a un gusano con patas conservado en rocas de la provincia china de Yunnan, al sur del país, y que vivió en el mar hace unos 525 millones de años. Tiene en torno a 25 pares de patas, cada una asociada a un par de placas dorsales. Cada pata termina en un par de garras. Se discute si tiene o no un escudo craneal, aunque ciertamente tiene una cabeza expandida. El pequeño animal, medía menos de 1,5 centímetros de longitud, fue descubierto en 1984, pero escondía hasta ahora un secreto crucial: un sistema nervioso delicadamente conservado, incluido un cerebro, el más antiguo del que tengamos noticia. La información resultante puede obligar a reescribir los libros de texto sobre la evolución del sistema nervioso.
Cardiodictyon pertenecía a un grupo extinto de animales conocidos como los lobopodios acorazados, que fueron abundantes a principios del Cámbrico, una época crucial donde aparecieron prácticamente todos los linajes animales importantes en un periodo de tiempo extremadamente corto, entre 540 millones y 500 millones de años. Se conoce como la explosión cámbrica.
Los lobópodos acorazados podrían haber sido los primeros artrópodos, anteriores a los trilobites, un grupo icónico y diverso de artrópodos marinos que se extinguió hace unos 250 millones de años. Probablemente se desplazaban por el fondo marino utilizando varios pares de patas blandas y rechonchas que carecían de las articulaciones de sus descendientes, los euartrópodos, que en griego significa «verdadero pie articulado». Los parientes actuales más cercanos de los lobópodos son los onicóforos, unos gusanos con patas que viven principalmente en Australia, Nueva Zelanda y Sudamérica.
Los fósiles de Cardiodictyon muestran un animal con un tronco segmentado en el que se repiten regularmente las estructuras neurales denominadas ganglios. Esto contrasta claramente con su cabeza y cerebro, que carecen de cualquier evidencia de segmentación. El análisis del fósil revela una cabeza y un cerebro no segmentados que comprenden tres dominios cefálicos, distintos del sistema nervioso ventral metamérico que sirve a su tronco apendicular. Existen tres dominios en el cerebro de los artrópodos: el prosocerebro (ce1), el protocerebro (ce2) y el deutocerebro (ce3). Éstos pueden rastrearse en la diversidad de todos los artrópodos. El sistema nervioso caudal de Cardiodictyon catenulum combina atributos de tardígrados y onicóforos, y es el único taxón con un apéndice asociado a ce2, lo que sugiere que representa un antepasado temprano en el árbol de la vida de los artrópodos. Esta anatomía era completamente inesperada porque las cabezas y cerebros de los artrópodos modernos, y algunos de sus antepasados fosilizados, se han considerado segmentados durante más de cien años. La maravilla de la ciencia corrigiéndose a sí misma.
¿Por qué estábamos equivocados? Desde la década de 1880, los biólogos observaron el aspecto claramente segmentado del tronco típico de los artrópodos, y básicamente lo extrapolaron a la cabeza. Así es como se llegó a suponer que la cabeza era una prolongación rostral de un tronco segmentado y tendría un esquema básico semejante. Pero Cardiodictyon muestra que la cabeza primitiva no estaba segmentada, ni tampoco su cerebro, lo que sugiere que el cerebro y el sistema nervioso del tronco probablemente evolucionaron por separado.
Los autores no sólo describieron el cerebro de Cardiodictyon, sino que también lo compararon con los de fósiles conocidos y de artrópodos vivos, incluidas arañas y ciempiés. Tras combinar estudios anatómicos detallados de los fósiles con análisis de patrones de expresión génica en sus descendientes vivos, el equipo investigador llegó a la conclusión de que existe un modelo estructural compartido de organización cerebral que se ha mantenido desde el Cámbrico hasta nuestros días.
En Cardiodictyon, tres dominios cerebrales están asociados cada uno con un par característico de apéndices de la cabeza y con una de las tres partes del sistema digestivo anterior. Al estudiar la fauna actual encontraron que cada dominio cerebral y sus rasgos correspondientes están especificados por la misma combinación de genes, independientemente de la especie que se analizase. Parece por tanto que hay un modelo genético básico común para fabricar un cerebro.
Hirth y Strausfeld dicen que los principios descritos en su estudio probablemente se aplican a otras criaturas fuera de los artrópodos y sus parientes inmediatos. Esto tiene importantes implicaciones a la hora de comparar el sistema nervioso de los artrópodos con el de los vertebrados, que muestran una arquitectura similar en la que el cerebro anterior y el cerebro medio son genéticamente y evolutivamente distintos de la médula espinal.
Estos hallazgos también lanzan un mensaje de alerta en un momento en que el planeta está cambiando drásticamente por la influencia del cambio climático generado por el hombre. En aquella lejana explosión cámbrica acontecimientos geológicos y climáticos titánicos estaban remodelando el planeta y animales marinos simples como Cardiodictyon dieron lugar al grupo de organismos más diverso del mundo -los euartrópodos- que acabaron extendiéndose a todos los hábitats emergentes de la Tierra y que son un elemento básico en la mayoría de los ecosistemas. Muchas de estas especies actuales, aún muchas desconocidas, ahora se ven amenazadas por otra especie con numerosos individuos, la nuestra.
Para leer más:
Stolte D (2022) 525-Million-Year-Old Fossil Defies Textbook Explanation for Brain Evolution. Neuroscience News https://neurosciencenews.com/brain-evolution-fossil-21949/
Strausfeld NJ, Hou X, Sayre ME, Hirth F. (2022) The lower Cambrian lobopodian Cardiodictyon resolves the origin of euarthropod brains. Science. 378(6622):905-909. doi: 10.1126/science.abn6264.
Fauna marina del Cámbrico inferior. A es Cardiodictyon.
Reconstrucción virtual del endocráneo de Homo naledi. Lee Berger et al. eLife 4: e09560.
Ejemplar fosilizado de Cardiodictyon catelunum. (Crédito: Nicholas Strausfeld/Universidad deArizona)