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El secreto de los peces de hielo
La Antártida es un lugar único. Sus condiciones extremas, su increíble belleza, y que sea uno de los pocos lugares prácticamente inhabitados de la Tierra, la convierten en un lugar fascinante. También para la ciencia. Es un laboratorio increíble para estudiar la evolución.
El océano más frío del planeta supone un reto constante para la vida. Sus aguas alcanzan fácilmente temperaturas de hasta -1,9ºC. Aunque gracias a su alto contenido en sal el agua del mar no se congela, un pez normal no aguantaría mucho nadando allí. En seguida aparecerían cristales de hielo en la sangre y en el resto de líquidos del cuerpo que, literalmente, le destrozarían por dentro en pocos minutos. Pero a pesar de todo eso, hay peces en sus heladas aguas. Los famosos Peces de hielo
El secreto de los peces de hielo
¿Cómo logran sobrevivir estos peces en la Antártida? Esa misma pregunta se la hizo en los años 50 el científico noruego Scholander. Sus experimentos le hicieron pensar que debía existir una “sustancia anticongelante” en la sangre de estos peces. No fue hasta unos años más tarde, en la década de los 60, cuando Arthur DeVries descubrió el secreto: proteínas anticongelantes (AFP).
Encontró que en la sangre de estos peces hay unas glicoproteínas especiales capaces de unirse a los minúsculos cristales de hielo en formación. De esta forma, estas proteínas evitan que los cristales sigan creciendo y puedan dañar al animal. Un ingenioso mecanismo que es capaz de disminuir el punto de congelación hasta los 2,5ºC bajo cero. Más que suficiente para que estos peces puedan sobrevivir a las temperaturas del océano Antártico.
Pero aún quedaba por conocer cómo había surgido este fascinante mecanismo.
Un ejemplo clásico de evolución
Las aguas que rodean la Antártida no siempre fueron tan frías como en la actualidad. Hubo un momento en el que el continente helado se encontraban unido a Sudamérica y Oceanía y las temperaturas eran mucho más cálidas. Analizando y comparando los genomas de muchas especies, se ha podido averiguar que probablemente estas proteínas anticongelantes surgieron en aquel momento. En el genoma de un pequeño pez que habitaba el fondo marino apareció un pequeño cambio que permitió que una proteína ya existente se pudiera unir a los cristales de hielo. En aquel momento se trataba de una mutación silenciosa que no suponía ninguna ventaja ni ningún inconveniente para el pez. Pero pronto todo iba a cambiar.
Evolución de la Antártida desde el gran súper continente Godwana hasta su posición actual. La separación de la Antártida de Sudámerica y Australia permitió que se generará un corriente de agua muy fría alrededor del polo, la Corriente Circumpolar Antárctica (CCA) que gobierna el clima del continente blanco. FUENTE: World Ocean Review 6.
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Pero el continente blanco empezó a separarse y las temperaturas comenzaron a descender. Fue entonces cuando estas proteínas cobraron una importancia clave. La mayoría de los peces no podían sobrevivir en aguas tan frías. Muchas especies se extinguieron y otras migraron hacia zonas más cálidas. Pero gracias a esas proteínas anticongelantes, ese pequeño pez bentónico pudo sobrevivir y dejar descendencia. Un ejemplo precioso de adaptación evolutiva.
Sin prácticamente competencia, esos primeros peces se hicieron dueños del lugar. Empezaron a colonizar nuevos hábitats y a diversificarse, generando así nuevas especies mediante un proceso denominado radiación adaptativa.
Ahora sabemos que esa diversificación no ocurrió de forma paulatina. Nuevos estudios indican que probablemente durante todo este tiempo hubo pequeños “momentos de crisis”. Épocas donde las condiciones no eran tan favorables y que “forzaron” a estos peces a encontrar nuevas estrategias y colonizar nuevos nichos. Durante este proceso se fueron generando todas las especies de peces de hielo que conocemos hoy en día.
Hoy sus descendientes, los Notothenioidei suman 141 especies repartidas en 8 familias, y en conjunto conforman el 90% de todos los peces antárticos. Unos números que sin duda dejan patente el éxito evolutivo de estos animales.
Larva de un pez de hielo. Se observa perfectamente el interior debido a la ausencia de escamas y pigmentos en la sangre. Fuente: Professor Dr. habil. Uwe Kils – Wikimeadia
Adaptándose al frío
Aunque probablemente fue de las primeras en aparecer, las proteínas anticongelantes no son las únicas adaptaciones que presentan estos increíbles animales. A lo largo de millones de años, los peces de hielo han ido adaptando sus genomas al ambiente en el que viven.
Por ejemplo, una familia de estos peces no tienen ni hemoglobina ni mioglobina en su sangre. Normalmente estas dos proteínas son las encargadas de transportar el oxígeno, pero estos peces las han perdido. Tampoco tienen glóbulos rojos. Con el frío son un lastre que puede bloquear venas y arterias. Como resultado, los niveles de oxígeno de su sangre son tan solo del 10%.
Para compensar esta carencia, han desarrollado un corazón más grande y potente, y un sistema vascular más desarrollado para bombear gran cantidad de sangre. Además, sus agallas son grandes y vascularizadas, y su cuerpo ha perdido las escamas. Unos cambios que les permite tomar el oxígeno disuelto en el agua directamente por la piel.
A lo largo de millones de años, los peces de hielo han ido adaptando sus genomas al ambiente en el que viven.
Por otro lado, estos peces descienden de un pez bentónico. Un pez adaptado a vivir en el fondo marino y que carece de la vejiga natatoria que en otras especies permite subir y bajar dentro de la columna de agua. Pero a pesar de su origen, existen especies de hielo que viven en otros lugares distintos al fondo marino. Para compensar esta carencia y poder flotar, algunas especies de Notothenoides tienen huesos más ligeros y acumulan más cantidad de lípidos. Como el aceite sobre el agua, estas grasas les permiten flotar mejor.
En su periplo evolutivo, también se han desprendido de los genes que regulan los ritmos circadianos. En un lugar donde el día y la noche duran varios meses no les hacen mucha falta.
Distintas aguas, mismo problema
La Antártida no es el único lugar helado del planeta. Al otro lado del globo, en el polo norte, el océano también alcanza temperaturas bajo cero durante varios meses al año. No es de extrañar que algunas de las especies que habitan sus aguas tengan proteínas similares. Una de esas especies es el famoso Bacalao Atlántico. La sangre de este pez posee también unas pequeñas proteínas anticongelantes que le protegen de morir congelado.
La pregunta es obvia. ¿Están emparentados ambos grupos de peces a pesar de vivir en lugares tan alejados, o estas proteínas han aparecido de forma independiente a lo largo de la evolución?
Para poder responder, hay que zambullirse en el genoma de ambas especies y comparar sus genes.
Los científicos descubrieron que aunque ambas proteínas realizan la misma función y actúan de forma muy similar, tienen estructuras y características muy diferentes. Además, el árbol genealógico de ambos peces se bifurca muchísimo antes de que aparecieran dichas proteínas. Estamos ante lo que en biología se conoce como evolución convergente.
Pero no son los únicos casos. En los últimos años se han descubierto proteínas similares en otros muchos peces, plantas, insectos, hongos y hasta bacterias. Una demostración de que en muchas ocasiones la evolución llega a soluciones muy similares por caminos distintos.
Linajes de han desarrollado glicoproteínas anticongelantes Imagen adaptada de
Understanding evolution – Berkeley University
UNA HERRAMIENTA PARA EL FUTURO:
Las proteínas anticongelantes son una herramienta poderosísima. Son hasta 300 veces más efectivas que un anticongelante típico. Los anticongelantes comerciales son sustancias que al añadirlas disminuyen el punto de congelación, pero este efecto depende de la concentración a la que se añadan. Por el contrario, las proteínas anticongelantes funcionan por un mecanismo completamente distinto denominado histéresis térmica. Producen una diferencia entre el punto de fusión y el de congelación, que inhibe cinéticamente el crecimiento del cristal de hielo. Esto las hace mucho más efectivas y permiten su uso a concentraciones mucho más bajas.
Son un candidato perfecto para multitud de aplicaciones comerciales. Por ejemplo, podrían usarse para crioconservar alimentos o para crioconservar tejidos y órganos sin que el frío los dañe. Ya hay laboratorios investigando en todas estas posibles aplicaciones. La naturaleza es una fuente inagotable de ideas increíbles.
– Si te ha gustado, échale un vistazo a los siguientes artículos:
– REFERENCIAS:
Antarctic blackfin icefish genome reveals adaptations to extreme environments. Kim, BM., Amores, A., Kang, S. et al. Nat Ecol Evol 3, 469–478 (2019). https://doi.org/10.1038/s41559-019-0812-7
On the Origin and Trigger of the Notothenioid Adaptive Radiation Matschiner M, Hanel R, Salzburger W (2011) PLoS ONE 6(4): e18911. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0018911
Convergent evolution of antifreeze glycoproteins in Antarctic notothenioid fish and Arctic cod
Antifreeze proteins – Wikipedia https://en.wikipedia.org/wiki/Antifreeze_protein
1 comentario en “El secreto de los peces de hielo”
Es muy interesante este tema por qué nos empieza a explicar sobre un lugar donde no habitaba nada y ahora peces viven ahí.En fin me encantó