Ejercicio resuelto de Mutaciones · Biología · Cataluña · 2022

Los delfines tienen un sistema de comunicación formado por unos cuatrocientos sonidos, básicamente chillidos y clics. Pero estos animales también utilizan los clics como sistema de ecolocalización: emiten ultrasonidos, con una longitud de onda superior a 15-20 kHz, que cuando rebotan y vuelven hacia ellos les permiten identificar el contorno, la distancia y el movimiento del objeto contra el que han rebotado.


1. En el sentido del oído, una de las proteínas clave para transformar el sonido en impulsos nerviosos es la prestina. Todos los mamíferos utilizan la prestina para iniciar la transmisión neuronal auditiva. En el caso de la ecolocalización, sin embargo, hace falta una prestina muy especial, porque debe ser capaz de activarse en presencia de ultrasonidos. La prestina de la mayor parte de los mamíferos no es capaz de hacerlo, pero la de los delfines sí que puede. El motivo es genéticamente muy simple: en los delfines, el gen de la prestina ha acumulado veinte mutaciones que han incrementado mucho la sensibilidad de esta proteína a los ultrasonidos.
Explique el mecanismo evolutivo que ha hecho que los delfines actuales tengan esta prestina que les permite ecolocalizar. [1 punto]

2. No solo los delfines ecolocalizan, también lo hacen muchas especies de murciélagos. Delfines y murciélagos no están directamente emparentados. Entre ellos hay millones de años de divergencia evolutiva y, en ambos casos, sus antepasados evolutivos no ecolocalizaban. Como es lógico, el último antepasado común de todos los mamíferos sí que era común a delfines y murciélagos, pero, en todo caso, este animal tampoco poseía el sistema de ecolocalización. [1 punto]
a) Los delfines han desarrollado un órgano especial para captar el eco de sus clics llamado melón. El melón consiste en un saco de forma ovalada lleno de una sustancia grasa que se encuentra en la frente del delfín. La función del melón es concentrar los sonidos utilizados en la ecolocalización para que puedan ser captados por terminaciones nerviosas específicas que enviarán la información al cerebro. Los murciélagos, en cambio, captan el eco de sus chillidos directamente con las orejas, y son las terminaciones nerviosas auditivas las que envían la información al cerebro.
En lo que se refiere a la capacidad de ecolocalización, ¿el melón de los delfines y las orejas de los murciélagos son órganos homólogos o análogos? Justifique la respuesta.
b) Curiosamente, la prestina de los murciélagos presenta exactamente las mismas veinte mutaciones para captar los ultrasonidos que la de los delfines. Estas mutaciones, sin embargo, no provienen del gen de la prestina que tenía su último antepasado común.
¿Cómo se llama evolutivamente este fenómeno? Explique cómo se ha producido.

$\textbf{1. Explique el mecanismo evolutivo que ha hecho que los delfines actuales tengan esta prestina que les permite ecolocalizar. (1 punto)}$

El mecanismo es la selección natural actuando sobre la variabilidad que genera la mutación, tal como lo explica la teoría sintética de la evolución.

El punto de partida es la mutación. El gen de la prestina fue acumulando cambios en su secuencia de nucleótidos por errores de la replicación o por la acción de agentes mutágenos. Estas mutaciones se producen al azar y son independientes de su utilidad: ninguna apareció porque al delfín le conviniera oír ultrasonidos. La inmensa mayoría de las que se producen son neutras o perjudiciales y se pierden; solo unas pocas resultan ventajosas.

Sobre esa variabilidad actúa el ambiente. El delfín caza en un medio en el que la luz se extingue enseguida y la vista sirve de poco, mientras que el sonido se propaga muy bien. Un individuo que por azar llevara una prestina algo más sensible a los ultrasonidos percibía mejor el eco de sus clics, localizaba antes las presas y los obstáculos, cazaba más y evitaba mejor los peligros. En consecuencia sobrevivía más y dejaba más descendencia que los demás.

Como el carácter es hereditario, esa ventaja se traduce en un cambio en la población: la frecuencia del alelo mutado aumenta generación tras generación hasta que se fija, es decir, hasta que lo llevan todos los individuos. En ese momento la población entera oye algo mejor los ultrasonidos que la de partida, y una nueva mutación que mejore un poco más vuelve a ser ventajosa y se selecciona a su vez.

La clave está precisamente en que las veinte mutaciones no aparecieron a la vez. Se fueron acumulando una a una, cada una seleccionada por separado sobre el fondo genético que las anteriores habían dejado. Es la selección acumulativa: un resultado que parece inverosímil si se piensa en las veinte mutaciones simultáneas resulta perfectamente esperable si se produce en veinte pasos sucesivos, cada uno de ellos con una probabilidad razonable y cada uno favorecido.

Hay que descartar de forma explícita la explicación lamarckista, que sería decir que el gen cambió porque el delfín necesitaba oír ultrasonidos o porque el uso del oído lo modificó. Ni la necesidad dirige la mutación, ni lo que un individuo desarrolla durante su vida altera el DNA de sus células germinales.

$\textbf{2. No solo los delfines ecolocalizan, también lo hacen muchas especies de murciélagos. (1 punto)}$

$\textbf{a) En lo que se refiere a la capacidad de ecolocalización, ¿el melón de los delfines y las orejas de los murciélagos son órganos homólogos o análogos? Justifique la respuesta.}$

Son órganos análogos.

Conviene fijar antes los dos conceptos. Dos órganos son homólogos cuando tienen el mismo origen embrionario y la misma estructura anatómica de base, heredada de un antepasado común, aunque después la evolución los haya adaptado a funciones distintas; el ejemplo clásico es la extremidad anterior de los vertebrados, con los mismos huesos en el brazo humano, el ala del murciélago y la aleta del delfín. Dos órganos son análogos cuando cumplen la misma función pero tienen orígenes y estructuras distintos, porque han aparecido de forma independiente en linajes separados.

Aplicado al caso: el melón del delfín es un saco de grasa alojado en la frente, cuya función según el enunciado es concentrar los sonidos para que los capten terminaciones nerviosas específicas; la oreja del murciélago es el pabellón auditivo externo, la misma estructura que tienen todos los mamíferos. No proceden, por tanto, de un mismo órgano del antepasado común, y ese antepasado, además, no ecolocalizaba, con lo que ninguno de los dos pudo heredarse de él. Lo único que comparten es la función, captar el eco de los ultrasonidos emitidos.

Estamos, pues, ante un caso de convergencia adaptativa: dos linajes separados por millones de años se enfrentan al mismo problema, orientarse y cazar guiándose por el sonido, y llegan a soluciones equivalentes por caminos anatómicos distintos.

$\textbf{b) ¿Cómo se llama evolutivamente este fenómeno? Explique cómo se ha producido.}$

El fenómeno se llama convergencia evolutiva o evolución convergente, y como aquí ocurre en la secuencia de una proteína y no en la anatomía, suele precisarse como convergencia molecular.

Se ha producido del modo siguiente. En cada uno de los dos linajes, por separado y a partir de un gen de la prestina que no llevaba ninguna de esas mutaciones, fueron apareciendo mutaciones al azar. En los dos casos la presión selectiva era la misma: cazar en la oscuridad guiándose por el eco de los ultrasonidos que el propio animal emite, en un medio nocturno o en aguas turbias. Las mutaciones que aumentaban la sensibilidad de la prestina a las frecuencias altas resultaban ventajosas en ambos linajes y fueron seleccionadas y fijadas en los dos, de forma independiente.

Que las veinte coincidan exactamente no es casualidad, y esa es la parte interesante. La estructura de la proteína impone restricciones muy estrictas: solo unos pocos aminoácidos, los que forman la región que responde a la vibración, determinan a qué frecuencias es sensible, y solo unos pocos cambios en ellos consiguen desplazar esa sensibilidad hacia el ultrasonido. El número de soluciones posibles es, por tanto, muy pequeño, y dos linajes que buscan al azar acaban dando con las mismas.

Lo esencial es que estas mutaciones no proceden de un antepasado común, como el propio enunciado subraya: no son un carácter homólogo heredado, sino el mismo resultado alcanzado dos veces por separado. Es exactamente la misma lógica de los órganos análogos del apartado anterior, pero leída a nivel de secuencia de DNA, y constituye una de las pruebas más elegantes de que la selección natural puede repetir sus resultados cuando el problema y las restricciones son los mismos.