Los tallos de helecho revelan los secretos de la evolución: cómo las limitaciones del desarrollo pueden conducir a nuevas formas

Existen varias formas del mundo botánico que se reconocen fácilmente como hojas de helecho. Estas hojas, a menudo grandes y de encaje, se prestan maravillosamente para pinturas de acuarela y tatuajes de tríceps. Thoreau lo dijo mejor: “La naturaleza ha creado helechos para obtener hojas limpias, para mostrar lo que puede hacer en ese sentido.

Pero los helechos no son sólo para el arte y los jardines. Si bien las hojas de helecho son la parte más importante de su cuerpo, estas plantas son organismos completos, con tallos y raíces que a menudo se encuentran bajo tierra o se arrastran por la superficie del suelo. Con más de 400 millones de años de historia evolutiva, los helechos pueden enseñarnos mucho sobre cómo surgió la diversidad del planeta Tierra. En particular, examinar su anatomía interna puede revelar algunas de las complejidades de la evolución.

¿Colecciones de partes o un todo integrado?

Cuando una estructura no se puede cambiar sin cambiar la otra, los investigadores las consideran mutuamente excluyentes. En biología, esta relación entre rasgos se denomina restricción del desarrollo. Explica los límites de las posibles formas que pueden tener los organismos. Por ejemplo, por qué no hay árboles cuadrados ni mamíferos con ruedas.

Sin embargo, la restricción no siempre limita la forma. En mi investigación recientemente publicada, examiné el sistema vascular de los helechos para resaltar cómo los cambios en una parte del organismo pueden provocar cambios en otra, lo que puede generar nuevas formas.

Sección transversal de un tallo de Adiantum en Costa Rica. Si haces zoom, puedes ver la disposición radial de los haces en el tallo: los puntos más oscuros en un círculo en su centro. Jacob S. Suissa, CC BI-ND

Antes de que Charles Darwin propusiera su teoría de la evolución por selección natural, muchos científicos creían en el creacionismo, la idea de que todos los seres vivos fueron creados por Dios. Entre estos creyentes se encontraba el naturalista del siglo XIX Georges Cuvier, aclamado como el padre de la paleontología. Su argumento contra la evolución no se basó únicamente en la fe, sino en una teoría que llamó correlación de partes.

Cuvier propuso que, dado que cada parte de un organismo está ligada en términos de desarrollo a todas las demás, los cambios en una parte darían como resultado cambios en otra. Con esta teoría afirmaba que un solo diente o hueso podría servir para reconstruir un organismo completo.

Utilizó esta teoría para hacer una afirmación más amplia: si los organismos son realmente totalidades integradas y no sólo la suma de partes individuales, ¿cómo podría la evolución dar forma a rasgos específicos? Dado que los cambios en una parte del organismo requerirían cambios en otras, argumentó, las pequeñas modificaciones requerirían la reestructuración de todas las demás partes. Si las partes individuales del organismo estuvieran completamente integradas, la evolución de ciertos rasgos no podría continuar.

Sin embargo, no todas las partes del organismo están tan estrechamente conectadas. De hecho, algunas partes pueden evolucionar a diferentes ritmos y bajo diferentes presiones de selección. Esta idea fue solidificada como el concepto de cuasi independencia en la década de 1970 por el biólogo evolutivo Richard Lewontin. La idea de los organismos como conjuntos de partes que evolucionan individualmente permanece hoy en día, lo que influye en la forma en que los investigadores y estudiantes piensan sobre la evolución.

Vasculatura de helechos y el proceso de evolución.

Los helechos son uno de los cuatro linajes de plantas terrestres que tienen tejidos vasculares: conjuntos de tubos especializados que mueven agua y nutrientes a través de sus cuerpos. Estos tejidos están formados por haces vasculares, grupos de células que conducen agua a través del tallo.

La forma en que se disponen los haces vasculares en los tallos de los helechos varía considerablemente. Algunos tienen de tres a ocho o más haces vasculares dispersos por todo el tallo. Algunos están dispuestos simétricamente, mientras que otros, como el helecho tabaco (Mickelia nicotianifolia), tienen manojos dispuestos en un caprichoso patrón de caritas sonrientes.

Sección transversal del rizoma de Mickelia nicotianifolia, que muestra patrones de tejido vascular con una cara sonriente. Cualquier brecha en el sistema central está relacionada con la producción de hojas. Jacob S. Suissa, CC BI-ND

Durante gran parte del siglo XX, los científicos que estudiaban el patrón y la disposición de los haces vasculares en los tallos de los helechos pensaban que estos patrones amplios podrían adaptarse a las condiciones ambientales. Empecé mi propia investigación para probar si ciertos tipos de arreglos son más tolerantes a la sequía. Pero contrariamente a mis hipótesis iniciales (y a mi deseo de establecer una relación entre forma y función), la disposición de los haces vasculares en el tallo no parece correlacionarse con la tolerancia a la sequía.

Esto puede parecer contradictorio, pero resulta que la capacidad de un helecho para mover agua a través de su cuerpo tiene más que ver con el tamaño y la forma de las células conductoras de agua que con la forma en que están dispuestas como un todo en el tallo. Este hallazgo es análogo a mirar mapas de carreteras para comprender los patrones de tráfico. La forma de las carreteras en el mapa (cómo están dispuestas las celdas) puede ser menos importante para determinar los patrones de tráfico que el número y tamaño de los carriles (tamaño y número de celdas).

Esta observación insinuaba algo más profundo sobre la evolución de los sistemas vasculares de los helechos. Me envió a un viaje para descubrir exactamente qué llevó a los diferentes patrones vasculares de los helechos.

Observaciones simples y conocimientos sobre la evolución.

Me preguntaba cómo se relacionaba esta variación en el número y disposición de los haces vasculares con la ubicación de las hojas alrededor del tallo. Así que cuantifiqué esta variación en el patrón vascular de 27 helechos que representan aproximadamente el 30% de todas las especies de helechos.

Descubrí una sorprendente correlación entre el número de hileras de hojas y el número de haces vasculares dentro del tallo. En algunos casos, esta proporción era casi de 1 a 1. Por ejemplo, si había tres hileras de hojas a lo largo del tallo, había tres haces vasculares en el tallo.

Además, la forma en que se disponían las hojas alrededor del tallo determinó la disposición espacial de los haces. Si las hojas estaban dispuestas en espiral (en todos los lados del tallo), los haces vasculares estaban dispuestos radialmente. Si las hojas se movían hacia el lado dorsal del tallo, aparecía un patrón de cara sonriente.

Es importante destacar que, según nuestra comprensión del desarrollo de las plantas, aquí había direccionalidad. En particular, la colocación de las hojas determina la disposición de los paquetes, y no al revés.

Arquitecturas vasculares de tres helechos diferentes. Desde la izquierda: Ligodium microphillum, Sitobolium punctilobulum y Amauropelta noveboracensis. Jacob S. Suissa, CC BI-ND

Puede que esto no suene tan sorprendente: parece lógico que la vasculatura se conecte entre las hojas y los tallos. Pero esto contradice la forma en que los científicos han visto el sistema vascular de los helechos durante más de 100 años. Muchos estudios sobre el patrón vascular de los helechos se han centrado en partes individuales de la planta, eliminando la arquitectura vascular del contexto de la planta en su conjunto y viéndola como un patrón que evoluciona de forma independiente.

Sin embargo, este nuevo trabajo sugiere que la disposición de los haces vasculares en los tallos de los helechos no se puede cambiar de forma aislada. En cambio, al igual que los organismos idealizados de Cuvier, los patrones vasculares están vinculados y determinados explícitamente por el número y la disposición de las hojas a lo largo del tallo. Esto no significa que los patrones vasculares no puedan adaptarse a las condiciones ambientales, pero sí significa que el cambio evolutivo en el número y disposición de los haces vasculares es probablemente un cambio en el número de hojas y su posición.

De provinciano a existencial

Aunque este estudio de los helechos y su sistema vascular puede parecer provinciano, aborda la cuestión más amplia de cómo se produce la variación (el combustible de la evolución) y cómo puede continuar la evolución.

Aunque no todas las partes de un organismo están tan estrechamente conectadas, considerar a un individuo como un todo (o al menos un conjunto de partes como una unidad) puede ayudar a los investigadores a comprender mejor cómo y si los patrones observables pueden desarrollarse de forma aislada. Esta idea acerca a los científicos un paso más a la comprensión del meollo de la cuestión de cómo funciona la evolución para crear la vasta biodiversidad de la Tierra.

Comprender estos procesos también es importante para la industria. En entornos agrícolas, los criadores de plantas y animales intentan aumentar un aspecto del organismo sin cambiar otro. Al adoptar un enfoque holístico y comprender qué partes de un organismo están vinculadas genéticamente o en términos de desarrollo y cuáles son más casi independientes, los criadores pueden crear organismos con los rasgos deseados de manera más eficiente.

Los investigadores pueden aprender mucho sobre la evolución a partir de los tallos de Mickelia nicotianifolia Jacob S. Suissa, CC BI-ND

La limitación a menudo se considera limitante, pero puede que no siempre lo sea. El físico nuclear polaco Stanislav Ulam señaló que las rimas “nos obligan a encontrar lo que no es obvio debido a la necesidad de encontrar una palabra que rime”, actuando paradójicamente como “un mecanismo automático de originalidad”. Ya sea a partir de las reglas literarias del haiku o del desarrollo de un helecho, la restricción puede ser un generador de forma.