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Descifrando la historia de los escarabajos ciervo de Hachijo-jima

De unas mandíbulas distintas a la historia de las islas y el mar

Tanto en las islas principales de Japón como en Hachijo-jima viven escarabajos ciervo de mandíbulas aserradas. Imaginemos que ponemos uno de cada lugar, ambos machos y de tamaño parecido, uno junto al otro. El de Hachijo-jima tiene las mandíbulas más cortas. ¿Basta eso para saber que son especies distintas?

Las diferencias en las mandíbulas son una pista para distinguir especies. Al comparar muchos ejemplares, los investigadores observaron que los machos de Hachijo-jima tendían a tener mandíbulas más cortas en proporción a su cuerpo que los de las islas principales.

¿Por qué apareció esa diferencia en Hachijo-jima? La isla se formó cuando unos volcanes nacidos en el fondo del mar emergieron sobre la superficie. Se cree que los antepasados de los escarabajos cruzaron el mar después de que hubiera tierra firme.

Una vez establecidos en Hachijo-jima, ¿siguieron llegando escarabajos de las islas principales o de otras islas? Kodai Kishino y sus colegas se centraron en esos desplazamientos. Unas conexiones distintas con el exterior podrían estar relacionadas con la evolución de mandíbulas más cortas. Sigamos ese misterio.

Para comparar las mandíbulas, medir la anchura del tórax

La longitud corporal indica cuánto mide un animal de largo. Algunas guías de escarabajos ciervo la miden desde la punta de las mandíbulas hasta el extremo posterior. Así, unas mandíbulas más largas dan una longitud corporal mayor, aunque el resto del cuerpo tenga el mismo tamaño. Para saber cuánto medían las mandíbulas en relación con el cuerpo, el equipo utilizó otra referencia: la anchura del tórax, la parte situada justo detrás de la cabeza.

Fotografiaron desde arriba escarabajos de Nasu Kogen, en las islas principales, y de Oshima, Niijima, Kozushima y Hachijo-jima. En las imágenes midieron la anchura del tórax y la longitud de las mandíbulas. Al usar esa anchura como referencia, las mandíbulas de los machos tendían a ser proporcionalmente más cortas en este orden: islas principales, Oshima, Niijima y Kozushima. Las proporcionalmente más cortas entre los ejemplares estudiados fueron las de Hachijo-jima.

Al principio, los escarabajos de Hachijo-jima se consideraban una forma local con características propias dentro de la misma especie que los de mandíbulas aserradas de las islas principales. En 1985, las diferencias de aspecto llevaron a tratarlos como una especie distinta, cuyo nombre japonés significa «escarabajo ciervo de mandíbulas aserradas de Hachijo». La pregunta que estudió ahora el equipo de Kishino fue qué conexiones habían mantenido con los escarabajos de otras islas y de las islas principales.

¿Cuándo se separó Hachijo-jima de las islas principales?

Si sus escarabajos comparten antepasados, ¿estuvieron unidas esas tierras en el pasado? Hachijo-jima es una isla volcánica al sur del archipiélago de Izu, que se extiende mar adentro desde la península de Izu. Los estudios geológicos no han encontrado pruebas de que se formara al desprenderse de las islas principales. Los volcanes que la originaron nacieron en el fondo del mar y después emergieron.

Una pista sobre la fecha procede de unas cenizas volcánicas llegadas desde Kyushu. En Hachijo-jima se han encontrado cenizas de hace unos 240.000 años dentro de capas formadas en tierra. Eso sugiere que ya había tierra sobre el nivel del mar cuando cayeron.

Con esa historia, resulta razonable pensar que los antepasados de los escarabajos llegaron por mar después de que se formara la tierra. Una posibilidad es que viajaran sobre madera a la deriva. ¿Vinieron directamente de las islas principales o pasaron por otras cercanas? ¿Qué los transportó y cuándo llegaron? Las capas geológicas solo permiten decir que en aquella época ya había tierra firme.

Buscar en el ADN los viajes posteriores

Supongamos que los antepasados de los escarabajos cruzaron el mar y se establecieron en la isla. ¿Siguieron llegando después desde las islas principales u otras islas? No podemos observar directamente aquellos desplazamientos. Pero, si los recién llegados dejaron descendencia, su ADN pudo transmitirse hasta los escarabajos actuales. El equipo buscó esas huellas.

El ADN es una sustancia que contiene información relacionada con la formación y el funcionamiento del cuerpo. Su estructura incluye cuatro tipos de componentes químicos llamados bases. El orden en que se disponen almacena información. Esa secuencia pasa de padres a descendientes, aunque a veces cambia alguna parte. Comparar qué cambios conserva cada población permite estudiar las conexiones entre ellas.

El equipo comparó primero el ADN de las mitocondrias. Estas estructuras están dentro de las células y utilizan los nutrientes de los alimentos para producir energía en una forma que la célula puede aprovechar. En muchos animales, su ADN se hereda principalmente de la madre. Por eso, comparar sus secuencias permite seguir la línea materna, como recorrer un árbol familiar de una madre a su propia madre.

Los investigadores leyeron una parte del ADN mitocondrial. En ella se encuentra la información para fabricar un componente necesario para producir energía.

Compararon las secuencias de los escarabajos para localizar las partes iguales y las diferentes. A partir de esos resultados, estimaron en qué orden se habían separado las distintas líneas de sus antepasados comunes. La representación de estas relaciones mediante ramas se llama árbol filogenético.

Construyeron un árbol con escarabajos de ocho islas de Izu, de las islas principales y de otros lugares. Hachijo-jima y las islas del sur, entre ellas Miyake-jima, quedaron en una misma rama, separada de la de las islas principales. Eso significa que se estimó que los escarabajos de esa rama tenían un antepasado común más reciente entre sí que con los de las islas principales. Oshima y Niijima quedaron en la rama de las islas principales. Comparar más partes del ADN mitocondrial no cambió esa disposición.

Después compararon el ADN del núcleo, que se hereda tanto del padre como de la madre. El núcleo es la parte de la célula que contiene la mayor parte de su ADN. El equipo comparó 1.317 genes del ADN nuclear. Un gen es un segmento de ADN que contiene información relacionada con la formación o el funcionamiento del cuerpo.

En el árbol construido con ADN nuclear, Oshima, Niijima, Miyake-jima y Hachijo-jima formaron una rama separada de las islas principales. Esa rama se dividió después entre Hachijo-jima y las otras tres islas. Miyake-jima, que compartía rama con Hachijo-jima en el árbol mitocondrial, compartía ahora una con Oshima y Niijima.

¿Podrían explicar esa diferencia los desplazamientos posteriores al establecimiento en las islas? Si los escarabajos llegados más tarde dejaron descendencia, su ADN también se incorporaría a las poblaciones locales. El equipo investigó esa posibilidad con más detalle.

¿Qué islas comparten más cambios de ADN con las islas principales?

Los investigadores agruparon Oshima, Niijima y Miyake-jima y las compararon con la población de Hachijo-jima. Examinaron qué grupo conservaba más posiciones del ADN con los mismos cambios que los escarabajos de las islas principales.

Si, después de separarse, ninguno de los dos grupos hubiera tenido descendencia con escarabajos de las islas principales, no se esperaría una gran concentración de esos cambios comunes en un solo lado. Sin embargo, el grupo de las tres islas presentaba más posiciones con esos cambios que Hachijo-jima.

Si los recién llegados de las islas principales se hubieran reproducido con los escarabajos de las tres islas, sus descendientes habrían heredado su ADN. Eso explicaría el desequilibrio. Considerando también otros análisis, el equipo concluyó que los escarabajos llegados de las islas principales habían dejado descendencia en esas tres islas. En Hachijo-jima no obtuvo pruebas equivalentes de esa incorporación.

¿Dificultó la corriente de Kuroshio el viaje a Hachijo-jima?

En Oshima, Niijima y Miyake-jima aparecieron huellas de conexiones con las islas principales, pero en Hachijo-jima no se encontraron las mismas. Todas están separadas por mar. ¿Por qué son distintas?

Para investigarlo, el equipo también estimó mediante el ADN cuándo se separaron las poblaciones de las islas principales y Hachijo-jima. La estimación fue de hace unos 150.000 años, con un intervalo indicado en el artículo de aproximadamente 120.000 a 190.000 años. El cálculo supone que las dos poblaciones no dejaron descendencia entre sí después de separarse. Por tanto, no indica cuándo llegaron los primeros escarabajos a la isla.

Las capas geológicas muestran que ya había tierra en Hachijo-jima hace unos 240.000 años. Para entender las conexiones posteriores de los escarabajos, Kishino y sus colegas se fijaron en Kuroshio. Esta fuerte corriente marina pasa a veces entre Mikura-jima y Hachijo-jima. Los investigadores consideraron que podría haber dificultado la llegada a la isla.

Otros estudios reconstruyen los mares antiguos a partir del barro acumulado en el fondo marino y sugieren que, durante un periodo frío, Kuroshio pasaba más al sur que hoy. El equipo propuso que los antepasados de los escarabajos quizá alcanzaron Hachijo-jima en ese periodo. Más tarde, al desplazarse la corriente hacia el norte y cruzar entre las islas, podría haber llevado la madera flotante en otra dirección, dificultando la llegada. Es una hipótesis. La fecha estimada de separación abarca un intervalo amplio, por lo que no se sabe si coincide exactamente con el cambio de recorrido de la corriente.

Cada vez que escarabajos de las islas principales dejan descendencia en una isla, añaden su ADN a la población local. El equipo plantea que esas incorporaciones fueron menores en Hachijo-jima. Así, los cambios adecuados para la vida insular podrían haberse mantenido con más facilidad, favoreciendo también la evolución de mandíbulas más cortas.

¿Qué cambiaron durante el crecimiento de las larvas?

Si cambió el desarrollo de las mandíbulas, el ADN relacionado con el crecimiento podría ofrecer otra pista. Las células de las larvas tienen un componente que recibe señales de crecimiento enviadas según el estado nutricional del cuerpo. En los escarabajos de Hachijo-jima, el ADN con las instrucciones para fabricar ese componente presentaba diferencias no observadas en las otras poblaciones.

El equipo dividió larvas de las islas principales en dos grupos e hizo que uno produjera menos de ese componente. Al medir a los machos adultos, el grupo con producción reducida tenía mandíbulas proporcionalmente más cortas que el grupo sin esa intervención. El experimento confirmó así que ese componente interviene en el desarrollo de las mandíbulas.

Lo que sabemos y lo que falta por comprobar

El estudio confirmó que los machos de Hachijo-jima tienen mandíbulas más cortas incluso al tener en cuenta el tamaño corporal. Las comparaciones de ADN revelaron huellas de descendencia de escarabajos llegados de las islas principales en Oshima, Niijima y Miyake-jima. En Hachijo-jima no aparecieron las mismas huellas. Las conexiones con las islas principales, por tanto, varían entre islas.

El equipo propone que una menor incorporación de ADN procedente de las islas principales permitió conservar con más facilidad cambios adecuados para la vida en Hachijo-jima, favoreciendo la evolución de mandíbulas más cortas. Tanto el ambiente de la isla como su historia de recibir menos recién llegados podrían haber contribuido.

Todavía hay que comprobar esa explicación. El experimento mostró que reducir la producción de un componente relacionado con el crecimiento en larvas de las islas principales da lugar a mandíbulas más cortas. Pero no se ha comprobado si las diferencias de ADN encontradas en Hachijo-jima alteran por sí mismas la función de ese componente. Para saber cuándo resultan útiles las mandíbulas cortas en la isla, también habrá que investigar dónde se encuentran los machos y por qué compiten.

La explicación de que Kuroshio dificultó los desplazamientos a Hachijo-jima también sigue siendo una hipótesis. Hace falta más evidencia para entender cuándo y por qué ruta llegaron los primeros escarabajos, y cómo cambiaron los movimientos posteriores. Por ejemplo, comparar otros insectos presentes tanto en Mikura-jima como en Hachijo-jima permitiría investigar si sus diferencias de ADN también aumentan entre esas dos islas. Eso podría dar pistas sobre la influencia de la corriente.

Al profundizar en una diferencia de mandíbulas, hemos llegado al origen de una isla y al movimiento del mar. ¿Favorecieron unas conexiones más débiles con las islas principales una evolución propia en Hachijo-jima? El siguiente paso es partir de estos resultados y comprobar cómo se relaciona el funcionamiento del ADN con la vida de los escarabajos en la isla.

Referencias