Antecedentes

El motor clave del éxito abrumador de los insectos en el ecosistema terrestre fue la adquisición de la capacidad de volar. Los insectos alados que aparecieron por primera vez en el período Carbonífero del Paleozoico, conocidos como Pterygota, dominaron los entornos terrestres y aéreos, diversificándose explosivamente. Sin embargo, el debate académico sobre cuándo y a través de qué ruta evolutiva completaron sus estructuras de vuelo ha permanecido sin resolución durante el último siglo.

En el centro de la controversia se encuentran los órdenes Ephemeroptera (efímeras) y Odonata (libélulas), insectos voladores primitivos. A diferencia de los neópteros, que representan la mayoría de los insectos modernos y pueden plegar las alas hacia atrás, estos dos grupos comparten la característica anatómica única de no poder hacerlo. La taxonomía los ha agrupado bajo el nombre de Palaeoptera, pero existían tres hipótesis enfrentadas sobre si estos dos órdenes constituyen un grupo monofilético derivado de un único ancestro común.

Las investigaciones anteriores se habían basado en rasgos morfológicos o en el análisis fragmentario de marcadores genéticos minoritarios. Los estudios morfológicos apoyaban la hipótesis de que Odonata estaba más estrechamente relacionado con Neoptera debido a diferencias en la inserción de los músculos del vuelo, o situaban a Ephemeroptera como el grupo más basal basándose en las diferencias en los órganos respiratorios acuáticos de sus larvas. Los análisis filogenéticos moleculares iniciales también aumentaron la confusión, produciendo cladogramas contradictorios según las muestras y el modelo de análisis, debido al sesgo en la composición de bases y al fenómeno de atracción de ramas largas (Long-Branch Attraction, LBA). Para confirmar la raíz del árbol evolutivo de los insectos, era esencial construir un marco avanzado de análisis genómico capaz de eliminar errores artificiales en la inferencia filogenética mediante un muestreo taxonómico sin precedentes.

Hallazgos clave

Un equipo de investigación internacional realizó un análisis filogenómico combinando datos genómicos y transcriptómicos a gran escala, que incluyen 48 especies de Ephemeroptera de 34 familias de todo el mundo, 52 especies de Odonata y grupos principales de Neoptera. Para evitar distorsiones en el árbol filogenético, se seleccionó un conjunto de aproximadamente 2,800 genes ortólogos de copia única y se reconstruyó el árbol basado en secuencias de aminoácidos.

Los resultados del análisis respaldaron fuertemente la hipótesis de Palaeoptera, mostrando que Ephemeroptera y Odonata forman un grupo monofilético con una confianza estadística del 100% (valor bootstrap de 100). Para bloquear las distorsiones filogenéticas que se producen con frecuencia en los procesos de análisis filogenético, el equipo aplicó conjuntamente el modelo mixto CAT-GTR, que tiene en cuenta la heterogeneidad de sitios, y un modelo de sustitución de aminoácidos no homogéneo. Mediante modelos de verificación comparativa, se demostró claramente que la razón por la cual los odonatos y los neópteros se agrupaban anteriormente era una unión artificial causada por una rápida tasa de sustitución de bases.

También se identificaron huellas evolutivas claras en los patrones de evolución de los grupos de genes relacionados con el vuelo. Al rastrear la evolución de la sallisimus (proteína elástica del músculo de vuelo) y la familia de proteínas relacionadas con la formación de la cutícula de las alas, se observó que eventos de duplicación génica específica y reordenamiento de dominios se concentraron en el ancestro de las aves. Esto respalda sólidamente que el sistema de vuelo primitivo surgió a partir de una única innovación exitosa entre el Devónico tardío y el Carbonífero temprano, hace aproximadamente 390 millones de años.

Significado y perspectivas

Este estudio tiene un gran valor biológico fundamental, ya que cierra la controversia sobre la monofilia de los paleópteros, que se prolongó durante más de cien años en el campo de la filogenia de insectos, mediante modelos estadísticos genómicos avanzados. Al esclarecer que el origen del vuelo de los insectos se estableció a partir de un único ancestro común, se proporciona un punto de referencia claro para rastrear cómo los órganos del exoesqueleto de los artrópodos se transformaron en alas de vuelo mediante la reorganización genética.

Sin embargo, la discrepancia temporal entre el registro fósil y las estimaciones del reloj molecular sigue siendo un desafío. Existe un desfase de aproximadamente 20 millones de años entre la edad de los fósiles de alas de insectos primitivos del Paleozoico y el momento de divergencia indicado por los datos genómicos. Se requiere como trabajo futuro una investigación filogenética convergente que integre los datos morfológicos de fósiles con datos de microtomografía de alta resolución de fósiles con tejidos blandos preservados en la actual matriz genómica.