Evolución del olfato

La olfacción de los vertebrados se originó en un ecosistema acuático , donde el agua era el medio principal para los odorantes . Los anfioxos , una clase de cordados marinos , son parientes lejanos de los invertebrados que comparten algunos de los mismos receptores olfativos (RO) con los humanos. ^{[ 3 ]} Se separaron de nuestros ancestros hace aproximadamente 550 millones de años, antes del desarrollo de los ojos de cámara, los canales semicirculares y el cerebro tripartito. Aunque carecen de un órgano olfativo identificable, los anfioxos poseen 40 genes de receptores olfativos que se encuentran distribuidos a lo largo de sus flancos para detectar moléculas de olor de su entorno acuático. Además, se encontraron muchos genes de receptores olfativos de tipo vertebrado en su genoma. ^{[ 3 ]} El ancestro común de los vertebrados y los tunicados , el progenitor del clado Olfactores , había desarrollado el sistema olfativo más que los anfioxos.

Al servir como descendientes vivos que prosperaron hace casi quinientos millones de años, el estudio de los genes OR en las lampreas también proporciona una visión profunda de los orígenes de la olfacción en vertebrados. ^{[ 11 ]} Se discernieron motivos estructurales que son características distintivas de los OR de vertebrados al aislar los genes OR expresados ​​en los órganos olfativos de la lamprea. El análisis filogenético que compara los genes OR de peces y mamíferos reveló que los OR de la lamprea divergieron de otros vertebrados antes del origen de los genes de Clase I y II. ^{[ 11 ]} También se encontró que el repertorio de genes OR de la lamprea era relativamente pequeño. La duplicación génica y la deriva genética expandieron estos pequeños repertorios en número de genes a lo largo del tiempo evolutivo, lo que apoya la noción de que la secuencia OR de la lamprea representa una antigua familia de OR. ^{[ 5 ] [ 12 ]}

La gran diversidad de órganos olfativos se atribuye en gran medida a la larga vida evolutiva de los peces. ^{[ 13 ]} Representando una clase de vertebrados evolutivamente más antigua, los peces poseen varios genes OR ancestrales en su cromosoma , pero expresan una amplia variación en estos genes entre individuos y especies. ^{[ 14 ]} Los peces tienen sistemas olfativos reducidos en comparación con los mamíferos, ya que solo contienen aproximadamente 100 OR, mientras que la mayoría de los mamíferos pueden poseer entre 500 y 1000.

Nuevos análisis filogenómicos muestran a los urocordados , en lugar de a los cefalocordados , como el grupo hermano de los vertebrados. ^{[ 15 ] [ 16 ]} Todos los genes OR se perdieron en el linaje de los urocordados debido a la ausencia de genes similares a OR de tipo vertebrado. Por lo tanto, la pérdida de genes OR de tipo vertebrado sugiere que podrían haberse perdido en los genomas de los urocordados (genes perdidos conservados entre el anfioxo y los vertebrados). ^{[ 17 ]}

El análisis filogenético ha delimitado dos tipos principales de genes receptores olfativos que se remontan a la historia temprana de los receptores olfativos de los vertebrados: los genes de clase I, responsables de codificar proteínas que detectan odorantes solubles en agua , y los genes de clase II, asociados con la detección de moléculas transportadas por el aire. Ambos tipos funcionan como estructuras homólogas en peces y tetrápodos. ^{[ 18 ]}

En Xenopus laevis , un anfibio, están presentes ambos tipos de receptores, a diferencia de los peces o los mamíferos. Sus receptores de clase I se expresan en el divertículo lateral (DL), una región especializada en responder a odorantes solubles en agua, y los receptores de clase II están presentes en abundancia en el divertículo medial (DM), que está especializado en detectar olores volátiles. ^{[ 18 ]}

Todos los peces perciben olores a través de estructuras similares a fosas nasales llamadas narinas. La mayoría de los peces carecen de estructuras vomeronasales , pero aun así pueden detectar feromonas a través de genes relacionados con el vomeronasal. En lugar de este órgano, los peces poseen un epitelio sensorial que contiene tres tipos de células sensoriales, dos de las cuales son responsables de las feromonas sexuales y las señales sociales. ^{[ 19 ]} Considerando la lenta difusión de las moléculas de olor a través del agua, es evolutivamente razonable poseer solo un tipo de célula dedicada a los odorantes y dos células dedicadas a la comunicación química. ^{[ 2 ]}

Los peces utilizan principalmente feromonas para facilitar el comportamiento social, como señales sociales y reproductivas y la evasión de depredadores . ^{[ 2 ]} Las feromonas antipredatorias varían entre especies; algunas pueden emitir señales químicas que provocan cambios fisiológicos (p. ej., aumento de la profundidad corporal) o señales que promueven la evasión (liberación de olores de congéneres muertos). La detección de feromonas también se utiliza ampliamente en la identificación de parentesco, la agregación para mejorar la supervivencia (p. ej. , la formación de cardúmenes ) y la señalización migratoria . Las feromonas seleccionadas por sexo también pueden distinguir entre machos y hembras para el apareamiento y el desove. ^{[ 20 ]}

Una radiación de genes OR coexistió durante el período de dominio de los reptiles hace aproximadamente 200 millones de años. Este suceso probablemente señaló un importante evento de especiación o un cambio adaptativo en los organismos predominantes. Los primeros tetrápodos prosperaron en ambientes acuáticos antes de su transición inicial a la tierra. De manera similar, los anfibios modernos también comenzaron en el agua antes de emerger en tierra como adultos. Esta doble adaptación fue seleccionada, ya que los primeros tetrápodos y los anfibios modernos podían aprovechar los recursos de ambos ambientes. Como resultado, los anfibios modernos poseen órganos olfativos especializados en la detección de olores volátiles e hidrosolubles. Los odorantes en el agua se detectan de manera similar a los peces, en los que una bomba respiratoria es responsable de llenar su cavidad nasal con agua. ^{[ 21 ]}

Los celacantos son considerados un organismo intermedio entre peces y tetrápodos, ya que poseen protuberancias similares a extremidades. Una de estas especies, Latimeria chalumnae , reviste especial interés, puesto que contiene genes OR de Clase II presentes en mamíferos y anfibios, pero ausentes en peces. ^{[ 22 ]} Al ser parientes vivos cercanos de los tetrápodos, estudios recientes que dilucidan el repertorio de OR del celacanto indican que el ancestro común de mamíferos y peces poseía genes OR de Clase I y II.

Los tetrápodos presentan un sistema olfativo principal y otro accesorio. El sentido olfativo principal deriva del sistema neural más antiguo, presente en insectos y mamíferos. ^{[ 23 ]} Este sistema está especializado en la detección de moléculas volátiles en el aire. El sistema olfativo accesorio es una estructura de evolución más reciente, que apareció por primera vez en el ancestro común de los amniotas y anfibios modernos. La detección de moléculas no volátiles y la quimiorrecepción parecen ser la función principal de este sistema, ya que el órgano accesorio ( órgano de Jacobson ) contiene receptores vomeronasales responsables del muestreo ambiental. ^{[ 24 ]} La investigación cuantitativa ha sugerido que el tamaño relativo del bulbo olfativo principal está altamente correlacionado con las adaptaciones ecológicas, mientras que el tamaño relativo del bulbo olfativo accesorio está relacionado con factores sociosexuales. ^{[ 25 ]}

La pérdida evolutiva del sistema olfativo accesorio se observa en múltiples linajes de tetrápodos , lo que se cree que se debe a la redundancia funcional superpuesta con el sistema olfativo principal. ^{[ 26 ]} De manera similar, la reducción de los genes del receptor vomeronasal se atribuye a menudo a la transición de los tetrápodos del medio acuático al terrestre. ^{[ 27 ]} Sin embargo, con la excepción del clado de los arcosaurios , el sistema olfativo accesorio se posee al menos primitivamente ( vestigialmente ) en todos los taxones superiores de tetrápodos. ^{[ 26 ]}

El cráneo del extinto Hadrocodium wui , considerado un reptil que evolucionó hasta convertirse en los primeros mamíferos, ha revelado importantes implicaciones de la transición olfativa reptiliana. En comparación con sus descendientes, las tomografías computarizadas de estos cráneos mostraron que el bulbo olfatorio había aumentado de tamaño a lo largo de extensos periodos de tiempo. Esta secuencia de eventos culminó con el origen del olfato en los mamíferos, lo que sugiere un cambio en el gen OR de los reptiles a los mamíferos. ^{[ 28 ]}

La genética olfativa de los mamíferos diverge del linaje de los vertebrados al observar el tamaño de la familia de genes OR. Esta familia de genes, por sí sola, constituye el 1% de todo el genoma activo y representa la familia de genes más grande de todas las especies. ^{[ 29 ]} Por lo tanto, los mamíferos podrían ser evidencia de un segundo evento de radiación adaptativa . Estos genes OR de mamíferos tienden a agruparse en los extremos cromosómicos o telómeros . La recombinación es más rápida en los sitios teloméricos. Estos loci teloméricos son evidencia de la expansión de los genes OR donde los genes se duplicaron rápidamente.

Un estudio utilizó métodos filogenéticos de reciente desarrollo para clasificar más de 10 000 genes OR de 13 mamíferos placentarios diferentes . Los investigadores los separaron en grupos de genes ortólogos (OGG). Descubrieron que los linajes de genes OR que habían experimentado mayor duplicación genética presentaban una selección purificadora más débil, mientras que los genes OR de Clase II evolucionaron dinámicamente en comparación con los de Clase I. ^{[ 30 ]}

Los mamíferos (a diferencia de otros tetrápodos) utilizan la nariz para detectar olores volátiles. ^{[ 23 ]} La aparición de cornetes nasales y fosas , que se asemejan a huesos esponjosos en forma de espiral en el conducto nasal, es una de las características distintivas de su evolución. Estas estructuras están emparejadas a ambos lados del tabique nasal medio , uniendo la abertura nasal externa con la abertura nasal interna. La evidencia de su primera aparición se muestra en fósiles de Therapsida , de los cuales descienden los mamíferos. Los primeros mamíferos verdaderos desarrollaron tejido nasal adicional para albergar más neuronas que transfieren información olfativa al cerebro. ^{[ 31 ]} Entre los amniotas, los mamíferos fueron los primeros en desarrollar un sistema complejo de cornetes nasales, que aumentan la superficie del epitelio olfativo. La complejidad de los cornetes varía mucho entre las especies de mamíferos, pero parece existir una correlación entre los grupos filogenéticos más que con el nicho ambiental. ^{[ 32 ] [ 33 ]}

El cráneo de Brasilitherium proporciona información útil para comprender el origen de una nariz verdadera en los mamíferos. Brasilitherium no era un mamífero, sino un tetrápodo sinápsido que sirvió como antecesor cercano de los primeros mamaliaformes. El origen de los cornetes nasales se puede observar en este protomamífero de 227 millones de años. ^{[ 34 ]}

El cornete nasal, o cornetes, está compuesto de pequeños huesos y tejido blando que proporcionan estructura a la nariz y ayudan en la percepción del olfato. El trabajo paleontológico en otros protomamíferos ha identificado crestas especializadas alineadas entre las fisuras orbitales, superiores a la placa maxilar. La investigación aún no ha definido una correlación entre estas crestas y la evidencia de cornetes, principalmente basada en la suposición de que probablemente eran cartilaginosos y difíciles de preservar. La falta de cráneos intactos en estos mamíferos primitivos también sirve como impedimento para el estudio. ^{[ 34 ]} El cráneo de Brasilitherium arrojó resultados más prometedores, ya que contenía un paladar secundario que separaba la nariz de la boca, lo que mejoraba la durabilidad del esqueleto y la preservación de la estructura del cornete. Los investigadores identificaron pequeños fragmentos de hueso dentro de la cavidad nasal del cráneo que se supusieron partes de los cornetes. Se infirió que estas estructuras encontradas en Brasilitherium realizaban las mismas funciones en los mamíferos modernos; Específicamente, el tejido suprayacente anterior calentaba los odorantes entrantes y la porción posterior era responsable de captar el olor. La compleja sección posterior de la estructura nasal sugiere que Brasilitherium tenía un sentido del olfato bien desarrollado. ^{[ 34 ]} Los mismos estudios también encontraron una cavidad a través de la placa secundaria, lo que implica la presencia del órgano de Jacobson . Estas observaciones sugieren que este organismo poseía características que conectan tanto a sus ancestros tetrápodos como a los mamíferos posteriores. En particular, la nariz de Brasilitherium tenía características transicionales que ayudan a dilucidar el surgimiento de las narices protuberantes de los mamíferos. ^{[ 34 ]}

Los cambios estructurales en el rinario proporcionan material sugerente para el análisis filogenético. En términos generales, el rinario está presente en la mayoría de las especies de mamíferos y se correlaciona con un agudo sentido del olfato. Por lo tanto, es probable que este rasgo surgiera en la etapa protomamal. ^{[ 35 ]} Las adaptaciones que dieron origen a esta estructura anatómica reflejaron en gran medida los factores ecológicos que afectaron a los mamíferos del período. En la mayoría de las especies con rinario, el órgano toma la forma de una almohadilla firme con dos orificios nasales, lo que permite el procesamiento de información tanto olfativa como táctil. ^{[ 35 ]} Por lo tanto, se supone que la estructura del rinario es importante en la evolución del comportamiento exploratorio. Una suposición común es que los primates superiores perdieron el rinario secundariamente debido a su menor dependencia del olfato.

Una característica distintiva del Orden Primates es la menor importancia que se le da al olfato. ^{[ 23 ]} El olfato suele considerarse un sentido especial atenuado durante el surgimiento de funciones neuronales superiores, y, en consecuencia, el olfato se ha reducido progresivamente a lo largo de la evolución de los primates. Algunos investigadores relacionan esta menor importancia del olfato con el surgimiento de una visión compleja. Por consiguiente, muchas especies de primates poseen una gran proporción de pseudogenes OR , con los niveles más altos en humanos, chimpancés y gorilas . ^{[ 23 ]} Los humanos solo contienen aproximadamente 400 genes funcionales, en contraste con los 600 pseudogenes OR presentes en el genoma. Esta disparidad se explica por el desarrollo de una visión aguda en los Catarrhini (simios y monos del Viejo Mundo) hace 40 millones de años, concretamente durante el período en que la Tierra se enfrió. La visión tricromática evolucionó para mejorar la percepción a larga distancia y la búsqueda de fruta madura, reduciendo la ventaja selectiva de poseer un amplio repertorio de genes OR. ^{[ 23 ]}

Por el contrario, los monos aulladores del Nuevo Mundo ( Alouatta ) han desarrollado de forma independiente una visión tricromática rutinaria, pero aún así se comunican mediante feromonas y no presentan capacidades olfativas reducidas. Se sugiere que, si bien la visión mejorada atenuó la selección del olfato sensible, no convirtió el olfato en un rasgo innecesario, y pudo haber sido ventajoso en un hábitat selvático. ^{[ 36 ]}

En los primates, el olfato es de suma importancia para la señalización social y las estrategias alimentarias. ^{[ 23 ]} Numerosas evidencias sugieren que los comportamientos sociales olfativos, como olfatear y marcar con olor, están fuertemente involucrados en las interacciones comunicativas entre especies de primates. Por ejemplo, marcar con olor mediante secreciones glandulares es un modo de señalización frecuente en los estrepsirrinos . Dentro del orden Catarrhini, todos los géneros de hominoideos contienen glándulas odoríferas cutáneas especializadas (es decir, glándulas apocrinas en la axila ) para detectar señales aromáticas. ^{[ 37 ]} Estudios recientes también han establecido conexiones entre la función olfativa y la preferencia de pareja en una amplia gama de primates, incluidos los humanos. ^{[ 37 ]}

Durante el siglo XX, se desarrollaron numerosas teorías sobre el origen de las adaptaciones sensoriales de los primates. El "progreso" evolutivo se caracterizó por las características adaptativas de las estructuras visuales y táctiles, pero también por una reducción en las capacidades olfativas. ^{[ 23 ]} Esta teoría fue elaborada posteriormente por Le Gros Clark , quien afirmó que la reducción de las estructuras olfativas se debía a la menor necesidad de olfato en los entornos arbóreos. ^{[ 38 ]} Esta teoría fue cuestionada más tarde por la existencia de mamíferos arbóreos que no exhiben rasgos de primates considerados "adaptativos" (específicamente, olfato reducido), pero que aun así tienen éxito en su entorno respectivo. ^{[ 39 ]} Además, los primates estrepsirrinos demuestran el comportamiento social de marcaje olfativo tanto en hábitats terrestres como arbóreos. ^{[ 40 ]} Los primates arbóreos del Nuevo Mundo ( Platyrrhini ) poseen glándulas odoríferas en la piel y también exhiben los mismos rasgos de marcaje olfativo que los estrepsirrinos. Los estudios han proporcionado una explicación estructural para la reducción del olfato en los primates, proponiendo que la degeneración de la región nasal fue el resultado del hacinamiento en la cavidad nasal junto con órbitas progresivamente convergentes.

Además de una estructura nasal externa, algunos primates poseen un órgano vomeronasal para detectar odorantes de mayor peso molecular. ^{[ 23 ]} El análisis genómico ha afirmado que los receptores del órgano vomeronasal se deterioraron hace aproximadamente 23 millones de años en la evolución de los primates, antes de la separación de los monos del Viejo Mundo y los hominoideos. Además, múltiples líneas de evidencia muestran que todo el sistema olfativo accesorio se volvió no funcional en la comunicación feromonal antes de que ocurriera esta divergencia. ^{[ 23 ] [ 41 ] [ 42 ] [ 43 ]} Actualmente, no se ha dilucidado ninguna estructura del órgano vomeronasal en los monos del Viejo Mundo, aunque se ha demostrado que un órgano vomeronasal vestigial aparente se desarrolla pero degenera antes del nacimiento. ^{[ 23 ]} Por el contrario, los embriones humanos poseen un órgano vomeronasal que persiste, aunque esta característica es vestigial durante toda su vida.

Los primates se dividen filogenéticamente en Strepsirrhini, especies que poseen un rinario rizado y húmedo, y Haplorhini , aquellas que poseen una estructura nasal seca y simple. Se considera que los Strepsirrhini tienen características y adaptaciones más primitivas debido a la conservación de su agudo sentido del olfato. ^{[ 44 ]} En los primates haplorrinos, la pérdida del rinario húmedo y la reducción del número de cornetes nasales se correlacionan con su menor dependencia del olfato. Por consiguiente, las narices secas de los humanos también los ubican dentro del clado Haplorhini. ^{[ 44 ]}

Se han identificado más de 900 genes y pseudogenes OR humanos. ^{[ 45 ]} Cerca del 63% de los OR se modifican mediante un proceso aleatorio de formación de pseudogenes. Estos OR constituyen 17 familias de genes, de las cuales solo 4 contienen más de 100 miembros cada una. Existen OR de Clase I, similares a los de los peces, que forman el 10% del repertorio humano, todos en un clúster en el cromosoma 11. Los OR están presentes en todos los cromosomas humanos, con la excepción del 20 y el cromosoma sexual masculino 'Y'. El 80% de todos los OR se encuentran en clústeres que contienen entre 6 y 138 genes. ^{[ 45 ]}

Un estudio de análisis de clústeres comparativo rastreó la ruta evolutiva que condujo a la proliferación y diversificación de los OR. El estudio concluyó la siguiente historia de expansión: 1) Se generó un clúster de OR de Clase II en el cromosoma 11 mediante duplicación local. 2) Duplicación en un solo paso desde el clúster en el cromosoma 11 al cromosoma 1. 3) Una serie de eventos de duplicación desde el cromosoma 1 a otros cromosomas. ^{[ 45 ]}

En los humanos modernos, la configuración nasal se asocia principalmente con la elevación del puente nasal y el ancho de la cavidad nasal interna. La aparición de dicha estructura se deriva principalmente de las necesidades respiratorias en climas variables; por ejemplo, una cavidad nasal grande en los neandertales se ajustaba al ambiente frío y la baja humedad de esa época. ^{[ 46 ]} En los primates superiores, la reducción estructural del hocico se correlaciona con una menor prioridad para el olfato. Por lo tanto, la nariz humana muestra una inervación reducida de la membrana mucosa olfativa , una menor longitud del hocico y una reducción general de la complejidad de la cornete nasal . ^{[ 46 ]}

El papel del olfato se ha considerado durante mucho tiempo secundario a la importancia de los sentidos auditivo, táctil y visual. ^{[ 23 ]} Los humanos no dependen del olfato para la supervivencia en la misma medida que otras especies. En cambio, el olfato desempeña un papel más importante en la percepción estética de los alimentos y en la obtención de información sobre el entorno. ^{[ 1 ]} Sin embargo, los humanos también se comunican mediante sustancias odoríferas y feromonas, ejerciendo olores tanto subconscientes como conscientes (artificiales).

Los humanos presentan una alta variabilidad interindividual en pseudogenes y genes OR, lo que las investigaciones atribuyen a la separación geográfica y cultural. La selección y las prácticas culturales pueden conservar los genes OR, aunque probablemente esto se deba a efectos de cuello de botella y aislamiento geográfico. ^{[ 47 ]}

Se propone una selección positiva débil que actúa sobre la diversidad de nucleótidos humanos debido a un informe que observó segmentos genómicos en un grupo de genes olfativos de 450 kb ubicado en el cromosoma 17. ^{[ 47 ]} Observaron una menor proporción de diversidad de nucleótidos con respecto a la divergencia en genes intactos en comparación con intrones y pseudogenes . Además, se observó una reducción pequeña pero significativa en la variabilidad en el grupo de genes OR en comparación con otras áreas genómicas. ^{[ 47 ]}

Las poblaciones humanas geográficamente y culturalmente distintas difieren al comparar regiones del cromosoma 17 (analizando los SNP ) en las regiones codificantes de los grupos de genes de receptores olfativos de 400 kb. Se propone que estas diferencias ayuden en futuros estudios de genotipo-fenotipo, como la evaluación del efecto de la deriva genética en estas poblaciones y la detección de una mayor funcionalidad en los genes de receptores olfativos pigmeos y la pseudogenización. ^{[ 47 ]}

Se analizaron 3 millones de SNP en la base de datos HapMap de cuatro poblaciones y se encontró que los heterocigotos predominan significativamente. Debido a la doble cantidad de sitios de unión de odorantes, se teoriza que los heterocigotos son seleccionados. ^{[ 47 ]} Esto podría ser una respuesta evolutiva a la actual pérdida de receptores olfativos humanos. ^{[ 47 ]}

Las comparaciones entre los repertorios de genes OR humanos y de ratón han sido bien documentadas en análisis genómicos y filogenéticos. Identificar la relación ortóloga entre sus genes proporciona datos clave de traducción de estudios en ratones para comprender la olfacción humana. ^{[ 1 ]} Aproximadamente el 63% del repertorio OR humano ha degenerado en pseudogenes, mientras que los ratones solo exhiben un 20% de pseudogenización. Además, los genes OR humanos carecen de motivos que están altamente conservados en los genomas OR de ratón, lo que implica que no todos los genes OR humanos codifican proteínas OR funcionales. Estas diferencias se explican por la menor dependencia del olfato en los humanos en comparación con los roedores. ^{[ 48 ]} Todavía no está claro si los extensos repertorios OR de los ratones les permiten detectar una gama más amplia de odorantes que los humanos. Cuando se analizan filogenéticamente las secuencias OR humanas, se encuentran genes humanos intactos en la mayoría de las subfamilias OR. ^{[ 1 ]} Suponiendo que varias subfamilias de OR se unen a diferentes clases de odorantes, es probable que los humanos sean capaces de detectar una amplia gama de olores de manera similar a los ratones. ^{[ 1 ]}