Las moléculas de olor son detectadas por los receptores olfativos (en adelante OR) en el epitelio olfativo de la cavidad nasal . Cada tipo de receptor se expresa dentro de un subconjunto de neuronas , desde las cuales se conectan directamente al bulbo olfatorio del cerebro. [1] El olfato es esencial para la supervivencia en la mayoría de los vertebrados ; sin embargo, el grado en que un animal depende del olfato es muy variado. [2] Existe una gran variación en el número de genes OR entre especies de vertebrados, como se muestra a través de análisis bioinformáticos . Esta diversidad existe en virtud de los amplios entornos que habitan. Por ejemplo, los delfines que están adaptados secundariamente a un nicho acuático poseen un subconjunto de genes considerablemente más pequeño que la mayoría de los mamíferos . [3] Los repertorios de genes OR también han evolucionado en relación con otros sentidos, ya que los primates superiores con sistemas de visión bien desarrollados tienden a tener un número menor de genes OR. Como tal, investigar los cambios evolutivos de los genes OR puede proporcionar información útil sobre cómo responden los genomas a los cambios ambientales. Las diferencias en la sensibilidad al olfato también dependen de la anatomía del aparato olfativo, como el tamaño del bulbo olfativo y el epitelio.
No obstante, las características generales del sistema olfativo están altamente conservadas entre los vertebrados [4] y, al igual que otros sistemas sensoriales, el olfato ha experimentado cambios bastante modestos a lo largo de la evolución de los vertebrados. Los análisis filogenéticos revelan que al menos tres subsistemas olfativos distintos son ampliamente consistentes en los vertebrados, y un cuarto sistema accesorio ( vomeronasal ) surgió únicamente en los tetrápodos . [4]
Las mutaciones que afectan a los genes OR en el cromosoma son las principales responsables de la evolución del olfato. Los genes OR se agrupan en grupos a lo largo de múltiples cromosomas y son responsables de codificar las respectivas proteínas OR. Estas proteínas contienen siete dominios transmembrana que son responsables de detectar conjuntos específicos de moléculas de olor. [5] Los genes OR están ubicados en regiones del cromosoma propensas a errores y, en consecuencia, el ADN del gen OR se duplica periódicamente durante el cruce . [6] Después de este evento de duplicación, uno de los dos genes puede mutar y desactivar su función, convirtiéndolo en un pseudogén . Alternativamente, la copia duplicada puede mutar sin disfuncionalidad y continuar produciendo el mismo receptor olfativo pero con cambios estructurales alterados. Este ajuste de proteínas puede inducir un cambio sutil en la gama de olores que un animal puede sentir. La diversidad de genes olfativos presentes en los humanos hoy en día se atribuye a múltiples rondas de mutaciones que se han producido a lo largo de la evolución de los vertebrados. [5] [6]
En particular, las rondas repetidas de duplicación, eliminación y evolución de pseudogenes contribuyen a la variedad del número de genes OR. Conocida formalmente como "evolución de nacimiento y muerte", esta dinámica se mide por el número de ganancias y pérdidas de genes en cada rama del árbol filogenético en cuestión. [5] Se pueden utilizar métodos estadísticos para estimar el número total de ganancias y pérdidas, que puede llegar a varios cientos por rama del árbol. [7] Además, el número de ganancias y pérdidas puede ser enorme incluso si dos especies existentes poseen el mismo número de genes (por ejemplo, los humanos y los macacos ).
Tanto la adaptación como los eventos aleatorios pueden causar una evolución de nacimiento y muerte. La probabilidad de duplicación de genes está dictada por eventos aleatorios y ocurre principalmente a través de cruces desiguales; esto excluye el raro caso de duplicación del genoma completo. Alternativamente, la fijación de genes duplicados puede verse influenciada por la selección natural o puede ocurrir de forma aleatoria. [8] Dentro del árbol filogenético de los mamíferos, se observa una gran cantidad de ganancias y pérdidas de genes en casi todas las ramas, lo que sugiere que una fracción significativa de los cambios en el número de genes fueron causados por eventos de inactivación y duplicación aleatoria de genes. Este proceso se conoce como deriva genómica , o "deriva genética aleatoria de frecuencias genéticas" en genética de poblaciones. Los pseudogenes también están sujetos a deriva genómica, ya que se consideran no funcionales y se cree que evolucionan de manera neutral. [9]
Se han identificado al menos nueve grupos de genes OR de vertebrados (α,β,γ,δ,ε,ζ,η y θ), cada uno de los cuales deriva de genes ancestrales en el ancestro más común de los tetrápodos y los peces . [5] Específicamente, los genes OR de los vertebrados transmiten un patrón evolutivo de tres linajes separados: peces, anfibios y mamíferos. [10]
El olfato de los vertebrados surgió por primera vez en un ecosistema acuático , donde el agua era el medio principal para los olores . Las lancetas , una clase de cordados marinos parecidos a peces , son los ancestros más lejanos que comparten los mismos receptores olfativos (OR) con los humanos. [3] Se separaron de nuestros propios antepasados hace aproximadamente 550 millones de años, poco antes del desarrollo de los ojos y el cerebro de las cámaras. Aunque carecen de un órgano olfativo identificable, las lancetas poseen 40 genes receptores olfativos que están incrustados a lo largo de sus flancos para detectar moléculas de olor del entorno acuático circundante. Además, en su genoma se encontraron muchos genes de receptores olfativos de tipo vertebrado. [3] El ancestro común de los vertebrados y los tunicados , los olfactores , había desarrollado el sistema olfativo más que las lancetas.
Como descendientes vivos que prosperaron hace casi 500 millones de años, el estudio de los genes OR en las lampreas también proporciona una visión profunda de los orígenes del olfato de los vertebrados. [11] Se discernieron motivos estructurales que son características distintivas de los OR de vertebrados al aislar genes OR expresados en órganos olfativos de lamprea. El análisis filogenético que comparó los genes OR de peces y mamíferos reveló que los OR de lamprea divergieron de los vertebrados superiores antes del origen de los genes de Clase I y II. [11] También se encontró que el repertorio de genes O de lamprea era relativamente pequeño. La duplicación de genes y la deriva genética expandieron estos pequeños repertorios en el número de genes a lo largo del tiempo evolutivo, apoyando la noción de que la secuencia OR de lamprea representa una antigua familia OR. [5] [12]
La gran diversidad de órganos olfativos se atribuye en gran medida a la larga vida evolutiva de los peces. [13] Los peces, que representan una clase evolutivamente más antigua de vertebrados, portan 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.
Un nuevo análisis filogenómico muestra a los urocordados , en lugar de 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 pueden haberse perdido en los genomas de los urocordados (genes perdidos conservados entre anfioxos y vertebrados). [17]
El análisis filogenético ha delineado dos tipos principales de genes receptores olfativos que se remontan a la historia temprana de los vertebrados: genes de clase I, responsables de codificar proteínas que detectan olores solubles en agua , y genes de clase II, asociados con la detección de moléculas transportadas por el aire. Ambos tipos sirven como estructuras homólogas en peces y tetrápodos. [18]
En Xenopus laevis , un anfibio, ambos tipos de receptores están presentes, a diferencia de los peces o los mamíferos. Sus receptores de clase I se expresan en el divertículo lateral (LD), una región especializada en responder a olores solubles en agua, y los receptores de clase II están abundantemente presentes en el divertículo medial (MD), que está especializado en detectar olores volátiles. [18]
Todos los peces perciben los olores a través de estructuras parecidas a fosas nasales llamadas narinas. La mayoría de los peces carecen de estructuras vomeronasales , pero aún así pueden detectar feromonas a través de genes relacionados con el vomeronasal. En lugar del órgano, los peces poseen epitelio sensorial que contiene tres tipos de células sensoriales, dos de las cuales son responsables de las feromonas sexuales y las curas sociales. [19] Teniendo en cuenta la lenta difusión de las moléculas de olor a través del agua, es evolutivamente razonable poseer solo un tipo de célula dedicada a los olores 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 para evitar a los depredadores . [2] Las feromonas antipredación varían según la especie; algunos pueden emitir señales químicas que provocan cambios fisiológicos (por ejemplo, aumento de la profundidad del cuerpo), o señales que promueven la evasión (liberación de señales de olor de congéneres muertos). La detección de feromonas también se utiliza mucho en la identificación de parientes, la agregación que mejora la supervivencia (por ejemplo, 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 del gen OR coexistió durante la época de dominio de los reptiles, hace aproximadamente 200 millones de años. Este suceso probablemente habría señalado un evento importante de especiación o un cambio adaptativo en los organismos predominantes. Los primeros tetrápodos prosperaron en ambientes acuáticos antes de realizar su transición inicial a la tierra. En consecuencia, los anfibios modernos también comenzaron en el agua antes de emerger a la tierra como adultos. Esta doble adaptación fue seleccionada porque desde los primeros tetrápodos y los anfibios modernos podían aprovechar los recursos de ambos ambientes. Como resultado, los anfibios modernos poseen órganos olfativos especializados en detectar olores tanto volátiles como solubles en agua. Los olores en el agua se detectan de forma similar a los peces, en los que una bomba respiratoria se encarga de llenar su cavidad nasal con agua. [21]
Los celacantos son ampliamente conocidos como el intermediario entre los peces y los tetrápodos, ya que contienen protuberancias en forma de extremidades. Una de esas especies, Latimeria chalumnae , tiene especial interés ya que contiene genes OR de Clase II que están presentes en mamíferos y anfibios pero que están ausentes en peces. [22] Actuando como un pariente vivo cercano a los tetrápodos, estudios recientes que aclaran el repertorio OR del celacanto afirman que el ancestro común de los mamíferos y los peces tenía genes OR de Clase I y II.
Los tetrápodos exhiben un sistema olfativo tanto principal como accesorio. El principal sentido olfativo se deriva del sistema neuronal más antiguo, ampliamente presente en insectos y mamíferos. [23] Este sistema está especializado en detectar moléculas volátiles en el aire. El sistema olfativo accesorio es la estructura evolucionada más recientemente y 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 las funciones principales 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 olfatorio principal está altamente correlacionado con las adaptaciones ecológicas, mientras que el tamaño relativo del bulbo olfatorio 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 es causado por la redundancia superpuesta de funciones con el sistema olfativo principal. [26] En consecuencia, la reducción de los genes del receptor vomeronasal a menudo se atribuye a la transición de los tetrápodos del agua a la tierra. [27] Sin embargo, con la excepción del clado arcosaurio , 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 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 revelaron que el bulbo olfatorio había aumentado de tamaño en grandes escalas de tiempo. Esta secuencia de eventos culminó el origen del olfato en los mamíferos, lo que sugiere un cambio del gen OR de los reptiles a los mamíferos. [28]
La genética olfativa de los mamíferos difiere de la del linaje de los vertebrados cuando se observa el tamaño de la familia de genes OR. Por sí sola, esta familia de genes 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 pueden ser evidencia de un segundo evento de radiación de adaptación que ocurrió. Estos genes OR de mamíferos tienen tendencia a agruparse en extremos cromosómicos o telómeros . La recombinación es más rápida en los sitios teleoméricos. Estos loci telemétricos son evidencia de la expansión del gen OR donde los genes se duplicaron rápidamente.
Un estudio utilizó métodos recientemente desarrollados basados en la filogenia para clasificar más de 10.000 genes OR de 13 mamíferos placentarios diferentes . Los experimentadores los separaron en grupos de genes ortólogos (OGG). Lo que encontraron fue que los linajes de genes OR, que habían experimentado una mayor duplicación de genes, tenían una selección purificadora más débil, mientras que los genes OR de Clase II evolucionaron dinámicamente en comparación con los de Clase 1. [30]
Los mamíferos (a diferencia de otros tetrápodos) utilizan la nariz para detectar olores volátiles. [23] La aparición de cornetes y fosas nasales , que se asemejan a huesos esponjosos en forma de volutas en el conducto nasal, es una de las características distintivas de su evolución. Estas estructuras están emparejadas a ambos lados del tabique nasal de la línea media , uniendo la abertura nasal externa y la abertura nasal interna. La evidencia de su primera aparición se muestra en los fósiles de Therapsida , de donde descienden los mamíferos. Los primeros mamíferos verdaderos desarrollaron tejido nasal adicional para transportar más neuronas que transfieren información olfativa al cerebro. [31] Entre los amniotas, los mamíferos fueron los primeros en desarrollar un complejo sistema de cornetes nasales, que aumentan la superficie del epitelio olfatorio. La complejidad de los cornetes varía mucho entre especies de mamíferos, sin embargo, parece existir una correlación entre los grupos filogenéticos más que entre el nicho ambiental. [32] [33]
El cráneo de Brasilitherium proporciona información útil a la hora de discernir la aparición de una verdadera nariz en los mamíferos. Brasilitherium no era un mamífero sino un tetrápodo sinápsido que sirvió como un predecesor cercano de las primeras formas mamíferas. La aparición de los cornetes se puede reconocer mediante la observación de este protomamífero de 227 millones de años. [34]
La corneta nasal, o cornetes, está compuesta 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 revestidas entre las fisuras orbitarias, superiores a la placa maxilar. La investigación aún tiene que definir una correlación entre estas crestas y la evidencia de cornetes, basándose principalmente en la suposición de que probablemente eran cartilaginosos y difíciles de preservar. La falta de cráneos intactos en estos primeros mamíferos también constituye un impedimento para el estudio. [34] El cráneo de Brasilitherium obtuvo resultados más prometedores, ya que contenía un paladar secundario que separaba la nariz de la boca, mejorando así la durabilidad del esqueleto y la preservación de la estructura de los cornetes. Los investigadores identificaron pequeños fragmentos de hueso dentro de la cavidad nasal del cráneo que se suponía que eran partes de los cornetes. Se infirió que estas estructuras encontradas en Brasilitherium desempeñaban las mismas funciones en los mamíferos modernos; Específicamente, el tejido suprayacente anterior calentaba los olores entrantes y la porción posterior era responsable de captar el olor. La última sección compleja de la estructura nasal sugiere que Brasilitherium tenía un sentido del olfato bien desarrollado. [34] Los mismos estudios también encontraron un hueco en 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 de transición que ayudan a dilucidar la aparición de narices de mamíferos protuberantes. [34]
Los cambios estructurales en rhinaria 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 tanto, es probable que este rasgo surgiera en la etapa de protomamífero. [35] Las adaptaciones que dieron lugar a esta estructura anatómica reflejaron en gran medida los factores ecológicos que afectaron a los mamíferos de la época. En la mayoría de las especies con rinario, el órgano toma la forma de una almohadilla firme con dos fosas nasales, lo que permite el procesamiento de información tanto olfativa como táctil. [35] Como tal, 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 de forma secundaria debido a su menor dependencia del olfato.
Una característica distintiva de la Orden Primates es el menor énfasis en el olfato. [23] El olfato a menudo se considera un sentido especial mitigado durante el surgimiento de una función neuronal superior y, en consecuencia, el olfato se ha reducido cada vez más a lo largo del curso de la evolución de los primates. Algunos investigadores relacionan la falta de énfasis en el olfato con la aparición de una visión compleja. En consecuencia, muchas especies de primates transmiten una gran proporción de pseudogenes OR , mostrándose los niveles más altos en humanos, chimpancés y gorilas . [23] Los seres humanos sólo contienen aproximadamente 400 genes funcionales, en contraste con los 600 pseudogenes OR presentes en el genoma. La disparidad se explica por el desarrollo de la visión aguda entre los catarrinos (simios y monos del Viejo Mundo) hace 40 millones de años, concretamente durante el período en que la Tierra se enfriaba. La visión tricromática evolucionó para mejorar la percepción a larga distancia y la búsqueda de frutas maduras, reduciendo la ventaja selectiva de poseer un gran 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 realizan comunicación con feromonas y no exhiben capacidades olfativas reducidas. Se sugiere que, aunque la visión mejorada relajó 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 principalmente importante para las señales sociales y las estrategias dietéticas. [23] Amplia evidencia sugiere que los comportamientos sociales olfativos, como olfatear y marcar olores, están muy involucrados en las interacciones comunicativas entre especies de primates. Por ejemplo, el marcado olfativo con secreciones glandulares es un modo predominante de señalización en las estrepsirrinas . 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 innumerables teorías sobre el origen de las adaptaciones sensoriales de los primates. El "progreso" evolutivo estuvo marcado por las características adaptativas de las estructuras visuales y táctiles, pero una reducción en las capacidades olfativas. [23] Esta teoría fue elaborada con más detalle por Le Gros Clark , afirmando que la reducción de las estructuras olfativas se atribuyó a la disminución de la necesidad de oler en ambientes arbóreos. [38] Esta teoría fue cuestionada más tarde con la existencia de mamíferos arbóreos que no exhiben rasgos de primate que se consideran "adaptativos" (específicamente, olfato reducido), pero aún así tienen éxito en su entorno respectivo. [39] Además, los primates estrepsirrinos demuestran el comportamiento social de marcar olores 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 marcación olfativa 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 era el resultado del apiñamiento de la cavidad nasal junto con órbitas progresivamente convergentes. [ cita necesaria ]
Además de una estructura nasal externa, algunos primates contienen un órgano vomeronasal para detectar olores de mayor peso molecular. [23] El análisis genómico ha afirmado que los receptores de los órganos vomeronasales se deterioraron hace aproximadamente 23 millones de años en la evolución de los primates, antes de la separación de los monos y los hominoides del Viejo Mundo. Además, múltiples líneas de evidencia muestran que todo el sistema olfativo accesorio dejó de funcionar 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 se desarrolla un aparente órgano vomeronasal vestigial pero que degenera antes del nacimiento. [23] Por el contrario, los embriones humanos poseen un órgano vomeronasal que persiste, aunque esta característica es vestigial a lo largo de su vida.
Los primates se dividen filogenéticamente en Strepsirrhini, especies que poseen un rinarium rizado de "nariz húmeda", y Haplorhini , aquellos que poseen una estructura seca de "nariz simple". Se considera que los estrepsirrinos tienen características y adaptaciones más primitivas debido a la preservación del olfato intenso. [44] En los primates haplorrinos, la pérdida del rinario húmedo y la reducción del número de cornetes se correlacionan con su menor dependencia del olfato. En consecuencia, las narices secas de los humanos también los ubican bajo el clado Haplorhini. [44]
Se han identificado más de 900 genes y pseudogenes OR humanos. [45] Cerca del 63% de las RUP cambian mediante un proceso aleatorio de formación de pseudogenes. Estas RUP constituyen 17 familias de genes, de las cuales sólo 4 contienen más de 100 miembros cada una. Hay RUP de Clase I, parecidos a los peces, que forman el 10% del repertorio humano, todos en un grupo en el cromosoma 11. Los RUP están presentes en todos los cromosomas humanos con excepción del 20 y el cromosoma sexual masculino "Y". El 80% de todas las RUP se encuentran en grupos que contienen entre 6 y 138 genes. [45]
Un estudio comparativo de análisis de conglomerados trazó el camino evolutivo que condujo a la proliferación y diversificación de los quirófanos. El estudio concluyó la siguiente historia de expansión: 1) se generó un grupo OR de Clase II en el cromosoma 11 mediante duplicación local 2) Duplicación en un solo paso del grupo en el cromosoma 11 al cromosoma 1 3) Una tormenta de eventos de duplicación del cromosoma 1 a otros cromosomas . [45]
En los seres humanos recientes, la configuración nasal se asocia principalmente con la elevación del puente nasal y el ancho de la cavidad nasal interna. La aparición de tal estructura se deriva principalmente de las necesidades respiratorias en diferentes climas; por ejemplo, una gran cavidad nasal en los neandertales adaptada al ambiente frío y la baja humedad de esa época. [46] En primates superiores, la reducción estructural del hocico se correlaciona con una menor prioridad para el olfato. Como tal, la nariz humana muestra inervaciones reducidas de la membrana mucosa olfatoria , disminución de la longitud del hocico y una reducción general de la complejidad de la concha nasal . [46]
Durante mucho tiempo se ha considerado que el papel del olfato es secundario a la importancia de los sentidos auditivos, táctiles y visuales. [23] Los humanos no dependen del olfato para sobrevivir en la misma medida que otras especies. En cambio, el olfato juega un papel más importante en la percepción estética de los alimentos y en la recopilación de información sobre el entorno. [1] Sin embargo, los humanos también se comunican a través de olores y feromonas, ejerciendo olores tanto subconscientes como conscientes (artificiales). [ cita necesaria ]
Los seres humanos tienen una alta variación interindividual en pseudogenes y genes OR que las investigaciones atribuyen a la separación geográfica y cultural. La selección y las prácticas culturales pueden conservar genes OR aunque probablemente sea causado por 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 que se encuentran en el cromosoma 17. [47] Observaron una proporción más baja entre diversidad de nucleótidos y divergencia en genes intactos en comparación con los 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 geográfica y culturalmente distintas difieren al comparar regiones del cromosoma 17 (observando los SNP ) en regiones codificantes de grupos de genes de receptores olfativos de 400 kb. Se proponen estas diferencias para ayudar con futuros estudios de genotipo-fenotipo, como evaluar el efecto de la deriva genética en estas poblaciones y encontrar una mayor funcionalidad en los genes del receptor pigmiolfativo 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 dominan significativamente. Debido a la doble cantidad de sitios de unión de olores, se teoriza que se seleccionan los heterocigotos. [47] Esto podría ser una respuesta evolutiva a la pérdida actual del receptor olfativo humano. [47]
Las comparaciones entre los repertorios de genes OR humanos y de ratón han sido bien documentadas en análisis genómicos y filogenéticos. La identificación de la relación ortóloga entre sus genes proporciona datos clave de traducción de estudios con ratones para comprender el olfato humano. [1] Aproximadamente el 63% del repertorio de quirófano 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 de quirófano de los ratones les permiten detectar una gama más amplia de olores que los humanos. Cuando las secuencias OR humanas se analizan filogenéticamente, 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 olores, es probable que los humanos sean capaces de detectar una amplia gama de olores de manera similar a los ratones. [1]
Al igual que los humanos, las ballenas y los delfines han experimentado una pérdida independiente de genes OR funcionales. Así lo demuestra el retorno del organismo a un medio acuático, experimentando posteriormente una pérdida del registro olfativo terrestre. [49] Los sentidos olfativos son generalmente más intensos en una especie terrestre que en una acuática, ya que es más importante detectar los volátiles en el aire que los olores solubles en agua en los animales terrestres. El apoyo a esta teoría se ejemplifica a través de la transición de pez a tetrápodo, donde los animales comenzaron a poblar nichos terrestres y se puede observar una tremenda expansión del sistema olfativo. [49]
Una vez que los cetáceos evolucionaron a partir de sus ancestros terrestres, la reducción de su aparato olfativo fue principalmente específica de cada clado. Las ballenas dentadas (Odontoceti) parecen haber perdido completamente su sentido olfativo, mientras que las ballenas barbadas han mostrado un deterioro parcial, expresando alrededor del 58% de pseudogenes OR en su grupo. Algunas ballenas dentadas adultas expresan un 77% de pseudogenes y carecen por completo de estructuras olfativas. Este suceso es análogo al del topo marsupial del sur ciego , en el que la mutación de la proteína interfotorreceptora se combinó con la degeneración anatómica de los ojos. [50]
Otros dos vertebrados marinos, el león marino de Steller y la tortuga boba , muestran un número bastante bajo de pseudogenes con respecto a los cetáceos. La preservación de sus genes OR se correlaciona con su semiadaptación a un hábitat acuático, ya que estos organismos todavía realizan muchas funciones en la tierra (por ejemplo, aparearse, tomar el sol). Los cetáceos no dependen de ambientes terrestres y, por lo tanto, han perdido una gran fracción de su repertorio de OR. Es de suponer que la ecolocalización evolucionó para compensar esta pérdida. [50]
Investigaciones anteriores han dilucidado las características psicofísicas y conductuales de la adaptación olfativa. La adaptación permite que el sistema olfativo responda adecuadamente a la aparición de nuevos olores o cambios, pero también mantiene el equilibrio con las concentraciones de olores en los ambientes ambientales. Al igual que otros sistemas sensoriales, la exposición prolongada a un olor a menudo conduce a una disminución específica del estímulo en la sensibilidad olfativa a ese olor en particular; sin embargo, la ausencia de una mayor exposición recuperará la sensibilidad olfativa. [51] El análisis psicofísico ha demostrado tanto una elevación de los umbrales de olor como una menor capacidad de respuesta a la estimulación por encima del umbral bajo los efectos de la adaptación olfativa. Además, la evidencia sugiere que el transcurso del tiempo de adaptación y recuperación depende de la duración y concentración del olor. [51]
Generalmente se entiende que la adaptación olfativa involucra tanto el nivel del receptor como los componentes post-receptores (regiones periféricas y centrales, respectivamente). El papel central de la adaptación se propuso por primera vez en un modelo en 1990, [52] y este modelo ha generado datos experimentales que lo respaldan. [53] El apoyo a la participación de los sistemas central y periférico se deriva de experimentos que muestran que la estimulación monorrinal produce una adaptación tanto ipsilateral como contralateral . Sin embargo, el grado de adaptación es más profundo en la fosa nasal ipsilateral y la recuperación parece ser más lenta. [51] El apoyo psicofísico a esta teoría proviene de estudios que han informado disminuciones relativamente pequeñas en la respuesta periférica después de estimulación repetida a pesar de reducciones significativas en la intensidad percibida conductualmente.
A diferencia de la visión y el oído, la estimulación química olfativa no termina después de la eliminación del estímulo. Como tal, aunque se puede atribuir cierto grado de adaptación olfativa a las características de respuesta de los receptores, otra influencia puede ser el retraso en la terminación de la señal dentro del entorno del receptor. En consecuencia, el grado de adaptación puede depender de las diferencias en la eliminación de olores entre especies, que incluirían propiedades del flujo sanguíneo mucociliar nasal, submucoso y desorción espiratoria. [54]