miércoles, diciembre 7, 2022

Los huesos evolucionaron para actuar como baterías, sugieren peces de 400 millones de años

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Al estudiar los restos fosilizados de peces antiguos, los científicos han descubierto un punto de inflexión en el desarrollo de una de las partes más importantes de los seres humanos y otros animales: los huesos.

Si bien los huesos proporcionan principalmente una estructura para sostener el cuerpo, estos tejidos duros siempre están cambiando y brindan otros beneficios a los cuerpos de los vertebrados. El hueso se mantiene, repara lesiones y proporciona nutrientes clave al torrente sanguíneo.

Los primeros huesos, sin embargo, eran muy diferentes de los esqueletos humanos de hoy. En el pasado prehistórico, el hueso se parecía más al hormigón, creciendo en el exterior de los peces para proporcionar una cáscara protectora. Pero según un nuevo estudio publicado en la revista Science Advances, los primeros huesos con células vivas, como los que se encuentran en los humanos, evolucionaron hace unos 400 millones de años y actuaron como baterías esqueléticas: suministraron a los peces prehistóricos los minerales necesarios para viajar a mayores distancias.

Las criaturas fosilizadas en el análisis se conocen como osteostracanos. “Los llamo cariñosamente sirenas escarabajo”, dice Yara Haridy, candidata a doctorado en el Museo de la Naturaleza de Berlín y autora principal del estudio. Estos peces tenían una parte delantera dura y blindada y una cola flexible que crecía en la parte posterior. No tenían mandíbulas y el tejido óseo cubría sus cuerpos. Este tipo de peces son fundamentales para comprender el origen de las partes duras que dieron forma a la evolución de los vertebrados.

La investigación de Haridy se centra en los osteocitos, las células que quedan amuralladas por la parte mineral dura del hueso como parte del crecimiento esquelético. Sin embargo, los primeros animales con hueso no tenían osteocitos, y algunos peces modernos tampoco tienen estas células, lo que lleva a los paleontólogos a preguntarse cuándo y por qué se desarrollaron por primera vez estas células óseas.

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“Básicamente, comencé a obsesionarme con la pregunta: ¿Por qué los osteocitos?” Dice Haridy.

Una nueva técnica 3D

Resolver el misterio de las células óseas ha demostrado ser un desafío para los paleontólogos. Tradicionalmente, explica Haridy, los investigadores estudian las estructuras microscópicas del hueso cortando secciones delgadas y examinándolas en portaobjetos bidimensionales. Pero este método no proporciona una imagen tridimensional completa de cómo se ven realmente las células óseas.

Un método desarrollado para la ciencia de los materiales y otras aplicaciones de ingeniería permitió a Haridy y sus colegas revelar estructuras óseas que los científicos no habían podido estudiar anteriormente. “Vi los carteles de uno de mis colegas en el pasillo con imágenes asombrosas de poros en las baterías, y parecían células”, recuerda Hariday. El método utilizado para hacer esas imágenes se denominó microscopía electrónica de barrido y fresado con haz de iones enfocado (FIB-SEM), que crea exploraciones tridimensionales detalladas. Haridy preguntó a qué objetos se podría aplicar la técnica, y cuando supo que un objeto seco y estable es lo mejor, dice que “básicamente gritó: ¿Qué es más estable que una roca?”

Los escaneos resultantes de fósiles de peces osteostracanos superaron las expectativas de Haridy. “Mi asombroso coautor Markus Osenberg me envió con indiferencia un correo electrónico con las primeras imágenes”, recuerda, “y lo llamé para asegurarme de que no era un modelo, sino nuestros datos reales, así de increíble”.

Las exploraciones no mostraron las células óseas reales, que se descompusieron hace mucho tiempo, pero revelaron las cavidades donde vivían las células óseas dentro del pez antiguo. “Estaba mirando un espacio donde vivió una pequeña celda hace más de 400 millones de años”, dice Haridy.

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Baterías de hueso

Mientras revisaban los escáneres, Haridy y su equipo notaron que el tejido óseo alrededor de las cavidades celulares estaba devorado. Sin embargo, estos pequeños divots no eran el signo de una enfermedad o lesión. Las células óseas habían disuelto parte del tejido para que el calcio, el fósforo y otros minerales del interior pudieran enviarse al torrente sanguíneo del antiguo pez.

Las células convirtieron el tejido óseo en una especie de batería, liberando minerales almacenados necesarios para procesos corporales como la nutrición de los músculos necesarios para nadar. A su vez, la necesidad de minerales adicionales ayudó a impulsar la evolución de los huesos celulares, un cambio que influyó en la trayectoria de los vertebrados.

“Esta hipótesis ha existido por un tiempo, pero no ha sido corroborada”, dice el paleontólogo del Imperial College de Londres Martin Brazeau, que no participó en el estudio. La investigación proporciona nueva evidencia de que las células óseas tempranas reutilizaron la armadura de los osteostracanos para proporcionar un impulso adicional de energía. “Haridy y sus colegas encontraron que los márgenes alrededor de los osteocitos tenían una densidad más baja que el hueso circundante y hacen un caso sólido de que esto sea una evidencia de metabolismo mineral”, agrega el paleontólogo Sam Giles de la Universidad de Birmingham, quien tampoco participó en el estudio.

Desafortunadamente, el proceso FIB-SEM utilizado para crear las imágenes óseas de alta definición solo puede observar el tejido óseo cerca de la superficie del fósil y destruye esa parte de la muestra durante el proceso, por lo que no siempre es el método ideal para estudiando huesos fósiles. Aun así, el uso de la técnica en unos pocos huesos fosilizados puede conducir a descubrimientos sobre la función evolutiva de los esqueletos.

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Además de revelar las cavidades óseas que alguna vez ocuparon las células, el estudio pudo descubrir la forma y las conexiones de las células entre los huesos, lo que no se había hecho antes. “Este enfoque es muy prometedor”, dice Sophie Sánchez, anatomista de la Universidad de Uppsala en Suecia que no participó en el estudio. Ella dice que podría ser especialmente útil si se combina con otras técnicas para ver más profundo que la superficie exterior del hueso fósil.

El hecho de que los peces antiguos pudieran aprovechar las reservas minerales de sus propios esqueletos en momentos de necesidad tuvo importantes consecuencias para la vida en la Tierra. Sin desarrollar huesos celulares, los peces probablemente no habrían podido emprender largas migraciones, señala Haridy, porque no habrían tenido la necesidad de minerales para nutrir sus músculos.

Es posible que los vertebrados nunca hubieran llegado a la tierra sin osteocitos, agrega, dado que las baterías óseas suministran calcio para la puesta de huevos y la lactancia. La evolución podría haber ido por una avenida diferente, una que no hubiera incluido criaturas como dinosaurios o mamíferos.

Lo que el equipo extrajo de las antiguas espinas de pescado es solo el comienzo, dice Haridy. Revelar las células óseas en detalle, cientos de millones de años después de que las propias células hayan muerto, tiene el potencial de descubrir todo tipo de secretos osteológicos que antes no se podían detectar. “Al igual que las primeras tomografías computarizadas abrieron el campo paleontológico y presentaron nuevas metodologías”, dice Haridy, “predigo que este método continuará sorprendiéndonos en el futuro”.

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