Los dientes evolucionaron por primera vez como tejido sensorial en los exoesqueletos blindados de los peces antiguos
Cualquiera que haya pasado por una limpieza dental sabe lo sensibles que pueden ser los dientes. Esta sensibilidad proporciona importante información sobre la temperatura, la presión y, sí, el dolor, al morder y masticar. Sin embargo, las partes sensibles del esmalte duro evolucionaron inicialmente para algo muy diferente.
Una nueva investigación de la Universidad de Chicago muestra que la dentina, la capa interna de los dientes que transmite información sensorial a los nervios dentro de la pulpa, evolucionó por primera vez como tejido sensorial en los exoesqueletos blindados de los peces antiguos.
Los paleontólogos han creído durante mucho tiempo que los dientes evolucionaron a partir de las estructuras abultadas de esta armadura, pero su propósito no estaba claro. El nuevo estudio confirma que estas estructuras en un pez vertebrado temprano del período Ordovícico hace unos 465 millones de años contenían dentina y probablemente ayudaron a la criatura a detectar las condiciones del agua que lo rodeaba.
La investigación también mostró que las estructuras consideradas como dientes en fósiles del período Cámbrico (hace 485–540 millones de años) eran similares a las características de la armadura de los invertebrados fósiles, así como a los órganos sensoriales de las conchas de artrópodos modernos como cangrejos y camarones.
Estas similitudes implican que los órganos sensoriales en la armadura de diversos animales evolucionaron por separado tanto en vertebrados como en invertebrados para ayudarlos a percibir el mundo más amplio que los rodea.
"Cuando piensas en un animal primitivo como este, nadando con armadura, necesitas percibir el mundo. Este era un entorno de depredación bastante intenso, y poder percibir las propiedades del agua que los rodeaba habría sido muy importante", dijo Neil Shubin, Profesor Distinguido Robert R. Bensley de Biología y Anatomía de Organismos en la Universidad de Chicago y autor principal del nuevo estudio.
"Así pues, aquí vemos que los invertebrados con armadura, como los cangrejos de herradura, también necesitan percibir el mundo, y resulta que dieron con la misma solución".
Vídeo: Yara Haridy y Neil Shubin hablan sobre su nuevo estudio en Nature sobre el origen de la sensibilidad dental en vertebrados. Crédito: Julian Romano
Una noche en el acelerador de partículas
La Dra. Yara Haridy, investigadora postdoctoral del laboratorio de Shubin que dirigió el estudio, no buscaba el origen de los dientes cuando comenzó el proyecto. En cambio, esperaba responder otra antigua pregunta paleontológica: ¿Cuál es el vertebrado más antiguo del registro fósil?
Haridy pidió a museos de todo el país especímenes fósiles del período Cámbrico para poder escanearlos por tomografía computarizada y buscar signos reveladores de características de vertebrados.
Una de esas señales, al menos en peces posteriores, es la presencia de dentina dentro de las protuberancias de la armadura externa, llamadas odontodos. Haridy recolectó cientos de especímenes, algunos de los cuales apenas eran diminutos fragmentos que cabían en la punta de un palillo. Luego los llevó al Laboratorio Nacional de Argonne para una sesión de escaneo que duró toda la noche con la Fuente Avanzada de Fotones, que capturó imágenes de tomografía computarizada de altísima resolución de los fósiles.
"Fue una noche en el acelerador de partículas; fue muy divertido", dijo Haridy.
Imagen: Tomografía computarizada de la estructura similar a un odontodo de Astrapsis, un antiguo pez vertebrado sin mandíbula. Los túbulos (mostrados en verde) están llenos de dentina, el mismo material que compone la sensible capa interna de los dientes modernos. En rojo se muestra el sistema vascular que habría albergado los nervios que permitían la transmisión de sensaciones. Crédito: Yara Haridy
Cuando comenzaron a ver las imágenes de los escáneres, una de las muestras de un fósil cámbrico llamado Anatolepis parecía mostrar las características de un pez vertebrado. Tenía una serie de túbulos, o poros, debajo de los odontodos, llenos de material con las características químicas de la dentina. Si realmente fuera un vertebrado, este espécimen habría retrocedido el registro fósil decenas de millones de años.
"Nos felicitábamos, como diciendo '¡Dios mío, por fin lo logramos!'", dijo Haridy. "Esa habría sido la primera estructura similar a un diente en tejidos vertebrados del Cámbrico. Así que nos emocionamos mucho cuando vimos los indicios de lo que parecía dentina".
Tenían que confirmarlo, por supuesto, así que comenzaron a analizar imágenes de los otros especímenes que Haridy escaneó. Esta biblioteca de conchas y esqueletos incluía de todo: desde otros fósiles antiguos hasta cangrejos, caracoles, escarabajos, percebes, tiburones y rayas modernos, además de bagres ventosas en miniatura que Haridy crió ella misma en un acuario.
Una vez que compararon el posible vertebrado Anatolepis con un fósil de artrópodo conocido del Museo Público de Milwaukee, se dieron cuenta de que lo que parecían túbulos revestidos de dentina de un vertebrado eran más como los órganos sensoriales de los caparazones de los cangrejos, llamados sensilas.
Esto significa que Anatolepis, considerado vertebrado en Nature en 1996, es un antiguo artrópodo invertebrado. Los grandes túbulos de otro vertebrado ordovícico llamado Eriptychius eran similares en estructura a estas sensilas, pero contenían dentina.
Imagen: Imagen de tomografía computarizada de dentículos dérmicos similares a dientes en un tiburón gato. Estas estructuras similares a dientes están conectadas al sistema nervioso, lo que sugiere que generan sensaciones. Crédito: Yara Haridy
"Esto nos demuestra que los 'dientes' también pueden ser sensoriales incluso cuando no están en la boca", dijo Haridy. "Así que, estos peces tienen una armadura sensible. Estos artrópodos también la tienen. Esto explica la confusión con estos animales del Cámbrico temprano. Se creía que este era el primer vertebrado, pero en realidad era un artrópodo".
Estructuras similares a dientes dispersas en el registro fósil
Los tiburones, las rayas y los bagres también poseen estructuras similares a dientes llamadas dentículos, que hacen que su piel se sienta como papel de lija. Cuando Haridy estudió los tejidos de sus bagres, vio que los dentículos estaban conectados a nervios, al igual que un diente. Comentó que eran sorprendentes las similitudes con los dientes, los antiguos odontodos de los peces acorazados y las sensilas de los artrópodos.
Imagen: Imagen confocal segmentada de la estructura similar a un diente de un bagre ventosa, que muestra los nervios (en verde) que permiten la transmisión de información sensorial desde el diente al sistema nervioso. Crédito: Yara Haridy
"Creemos que los primeros vertebrados, estos grandes peces acorazados, tenían estructuras muy similares, al menos morfológicamente. Se ven iguales en los artrópodos antiguos y modernos, porque todos forman esta capa mineralizada que recubre sus tejidos blandos y les ayuda a percibir el entorno", explicó.
Existen dos corrientes de pensamiento sobre cómo estas estructuras finalmente se convirtieron en dientes. Una, la hipótesis "de adentro hacia afuera", sostiene que los dientes surgieron primero y luego se adaptaron para formar exoesqueletos. Este artículo apoyaría la segunda hipótesis "de afuera hacia adentro", que dice que las estructuras sensibles se desarrollaron primero en los exoesqueletos y, en algún momento, los animales utilizaron el mismo conjunto de herramientas genéticas para producir también dientes sensibles.
Si bien no lograron identificar los primeros peces vertebrados, Shubin dijo que este descubrimiento valió la pena el esfuerzo.
"Para algunos de estos fósiles que supuestamente eran vertebrados primitivos, demostramos que no lo eran. Pero eso fue un poco engañoso", dijo Shubin. "No encontramos el más antiguo, pero en cierto modo, encontramos algo mucho más interesante".
La investigación se ha publicado en Nature: The origin of vertebrate teeth and evolution of sensory exoskeletons
