Evolucionaron mucho antes que las mandíbulas y los dientes
Un equipo internacional dirigido por científicos del Museo Canadiense de la Naturaleza y la Universidad de Chicago reconstruyó el cerebro, el corazón y las aletas de un pez extinto llamado Norselaspis glacialis a partir de un diminuto fósil del tamaño de una uña y encontró evidencia de un cambio hacia un estilo de vida de rápida natación y sintonizado con los sentidos mucho antes de que se inventaran las mandíbulas y los dientes para capturar mejor los alimentos.
"Estos son los actos de apertura de un episodio clave en nuestra propia historia evolutiva profunda", dijo Tetsuto Miyashita, científico investigador del museo y autor principal del nuevo estudio.
Los peces han existido durante quinientos millones de años. Las primeras especies vivían cerca del fondo marino, pero cuando desarrollaron mandíbulas y dientes, todo cambió; hace 400 millones de años los peces con mandíbulas dominaban la columna de agua. Finalmente, los animales con extremidades, incluidos los humanos, también se originaron a partir de esta radiación de vertebrados.
Sin embargo, durante mucho tiempo ha sido un misterio cómo ocurrió este crucial acontecimiento. La teoría estándar sostiene que las mandíbulas evolucionaron primero, y que otras partes del cuerpo sufrieron cambios para sostener un nuevo estilo de vida depredador.
"Pero existe una gran brecha de datos tras esta transformación", afirmó Michael Coates, profesor y director de Biología y Anatomía de Organismos en la Universidad de Chicago y autor principal del estudio.
"Hemos estado careciendo de instantáneas del registro fósil que nos ayudarían a ordenar los eventos clave para reconstruir el patrón y la dirección del cambio".
El nuevo estudio revoluciona la idea de que las mandíbulas fueron lo primero. "Encontramos características en un pez sin mandíbula, Norselaspis, que creíamos exclusivas de las formas con mandíbula", afirmó Miyashita, quien anteriormente fue investigador postdoctoral en el laboratorio de Coates en Chicago.
"Este fósil del Devónico, hace más de 400 millones de años, demuestra que los agudos sentidos y un potente corazón evolucionaron mucho antes que las mandíbulas y los dientes".
Imagen derecha: Reconstrucción de Norselapsis glacialis en su entorno acuático. Crédito: Kristen Tietjin
El fósil de Norselaspis que estudió el equipo está tan exquisitamente conservado en un fragmento de roca que pudieron escanearlo y ver impresiones de su corazón, vasos sanguíneos, cerebro, nervios, oídos internos e incluso los pequeños músculos que movían el globo ocular.
El fósil estaba escondido en uno de los miles de bloques de arenisca recogidos durante una expedición paleontológica francesa a Spitsbergen, el archipiélago ártico de Noruega en 1969.
Tras examinar estas rocas 40 años después, los coautores del estudio, Philippe Janvier y Pierre Gueriau, abrieron una, revelando un cráneo de Norselaspis perfectamente conservado, de apenas 1,25 cm de largo. El equipo llevó el fósil a un acelerador de partículas del Instituto Paul Scherrer de Suiza para escanearlo con rayos X de alta energía.
El resultado fue asombroso. Corte a corte, las imágenes de rayos X revelaron delicadas películas de hueso que envolvían los órganos del pez con asombroso detalle. Con una centésima de milímetro de ancho, estos huesos, finísimos como el tejido, capturan los fantasmas de los órganos que antes albergaba el esqueleto.
De regreso en Chicago, la especialista en imágenes digitales Kristen Tietjen (ahora en el Instituto de Biodiversidad de la Universidad de Kansas) trabajó con Miyashita y Coates para diseccionar y unir digitalmente la anatomía del pez a lo largo de miles de horas frente a la pantalla.
"Con este exquisito atlas digital, ahora conocemos al Norselaspis con mayor detalle anatómico que muchos peces actuales", afirmó Miyashita. Por ejemplo, el pez tenía siete diminutos músculos para mover los globos oculares, mientras que los humanos tenemos seis. Tenía descomunales oídos internos, un enorme corazón y vasos sanguíneos dispuestos como circunvalaciones para transportar más sangre. Miyashita lo compara con la fruta.
"Si el Norselaspis estuviera a nuestra escala, sus oídos internos serían del tamaño de un aguacate y su corazón sería tan grande como un melón cantalupo", dijo.
Imagen: El diminuto fósil de Norselapsis de 400 millones de años estudiado por el equipo de investigación. Crédito: Michael Coates, Universidad de Chicago
Los peces usan sus oídos internos de forma muy similar a como los usamos nosotros: para percibir vibraciones, orientación y aceleración. Su corazón de gran capacidad y un mayor flujo sanguíneo le proporcionan mayor potencia. "Incluso se podría decir que el Norselaspis tenía el corazón de un tiburón bajo la piel de una lamprea", dijo Miyashita.
El pez también lucía un par de aletas inclinadas, similares a paletas, detrás de las branquias que, según explicó Coates, habrían sido útiles para realizar paradas repentinas, ráfagas y giros. Estas innovaciones anatómicas convirtieron al Norselaspis en una especie de deportivo entre los peces sin mandíbula, generalmente lentos, de su época.
Esta anatomía, tan activa, probablemente evolucionó para evadir depredadores en lugar de perseguir presas. Pero lo que desencadena rápidas respuestas de huida en los peces sin mandíbulas, a su vez, les daría a los peces con mandíbulas la ventaja de hacer lo contrario: detectar y capturar alimento eficientemente.
"Cuando las mandíbulas evolucionaron en este contexto, se produjo una combinación fundamental de sistemas sensoriales, de natación y de alimentación, que finalmente condujo a la extraordinaria variedad y abundancia de peces del Devónico", dijo Coates.
Imagen: Imagen digital 3D del cráneo de Norselaspis, seccionado lateralmente. Crédito: Michael Coates, Universidad de Chicago
Sin embargo, las primeras mandíbulas probablemente estaban mejor adaptadas para succionar alimento junto con agua y barro que para morder a las presas que pasaban. "No era tan sencillo como pasar directamente de un depredador de fondo a un depredador superior", dijo Miyashita.
El nuevo estudio también desafía la idea de que los hombros y los brazos de los tetrápodos modernos evolucionaron a partir de estructuras branquiales modificadas.
El equipo rastreó el nervio que va al hombro en el Norselaspis y observó que estaba separado de los nervios que van a las branquias, una clara evidencia de que uno no provenía del otro.
En cambio, el equipo argumenta que el hombro evolucionó como una estructura completamente nueva con un nuevo dominio, el cuello, que separa la cabeza del torso.
"Muchos de estos cambios evolutivos tienen que ver con cómo la cabeza está unida al tronco", dijo Miyashita.
Imagen derecha: El investigador Tetsuto Miyashita sostiene una reconstrucción tridimensional ampliada del cerebro y los órganos sensoriales de Norselapsis. Crédito: Pierre Poirier, Museo Canadiense de la Naturaleza.
En los peces primitivos sin mandíbula, la cabeza se extiende desde el torso, mientras que los vertebrados con mandíbula poseen cuello y garganta que separan ambas regiones. Norselaspis se encuentra en el medio; su cabeza está directamente unida al hombro sin cuello, casi como si nuestros brazos sobresalieran por detrás de las mejillas. Pero los órganos en esta interfaz, como el oído interno, los hombros y el corazón, se mejoran o reorganizan para tener mayores capacidades para navegar en su entorno.
Los paleontólogos aún investigan qué desencadenó esta transformación. Algunos, como Christian Klug, de la Universidad de Zúrich (Suiza), quien no participó en el estudio, creen que el linaje de Norselaspis surgió en la época de la llamada Revolución del Necton, cuando los organismos marinos comenzaban a ascender en la columna de agua. El juego, entonces, consistía en volverse más rápido, más inteligente y más maniobrable.
"Para un evento histórico, solemos enfatizar uno o dos momentos simbólicos hasta el punto de convertirlos en cliché. En este sentido, la evolución de las mandíbulas es como un disparo en Sarajevo que dio inicio a la Primera Guerra Mundial en 1914", dijo Miyashita.
"Pero es fundamental que entendamos el contexto. Con Norselaspis, realmente podemos encontrarlo en su esencia".
El estudio se ha publicado en la revista Nature: Novel assembly of a head–trunk interface in the sister group of jawed vertebrates
