Las costillas evolucionaron primero para el movimiento, luego cooptaron para respirar

costillas en el varano de sabana

Reptiles, aves y mamíferos utilizan la aspiración costal, donde las costillas y las vértebras controlan la respiración al expandirse y contraerse

Cuando los primeros tetrápodos hicieron la transición del agua a la tierra, la forma en que respiraron aire experimentó una revolución evolutiva. Los peces usan los músculos de la cabeza para bombear agua sobre las branquias. Los primeros animales terrestres utilizaron una técnica similar: las ranas modernas todavía usan su cabeza y garganta para forzar el aire hacia sus pulmones.

Luego tuvo lugar otra gran transformación en la evolución de los vertebrados que desplazó la respiración de la cabeza al torso. En reptiles y mamíferos, las costillas se expanden para crear un espacio en el tórax que atrae la respiración. Pero, ¿qué causó el cambio?

Un nuevo estudio publicado el 12 de mayo en Scientific Reports plantea una nueva hipótesis: el paso intermedio fue impulsado por la locomoción.

Cuando los lagartos caminan, se doblan de lado a lado en una marcha en expansión. Las costillas y las vértebras son cruciales para este movimiento, pero hasta ahora no estaba claro cómo.

Los investigadores filmaron el movimiento tridimensional de las costillas y las vértebras de un lagarto usando XROMM, una combinación de tomografías computarizadas y vídeos de rayos X. Grabaron tres varanos de sabana (Varanus exanthematicus) y tres tegus blanco y negro argentinos (Salvator merianae) caminando lentamente sobre una cinta de correr.

Las imágenes resultantes revelaron que mientras se dobla la columna vertebral, cada costilla en ambas especies giraba sustancialmente alrededor de su articulación vertebral, girando hacia adelante en un lado del cuerpo y hacia atrás en el otro lado alternativamente con cada zancada. La mecánica sigue casi el mismo patrón que cuando los reptiles inhalan y exhalan.

evolución de la respiración

"Es realmente emocionante porque anteriormente no teníamos hipótesis plausibles sobre cómo evolucionó la respiración entre costillas", dijo el primer autor Robert Cieri, un postdoctorado en la Universidad de Sunshine Coast y quien realizó la investigación mientras estaba en la Universidad de Utah, donde sigue afiliado. "Estamos proponiendo que estos movimientos de las costillas comenzaron primero a facilitar la locomoción, luego fueron elegidos para respirar".

El trabajo también incluyó a John Capano y Elizabeth Brainerd en la Universidad Brown, y al estudiante Samuel Hatch en la Universidad de Utah.

Vídeo: Una simulación que muestra cómo las costillas podrían juntarse si no giraran en relación con las vértebras cuando la columna vertebral se dobla durante la locomoción. Crédito: Cieri et. al., Sci Rep (2020)

¿Por qué el lagarto cruzó la calle? Para recuperar el aliento

Reptiles, aves y mamíferos, todos considerados amniotas, utilizan la aspiración costal donde las costillas y las vértebras controlan la respiración al expandirse y contraerse. El movimiento se ve facilitado por las costillas que giran alrededor de las articulaciones vertebrocostales, donde se unen las costillas y las vértebras. Es posible que uno de los primeros antepasados de los amniota utilizara por primera vez estos movimientos de las costillas para mejorar su ondulación lateral, el movimiento del tronco de lado a lado que ayuda a impulsar a los lagartos hacia adelante.

Durante la locomoción, cada miembro tiene dos fases: la primera es la propulsión, que es cuando el pie empuja contra el suelo. La segunda es el balanceo, que es cuando el pie está en el aire. La nueva investigación encontró que durante la fase de propulsión del brazo, las costillas del mismo lado del cuerpo giran hacia la cabeza y, mientras está en la fase de balanceo, giran hacia la cola. Esto imita lo que los científicos encontraron previamente que las costillas inhalaban y exhalaban, pero esta vez simultáneamente en ambos lados.

Vídeo: Una animación XROMM que muestra cómo el varanos de sabana tiene dos fases: propulsión, cuando el pie empuja contra el suelo; y balanceo cuando el pie está en el aire. En el lado de propulsión del miembro anterior, las costillas giran hacia la cabeza, mientras que en el lado del balanceo, las costillas giran hacia la cola. Este es el movimiento que facilita la inhalación y la exhalación cuando las costillas se mueven bilateralmente.

Los primeros tetrápodos usaban una locomoción ondulada y en expansión, pero probablemente todavía tenían un sistema de respiración impulsado por la cabeza. Los autores proponen que los movimientos de las costillas y la mayor movilidad de la articulación costal evolucionaron durante la locomoción para aumentar la longitud de la zancada, mantener el tórax estable o como resultado pasivo del movimiento de las costillas para evitar que se agruparan a medida que los animales se doblaban. En algún momento, los primeros amniotas desarrollaron la capacidad de expresar estos movimientos de las costillas en ambos lados simultáneamente, lo que permitió la expansión y contracción del tronco que soportan la inhalación y la exhalación.

"La respiración por aspiración fue una de las innovaciones clave que permitió que los amniotas se diversificaran en la tierra. Nos sorprendió y emocionó encontrar pistas sobre cómo evolucionó a partir de un estudio sobre locomoción", dijo el coautor Brainerd.

Artículo científico: Locomotor rib kinematics in two species of lizards and a new hypothesis for the evolution of aspiration breathing in amniotes

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