Los vertebrados marinos prehistóricos ya podrían haber caminado

Leucoraja erinacea caminando

Pudieron haber tenido herramientas para caminar mucho antes de abandonar el océano

Las matemáticas desentrañan la simplicidad de caminar temprano

Los primeros vertebrados que caminaron sobre nuestro planeta podrían haberlo hecho en las profundidades del gran océano, millones de años antes de que sus parientes posteriores hicieran la transición a la tierra.

En 2018, los científicos se sorprendieron al encontrar que el pez raya pequeño (Leucoraja erinacea) y algunos tiburones basales pudieron caminar a lo largo del fondo del océano utilizando muchos de los mismos circuitos neuronales que usamos para caminar hoy.

 

En general, se cree que los vertebrados solo aprendieron a caminar cuando comenzaron a salir del mar por la orilla, hace aproximadamente 380 millones de años. Pero otros modelos basados en el pez raya pequeño, uno de los animales más primitivos con columna vertebral, sugieren un origen mucho más profundo, posiblemente hace más de 400 millones de años.

Utilizando datos de vídeo publicados sobre la dinámica de hundimiento de esta criatura bentónica, los matemáticos han desarrollado un modelo para investigar cómo podrían haber evolucionado en las profundidades del mar los primeros movimientos similares a patas.

El modelo simple que han creado predice el tipo de caminata más eficiente, controlada y equilibrada en un entorno de flotabilidad neutra: El mejor resultado requiere un patrón alterno de pie izquierdo-pie derecho muy similar al contoneo del pez raya pequeño.

Además, este tipo de caminatas no requiere ningún costo energético adicional y podría reforzarse con el tiempo utilizando un esquema de aprendizaje simple.

"En el contexto de nuestro modelo, estos resultados sugieren que, a pesar del vasto espacio de solución de la marcha, una estrategia de control bípedo alterno de izquierda a derecha puede ser descubierta y es la solución óptima para la locomoción energéticamente eficiente", escriben los autores del estudio.

Encontrar un ejemplo del mundo real de este antiguo organismo es similar a descubrir una "aguja en un pajar", admite el equipo, pero dicen que solo se necesitarían rudimentarias patas para lograr este patrón de colocación de los pies. Después de que evolucionaron esas aletas parecidas a pies, la antigua criatura habría necesitado obtener solo un mínimo control neuronal sobre sus nuevas y mejoradas extremidades.

Después de cuatro episodios de aprendizaje en el modelo, comenzó a surgir una estrategia de locomoción con una sola pata. Después de 200 episodios, se hizo cargo de un patrón de caminar con dos patas. En el episodio número 600, la criatura modelada comenzó a alternar entre pasos de izquierda y derecha.

Al ejecutar aproximadamente 50 instancias de aprendizaje durante 5.000 episodios, incluidos varios parámetros de aprendizaje y recompensas, los autores encontraron que la mejor solución coincide con el andar del pez raya pequeño en el 70 por ciento de todos los casos.

Esta simple estrategia de control sugiere que caminar en las profundidades del mar es un comportamiento robusto y eficiente similar al caminar pasivo, como el juguete furtivo que "camina" por una pendiente sin la necesidad de un control complejo, solo la gravedad.

pez raya pequeño caminando

El pez raya pequeño, por supuesto, no es un juguete furtivo completamente pasivo. Sus células cerebrales aún controlan el movimiento de seis músculos, pero los autores dicen que este sistema explota los mismos principios que uno pasivo: "Locomoción sostenida bajo una fuente de energía constante sin control de retroalimentación".

Los autores no están seguros de por qué el pez raya pequeño desarrolló una lenta caminata por el fondo marino, pero sugieren que es más eficiente y rentable que nadar a un ritmo similar. Se necesitarán más estudios metabólicos sobre la criatura de las profundidades marinas para verificar esta idea.

A veces, en la naturaleza, el pez raya pequeño usará ambas patas al mismo tiempo para "patear" hacia adelante e iniciar rápidamente su patrón de caminar de izquierda a derecha. Este tipo de movimiento no se encontró en el modelo, pero los autores creen que podría verse favorecido cuando se necesita una aceleración más rápida y la eficiencia energética no es tan importante. Este inusual pateo requiere un poco más de trabajo.

"La combinación de un entorno confiable de baja gravedad y una morfología de cuerpo con patas bien puede haber ayudado a allanar el camino para la marcha bípeda antes de que nuestros ancestros acuáticos hicieran la transición a tierra firme", dice el matemático aplicado Lakshminarayanan Mahadevan de la Universidad de Harvard.

"A medida que nuestros antepasados hicieron la transición a la tierra, la estrategia de control probablemente se volvió más compleja. Pero en entornos confiablemente homogéneos, como el fondo del mar, tal vez todo lo que se necesitaba era una estrategia simple".

Para complementar este modelo teórico, los investigadores incluso construyeron un robot bípedo simple basado en condiciones similares de aguas profundas. Al final, el comportamiento de este robot mostró sorprendentes similitudes con el caminante ideal de su modelo. Su patrón regular de pisadas no requiere energía adicional y se ondula en ambos lados del cuerpo para brindar estabilidad.

El robot, sin embargo, tiende a caminar un poco más rápido de lo que se ve en el pez raya pequeño.

Los autores admiten que es posible que nunca sepan exactamente cómo surgió el primer paso al caminar, pero su modelo ayuda a refinar algunas de las dinámicas pasivas y los circuitos neuronales que se observan en los organismos vivos.

"Comprender cómo trabajaron juntos el cerebro, el cuerpo y el medio ambiente en ambientes acuáticos y terrestres heterogéneos probablemente debían incluir retroalimentación propioceptiva", sugieren los autores.

"Pero en entornos confiablemente homogéneos, quizás la estrategia simple cuantificada aquí fue donde comenzó todo".

El estudio fue publicado en la revista Journal of the Royal Society Interface: Models of benthic bipedalism

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