Aletas y extremidades cuentan la historia evolutiva

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saltarín del fango y salamandra

Algunos de los primeros tetrápodos no podrían haberse empujado a la tierra con sus patas traseras como una salamandra

Hace unos 400 millones de años, nuestros primeros antepasados dieron sus vacilantes primeros pasos de los mares primitivos a la tierra.

¿Pero realmente dieron un paso? ¿O se arrastraron? ¿O reptaron?

Estas son algunas de las preguntas que la profesora asistente de biología de la Universidad George Washington, Sandy Kawano, hace en su laboratorio de aletas y extremidades, una nueva incorporación al Salón de Ciencia e Ingeniería que explora la biodiversidad de los animales a través de su anatomía y movimientos.

Utilizando tecnología puntera como cámaras digitales de alta velocidad, modelado en 3-D e incluso robots, la Dra. Kawano estudia cómo se mueven los animales en diferentes entornos: sus pasos, golpes y deslizamientos. Su investigación está descubriendo misterios evolutivos, como la forma en que nuestros antepasados llegaron a la tierra, que contienen indicios de problemas modernos, desde la salud humana hasta el cambio climático.

"Los científicos a menudo actúan como detectives del pasado", dijo la Dra. Kawano, quien se unió a la facultad de biología en el Colegio Colombiano de Artes y Ciencias en el otoño de 2019. "Estamos buscando pistas y tratando de reconstruir lo que sucedió hace mucho tiempo".

Basándose en su experiencia en biología, ingeniería y matemáticas, la Dra. Kawano y sus colaboradores usan robots y modelos de computadora para realizar ingeniería inversa de los movimientos de los vertebrados de cuatro patas llamados tetrápodos y sus antepasados de peces. Muchos de estos primeros tetrápodos y peces similares a los tetrápodos eran "inadaptados de la naturaleza", dijo, con cuerpos parcialmente acuáticos y terrestres. Y aunque nadie cuestiona su gigantesco salto evolutivo, exactamente cómo se movieron hasta la costa prehistórica no es una ciencia establecida.

modelo biomecánico de tetrápodo

Durante décadas, la teoría predominante fue que los tetrápodos se arrastraron esencialmente fuera de las olas, moviendo sus patas delanteras y traseras como salamandras. Sin embargo, "la paleontología ha experimentado una revolución digital y está revelando mucho más" sobre su transición de mar a tierra, dijo la Dra. Kawano. "Ahora estamos comenzando a incorporar tecnología y animación de vanguardia para realmente tener una idea de cómo se movieron potencialmente estos peces extintos".

Utilizando estas nuevas técnicas, la Dra. Kawano se ha basado en los hallazgos de colegas que volvieron a analizar fósiles cincelados en rocas congeladas en Groenlandia, así como en observaciones de criaturas similares de hoy en día, como los peces del fango. Su conclusión? "Algunos de los primeros tetrápodos no podrían haberse empujado a la tierra con sus patas traseras como una salamandra", dijo.

En otras palabras, los primeros pioneros terrestres obviamente llegaron a tierra. ¿Pero cómo?

"Una de las mejores cosas de ser un investigador científico es que siempre tienes nuevos misterios para explorar", dijo la Dra. Kawano. "Estamos en la punta del iceberg para comprender cómo realizamos esos primeros pasos y lo que significa para nosotros hoy".

Land Rovers

Para los animales antiguos adaptados a vivir en el agua, los primeros movimientos hacia la tierra fueron peligrosos emprendimientos. Es cierto que estaban dejando atrás a depredadores como tiburones. Pero cambiar sus aletas por extremidades los dejó atrapados en las orillas fangosas, horneándose bajo el desconocido sol. "No fue el paraíso", dijo la Dra. Kawano.

Aunque sus extremidades habían evolucionado hasta el punto en que pudieron haber caminado a lo largo del fondo del mar, "todavía eran animales muy acuáticos, eran muy como peces. Tenían que preocuparse por secarse, tenían que preocuparse por la gravedad. No fue necesariamente un cambio rápido a una vida terrestre".

Para obtener pistas sobre cómo se adaptaron, la Dra. Kawano señala al saltarín del fango africano (Periophthalmus barbarus).

saltarín de fango africano

Un pez que nada en el agua y se arrastra en la tierra, es una de las pocas especies vivas que se cree que se mueve de manera similar a los primeros vertebrados terrestres. Utilizando dos apéndices frontales, que se asemejan a un cruce entre las aletas y las extremidades, los saltarines del fango no caminan ni se meten tanto como se arrastran por los pisos de las mareas y las playas rocosas, no con el impulso de sus patas traseras sino tirando de sus cuerpos con su frente extremidades

La Dra. Kawano, una autodenominada "persona de peces", ha explorado la anatomía y el movimiento antiguos con un equipo de físicos e ingenieros del Instituto de Tecnología de Georgia, la Universidad Carnegie Mellon y la Universidad de Clemson. "Representé en el grupo a los biólogos", dijo. Juntos, el equipo construyó por primera vez un robot para replicar los movimientos del saltarín del fango, un "robot fangoso", como lo llamaron. También usaron vídeos de alta velocidad para tomar grabaciones en cámara lenta de saltarines y salamandras en vivo y afinar ideas sobre el movimiento de los peces y sus contrapartes prehistóricas.

Los resultados de su investigación no solo resolverán un misterio evolutivo. El enigma de los pasos de los tetrápodos tiene implicaciones para determinar cómo superan los animales los entornos cambiantes, incluidos los paisajes alterados por el cambio climático. Y su enfoque en la anatomía y el movimiento puede ofrecer información sobre las dolencias del cuerpo humano desde el dolor en las articulaciones de la rodilla hasta los dolores de espalda.

"La parte realmente emocionante de la ciencia es que cuanta más evidencia nueva encontremos, más preguntas nuevas abriremos", dijo la Dra. Kawano. "A pesar de que estamos trabajando con estos animales extintos que son muy, muy viejos, todavía están planteando nuevas preguntas sobre lo que podemos entender y aprender de nuestro pasado".

Artículo científico: Propulsive Forces of Mudskipper Fins and Salamander Limbs during Terrestrial Locomotion: Implications for the Invasion of Land

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