La columna vertebral de los cetáceos está altamente regionalizada
Si alguna vez has visto nadar a un delfín, quizá te hayas preguntado por qué ondulan sus cuerpos hacia arriba y hacia abajo cuando nadan, en lugar de hacerlo de lado a lado como lo hacen los peces.
Aunque tienen un cuerpo parecido al de un pez, los cetáceos (un grupo compuesto por ballenas, delfines y marsopas) son mamíferos que descienden de ancestros que vivían en la tierra, al igual que los gatos, los perros, los ratones, los elefantes, las vacas y los humanos.
Sin embargo, a diferencia de sus parientes terrestres, los cetáceos han experimentado profundos cambios en su cuerpo y estructura esquelética para prosperar en ambientes acuáticos, incluida la reducción de las extremidades traseras y la evolución de aletas y colas (aletas caudales), lo que da como resultado un cuerpo aerodinámico.
A pesar de estas adaptaciones, los cetáceos conservan características clave de sus orígenes terrestres, como los pulmones y la capacidad de amamantar a sus crías con leche. Y, en cuanto a esos movimientos ondulantes, también conservaron los movimientos verticales similares que permiten a los mamíferos terrestres correr muy rápido.
Pero sigue siendo un misterio cómo la transición de la tierra al agua, hace aproximadamente 53 millones de años, afectó la construcción y función de su columna vertebral, un elemento central del esqueleto.
Ahora, un equipo internacional de investigadores arrojó luz sobre cómo se reorganizaron las columnas vertebrales de estos mamíferos marinos a medida que sus antepasados se adaptaron a la vida en el agua.
El equipo descubrió que, contrariamente a suposiciones previas, la columna vertebral de los cetáceos está altamente regionalizada, a pesar de tener una forma más homogénea a lo largo de su longitud. Sin embargo, la forma en que se regionaliza la columna vertebral es drásticamente diferente a la de los mamíferos terrestres.
Imagen: Hipótesis de regionalización de la columna vertebral de mamíferos (a) y cetáceos (b-e).
"Cuando su ancestro regresó al agua, las ballenas y los delfines perdieron sus patas traseras y desarrollaron un cuerpo parecido al de un pez", dijo la autora principal, la Dra. Amandine Gillet, Becaria Marie Curie en el Departamento de Biología Organísmica y Evolutiva de Harvard y en el Departamento de Ciencias de la Tierra y del Medio Ambiente de la Universidad de Manchester, Reino Unido.
"Pero ese cambio morfológico también significa que la columna vertebral es ahora la parte principal del esqueleto que impulsa la locomoción en un entorno acuático".
La columna vertebral de los mamíferos terrestres que se desplazan sobre la tierra debe proporcionar soporte para ayudar a las patas a soportar el peso del cuerpo. Cuando los cetáceos pasaron de la tierra al agua, las fuerzas de gravedad pasaron del aire al agua flotante, liberando la presión para soportar el peso corporal. La nueva estructura corporal y los movimientos necesarios para moverse en el agua significaron que la columna vertebral de estos animales tendría que cambiar de alguna manera para adaptarse a sus nuevos entornos.
Estudios anteriores han analizado la columna vertebral desde un punto de vista morfológico, observando los cambios en la morfología de las vértebras. En un artículo de 2018 publicado en Science, las coautoras, la profesora Stephanie Pierce y la Dra. Katrina Jones, exploraron la compleja historia evolutiva de la columna vertebral de los mamíferos utilizando un nuevo método estadístico desarrollado por primera vez para estudiar la columna vertebral de las serpientes.
Imagen derecha: Hipótesis de regiones anidadas para la construcción de la columna vertebral de los cetáceos: La hipótesis de regiones anidadas propone un modelo en el que la columna vertebral de los cetáceos se divide en segmentos precaudales y caudales, cada uno de los cuales se divide a su vez en una serie de módulos comunes a todos los cetáceos. Cada módulo puede subdividirse en varias regiones, con un mínimo de seis y un máximo de nueve regiones poscervicales en todos los cetáceos actuales. Crédito: Amandine Gillet
Pierce y Jones revisaron el modelo para adaptarlo a su estudio, lo que les permitió demostrar que la columna vertebral de los mamíferos terrestres se caracteriza por numerosas regiones distintas en comparación con los anfibios y reptiles.
"Es un desafío comprender cómo se pueden encontrar regiones de un mamífero terrestre en ballenas y delfines y una de las razones es porque su columna vertebral se ve muy diferente en términos de morfología, a pesar de que evolucionaron a partir de ellos", dijo Pierce, profesor de Biología Organísmica y Evolutiva en Harvard y autor principal del estudio.
"Perdieron el sacro, una cadena de vértebras fusionadas que sujetan las patas traseras y un punto de referencia fundamental necesario para distinguir la cola del resto del cuerpo".
Las vértebras de los cetáceos se complicaron aún más porque se volvieron más homogéneas en sus características anatómicas. Entonces, la transición de una vértebra a otra es gradual en comparación con las transiciones extremas encontradas en los mamíferos terrestres, lo que hace más difícil identificar regiones.
"No sólo tienen vértebras muy similares, sino que ciertas especies, en particular las marsopas y los delfines, tienen muchas más vértebras que los mamíferos terrestres; algunas especies tienen cerca de 100 vértebras", dijo Jones, investigador del Departamento de Ciencias de la Tierra y del Medio Ambiente de la Universidad de Manchester, Reino Unido.
"Esto hace que sea realmente difícil trasladar regiones encontradas en mamíferos terrestres a las columnas vertebrales de ballenas y delfines".
Los métodos estadísticos tradicionales utilizados para identificar patrones de regionalización requieren exactamente la misma cantidad de elementos en todas las muestras. El método estadístico que implementaron Pierce y Jones (llamado Regiones) les permitió superar este problema analizando la columna vertebral de cada espécimen individualmente.
Imagen: Correlación entre el número de vértebras y las regiones con hábitat: Imagen de la columna vertebral de una especie que vive en aguas poco profundas (izquierda) y en mar abierto (derecha) que muestra las diferencias en el número de vértebras, el número de regiones (representadas por cuadros de colores) y el número de módulos (representados por líneas de colores debajo de las regiones). Crédito: Amandine Gillet
Si bien el método funcionó bien para la columna vertebral restringida de los mamíferos terrestres, resultó computacionalmente desafiante para los altos recuentos de vértebras en los cetáceos. Gillet colaboró con el equipo de Servicios de Ciencia de Datos del Instituto de Ciencias Sociales Cuantitativas de Harvard para reescribir el código, permitiendo que el programa obtenga resultados en cuestión de minutos en una computadora portátil. Los investigadores pusieron el nuevo programa, llamado MorphoRegions, a disposición del público para la comunidad científica como un paquete de software computacional R.
"Este es sin duda uno de los mayores avances de nuestro estudio", afirmó Pierce. "Amandine pasó meses perfeccionando el programa para que pudiera analizar un sistema de unidades repetitivas de gran tamaño sin colapsar la computadora".
Gillet aplicó el método MorphoRegions a los datos que había recopilado previamente durante su trabajo de doctorado. Gillet visitó seis museos en Europa, Sudáfrica y Estados Unidos para recopilar datos morfológicos de 139 especímenes de 62 especies de cetáceos, dos tercios de las casi 90 especies vivas. En total, midió 7.500 vértebras y las analizó.
"Nuestro gran conjunto de datos nos permitió demostrar que no solo la organización de la columna vertebral de los cetáceos difiere de la de los mamíferos terrestres, sino también que los patrones varían dentro de los cetáceos, ya que identificamos entre seis y nueve regiones dependiendo de la especie", dijo Gillet.
"Luego trabajamos a partir de ahí para encontrar puntos en común entre las regiones e identificamos un patrón común a todos los cetáceos, que se resume en nuestra Hipótesis de Regiones Anidadas".
Imagen derecha: Hipótesis de regionalización de la columna vertebral de mamíferos (a) y cetáceos (b-e).
La hipótesis propuesta por el equipo introduce una organización jerárquica de la columna vertebral en la que primero se identifican un segmento precaudal y otro caudal. Los dos segmentos se dividen luego en varios módulos comunes a todos los cetáceos: cervical, torácico anterior, toracolumbar, lumbar posterior, caudal, pedúnculo y aleta caudal. Luego, dependiendo de la especie, cada módulo se subdivide en una a cuatro regiones, con un mínimo de seis y un máximo de nueve regiones poscervicales a lo largo de la columna vertebral.
"Sorprendentemente, esto nos mostró que, en comparación con los mamíferos terrestres, el segmento precaudal tiene menos regiones, mientras que el área caudal tiene más", dijo Pierce. "Los mamíferos terrestres utilizan la cola para diversas funciones, pero no suelen utilizarla para generar fuerzas de propulsión, como hacen los cetáceos. Tener más regiones en la cola puede permitir el movimiento en zonas muy específicas de la cola".
"Basándonos en estudios observacionales previos, sabemos que las ballenas, los delfines y las marsopas no nadan exactamente de la misma manera", afirmó Gillet.
"Una especie puede necesitar nadar lentamente, pero con mayor maniobrabilidad para atrapar presas, o porque vive en un entorno poco profundo con muchos obstáculos. Otras especies que viven en mar abierto pueden necesitar poder ir rápido en línea recta sin requerir mucha flexibilidad corporal".
El equipo exploró la relación entre las regiones de la columna vertebral, el hábitat y la velocidad de nado. Descubrieron que las especies que viven en alta mar, más alejadas de la costa, tienen más vértebras, más regiones y una velocidad de nado más rápida. Las especies que viven en ríos y bahías, es decir, más cerca de la costa, tienen menos vértebras y menos regiones, pero sus regiones son más diferentes entre sí, lo que potencialmente les otorga una mayor maniobrabilidad.
"Es un estudio hermoso", dijo Pierce. "Pasas de polvorientos esqueletos en un museo a mostrar cómo la columna vertebral de uno de los grupos de mamíferos más carismáticos fue reestructurada debido a su entorno acuático. Y podemos relacionar esto directamente con el hábitat y el rendimiento de natación en animales vivos".
Con una mejor comprensión de la organización de la columna vertebral de los cetáceos, los investigadores planean abordar a continuación la comprensión de cómo estas regiones morfológicas se correlacionan con la función utilizando datos experimentales sobre la flexibilidad de la columna vertebral recopilados en el laboratorio.
Estos datos recopilados sobre taxones modernos deberían permitirles inferir las capacidades de natación de las ballenas fósiles y ayudar a informar cómo la columna vertebral pasó de ser una estructura que soportaba peso en la tierra a un órgano generador de propulsión en el agua.
El estudio se ha publicado en Nature Communications: Repatterning of mammalian backbone regionalization in cetaceans
