Mucho antes que otros peces, los antiguos tiburones encontraron una forma alternativa de alimentarse

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Tristychius arcuatus

Reconstrucciones 3D muestran cómo los antiguos tiburones se alimentaban por filtración

Investigadores de la Universidad de Chicago han utilizado herramientas desarrolladas para explorar los movimientos tridimensionales y la mecánica de las fauces de los peces modernos para analizar por primera vez un pez fósil.

Combinado con la tecnología de imágenes CT capaz de capturar imágenes del fósil mientras aún está encerrado en la roca, los resultados revelan que un tiburón de 335 millones de años tenía sofisticadas mandíbulas capaces de alimentarse por succión, común a los peces óseos como la lubina, perca, carpa y también tiburones nodriza modernos.

Sorprendentemente, estas antiguas mandíbulas de tiburón son unos 50 millones de años más antiguas que la evidencia más temprana de mandíbulas similares adaptadas para la alimentación por succión en peces óseos. Esto muestra la versatilidad evolutiva de los tiburones, y cómo respondieron rápidamente los tiburones a las nuevas oportunidades ecológicas después de una de las cinco grandes extinciones en la historia de la Tierra.

"Entre los vertebrados acuáticos de hoy en día, está muy extendida la alimentación por succión y a menudo se cita como un factor clave que contribuyó al espectacular éxito evolutivo de los peces con aletas radiadas", dijo Michael Coates, Ph.D., profesor de biología y anatomía organismal de la Universidad de Chicago y autor principal del nuevo estudio. "Pero aquí mostramos que la alimentación acuática por succión de alto rendimiento apareció por primera vez en uno de los primeros tiburones conocidos".

Un kit de construcción completo para reconstruir un tiburón

El estudio, publicado esta semana en Science Advances, describe el fósil de Tristychius arcuatus, un tiburón de 2 pies de largo similar a un pez perro. Fue descubierto por primera vez en 1837 por el biólogo suizo Louis Agassiz, y luego descrito en detalle en 1978 por John Dick, un ex compañero de clase de Coates. Tristychius, y otros tiburones del período Devónico como este, se encuentran en nódulos de roca de piedra de hierro a lo largo de las costas del Fiordo de Forth, cerca de Edimburgo, Escocia.

Los fósiles de tiburones son raros porque su esqueleto de cartílago generalmente se pudre antes de que haya alguna posibilidad de fosilización. Durante décadas, los investigadores que estudiaron tiburones antiguos se han limitado a dientes aislados y espinas de aletas. Incluso si encuentran un esqueleto más completo, generalmente se aplana o, si está encerrado en una de estas piedras, se desmorona cuando intentan extraerlo.

cráneo 3D del Tristychius arcuatus

Coates y su laboratorio han liderado el campo en la aplicación de modernas tecnologías y software de imágenes para estudiar estos desafiantes fósiles. La tomografía computarizada les permite crear imágenes tridimensionales de cualquier cartílago fosilizado y las impresiones que dejó mientras aún estaba encerrado en la piedra.

Luego, utilizando un sofisticado software de modelado desarrollado originalmente para estudiar la estructura y la función de los peces de hoy en día, pueden recrear cómo se veía el esqueleto completo, cómo encajaban y se movían las piezas, y qué significaba para cómo vivían estos tiburones.

"Estos nuevos métodos de CT están liberando una carga madre de datos previamente inaccesibles", dijo Coates.

Su equipo comenzó a reexaminar algunos de los mismos fósiles que estudió Dick, así como también especímenes que no se tocaron en investigaciones anteriores. "Algo de esto está excelentemente preservado", dijo Coates. "Nos dimos cuenta de que cuando sacamos todas las piezas [virtualmente], teníamos el kit de construcción completo para reconstruir nuestro tiburón en 3-D".

Imagen: Los científicos de UChicago utilizaron la tecnología de tomografía computarizada para capturar imágenes del fósil Tristychius arcuatus mientras aún estaba encerrado en un nódulo de roca de piedra de hierro. Luego, los investigadores utilizaron un software de modelado en 3-D para reconstruir el cráneo y las mandíbulas para comprender cómo se movía y encajaba (Cortesía de Kristen Tietjen, UChicago).

Vencer a la física submarina

Ese kit de construcción virtual también les permitió crear impresiones plásticas en 3-D de los cartílagos que construyen el cráneo de un tiburón. Esto, a su vez, permitió a Coates y su equipo modelar movimientos y conexiones, tanto física como virtualmente, para ver cómo funcionaba el cráneo.

Los peces que usan alimentación por succión esencialmente aspiran agua por la boca para atrapar presas esquivas, como gusanos, crustáceos y otros invertebrados del fondo del océano. Para hacerlo, tienen que extraer agua cuando abren la boca, pero no forzarla a salir cuando la cierran.

Los alimentadores por succión superan esta desafiante física canalizando el agua hacia afuera a través de sus branquias. La cantidad de succión que crean puede mejorarse mediante arcos y articulaciones flexibles que expanden las mejillas y el volumen dentro de la boca para extraer el agua (imagina la sensación cuando mantienes las manos juntas bajo el agua y separas lentamente las palmas).

Los peces de hoy han perfeccionado este proceso, pero Tristychius tenía un aparato de alimentación similar que podría expandirse al abrir y cerrar la boca para controlar el flujo de agua (y alimentos). Crucialmente, esto incluía un conjunto de cartílagos alrededor de la boca que limitaba el tamaño de la abertura para controlar la cantidad de succión. La boca circular era empujada hacia adelante al final de su hocico como un tiburón alfombra o tiburón nodriza de hoy en día, no las fauces abiertas y dentudas como las de un gran blanco.

Imagen: Cuando Tristychius abría sus mandíbulas, era capaz de crear succión y atraer agua hacia su boca y hacia atrás a través de sus branquias, llevando consigo su comida. (Cortesía de Kristen Tietjen, UChicago)

Mientras que otros tiburones en ese momento tenían las mandíbulas de chasquido más típicas, la combinación de mejillas en expansión y una apertura de boca cuidadosamente controlada le proporcionó al Tristychius acceso a recursos alimenticios previamente no explotados, como las presas que se refugian en madrigueras poco profundas o bancos de camarones o peces juveniles difíciles de capturar, alrededor de 50 millones de años antes de que los peces óseos se aplicaran con la misma técnica.

"La combinación de modelos físicos y computacionales nos ha permitido explorar la biomecánica en un tiburón paleozoico de una manera que nunca antes se había hecho", dijo Coates. "Estos tiburones en particular estaban haciendo algo sofisticado y nuevo. Aquí tenemos la evidencia más temprana de esta innovación clave que ha sido tan importante para múltiples grupos de peces y ha evolucionado repetidamente".

Artículo científico: High-performance suction feeding in an early elasmobranch

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