martes, 20 de junio de 2017

Sobre la evolución de las branquias



Los arcos branquiales son estructuras que comúnmente se confunden con las branquias, esto se debe a que los únicos animales con arcos branquiales con los que tenemos contacto regular poseen pliegues capilares que poseen camas de vasos sanguíneos que permiten el intercambio de gases. Sin embargo cuando se analizan las estructuras desde un punto de vista más amplio tanto a nivel taxonómico como a nivel embriológico un patrón aparece, pueden existir arcos branquiales con sus correspondientes hendiduras sin que existan branquias, cuando esto sucede los denominamos arcos faríngeos. El ser humano posee estos arcos faríngeos cerca de la cuarta semana de desarrollo, pero este detalle no es el verdadero problema, sino las branquias.

Los arcos branquiales pueden dejar buenos registros fósiles aun cuando estén compuestos de material cartilaginoso o fibroso, pero las branquias al ser un tejido blando e ínfimo son una historia completamente diferente. Dado que no podemos echar mano del registro fósil con facilidad “encontrarse un fósil de la época con estos caracteres preservados es como ganarse la lotería”, por años los anatomistas comparativos debieron echar mano de la anatomía comparada de grupos vivos. En especial cuatro grupos vivos, los cefalocordados, los tunicados, los agnatostomos vivos y los demás vertebrados con mandíbulas. En los cefalocordados y tunicados los arcos no son respiratorios, por lo que se emplean es para filtrar materia orgánica y alimentarse, mientras que en los agnatostomos modernos “peces sin mandíbula” y en los demás peces con mandíbulas, los arcos o hendiduras se emplean como soporte de las branquias. Sin embargo diferencias anatómicas habían sugerido que las branquias habían evolucionado dos veces de manera paralela y convergente en los dos grupos de vertebrados con y sin mandíbula actuales.

Un nuevo estudio ha revelado que las branquias pudieron haberse originado mucho antes en la historia evolutiva de lo que se creía anteriormente. Los hallazgos apoyan la idea de que las branquias evolucionaron antes del último antepasado común de todos los vertebrados y no después, ayudando a facilitar una "transición del estilo de vida" desde un alimentador de filtro inmóvil como los cefalocordados a un depredador que nadaba activamente.

La investigación, publicada en la revista Current Biology, muestra que las branquias se desarrollan a partir del mismo tejido embrionario en ambos vertebrados con y sin mandíbula modernos. Los gnatostomos - como los peces, aves y mamíferos - constituyen el 99% de todos los vertebrados vivos, incluidos nosotros. Los vertebrados sin mandíbula incluyen la lamprea parásita y el mixino de barrido: criaturas de tipo anguila que divergieron de la línea ancestral hace más de 400 millones de años, se denominan peces sin mandíbulas debido a que sus arcos branquiales no pueden ejecutar movimientos de bisagra, están todas fusionadas en un armazón rígido que recuerda a una red de baloncesto (Enlace→).

Trabajos previos en esta área involucraron cortar secciones finas de embriones de peces para graficar el crecimiento de órganos. Estas "instantáneas" del desarrollo llevaron a los científicos a creer que las branquias se formaban a partir de diferentes tejidos: el endodermo interno en los vertebrados sin mandíbula y la piel externa del ectodermo en la mandíbula; de allí concluir que las branquias evolucionaron de manera convergente en los linajes paralelos de vertebrados después del ancestro común.

Los biólogos de la Universidad de Cambridge utilizaron marcaje fluorescente para teñir las membranas celulares en los embriones, y los rastrearon a través del proceso de desarrollo. Su experimento ha demostrado ahora que las branquias de los vertebrados de mandíbula emergen de las mismas células de revestimiento interno que sus parientes sin mandíbula. Los investigadores dicen que esto es una fuerte evidencia de que las branquias evolucionaron sólo una vez, mucho antes en la historia evolutiva en el ancestro común de todos los vertebrados, y en consecuencia, nuestras hipótesis del estilo de vida de dicho ancestro debían cambiar de un filtrador semejante a un anfioxos a un depredador activo natatorio. "Estos hallazgos demuestran un solo origen de las branquias que probablemente se corresponde con una etapa clave en la evolución de los vertebrados: cuando algunos de nuestros primeros parientes pasaron de filtrar partículas de agua bombeadas a través de cuerpos estáticos a nadar activamente a través de los océanos" Gillis, investigadora de la Royal Society University en el Departamento de Zoología de Cambridge y investigadora de Whitman en el Laboratorio Biológico Marino de Woods Hole, Estados Unidos.

"Las branquias proveyeron a los vertebrados con órganos respiratorios especializados en la cabeza, en lugar de tener que respirar exclusivamente a través de la piel en todo el cuerpo." No podemos decir si estos primeros animales se hicieron más activos y necesitaron desarrollar un nuevo mecanismo respiratorio, pero la evolución de las branquias sin duda les permitió moverse más rápido. "Sin embargo, ya sea por demanda u oportunidad, nuestro trabajo sugiere que la innovación fisiológica de las branquias se produjo al mismo tiempo que la transición del estilo de vida pasiva a activa en algunos de nuestros antepasados más tempranos". Recuerde sin embargo que las branquias no aparecen de la nada, son pliegues dérmicos o epiteliales que contienen capilares sanguíneos, estructuras convergentes abundan en los peces, así que se cumple la regla de oro, toda estructura “nueva” debe aparecer como especialización de una estructura vieja.  Mientras que el linaje de los vertebrados con mandíbula engendró la mayoría de la vida de los vertebrados que existe en la Tierra hoy en día - "evolutivamente hablando, todos somos peces", dice Gillis - lampreas y mixinos son los restos vivientes del alguna vez diverso linaje de peces sin mandíbula que incluye a los ostracodermos y conodontos.  El trabajo embrionario del laboratorio Gillis complementa perfectamente la investigación paleontológica de su colega de Cambridge, el profesor Simon Conway Morris, quien ha dedicado gran parte de su carrera a estudiar fósiles del período cámbrico de rápida evolución, cuando la mayoría de los principales grupos de animales se originaron.

En 2014, Conway Morris formó parte del equipo que descubrió Metaspriggina “que fue básicamente ganarse la lotería en términos de paleontología, imagen siguiente”: uno de los fósiles de vertebrados más antiguos, quizás más de 500 millones de años, que mostraba indicios de una estructura branquial, así como la disposición muscular de un nadador activo. 

"Nuestra investigación embriológica nos ayuda a entender exactamente cómo las estructuras branquiales de los primeros vertebrados como Metaspriggina se relacionan con las agallas de las formas vivientes", dice Gillis. "La embriología nos puede informar sobre la relación evolutiva entre las características anatómicas de los animales vivos, mientras que la paleontología puede señalar con precisión cuándo estas características aparecen por primera vez en el tiempo. Creo que este trabajo ilustra muy bien cómo estas dos áreas de investigación pueden informarse mutuamente".


Referencias principales

Gillis, J. A., & Tidswell, O. R. (2017). The origin of vertebrate gills. Current Biology, 27(5), 729-732.
Kardong, K. V. (2011). Vertebrates, comparative anatomy, function, evolution (6th ed.). McGraw-Hill New York.

Referencias secundarias

University of Cambridge. (2017, February 9). Deeper origin of gill evolution suggests 'active lifestyle' link in early vertebrates. ScienceDaily. Retrieved June 19, 2017 from www.sciencedaily.com/releases/2017/02/170209133427.htm


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