Descubren que los cuellos de los animales no evolucionaron como se pensaba

Los primeros animales que hicieron la transición del agua a la tierra, hace aproximadamente 380 millones de años, presentaron una limitación inesperada: apenas podían mover sus cabezas. Aunque se creía que la evolución de los cuellos otorgaba a estas criaturas pioneras mayor libertad para observar su entorno, una nueva investigación sugiere que sus cuellos eran notablemente rígidos.

Este hallazgo desafía una explicación que se mantuvo durante décadas sobre la razón por la cual los animales desarrollaron cuellos distintos. En lugar de evolucionar para mejorar el movimiento de la cabeza, los cuellos podrían haber surgido como parte de cambios más amplios en el esqueleto que permitieron a los animales utilizar sus extremidades delanteras para desplazarse.

Para investigar esta posibilidad, un equipo internacional de investigadores combinó nuevas evidencias fósiles con experimentos en peces vivos y modelos computacionales de anatomía antigua. Sus hallazgos, publicados el 14 de octubre en la revista Nature, ofrecen una nueva perspectiva sobre una de las transiciones evolutivas más importantes en la historia de la Tierra.

"Este es un momento realmente interesante en la historia de la Tierra, donde se están formando algunos de los primeros bosques y hay una reorganización radical del planeta", comentó Tom Stewart, profesor asistente de biología en Penn State y miembro del equipo de investigación. "Entender exactamente cuándo nuestra línea evolutiva hizo esa transición del agua a la tierra, cómo se logró y qué sistemas anatómicos estaban cambiando es una parte importante de esa historia. Lo interesante es que muchos de los cambios que ocurrieron en el esqueleto en este tiempo, hace unos 380 millones de años, todavía se reflejan en nuestros propios cuerpos hoy en día."

La Creencia Prevista sobre la Evolución de los Cuellos

Durante décadas, la explicación predominante fue que los cuellos evolucionaron para otorgar a los primeros tetrápodos, los ancestros de los vertebrados de cuatro extremidades, un mayor control sobre sus cabezas a medida que se adaptaban a la vida fuera del agua.

El razonamiento parecía simple. Un animal que vive en aguas poco profundas o que se desplaza a tierra se beneficiaría de mirar hacia abajo o mover su cabeza de lado a lado para localizar presas, reconocer amenazas y explorar su entorno. Un cuello flexible le permitiría hacerlo sin reposicionar todo su cuerpo.

Sin embargo, determinar cómo se movían realmente estos animales antiguos ha sido difícil. Gran parte de su columna vertebral consistía en tejido blando que rara vez se conserva lo suficiente como para convertirse en fósiles, dejando a los científicos con una imagen incompleta de cómo funcionaban sus cuellos.

"Los peces que estaban experimentando estos cambios tenían una columna vertebral que estaba compuesta en gran parte por tejido blando, que, a diferencia del hueso, rara vez se conserva en el registro fósil", explicó Stewart. "En estos casos, podemos observar a los animales modernos para servir como análogos del pasado, como los pájaros vivos pueden enseñarnos sobre los dinosaurios ahora extintos."

Fósiles de Peces Antiguos Revelan un Punto de Inflexión en la Evolución

Algunas de las mejores evidencias para la transición del agua a la tierra provienen de peces que vivieron durante el Período Devónico, aproximadamente entre 420 y 360 millones de años atrás.

Estos animales antiguos poseían una combinación inusual de características. Mientras mantenían muchas características de los peces acuáticos, algunos tenían aletas más fuertes y sustanciales que podrían haber ayudado a soportar su peso. Tales adaptaciones podrían haberles permitido levantarse del fondo o empujarse a través de aguas poco profundas.

Al mismo tiempo, ciertas especies comenzaron a mostrar una clara separación entre el cráneo y los hombros, creando los primeros cuellos distintos.

Un ejemplo especialmente importante es Tiktaalik, un pez fósil descrito por primera vez en 2006. Sus restos fueron descubiertos en la Isla Ellesmere en Nunavut, Canadá, en el Ártico norte. Debido a que Tiktaalik está estrechamente relacionado con los primeros vertebrados con extremidades, su anatomía proporciona pistas valiosas sobre los cambios evolutivos que hicieron posible la vida en tierra.

"Tiktaalik es uno de estos peces fósiles, y fue descrito por primera vez en 2006", dijo Stewart. "Se ha asumido razonablemente durante décadas que esta separación de cabeza y hombros debió haber permitido que la cabeza se moviera más libremente, por lo que la hipótesis de que la movilidad del cuello fue un motor evolutivo para este cambio en el plan corporal de los tetrápodos ha prevalecido, al menos hasta ahora."

Cómo el Esturión Ayudó a Resolver un Misterio Antiguo

La clave para probar la explicación tradicional sobre la evolución del cuello provino de una fuente inesperada: el esturión, un pez moderno a veces descrito como un fósil viviente porque conserva varias características anatómicas antiguas.

Los primeros tetrápodos tenían columnas vertebrales muy diferentes de las de la mayoría de los vertebrados que viven hoy. En lugar de depender principalmente de una serie de grandes vértebras conectadas por articulaciones, sus columnas vertebrales contenían una estructura prominente llamada notocordio.

El notocordio es una varilla larga y flexible de tejido que corre a través de la columna vertebral y ayuda a soportar el cuerpo. En estos animales antiguos, las vértebras individuales eran relativamente pequeñas y estaban dispuestas alrededor de un tubo de tejido blando mucho más grande.

Debido a que esta disposición responde a las fuerzas de manera diferente a una columna vertebral moderna, los investigadores habían tenido dificultades para determinar cuánta flexibilidad habría permitido. Esa incertidumbre les impidió probar directamente la idea de que los cuellos evolucionaron inicialmente para mejorar el movimiento de la cabeza.

El esturión ofreció la oportunidad de superar ese problema. Aunque solo están lejanamente relacionados con los antiguos animales que se estudiaron, sus columnas vertebrales tienen una estructura similar de notocordio.

El equipo de investigación midió la rigidez y las propiedades mecánicas del notocordio en esturiones modernos. Luego incorporaron esas mediciones en modelos de animales fósiles, incluidos los primeros tetrápodos como Tiktaalik, para estimar cuán lejos podrían moverse realmente sus cuellos.

Los resultados fueron sorprendentes. Incluso cuando la cabeza y los hombros estaban anatómicamente separados, la estructura de la columna vertebral habría restringido severamente el movimiento. Los primeros cuellos parecen haber sido mucho menos flexibles de lo que los investigadores habían supuesto.

"Sabemos que los tetrápodos eventualmente ganaron mayor movilidad en el cuello", dijo Dana Korneisel, investigador postdoctoral en la Universidad de Uppsala en Suecia y primer autor del artículo. "Claramente fue ventajoso eventualmente, pero no era una ventaja disponible para estos primeros tetrápodos debido a las limitaciones de su anatomía."

Los Primeros Cuellos Eran Sorprendentemente Rígidos

Los investigadores esperaban que los nuevos modelos aclararan cuánto movimiento adicional proporcionaban los cuellos antiguos. En cambio, encontraron que la mayoría de los animales que examinaron habrían ganado poca capacidad para reposicionar sus cabezas.

"Realicé este estudio para averiguar qué tan grande fue la diferencia que este cambio en la anatomía hizo para estos animales", dijo Korneisel. "Las columnas vertebrales de los esturiones están construidas de manera muy similar a las de los primeros tetrápodos, pero no parecían muy rígidas. Así que, después de hacer la modelización, la falta de movilidad significativa de la cabeza para casi todos estos animales fue una gran sorpresa."

Los hallazgos sugieren que los primeros animales con cuellos distintos no podían simplemente girar sus cabezas para examinar su entorno como muchos animales terrestres modernos pueden.

Su capacidad para levantar la cabeza también era extremadamente limitada, a veces incluso por debajo de lo que se esperaría en los peces.

"La elevación de la cabeza en estos animales no era más de lo que se esperaría en los peces y, a veces, incluso menos", dijo Korneisel. "Descubrimos que el tipo de torsión de cabeza que podemos hacer cuando movemos la cabeza no era factible en ninguno de estos animales."

Los investigadores también advirtieron que sus estimaciones podrían en realidad sobrestimar cuánto movimiento era posible.

Sus modelos consideraron las propiedades mecánicas de la columna vertebral misma, pero otras estructuras podrían haber añadido más restricciones. Los músculos, la piel e incluso los huesos incrustados en la piel de algunos de los primeros tetrápodos podrían haber hecho que sus cuellos fueran aún más rígidos.

Los Cuellos Podrían Haber Evolucionado para Caminar Antes que para Mirar

En conjunto, los hallazgos apuntan a una explicación diferente sobre el origen del cuello.

En lugar de aparecer primero porque los animales necesitaban girar sus cabezas, la separación del cráneo y los hombros podría haberse desarrollado junto con los cambios anatómicos que permitieron a las extremidades delanteras soportar y mover el cuerpo.

En otras palabras, los primeros cuellos podrían haber sido una consecuencia de adaptaciones para la locomoción en lugar de una adaptación para mejorar la visión o el movimiento de la cabeza.

Una mayor flexibilidad del cuello evolucionó posteriormente y se convirtió en una ventaja importante para los vertebrados terrestres. Pero la nueva evidencia sugiere que este beneficio llegó más tarde, después de que la estructura básica del cuello ya se había establecido.

El descubrimiento también destaca la importancia del notocordio en la comprensión de la evolución animal. Las columnas vertebrales dominadas por esta estructura son poco comunes entre los vertebrados vivos, pero fueron generalizadas durante gran parte de la historia de la Tierra. Estudiar animales modernos que retienen una anatomía similar puede, por lo tanto, ayudar a los científicos a reconstruir cómo se movían y comportaban las criaturas extintas.

"Queremos entender cómo vivían estos primeros tetrápodos y cómo eso se refleja en los cambios de sus cuerpos", dijo Stewart. "Tratar de reconstruir dónde vivía un animal, cómo se movía, cuál era su comportamiento, es algo realmente difícil. La parte interesante de esta historia es que combina datos de fósiles y estudios de animales vivos desde una perspectiva mecánica y funcional para reconstruir lo que los cambios que vemos en la anatomía del animal significan para su comportamiento."

Al reunir descubrimientos fósiles, experimentos en peces vivos y modelización biomecánica, los investigadores han desafiado una explicación familiar para una característica anatómica que sigue siendo central en los cuerpos de los humanos y muchos otros vertebrados hoy en día.

Equipo de Investigación y Financiamiento

Junto a Stewart y Korneisel, el equipo internacional de investigación incluyó a Cassandra M. Donatelli de la Universidad de Washington; Linfang Han, Marcos Martinez, Tetsuto Miyashita y Emily M. Standen de la Universidad de Ottawa en Canadá; y Andrew L. Traynor, Benjamin K. A. Otoo y Hillary C. Maddin de la Universidad Carleton en Canadá.

La investigación recibió apoyo del Premio Steven Cohen para la Investigación Estudiantil, presentado por la Sociedad de Paleontología Vertebrada, y del Consejo de Investigación en Ciencias Naturales e Ingeniería de Canadá (RGPIN-06442). Los autores son los únicos responsables del contenido, que no refleja necesariamente las opiniones de las organizaciones financiadoras.

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