Nuevo estudio plantea que los huesos evolucionaron para actuar como “baterías esqueléticas” en peces prehistóricos

A partir del análisis de un pez de 400 millones de años, se establece que los primeros huesos con células vivas proporcionaron minerales fundamentales a los peces para emprender viajes más largos. Esto modificó la evolución de los vertebrados.

Publicado 7 de abril de 2021 11:00 GMT-3
Bothriolepis

Los ostracodermos, que vivieron hace aproximadamente 400 millones de años, desarrollaron los primeros huesos con células vivas, lo que les proporcionaba minerales fundamentales a los músculos de los peces.

Fotografía de Ilustración de Brian Engh

Al estudiar los restos fosilizados de peces antiguos, los científicos han descubierto un momento crucial en el desarrollo de una de las partes más importantes de los seres humanos y de otros animales: el hueso. Mientras los huesos proporcionan, principalmente, una estructura de soporte del cuerpo, estos tejidos duros están en continuo cambio y brindan otros beneficios para los cuerpos vertebrados. El hueso se mantiene solo, repara heridas y brinda nutrientes clave para la corriente sanguínea.

No obstante, los primeros huesos fueron muy diferentes a los esqueletos humanos de hoy. En el pasado prehistórico, el hueso era más concreto, crecía en el exterior del pez y le proporcionaba un caparazón protector. Pero, según un nuevo estudio de la revista Science Advances, los primeros huesos con células vivas (como los que tienen los seres humanos) evolucionaron hace alrededor de 400 millones de años y funcionaron como baterías esqueléticas: abastecieron a los peces prehistóricos con minerales necesarios para viajar distancias más largas.

Las criaturas fosilizadas del análisis se conocen como osteóstracos. "Los llamo sirenas-escarabajos de manera cariñosa", cuenta Yara Haridy, estudiante de doctorado del Museo de Historia Natural de Berlín y autora principal del estudio. Estos peces tenían un extremo delantero con coraza y una cola flexible que les salía desde la espalda. No tenían mandíbulas y el tejido de sus huesos revestía sus cuerpos. Estos tipos de peces son fundamentales para entender los orígenes de las partes duras que marcaron la evolución de los vertebrados.

La investigación de Haridy se centra en los osteocitos, las células que están "amuralladas" por la parte dura y mineral del hueso como parte del crecimiento esquelético. No obstante, los primeros animales con hueso no tenían osteocitos y algunos peces modernos tampoco tienen estas células. Esto hizo que los paleontólogos se preguntaran cuándo y por qué estas células óseas se desarrollaron primero.

"Básicamente comencé a obsesionarme con la pregunta: ¿por qué osteocitos?", cuenta Haridy.

Una nueva técnica 3D

Resolver el misterio de las células óseas ha demostrado ser un desafío para los paleontólogos. Haridy explica que, tradicionalmente, los investigadores estudiaban las estructuras microscópicas del hueso al rebanar secciones delgadas y examinarlas en diapositivas de dos dimensiones. Pero este método no proporciona una imagen completa y tridimensional de cómo se ven realmente las células del hueso.

Un método que se desarrolló para la ciencia de materiales y para otras aplicaciones en ingeniería le permitió a Haridy y sus colegas revelar las estructuras de los huesos que los científicos no habían podido estudiar previamente. "Vi uno de los pósteres de un colega en el pasillo con imágenes sorprendentes de poros en baterías y se veían como células", recuerda Haridy. El método utilizado para crear esas imágenes se denominó técnica de ataque selectivo mediante un haz iónico y microscopio electrónico de barrido (FIB-SEM, por su sigla en inglés), que crea escaneos tridimensionales detallados. Haridy preguntó a qué objetos podría aplicársele la técnica y, cuando descubrió que el mejor sería un objeto seco y estable, confiesa que "básicamente gritó: '¿qué es más estable que una roca?'".

Los escaneos resultantes de los fósiles de los peces osteóstracos superaron las expectativas de Haridy. "Mi asombroso coautor Markus Osenberg me envió un correo con las imágenes preliminares como si nada", recuerda, "y lo llamé para asegurarme de que no fuera un modelo sino datos reales, así de increíbles eran".

Los escaneos no mostraban las células óseas (que se descompusieron hace tiempo), sino las cavidades donde estas células vivieron dentro del pez antiguo. "Estaba mirando un espacio donde había vivido una pequeña célula hace más de 400 millones de años", cuenta Haridy.

Baterías óseas

Mientras revisaba los escaneos, Haridy y su equipo notaron que el tejido óseo alrededor de las cavidades de la célula se había consumido. Sin embargo, esto no era señal de enfermedad o lesión. Las células óseas habían disuelto un poco del tejido para que el calcio, el fósforo y otros minerales dentro pudieran ser enviados a la corriente sanguínea del pez antiguo.

Las células convirtieron el tejido óseo en una especie de batería que liberaba los minerales almacenados necesarios para los procesos corporales como nutrir los músculos que se utilizan para nadar. A su vez, la necesidad de minerales adicionales ayudó a impulsar la evolución de las células óseas, un cambio que influenció la trayectoria de los vertebrados.

"Esta hipótesis ha estado dando vueltas por un tiempo, pero no ha sido corroborada", explicó Martín Brazeau, paleontólogo de la universidad británica Imperial College London, que no participó del estudio. La investigación brinda evidencia reciente de que las primeras células óseas reconvirtieron la coraza de los osteóstracos para darles una inyección de energía extra. Haridy y sus colegas hallaron que los márgenes de los osteocitos eran de una densidad menor que el hueso circundante y el hallazgo se convirtió en un argumento sólido como prueba del metabolismo mineral", agrega Sam Giles, paleontólogo de University of Birmingham (Universidad de Birmingham) que no participó del estudio.

Lamentablemente, el proceso FIB-SEM usado para crear las imágenes óseas de alta definición solo puede observar el tejido óseo cerca de la superficie del fósil y destruye esa parte del espécimen durante el proceso. Por esto, no es el método ideal para estudiar los huesos fósiles. Aun así, usar la técnica en unos pocos huesos fosilizados seleccionados pude llevar a descubrimientos sobre la función evolutiva de los esqueletos.

Además de revelar las cavidades óseas que las células alguna vez ocuparon, el estudio pudo descubrir la forma y las conexiones de las células entre los huesos, algo que no se había hecho antes. "Este enfoque es muy prometedor", explica Sophie Sanchez, anatomista de Uppsala University (Universidad Uppsala) en Suecia que no participó del estudio. Señala que podría ser especialmente útil si lo combinamos con otras técnicas que miren más profundo que la superficie externa del hueso fósil.

El hecho de que los peces antiguos fueran capaces de hacer uso de las reservas minerales de sus propios esqueletos cuando lo necesitaran podría tener consecuencias trascendentales para la vida en la Tierra. Haridy cuenta que, sin desarrollar huesos celulares, los peces probablemente no hubiesen podido realizar migraciones largas porque no hubiesen tenido la necesidad de que los minerales nutrieran sus músculos.

Y agrega que es probable que los vertebrados nunca hubiesen llegado a la tierra sin los osteocitos dado que las baterías de los huesos proporcionan calcio para poner huevos y para la lactancia. La evolución podría haber optado por otro camino, uno que no hubiese incluido a los dinosaurios o a los mamíferos.

Lo que el equipo recogió de los huesos de los peces antiguos es solo el comienzo, afirma Haridy. Revelar las células óseas en detalle, cientos de millones de años después de que las células murieran, tiene el potencial de descubrir todo tipo de secretos osteológicos que no se habían podido detectar antes. "De la misma manera que las primeras tomografías computadas facilitaron el campo paleontológico y abrieron el camino a nuevas metodologías, preveo que este método nos seguirá sorprendiendo en el futuro", pronostica Haridy.

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