Una investigación sobre peces fosilizados de hace 375 millones de años reveló la evolución de las aletas a extremidades aptas para caminar sobre tierra firme.
Washington, DC, EU, 2 de enero de 2020. La vida en la Tierra podrían haber surgido en lagos con alto contenido en fósforo, concluyen científicos de la Universidad de Washington en un artículo publicado en la revista PNAS.
La vida tal como la conocemos requiere fósforo, uno de los seis elementos químicos principales de la vida que forma la columna vertebral de las moléculas de ADN y ARN, actúa como la moneda de cambio principal para la energía en todas las células y ancla los lípidos que separan las células de su entorno.
“Durante 50 años, lo que se llama ‘el problema del fosfato’ ha plagado estudios sobre el origen de la vida”, admite el primer autor Jonathan Toner, profesor asistente de Investigación de la Universidad de Washington en Ciencias de la Tierra y el Espacio.
El problema es que las reacciones químicas que hacen que los componentes básicos de los seres vivos necesiten mucho fósforo, pero el fósforo es escaso. La nueva investigación ha encontrado una respuesta a este problema en ciertos tipos de lagos.
El estudio se centra en lagos ricos en carbonatos, que se forman en ambientes secos dentro de depresiones que canalizan el agua que drena del paisaje circundante. Debido a las altas tasas de evaporación, las aguas del lago se concentran en soluciones saladas y alcalinas, o de pH alto. Estos lagos, también conocidos como lagos alcalinos, se encuentran en todo el mundo.
Los investigadores primero observaron las mediciones de fósforo en los lagos ricos en carbonato existentes, incluidos el Lago Mono, en California; el Lago Magadi, en Kenia, y el Lago Lonar, en la India.
Si bien la concentración exacta depende de dónde se tomaron las muestras y durante qué estación, los investigadores descubrieron que los lagos ricos en carbonato tienen niveles de fósforo hasta 50 mil veces más encontrados en el agua de mar, ríos y otros tipos de lagos. Tales altas concentraciones apuntan a la existencia de algún mecanismo natural común que acumula fósforo en estos lagos.
Hoy en día, estos lagos abundantes en carbonatos son biológicamente ricos y sostienen una vida que va desde microbios hasta las famosas bandadas de flamencos del lago Magadi. Estos seres vivos afectan la química del lago.
Los investigadores realizaron experimentos de laboratorio con botellas de agua rica en carbonato en diferentes composiciones químicas para comprender cómo los lagos acumulan fósforo y cómo las altas concentraciones de fósforo podrían llegar a un ambiente sin vida.
La razón por la cual estas aguas tienen alto fósforo es su contenido de carbonato. En la mayoría de los lagos, el calcio, que es mucho más abundante en la Tierra, se une al fósforo para producir minerales sólidos de fosfato de calcio, a los que la vida no puede acceder. Pero en aguas ricas en carbonatos, el carbonato supera al fosfato para unirse con el calcio, dejando parte del fosfato sin adherir.
Las pruebas de laboratorio que combinaron ingredientes a diferentes concentraciones muestran que el calcio se une al carbonato y deja el fosfato disponible libremente en el agua. “Es una idea directa, que es su atractivo –señala Toner–. Resuelve el problema del fosfato de una manera elegante y plausible”.
Los niveles de fosfato podrían subir aún más, a niveles de un millón de veces en el agua de mar, cuando las aguas del lago se evaporan durante las estaciones secas, a lo largo de las costas o en piscinas separadas del cuerpo principal del lago.
“Los niveles extremadamente altos de fosfato en estos lagos y estanques habrían provocado reacciones que pusieron fósforo en los bloques de construcción moleculares de ARN, proteínas y grasas, todo lo cual era necesario para que la vida siguiera”, explica el coautor David Catling, un Profesor de Ciencias de la Tierra y del espacio de la UW.
El aire rico en dióxido de carbono en la Tierra primitiva, hace unos cuatro mil millones de años, habría sido ideal para crear tales lagos y permitirles alcanzar niveles máximos de fósforo. Los lagos ricos en carbonato tienden a formarse en atmósferas con alto contenido de dióxido de carbono. Además, el dióxido de carbono se disuelve en agua para crear condiciones ácidas que liberan fósforo de manera eficiente de las rocas.
“La Tierra primitiva era un lugar volcánicamente activo, por lo que habría tenido muchas rocas volcánicas frescas reaccionando con dióxido de carbono y suministrando carbonato y fósforo a los lagos –apunta Toner–. La Tierra primitiva podría haber albergado muchos lagos ricos en carbonato, que habrían tenido concentraciones de fósforo lo suficientemente altas como para comenzar la vida”.
Otro estudio reciente de los dos autores mostró que este tipo de lagos también pueden proporcionar abundante cianuro para apoyar la formación de aminoácidos y nucleótidos, los componentes básicos de las proteínas, el ADN y el ARN.
Antes de eso, los investigadores habían luchado por encontrar un entorno natural con suficiente cianuro para mantener el origen de la vida. El cianuro es venenoso para los humanos, pero no para los microbios primitivos, y es crítico para el tipo de química que fácilmente crea los componentes básicos de la vida.
Así era el pez que conquistó la tierra firme
Una investigación sobre peces fosilizados del período devónico tardío, hace 375 millones de años, reveló la evolución de las aletas a extremidades aptas para caminar sobre tierra firme.
El nuevo estudio realizado por paleontólogos de la Universidad de Chicago, y publicado esta semana en “Proceedings of the National Academy of Sciences”, utilizó tomografía computarizada para examinar la forma y estructura de los rayos de las aletas fósiles mientras aún están encerradas en la roca circundante.
Las herramientas de imagen permitieron a los investigadores construir modelos digitales en 3D de toda la aleta del fisópodo “Tiktaalik roseae” y sus parientes en el registro fósil por primera vez. Luego podrían usar estos modelos para inferir cómo funcionaban y cambiaban las aletas a medida que evolucionaban en extremidades.
Gran parte de la investigación sobre las aletas durante esta etapa de transición clave se centra en los huesos grandes y en los cartílagos que corresponden a los de la parte superior del brazo, el antebrazo, la muñeca y los dedos. Conocido como el endoesqueleto, los investigadores rastrean cómo estos huesos cambiaron para convertirse en brazos, piernas y dedos reconocibles en tetrápodos o criaturas de cuatro patas.
Los delicados rayos y espinas de las aletas de un pez forman un segundo esqueleto “dérmico” no menos importante, que también experimentó cambios evolutivos en este período.
Estas piezas a menudo se pasan por alto porque pueden desmoronarse cuando los animales son fosilizados o porque los preparadores fósiles los quitan intencionalmente para revelar los huesos más grandes del endoesqueleto.
Los rayos dérmicos forman la mayor parte del área superficial de muchas aletas de peces, pero se perdieron por completo en las primeras criaturas con extremidades.
“Estamos tratando de comprender las tendencias generales y la evolución del esqueleto dérmico antes de que ocurrieran todos esos otros cambios y evolucionen las extremidades –explica Thomas Stewart, investigador postdoctoral que dirigió el nuevo estudio–. Si quieres entender cómo evolucionaron los animales para usar sus aletas en esta parte de la historia, este es un conjunto de datos importante”.
Stewart y sus colegas trabajaron con tres peces devonianos tardíos con rasgos primitivos de tetrápodos: ‘Sauripterus taylori’, ‘Eusthenopteron foordi’ y “Tiktaalik roseae”, que fue descubierto en 2006 por un equipo dirigido por el paleontólogo de la Universidad de Chicago, Neil Shubin, autor principal del nuevo estudio.
Se creía que el “Sauripterus” y el “Eusthenopteron” eran completamente acuáticos y usaban sus aletas pectorales para nadar, aunque pudieron haberse apoyado en el fondo de lagos y arroyos. El “Tiktaalik” pudo haber soportado la mayor parte de su peso con sus aletas y quizás incluso las utilizó para aventurarse fuera del agua para viajes cortos a través de aguas poco profundas y marismas.
“Al ver toda la aleta de ‘Tiktaalik’ obtenemos una imagen más clara de cómo se apoyó y se movió. La aleta tenía una especie de palma que podía estar al ras contra los fondos fangosos de ríos y arroyos”, señala Shubin.
Stewart y Shubin trabajaron con el estudiante universitario Ihna Yoo y Justin Lemberg, otro investigador en el laboratorio de Shubin, para escanear especímenes de estos fósiles mientras aún estaban encerrados en roca. Mediante el uso de software de imágenes, reconstruyeron modelos 3D que les permitieron mover, rotar y visualizar el esqueleto dérmico como si se hubiera extraído completamente del material circundante.
Los modelos mostraron que los rayos de las aletas de estos animales se simplificaron y que el tamaño total de la red de aletas era más pequeño que el de sus predecesores más pesqueros.
Sorprendentemente, también vieron que la parte superior e inferior de las aletas se estaban volviendo asimétricas. Las rayas de las aletas en realidad están formados por pares de huesos. En el “Eusthenopteron”, por ejemplo, la raya de aleta dorsal o superior era ligeramente más grande y más largo que el ventral o inferior.
Los rayos dorsales del “Tiktaalik” eran varias veces más grandes que sus rayos ventrales, lo que sugiere que tenía músculos que se extendían en la parte inferior de sus aletas, como la base carnosa de la palma, para ayudar a soportar su peso.
“Esto proporciona más información que nos permite comprender cómo un animal como el ‘Tiktaalik’ estaba usando sus aletas en esta transición –señala Stewart–. Los animales pasaron de nadar libremente y usar sus aletas para controlar el flujo de agua a su alrededor, para adaptarse a empujar contra la superficie en el fondo del agua”.
Stewart y sus colegas también compararon los esqueletos dérmicos de peces vivos como el esturión y el pez pulmonado para comprender los patrones que estaban viendo en los fósiles. Vieron algunas de las mismas diferencias asimétricas entre la parte superior e inferior de las aletas, lo que sugiere que esos cambios jugaron un papel más importante en la evolución de los peces.
“Eso nos da más confianza y otro conjunto de datos para decir que estos patrones son reales, generalizados e importantes para los peces, no solo en el registro fósil en lo que respecta a la transición de aleta a extremidad, sino a la función de las aletas en general”, concluye.
Texto y foto: Europa Press
