Los mamíferos, incluidos los humanos, destacan por su distintiva postura erguida, un rasgo clave que impulsó su espectacular éxito evolutivo. Sin embargo, los primeros ancestros conocidos de los mamíferos modernos se parecían más a los reptiles, con las extremidades extendidas a los costados en una postura extendida.
El cambio de una postura extendida, como la de los lagartos, a la postura erguida de los mamíferos modernos, como los humanos, los perros y los caballos, marcó un momento crucial en la evolución. Implicó una importante reorganización de la anatomía y función de las extremidades en los sinápsidos (el grupo que incluye tanto a los mamíferos como a sus ancestros no mamíferos) que eventualmente condujo a los mamíferos therian (marsupiales y placentarios) que conocemos hoy. A pesar de más de un siglo de estudio, el «cómo», el «por qué» y el «cuándo» exactos detrás de este salto evolutivo sigue siendo difícil de alcanzar.
Ahora, en un nuevo estudio publicado en avances científicos, Los investigadores de Harvard proporcionan nuevos conocimientos sobre este misterio, revelando que el cambio de una postura tumbada a una postura erguida en los mamíferos no fue nada sencillo. Utilizando métodos de vanguardia que combinan datos fósiles con modelos biomecánicos avanzados, los investigadores descubrieron que esta transición fue sorprendentemente compleja y no lineal, y ocurrió mucho más tarde de lo que se creía anteriormente.
El autor principal, el Dr. Peter Bishop, becario postdoctoral y la autora principal, la profesora Stephanie Pierce, ambos del Departamento de Biología Organísmica y Evolutiva de Harvard, comenzaron examinando la biomecánica de cinco especies modernas que representan el espectro completo de posturas de las extremidades, incluida una un lagarto tegu (tumbado), un caimán (semi-erguido) y un galgo (erguido).
«Al estudiar primero estas especies modernas, mejoramos enormemente nuestra comprensión de cómo se relaciona la anatomía de un animal con la forma en que se para y se mueve», dijo Bishop. «Entonces podríamos ponerlo en un contexto evolutivo de cómo la postura y la marcha cambiaron realmente desde los primeros sinápsidos hasta los mamíferos modernos».
Los investigadores ampliaron su análisis a ocho especies fósiles ejemplares de cuatro continentes que abarcan 300 millones de años de evolución. Las especies oscilaban entre el protomamífero de 35 g Megazostrodón a los 88kg ofiacodone incluyó animales icónicos como el lomo de vela Dimetrodón y el depredador dientes de sable lycaenops. Utilizando principios de la física y la ingeniería, Bishop y Pierce construyeron modelos biomecánicos digitales de cómo los músculos y los huesos se unen entre sí. Estos modelos les permitieron generar simulaciones que determinaron cuánta fuerza podían aplicar las extremidades traseras (patas traseras) en el suelo.
«La cantidad de fuerza que una extremidad puede aplicar al suelo es un determinante crítico del rendimiento locomotor en los animales», dijo Bishop. «Si no puedes producir suficiente fuerza en una dirección determinada cuando es necesaria, no podrás correr tan rápido, girar tan rápido o, peor aún, podrías caerte».
Las simulaciones por computadora produjeron un «espacio de fuerza factible» tridimensional que captura el desempeño funcional general de una extremidad. «Calcular espacios de fuerza factibles tiene en cuenta implícitamente todas las interacciones que pueden ocurrir entre músculos, articulaciones y huesos en una extremidad», dijo Pierce. «Esto nos da una visión más clara del panorama general, una visión más holística de la función y locomoción de las extremidades y de cómo evolucionó a lo largo de cientos de millones de años».
Si bien el concepto de un espacio de fuerza factible (desarrollado por ingenieros biomédicos) existe desde la década de 1990, este estudio es el primero en aplicarlo al registro fósil para comprender cómo se movían los animales extintos. Los autores empaquetaron las simulaciones en nuevas herramientas computacionales «compatibles con los fósiles» que pueden ayudar a otros paleontólogos a explorar sus propias preguntas. Estas herramientas también podrían ayudar a los ingenieros a diseñar mejores robots bioinspirados que puedan navegar por terrenos complejos o inestables.
El estudio reveló varias «señales» importantes de locomoción, incluido el hecho de que la capacidad general de generación de fuerza en las especies modernas era máxima en torno a las posturas que cada especie utilizaba en su comportamiento diario. Es importante destacar que esto significó que Bishop y Pierce podían estar seguros de que los resultados obtenidos para las especies extintas reflejaban genuinamente cómo se paraban y movían en vida.
Después de analizar las especies extintas, los investigadores descubrieron que el rendimiento locomotor alcanzó su punto máximo y disminuyó a lo largo de millones de años, en lugar de progresar de forma simple y lineal desde la posición extendida hasta la posición erguida. Algunas especies extintas también parecían ser más flexibles, capaces de alternar entre posturas más extendidas o más erguidas, como lo hacen los caimanes y cocodrilos modernos. Mientras que otros mostraron un fuerte retroceso hacia posturas más extendidas antes de que evolucionaran los mamíferos. Junto con los otros resultados del estudio, esto indicó que los rasgos asociados con la postura erguida en los mamíferos actuales evolucionaron mucho más tarde de lo que se pensaba anteriormente, muy probablemente cerca del ancestro común de los therians.
Estos hallazgos también ayudan a conciliar varios problemas no resueltos en el registro fósil. Por ejemplo, explica la persistencia de manos, pies y articulaciones asimétricas en muchos ancestros mamíferos, rasgos típicamente asociados con posturas extendidas entre los animales modernos. También puede ayudar a explicar por qué los fósiles de los primeros ancestros de los mamíferos se encuentran con frecuencia en una postura aplastada y con el águila extendida, una postura que es más probable que se logre con las extremidades extendidas, mientras que los fósiles placentarios y marsupiales modernos generalmente se encuentran acostados de costado.
«Es muy gratificante como científico cuando un conjunto de resultados puede ayudar a iluminar otras observaciones, acercándonos a una comprensión más integral», dijo Bishop.
Pierce, cuyo laboratorio ha estudiado la evolución del plan corporal de los mamíferos durante casi una década, señala que estos hallazgos son consistentes con los patrones observados en otras partes del cuerpo sinápsido, como la columna vertebral. «Está surgiendo la imagen de que el complemento completo de rasgos esencialmente therian se reunió durante un período complejo y prolongado, y que el conjunto completo se alcanzó relativamente tarde en la historia sinápsida», dijo.
Más allá de los mamíferos, el estudio sugiere que algunas transiciones evolutivas importantes, como el cambio a una postura erguida, fueron a menudo complejas y potencialmente influenciadas por eventos fortuitos. Por ejemplo, la fuerte inversión en la postura sinápsida, hacia posturas más extendidas, parece coincidir con la extinción masiva del Pérmico-Triásico, cuando el 90% de la vida fue eliminada. Este evento de extinción llevó a que otros grupos, como los dinosaurios, se convirtieran en los grupos animales dominantes en la tierra, empujando a los sinápsidos nuevamente a las sombras. Los investigadores especulan que debido a esta «marginación ecológica», la trayectoria evolutiva de los sinápsidos puede haber cambiado tanto que alteró la forma en que se movían.
Independientemente de que esta hipótesis resulte respaldada o no, comprender la evolución de la postura de los mamíferos ha sido durante mucho tiempo un enigma complejo. Pierce enfatizó cómo los avances en la potencia informática y el modelado digital han brindado a los científicos nuevas perspectivas para abordar estos antiguos misterios. «El uso de estas nuevas técnicas con fósiles antiguos nos permite tener una mejor perspectiva de cómo evolucionaron estos animales, y de que no fue sólo esta historia evolutiva simple y lineal», dijo. «Era realmente complicado y estos animales probablemente vivían y se movían en sus entornos de maneras que no habíamos apreciado antes. Sucedieron muchas cosas y los mamíferos de hoy son realmente bastante especiales».