Durante más de un siglo, los científicos se han desconcertado por un misterio fundamental en nuestra historia evolutiva: ¿cómo pasaron los mamíferos de los lagartijas en expansión a caminar como gatos y perros? Esta transición, de una postura extendida (como un lagarto) a una postura vertical (parasagital), marcó un momento fundamental en la evolución de los mamíferos. Mientras que los primeros sinapsidos no mamíferos, los antepasados de los mamíferos vivos, tenían una postura en expansión, los investigadores debatieron cuándo y cómo evolucionaron las posturas verticales de los mamíferos modernos.
Ahora, un estudio innovador en PLoS biología Dirigido por el Dr. Robert Brocklehurst, ex becario postdoctoral en el Departamento de Biología Organismic y Evolutiva (OEB) en la Universidad de Harvard, ofrece una respuesta sorprendente: el camino hacia la postura vertical no fue lineal, sino lleno de desvíos inesperados, experimentación evolutiva y dramática limitación anatómica.
«La evolución de los mamíferos se ha caracterizado previamente como una serie de pasos desde extensos, hasta semi-sprawling, erguido», dijo Brocklehurst. «Sin embargo, lo que descubrimos fue una progresión evolutiva más no lineal a lo largo de la historia de los mamíferos».
Todos los mamíferos, desde murciélagos y ballenas hasta lunares y humanos, comparten una forma distintiva de moverse: mantienen sus extremidades debajo de sus cuerpos, a diferencia de la postura extensa con extremidades hacia un lado. Esta postura permite un movimiento más eficiente y está vinculado a la capacidad de los mamíferos para adaptarse a diversos estilos de vida, desde cavar hasta volar. Esta transición dramática también estuvo acompañada de grandes cambios en la forma y la mecánica del hueso de las extremidades. Para evaluar estos cambios, el equipo analizó el húmero (hueso de la parte superior del brazo) de más de 60 fósiles sinapsidos no mamíferos y 140 animales vivos, incluidos mamíferos, reptiles y anfibios.
Utilizando una nueva técnica analítica, fue pionero en el laboratorio de la profesora de la autora senior Stephanie Pierce (también en OEB), los investigadores mapearon la superficie de cada hueso para medir los rasgos como la longitud, la distribución de masas, el apalancamiento muscular y la torsión (el grado en que el hueso gira a lo largo de su longitud). Estos rasgos se correlacionan con modos específicos de locomoción y permitieron a los investigadores reconstruir la postura y la locomoción en los fósiles.
«Al correlacionar la forma del hueso y la biomecánica de las extremidades con la postura, podríamos probar qué tan bien los huesos fósiles estaban optimizados para tareas funcionales específicas, como caminar en posición vertical versus caminata extendida», dijo Brocklehurst. Los investigadores lograron esto al mapear los sinapsidos fósiles no mamíferos en un paisaje adaptativo funcional, similar a un mapa topográfico, con picos y valles relacionados con el alto y bajo rendimiento de diferentes posturas locomotoras.
«Esperábamos ver una progresión ordenada, desde los pelicanosos en expansión hasta un poco más de terapsides verticales, luego cynodonts y luego mamíferos completamente verticales», dijo Brocklehurst. «En cambio, encontramos estallidos de innovación».
Los hallazgos sugieren que la evolución de los mamíferos implicó una serie de radiaciones adaptativas, con cada grupo ancestral importantes que exploran una variedad de funciones y posturas anteriores, algunas de las cuales estaban más cerca de los mamíferos modernos, otros no.
«El camino hacia la postura vertical no era una línea recta», dice Pierce, «los antepasados de los mamíferos no fueron pasando una escalera con mamíferos modernos en la parte superior. Los mamíferos han estado evolucionando e radiando hacia muchos nichos y hábitats diferentes a lo largo de su historia, y sus posturas reflejan esa variación».
Un fósil, un pariente cercano de los marsupiales y placentales actuales, mostró características óseas consistentes con una marcha vertical moderna, lo que sugiere que las posturas totalmente parasagitales evolucionaron relativamente tarde en la historia de los mamíferos en lugar de hipótesis previamente contundidas. Este resultado respalda el trabajo reciente del mismo laboratorio en la columna vertebral y la extremidad posterior.
«Nuestro trabajo desafía la idea de que la postura cambió gradualmente y desde el principio», dijo Pierce, «en cambio, muestra que la postura vertical y la locomoción eran una innovación evolutiva tardía, no un rasgo temprano definitivo del linaje de mamíferos».
Los investigadores también desafían la idea de que los primeros sinapsides no mamíferos se extendieron de manera similar a los lagartos o cocodrilos vivos. «Nuestro estudio mostró que la mayoría de las extremidades sinapsidas funcionaban de manera diferente a las de los reptiles modernos. No son solo copias de reptiles, sino animales distintivos por derecho propio que son un poco diferentes de cualquier cosa que esté viva hoy en día», dice el coautor Kenneth Angielczyk del Museo de Campo de Chicago.
Para comparar una gama tan amplia de huesos, que abarca cientos de especies, incluidos los cientos de millones de años de edad y de forma muy diferente, el equipo tuvo que superar los principales obstáculos técnicos. Los métodos tradicionales que describen la forma en estructuras similares no funcionaron. Por lo tanto, el equipo rediseñó un paquete de software R existente diseñado para una tarea diferente, transformándolo en una nueva herramienta de marca «basada en corte» adaptada para este estudio. El coautor Magdalen Mercado, ex alumno de pregrado en el Programa de Biología Integrativa de Harvard, ayudó a reunir el extenso conjunto de datos como parte de su tesis e investigaciones en el Laboratorio Pierce.
El estudio se basa en un rico legado científico, tanto en Harvard como en la paleontología. Pierce, quien también es curador de paleontología de vertebrados en el Museo de Zoología Comparada (MCZ), señaló que «los investigadores y ex curadores de MCZ, como Alfred Sherwood Romer y Farish Jenkins, Jr., estaban lidiando con estas mismas preguntas hace un siglo. Ahora, con nuevas herramientas y datos, podemos revisar esas ideas y ver la historia más claramente».
Este estudio marca el primer análisis evolutivo a gran escala de postura de mamíferos utilizando biomecánica cuantitativa. Pero ese es solo el comienzo. El equipo ahora está construyendo modelos detallados de extremidades anteriores en especies fósiles seleccionadas para comprender cómo las articulaciones y los músculos funcionaban en animales antiguos, ofreciendo ideas aún más profundas sobre la evolución del movimiento de los mamíferos.
Como dijo Brocklehurst: «Comprender cómo los mamíferos llegaron a caminar en posición vertical no solo sobre huesos, se trata de descubrir la dinámica historia de la vida en la tierra».
La financiación fue proporcionada por la Fundación Nacional de Ciencias de EE. UU. (Deb1754459 y DEB1754502), por el Museo de Zoología Comparada de Harvard y el Fondo Wetmore Colles.
Robert Brocklehurst es actualmente un asociado de investigación postdoctoral en el Departamento de Ciencias Biológicas de la Universidad de Massachusetts, Lowell. Magdalen Mercado es actualmente un estudiante graduado en el Comité de Biología Evolutiva de la Universidad de Chicago.
