La eficiente arquitectura de nuestras articulaciones, que permite que nuestros esqueletos sean flexibles y resistentes, se originó entre nuestros más antiguos ancestros peces con mandíbulas, según un estudio publicado el 25 de febrero en la revista PLOS Biology por Neelima Sharma y sus colegas de la Universidad de Chicago.
Las articulaciones sinoviales, la cavidad lubricada que permite que los huesos de nuestros hombros, rodillas y codos se deslicen suavemente entre sí, proporcionan libertad de movimiento a todos los vertebrados. Los científicos-escribióMatt Wood, Director de Comunicaciones de la División de Ciencias Biológicas de Universidad de Chicago-, han conocido por décadas que las articulaciones sinoviales estaban presentes en los primeros tetrápodos, y más recientemente también las descubrieron en peces óseos, pero no está claro cuándo aparecieron por primera vez en el árbol evolutivo. Un nuevo estudio -agregó Wood-, de la Universidad de Chicago ahora muestra que las articulaciones sinoviales aparecieron por primera vez mucho antes de lo que se pensaba, en los antepasados comunes de todos los vertebrados con mandíbulas.
El estudio, publicado en PLOS Biology, examinó los esqueletos actuales de peces cartilaginosos con mandíbulas, como rayas y tiburones, junto con lampreas sin mandíbula y mixinos. Las rayas y los tiburones con mandíbulas tienen cavidades articulares sinoviales, mientras que las lampreas sin mandíbula y los mixinos no las tienen. El análisis genético de las rayas modernas mostró que también expresan proteínas para genes que se sabe que ayudan al desarrollo de las articulaciones, y que esas articulaciones requieren movimiento muscular para formarse correctamente.
Los investigadores también estudiaron fósiles de peces extintos que datan de hace casi 400 millones de años y vieron evidencia de que algunos de los peces con mandíbulas más antiguos tenían huesos con cavidades articulares para movimientos articulados, lo que sugiere que las articulaciones sinoviales evolucionaron por primera vez cuando estas criaturas se adaptaron a un estilo de vida móvil y depredador.
“Esta evidencia sugiere que este tipo de articulaciones evolucionaron en una época en la que las criaturas se estaban volviendo depredadores mucho más activos con mandíbulas y esqueletos móviles para poder nadar y comerse unos a otros o evitar ser comidos”, dijo Neil Shubin, PhD, Profesor de Servicio Distinguido Robert R. Bensley de Biología y Anatomía de Organismos en UChicago y autor principal del estudio.
Esta evidencia sugiere que este tipo de articulaciones evolucionaron… para que pudieran nadar y comerse entre sí o evitar ser comidos". Neil Shubin, PhD
Neelima Sharma, PhD, investigadora postdoctoral en el laboratorio de Shubin y autora principal del nuevo estudio, se interesó por primera vez en la cuestión de las articulaciones sinoviales en los peces porque había visto cómo las rayas “caminan” impulsándose por el fondo del océano con sus aletas. Estaba convencida de que debían tener articulaciones sinoviales, pero se sorprendió al descubrir que esto aún no había sido explorado en detalle.
Sharma, junto con la Dra. Yara Haridy, otra investigadora posdoctoral del laboratorio de Shubin -y coautora del artículo-, estudió los esqueletos de dos peces cartilaginosos, la raya pequeña (Leucoraja erinacea) y el tiburón bambú (Chiloscyllium plagiosum). Observaron que ambos tenían articulaciones sinoviales auténticas en la mandíbula y la pelvis, con una cavidad transparente para el líquido sinovial y el cartílago que recubría los huesos adyacentes. Los esqueletos de las lampreas y los mixinos, por otro lado, tenían articulaciones llenas de tejido en lugar de una cavidad sinovial.
Los investigadores también estudiaron la expresión genética en las articulaciones de las rayas para comprender su similitud con otros vertebrados durante el desarrollo. Descubrieron que las rayas expresan proteínas de las vías de regulación genética TGF-β y Wnt, los mismos genes que se sabe que ayudan a la formación de articulaciones en peces cebra, ratones y pollos. Las articulaciones de las rayas también requieren contracciones musculares para desarrollarse adecuadamente; en un experimento en el que se paralizaron los músculos durante el desarrollo, las articulaciones se fusionaron en lugar de formar cavidades articuladas.
“Esta es una propiedad tan conservada que se observa en animales que se desarrollan en huevos, que comienzan a contraerse después de desarrollar sus músculos”, señaló Sharma. “El embrión tiene que moverse para poder desarrollar las articulaciones adecuadamente, por lo que cuando se elimina la actividad muscular, esa expresión genética desaparece”.
Por último, el equipo realizó un análisis comparativo de fósiles de especies extintas de peces con y sin mandíbula. Si bien una búsqueda en la literatura científica no arrojó evidencia de que los primeros peces sin mandíbula tuvieran características articulares sinoviales, Sharma y su equipo sí encontraron señales claras de que uno de los primeros peces con mandíbula tenía articulaciones similares a las sinoviales. Examinaron mediante tomografía computarizada un espécimen fósil de Bothriolepis canadensis, un pez placodermo con placas óseas en la cabeza que vivió en el período Devónico tardío hace unos 380 millones de años. El esqueleto del placodermo tenía superficies óseas articuladas claramente definidas en la cintura pélvica y las aletas, con cavidades correspondientes para permitir los movimientos de deslizamiento. No está claro si las articulaciones estaban llenas de cartílago o de líquido, pero la similitud con las articulaciones sinoviales modernas es clara.
Si bien los peces sin mandíbulas se las han arreglado bastante bien sin articulaciones sinoviales durante todos estos años, aún se ven más o menos iguales a sus ancestros (aunque los mixinos han desarrollado algunos mecanismos de defensa de nivel superior). Las articulaciones suaves, flexibles pueden ser uno de los desarrollos evolutivos que ayudaron a los vertebrados con mandíbulas a generar la increíble diversidad de especies que vemos hoy.
“Las articulaciones sinoviales tienen un conjunto de características que permiten la movilidad, pero lo hacen manteniendo una articulación estable”, dijo Shubin. “No podríamos caminar si esas articulaciones no tuvieran un cierto grado de estabilidad, pero tampoco podríamos caminar si no tuvieran un cierto grado de movilidad. Por lo tanto, esta combinación de estabilidad y movilidad es posible gracias a una invención biológica muy, muy poderosa”.
Financiación
El trabajo fue apoyado por la Brinson Family Foundation (https://brinsonfoundation.org/), la University of Chicago Biological Sciences Foundation, y HFSP (RGP0010/2022, https://www.hfsp.org/) a N.Shubin. Quienes aportaron financiamiento no tuvieron decisión en el diseño del estudio, la recolección de información y el análisis, o decisión sobre la publicación o en la preparación del manuscrito, según lo declarado por los investigadores.
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El paper Synovial joints were present in the common ancestor of jawed fish but lacking in jawless fish fue publicado en PLOS Biology. Autores: Neelima Sharma, Yara Haridy, Neil Shubin
Published: February 25, 2025
https://doi.org/10.1371/journal.pbio.3002990 -
Notaspampeanas utilizó tanto para la versión en inglés y la traducción al español estos artículos: Flexible joints evolved as jawed fish began life as predators, publicado en la sección de noticias de la Biological Sciences Division en el sitio web de la UChicago, y Humans inherited their flexible joints from the earliest jawed fish, publicado en Press-News.org
En el estudio, Sharma y sus colegas examinaron la anatomía y el desarrollo de las articulaciones en miembros de dos linajes de vertebrados de ramificación temprana: una especie de pez sin mandíbula, lampreas marinas, y dos especies de peces cartilaginosos, tiburones bambú y rayas pequeñas. El análisis reveló articulaciones cavitadas en los peces cartilaginosos, pero no en las lampreas. Además, los peces cartilaginosos exhibieron ciertas proteínas y procesos de desarrollo que son compartidos con las articulaciones sinoviales de otros vertebrados. Además, los investigadores emplearon tomografías computarizadas para identificar una articulación cavitada similar en el pez fósil Bothriolepis, la articulación sinovial conocida más antigua.
En conjunto, estos resultados muestran que las articulaciones sinoviales son comunes en los peces con mandíbulas, pero aparentemente están ausentes en los peces sin mandíbulas, lo que indica que estas articulaciones evolucionaron por primera vez en los ancestros de los vertebrados con mandíbulas. Este estudio proporciona información fundamental para la investigación sobre los orígenes de la arquitectura esquelética de los vertebrados, incluidos nosotros mismos. Los autores sugieren que los pasos futuros podrían incluir el análisis de la morfología de las articulaciones en otros linajes de peces fósiles y más comparaciones entre las articulaciones de vertebrados con mandíbulas y sin mandíbulas para descubrir más detalles sobre la evolución temprana de las articulaciones.
Los autores añadieron que “el origen de las articulaciones móviles en nuestros antepasados los peces les permitió desplazarse y alimentarse de nuevas maneras. Este estudio demuestra que los procesos de desarrollo responsables de estas articulaciones surgieron en las profundidades del árbol evolutivo de los peces”.