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Os ancestrais mamíferos se moviam de maneira única
A espinha dorsal é o canivete suíço da locomoção dos mamíferos.
Por Harvard - 02/03/2021


Correntes de probabilidade reativa inferida de detritos marinhos em manchas de lixo (caixas vermelhas). As caixas pretas indicam caixas costeiras de onde essas correntes emergem. A cor das setas representa a probabilidade da rota de transição. Crédito: Philippe Miron, Francisco Beron-Vera, Luzie Helfmann e Peter Koltai.

Fotografia de um esqueleto do antigo sinapsídeo não mamífero (parente de um antigo mamífero) Edaphosaurus em exibição no Field Museum of Natural History. Crédito: Ken Angielczyk

A espinha dorsal é o canivete suíço da locomoção dos mamíferos. Ele pode funcionar de todas as maneiras que permitem que os mamíferos vivos tenham uma diversidade notável em seus movimentos. Eles podem correr, nadar, escalar e voar, tudo devido, em parte, à extensa reorganização de sua coluna vertebral, que ocorreu ao longo de aproximadamente 320 milhões de anos de evolução.

Abra qualquer livro de anatomia e você encontrará a hipótese de longa data de que a evolução da espinha dorsal do mamífero, que é exclusivamente capaz de movimentos sagitais (para cima e para baixo), evoluiu a partir de uma espinha dorsal que funcionava semelhante à dos répteis vivos, que se movem lateralmente (lado a lado). Essa assim chamada transição "lateral para sagital" foi baseada inteiramente em semelhanças superficiais entre sinapsídeos não mamíferos, os precursores extintos dos mamíferos e os lagartos modernos.

Em um artigo publicado em 2 de março na Current Biology , uma equipe de pesquisadores liderada pela Universidade de Harvard desafia a hipótese "lateral-sagital" medindo a forma vertebral em uma ampla amostra de amniotas vivos e extintos (répteis, mamíferos e seus extintos parentes). Usando técnicas de ponta, eles mapeiam o impacto das mudanças evolutivas na forma sobre a função da coluna vertebral e mostram que os sinapsídeos não mamíferos moviam sua espinha dorsal de uma maneira distintamente própria e bastante diferente de qualquer animal vivo .

A equipe, liderada pela primeira autora Katrina E. Jones, ex-pesquisadora de pós-doutorado do Departamento de Biologia Organísmica e Evolutiva da Universidade de Harvard, descobriu que, embora o grau de curvatura sagital aumente durante a evolução dos mamíferos, as espinhas dorsais dos primeiros sinapsídeos foram otimizadas para rigidez e a transição evolutiva para os mamíferos não incluiu um estágio caracterizado pela curvatura lateral semelhante à dos répteis. Em vez disso, eles descobriram que os lagartos modernos e outros répteis têm uma morfologia e função de coluna vertebral únicas que não representam a locomoção ancestral, e que os primeiros ancestrais dos mamíferos não se moviam como um lagarto, como os cientistas postularam anteriormente.

"A ideia de longa data de que houve uma transição na evolução dos mamíferos diretamente da curvatura lateral para a sagital é muito simples, disse a autora sênior Stephanie Pierce, Thomas D. Cabot Professor Associado do Departamento de Biologia Organísmica e Evolutiva e curador de paleontologia de vertebrados no Museu de Zoologia Comparada da Universidade de Harvard. ”Lagartos e mamíferos divergiram uns dos outros milhões de anos atrás e cada um seguiu sua própria jornada evolutiva. Mostramos que os lagartos vivos não representam nenhum tipo de morfologia ou função ancestral que os dois grupos teriam em comum há tanto tempo. "
 
O coautor Ken Angielczyk, MacArthur Curator of Paleomammalogy, Negaunee Integrative Research Center, Field Museum of Natural History, concordou: "Os répteis têm evoluído tanto quanto os mamíferos e, por causa disso, há tanto tempo para mudanças e especializações répteis. Se você olhar para as vértebras de um lagarto ou crocodilo moderno, suas vértebras são, na verdade, muito diferentes dos primeiros ancestrais de mamíferos e répteis que viveram na mesma época há cerca de 300 milhões de anos. Tanto os mamíferos quanto os répteis têm acumulado seu próprio conjunto de especializações ao longo do tempo evolutivo. "

Jones e coautores, incluindo o ex-aluno de pós-graduação de Harvard Blake Dickson, Ph.D. '20, começou medindo a forma das vértebras de uma variedade de répteis, mamíferos, salamandras e alguns fósseis de sinapsídeos não mamíferos. Os espécimes vieram de coleções de museus em todo o mundo, com esqueletos de animais modernos principalmente do Museum of Comparative Zoology (MCZ) e fósseis de sinapsídeos do MCZ, do Field Museum of Natural History e de vários outros museus nos EUA, Europa, e África do Sul.

"Primeiro tivemos que quantificar a forma das vértebras e isso é um pouco complicado", disse Jones. "Cada coluna vertebral é composta de várias vértebras e quando você tem um número diferente de vértebras, suas formas e funções podem se dividir de maneiras diferentes."

1. Lateral-sagital: Ilustração que compara os movimentos das costas de um lagarto, que
usa principalmente movimentos laterais (lado a lado), e de um mamífero, que usa
movimentos sagitais (para cima e para baixo) ao correr. Ilustrações de Stephanie Smith.2.
Thrinaxodon Puzzle: a reconstrução da vida de Thrinaxodon, um extinto mamífero precursor,
mostra como a espinha dorsal foi montada ao longo do tempo evolutivo. Copywrite de
ilustração April Neander. Crédito: 1. Ilustrações de Stephanie
Smith.2. Ilustração de April Neander.

Eles selecionaram cinco vértebras em locais equivalentes de cada uma das colunas vertebrais e mediram suas formas nos diferentes animais em três dimensões. Os resultados mostraram quantitativamente que as vértebras sinapsídicas de não mamíferos são muito diferentes das vértebras dos mamíferos modernos e, criticamente, também das vértebras de lagartos e outros répteis.

Em seguida, os pesquisadores examinaram como as vértebras podem ter funcionado usando dados de seu trabalho anterior que comparou a forma vertebral ao grau de movimento vertebral em lagartos vivos e mamíferos, fornecendo uma ligação crucial entre forma e função. Os dados permitiram aos pesquisadores mapear a variação na função vertebral em uma ampla amostra de animais, incluindo os fósseis, o que lhes permitiu reconstruir a combinação precisa de características funcionais que descreviam cada grupo de animais.

"A abordagem de nossa equipe para a análise de dados é empolgante, pois pode revelar como diferentes formatos de backbone podem resultar em diferentes compensações funcionais", disse Pierce. Os répteis, por exemplo, são muito bons em flexão lateral, mas são incapazes de mover a coluna para cima e para baixo como os mamíferos. "Além da curvatura lateral e sagital, também examinamos outras funções da coluna vertebral e, em seguida, determinamos a combinação ideal de compensações para mamíferos, répteis e sinapsídeos não mamíferos", disse Pierce.

"Fomos capazes de mostrar que os sinapsídeos não mamíferos têm uma combinação diferente de funções em sua espinha dorsal tanto para répteis vivos quanto para mamíferos", disse Jones, "e no curso dessa evolução eles não estavam apenas atravessando do tipo réptil lateralmente à curvatura sagital semelhante à de um mamífero, eles estavam na verdade em um caminho completamente distinto, no qual estavam evoluindo de uma condição separada. "

"A expectativa histórica é que os ancestrais sinapsídeos dos mamíferos estavam fazendo o mesmo conjunto de trocas que os répteis modernos fazem. Mas acontece que eles têm um conjunto de trocas totalmente diferente", disse Angielczyk. "A expectativa de que os répteis retenham os padrões locomotores ancestrais que existiam há mais de 320 milhões de anos é muito simples."

Os resultados mostram que a espinha dorsal dos sinapsídeos de não mamíferos era, na verdade, bastante rígida e completamente diferente daquela dos lagartos, que são muito dóceis na direção lateral. Além disso, durante a evolução dos mamíferos, novas funções foram adicionadas a essa base ancestral rígida, incluindo a flexão sagital na parte posterior das costas e a torção na frente. O acréscimo dessas novas funções foi fundamental na construção da estrutura funcionalmente diversa dos mamíferos, permitindo que os mamíferos modernos corressem muito rápido e girassem a coluna para limpar o pelo.

"Ao analisar rigorosamente o registro fóssil, somos capazes de rejeitar a hipótese lateral-sagital simplista para uma história de evolução muito mais complexa e interessante", disse Pierce. "Estamos agora revelando o caminho evolutivo em direção à formação da espinha dorsal única dos mamíferos."

O estudo faz parte de uma série de projetos em andamento sobre a evolução da espinha dorsal dos mamíferos , reunindo seu desenvolvimento, morfologia, função e evolução. "Ainda não temos toda a história", disse Jones, "mas estamos chegando perto."

Os pesquisadores agora estão usando modelagem tridimensional das vértebras para entender como os ancestrais dos mamíferos se moviam. "Agora estamos testando nossos estudos anteriores com modelos tridimensionais assistidos por CAD", disse Jones. "Até agora está funcionando muito bem e parece apoiar o que encontramos neste documento."

 

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