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Visão da evolução dos ossos
Uma equipe conjunta de paleontólogos analisou pela primeira vez estruturas ósseas em fósseis de 400 milhões de anos de vida marinha em alta resolução sem precedentes e em 3D.
Por Associação Helmholtz de Centros de Pesquisa Alemães - 31/03/2021


Impressão artística do peixe placoderme que viveu 380 milhões de anos atrás. Crédito: Brian Engh / dontmesswithdinosaurs.com, fornecido por Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie

Uma equipe conjunta de paleontólogos analisou pela primeira vez estruturas ósseas em fósseis de 400 milhões de anos de vida marinha em alta resolução sem precedentes e em 3D. Para poder visualizar essas estruturas, especialistas em tomografia do Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) examinaram as amostras sob o feixe de íons focalizado de um microscópio eletrônico de varredura para calcular imagens 3D dos dados, alcançando resoluções na faixa nanométrica usando a tecnologia inicialmente desenvolvido para estudar a corrosão de baterias.

Quer sejam peixes, aves ou mamíferos, todos os vertebrados têm um esqueleto interno de ossos. Em quase todos os vertebrados (com exceção de alguns peixes ósseos), o osso consiste em um composto complexo de minerais, proteínas e células ósseas vivas (osteócitos) aprisionados na matriz óssea. As células ósseas são interconectadas por minúsculos canais para que possam trocar substâncias e sinais eletroquímicos, permitindo que o osso cresça e se regenere. Ainda assim, essa arquitetura complexa de material vivo e inorgânico deve ter surgido em algum ponto do curso da evolução. Uma equipe do Museum für Naturkunde Berlin chefiada pelo Dr. Florian Witzmann está investigando como e quando isso aconteceu. Agora eles descobriram um possível marco neste desenvolvimento.

Eles examinaram amostras fossilizadas de armadura óssea de duas primeiras espécies de peixes que viveram cerca de 400 milhões de anos atrás. Uma amostra veio de Tremataspis mammillata, um peixe sem mandíbulaque viveu no final do período Siluriano há cerca de 423 milhões de anos e pertence ao grupo extinto denominado Osteostraci. A segunda amostra, muito mais jovem, foi um pedaço de osso do peixe Bothriolepis trautscholdi que viveu no final do período Devoniano há cerca de 380 milhões de anos e pertence ao extinto Placodermi, o primeiro grupo de peixes com mandíbula. “Já se sabia que esses primeiros vertebrados tinham células ósseas, mas sabíamos pouco sobre como as células se conectavam entre si, bem como sobre a estrutura detalhada da lacuna, ou cavidade, em que as células ósseas estavam localizadas o animal vivo. Para podermos fazer afirmações mais precisas sobre o metabolismo ósseo, precisávamos ter imagens muito mais detalhadas dessas estruturas do que as disponíveis anteriormente ", diz Witzmann.

Para conseguir isso, o especialista em HZB, Dr. Ingo Manke, sugeriu um método que está disponível no campus do HZB em Wannsee no Laboratório de Microscopia Eletrônica: tomografia por microscopia eletrônica de varredura por feixe de íons (FIB-SEM) focada no ZEISS Crossbeam 340. Neste dispositivo , um feixe de íon de gálio focalizado remove continuamente o material da superfície da amostra, cavando gradualmente seu caminho mais profundamente na amostra. Ao mesmo tempo, um feixe de elétrons varre a parte recém-revelada da amostra e fornece dados para a criação de imagens 3D em uma resolução cem vezes mais precisa do que a tomografia computadorizada.

Usando uma rede neural treinada com eletrodos de bateria, os cientistas do HZB
conseguiram calcular imagens 3D de amostras de ossos fósseis com resoluções
em escala nanométrica. Crédito: HZB

A equipe de Manke já havia usado esse método para estudar materiais de eletrodo para baterias, que possuem uma rede de caminhos finos para transportar íons. O físico do HZB, Markus Osenberg, havia empregado anteriormente um sofisticado procedimento de avaliação desenvolvido no Laboratório de Análise 3D do HZB para calcular a imagem a partir dos dados de medição. Esta é uma rede neural especialmente treinada, um método emprestado do aprendizado de máquina, porque as imagens desses tipos de amostras não podem ser calculadas usando métodos padrão. “Devido aos inúmeros caminhos através do osso, a superfície da amostra é tão cheia de buracos quanto um queijo suíço”, explica Osenberg, que está fazendo seu doutorado na equipe de Manke. No entanto, após alguma prática, a rede neural bem treinada reconhece onde corre o plano da ablação e onde estão os buracos, e reconstrói uma imagem precisa da superfície ablacionada. "Na verdade, as estruturas nas amostras de osso são relativamente semelhantes às estruturas nos materiais dos eletrodos das baterias. Mas o fato de que a rede neural, que aprendeu com os materiais das baterias, agora também pode criar imagens das amostras de ossos fósseis tão bem nos surpreendeu, "diz Osenberg.
 
Mesmo na amostra mais antiga do peixe com armadura sem mandíbula, as imagens 3D exibem uma rede complexa com cavidades (lacunas) para as células ósseas e minúsculos canais através do osso interconectando essas cavidades. “Os canais são mil vezes mais estreitos do que um fio de cabelo humano e, no entanto, surpreendentemente, foram quase completamente preservados ao longo desses 400 milhões de anos”, diz Manke.

A análise elaborada das imagens 3D de alta resolução mostra em detalhes como a rede foi construída de cavidades (lacunas) e os canais entre elas. "Isso prova que nossos primeiros ancestrais, ainda sem mandíbula, já possuíam ossos caracterizados por uma estrutura interna semelhante à nossa e provavelmente por muitas capacidades fisiológicas semelhantes também", explica Witzmann. "O achado paleobiológico mais importante é que também podemos detectar traços reais de metabolismo nessas primeiras amostras de ossos", disse Yara Haridy, que está fazendo seu doutorado. no Museum für Naturkunde Berlin. Por meio da osteólise local, ou seja, da dissolução da matriz óssea que circundava as células ósseas, o organismo provavelmente foi capaz de suprir sua necessidade de fósforo em tempos de escassez. Isso lhe deu uma vantagem sobre seus contemporâneos mais primitivos,

"Essa vantagem aparentemente levou ao estabelecimento generalizado de ossos com células ósseas em vertebrados, como conhecemos também em humanos. É um passo importante para entender como surgiu o nosso próprio metabolismo ósseo", explica Haridy. "Mesmo no osso fóssil inicial, as células ósseas podiam dissolver e restaurar os minerais ósseos. Isso significa que os próprios ossos agem como baterias, armazenando minerais e liberando-os mais tarde! Essa capacidade forneceu uma vantagem indiscutível para peixes sem mandíbula com células ósseas sobre vertebrados sem. Esta vantagem foi possivelmente tão profundo que alterou a evolução dos vertebrados, visto que mais tarde vertebrados com mandíbulas retiveram células ósseas . "

O estudo foi publicado na Science Advances .

 

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