Como a função dos membros anteriores mudou quando os vertebrados adquiriram membros e se moveram para o solo? – Ciência Diária

Os primeiros tetrápodes se originaram em seus ancestrais peixes no período Devoniano e têm mais de duas vezes a idade dos fósseis de dinossauros mais antigos. Eles se assemelhavam a um cruzamento entre uma salamandra gigante e um crocodilo e tinham entre 1 e 2 metros de comprimento, guelras, pés palmados e barbatanas de cauda e ainda estavam fortemente amarrados à água. Seus braços e pernas curtos tinham até oito dedos em cada mão e pé e provavelmente eram predadores de emboscada, à espreita em águas rasas esperando a aproximação da presa.

Os cientistas sabem como as nadadeiras dos peixes foram transformadas em membros de tetrápodes, mas permanecem controvérsias sobre onde e como os primeiros tetrápodes usaram seus membros. E, embora muitas hipóteses tenham sido propostas, muito poucos estudos as testaram rigorosamente usando o registro fóssil.

Em artigo publicado em 22 de janeiro em Avanços científicos Uma equipe internacional de pesquisadores examinou modelos digitais tridimensionais dos ossos, articulações e músculos das nadadeiras e membros de dois primeiros tetrápodes extintos e um peixe fóssil intimamente relacionado para revelar como a função do membro anterior mudou à medida que as nadadeiras evoluíram para membros. . A pesquisa liderada por Julia Molnar, professora assistente do Instituto de Tecnologia da Escola de Medicina Osteopática de Nova York e Stephanie Pierce, Thomas D. Cabot Professora Associada de Biologia Organísmica e Evolutiva da Universidade de Harvard, descobriu três estágios funcionais distintos na transição das nadadeiras aos membros . , e que esses primeiros tetrápodes tinham um padrão muito diferente de força muscular que não lembrava uma nadadeira de peixe ou membros modernos de tetrápodes.

Para reconstruir como os membros dos primeiros tetrápodes conhecidos funcionavam, Molnar, Pierce e os coautores John Hutchinson (Royal Veterinary College), Rui Diogo (Howard University) e Jennifer Clack (Cambridge University) precisaram primeiro descobrir quais músculos eram presente. em animais fósseis. Uma tarefa desafiadora, pois os músculos não são preservados em fósseis e os músculos das nadadeiras dos peixes modernos são completamente diferentes dos dos membros dos tetrápodes. A equipe passou vários anos tentando responder à pergunta: como exatamente os poucos músculos simples de uma nadadeira se transformaram em dezenas de músculos que realizam todos os tipos de funções em um membro de tetrápode?

“Determinar quais músculos estavam presentes em um fóssil de 360 ​​milhões de anos levou muitos anos de trabalho apenas para chegar ao ponto em que pudéssemos começar a construir modelos musculoesqueléticos muito complicados”, disse Pierce. “Precisávamos saber quantos músculos estavam presentes nos fósseis de animais e onde eles se prendiam aos ossos para podermos testar como eles funcionavam.”

Eles construíram modelos músculo-esqueléticos tridimensionais da barbatana peitoral em Eusthenopteron (um peixe intimamente relacionado aos tetrápodes que viveram durante o final do período Devoniano cerca de 385 milhões de anos atrás) e os membros anteriores dos dois primeiros tetrápodes, Acanthostega (365 milhões de anos vivendo no final do período Devoniano tardio) e Pederpes (348-347 milhões de anos vivendo durante o início do período Carbonífero). Para comparação, eles também construíram modelos semelhantes de nadadeiras peitorais de peixes vivos (celacanto, peixe pulmonado) e membros anteriores de tetrápodes vivos (salamandra, lagarto).

Para determinar como as nadadeiras e membros funcionavam, os pesquisadores usaram um software de computador originalmente desenvolvido para estudar a locomoção humana. Esta técnica foi recentemente usada para estudar a locomoção nos ancestrais dos humanos e também em dinossauros como Tiranossauro Rex, mas nunca algo tão antigo quanto um dos primeiros tetrápodes.

Ao manipular os modelos no software, a equipe foi capaz de medir duas características funcionais: a amplitude máxima de movimento da articulação e a capacidade dos músculos de mover a nadadeira ou as articulações dos membros. As duas medições revelariam deslocamentos no sistema locomotor e permitiriam aos pesquisadores testar hipóteses de função em animais extintos.

A equipe descobriu que os membros anteriores de todos os tetrápodes terrestres passaram por três estágios funcionais distintos: um estágio de “peixe bentônico” que lembrava o peixe pulmonado moderno, um estágio de “tetrápode inicial” diferente de qualquer animal extinto e um estágio de “tetrápode coroa” com características de ambos os lagartos. e salamandras.

“A barbatana de Eusthenopteron ele tinha um padrão que lembra o peixe pulmonado, que é um dos parentes vivos mais próximos dos tetrápodes “, disse Pierce.” Mas os primeiros membros dos tetrápodes mostraram mais semelhanças entre si do que os peixes ou tetrápodes modernos. “

“Isso foi talvez o mais surpreendente”, disse Molnar. “Eu pensei Pederpes, e possivelmente Acanthostega, estaria bem dentro da faixa dos tetrápodes modernos. Mas eles formaram seu próprio grupo distinto que não parecia um membro moderno de tetrápode ou uma barbatana de peixe. Eles não estavam bem no meio, em vez disso, tinham sua própria coleção de características que provavelmente refletiam seus ambientes e comportamentos únicos. “

Os resultados mostraram que os primeiros membros dos tetrápodes eram mais adaptados para propulsão do que para suportar peso. Na água, os animais usam seus membros como propulsão para se mover para frente ou para trás, permitindo que a água suporte seu peso corporal. No entanto, mover-se em terra exige que o animal aja contra a gravidade e empurre para baixo com seus membros para sustentar sua massa corporal.

Isso não significa que os primeiros tetrápodes eram incapazes de se mover no solo, mas sim que eles não se moviam como um tetrápode vivo de hoje. Seus meios de locomoção provavelmente eram exclusivos desses animais que ainda estavam altamente ligados à água, mas também se aventuravam em terra, onde havia muitas oportunidades para animais vertebrados, mas pouca competição ou medo de predadores.

“Esses resultados são empolgantes, pois apóiam independentemente um estudo que publiquei no ano passado usando fósseis e métodos completamente diferentes”, disse Pierce. “Esse estudo, que se concentrou no osso do braço, indicou que os primeiros tetrápodes tinham alguma habilidade de movimentação do solo, mas podem não ter sido muito bons nisso.”

Os pesquisadores estão mais perto de reconstruir a evolução da locomoção terrestre, mas é necessário mais trabalho. Eles planejam modelar a seguir o membro posterior para investigar como os quatro membros trabalham juntos. Foi sugerido que os primeiros tetrápodes usavam seus membros anteriores para propulsão, mas os tetrápodes modernos obtêm a maior parte de sua força propulsiva dos membros posteriores.

“Planejamos procurar qualquer evidência de uma mudança da locomoção impulsionada pelos membros anteriores para os posteriores, como os tetrápodes modernos”, disse Molnar. Olhar os membros dianteiros e traseiros juntos pode revelar mais sobre a transição da água para a terra e como os tetrápodes acabaram dominando o reino terrestre.