Neurociencia para la época de los dinosaurios

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Esqueleto de Diplodocus montada en la galería central del Museo de Historia Natural de Berlín, Alemania. Omar R. Regalado.

«¿Y por qué estudiar eso?», es tal vez la pregunta más común a la que se enfrentan todos los paleobiólogos que se han dedicado a estudiar dinosaurios y probablemente ha sido así desde que se acuñó la palabra «dinosaurio» en 1842.

La fascinación por los dinosaurios es algo que ha acompañado a la humanidad en la construcción del mundo moderno. Desde la época victoriana, donde los dinosaurios fueron vistos como el símbolo perfecto de lo primitivo: grandes y majestuosas bestias que estaban extintas, que pertenecían a un mundo antiguo olvidado contrastando tan bien con lo maravilloso del mundo moderno; hasta nuestros días, donde los dinosaurios dan material para franquicias multimillonarias.

Sin embargo, los dinosaurios fueron considerados por mucho tiempo como algo superfluo incluso dentro del mismo ámbito de la paleobiología. Los restos fósiles de dinosaurios eran impresionantes, pero las aplicaciones prácticas de su estudio eran reducidas. No era como estudiar trilobites, cuyos restos fósiles permitían realizar estudios ecológicos y evolutivos muy detallados, como el paleontólogo británico Richard Fortey explica en su libro «Trilobite!»: los trilobites han dado origen a muchas de las hipótesis e ideas modernas sobre la evolución. Fósiles de otros grupos, como los amonites, los braquiópodos o los bivalvos, permiten establecer correlaciones entre áreas, establecer edades relativas o datar sedimentos en una región. El estudio de mamíferos y aves fósiles da información sobre los descendientes modernos que aún viven.

Secuencia de crecimiento del trilobite Elrathia kingii. John Alan Elson.

A finales del siglo XIX surgió la dinosauromanía que dio origen al interés popular en los dinosaurios. Desde las reconstrucciones de dinosaurios en concreto que aún pueden verse en el parque Crystal Palace al sur de Londres, hasta el episodio más interesante de la paleobiología, la «Guerra de los Huesos». Sin embargo, entrado el siglo XX la industrialización del mundo, y consecuentemente de las ciencias, relegó a los dinosaurios al ámbito de las curiosidades. De aquí hasta 1969 se encuentra un periodo que se conoce entre los dinosauriólogos como «calma ecuatorial», que hace referencia a los vientos suaves que se encuentran en el Ecuador en los océanos Pacífico y Atlántico. A partir de 1960 comenzó el Renacimiento de los Dinosaurios, que inició cuando el paleontólogo estadunidense John H. Ostrom descubrió los fósiles de Deynonychus y estableció que las semejanzas entre este grupo y las aves eran tan grandes, que era necesario concluir que las aves eran el único grupo viviente de los dinosaurios: una revolución científica silenciosa que apenas en esta década comienza a resonar contundentemente (¡dinosaurios emplumados!).

 

A partir de 1970, la cantidad de investigaciones en el área incrementó vertiginosamente. El mayor pico de actividad de descubrimientos de dinosaurios sucedió entre 1870 y 1890, durante la «Guerra de los Huesos»; en la década de 1920, el paleontólogo alemán Friedrich von Huene fue responsable de la gran actividad en el campo al realizar hallazgos en todos los continentes. Después de esto, el mundo industrial y las guerras mundiales trajeron la calma ecuatorial. Hacia 1970, con la atención centrada en los dinosaurios, los hallazgos se empezaron a hacer más frecuentes. Hasta ese momento, solamente tres paleontólogos (los estadunidenses Edward Cope, Othniel Marsh y el alemán von Huene) habían sido responsables del mayor número de hallazgos, con 15 hallazgos anuales en promedio. Posteriormente, a partir de 1990 comenzó el segundo gran pico de actividad, con paleontólogos excavando en los cinco continentes y encontrando hasta 30 nuevas especies al año.

Esqueletos de Deinonychus (arriba) y Tenontosaurus (abajo). Los primeros hallazgos de Deinonychus se realizaron en 1931, pero no fue sino hasta 1969 que John Ostrom lo describió de una manera revolucionaria. Montaje en el Museo de las Rocallosas, Bozeman, Montana. Tim Evanson.

Las técnicas de excavación han mejorado, pero en esencia siguen siendo las mismas. La inspección satelital o los escaneos han facilitado la búsqueda, pero lo que explica el aumento en la literatura científica del área es que ahora hay más gente buscando. En el año 2015 se alcanzó por primera vez el mayor número de hallazgos: en promedio, uno cada semana. En cuanto al número de nuevas especies, a partir del 2009 incrementó el total de especies válidas reconocidas anualmente, en una tendencia que más o menos da 40 especies nuevas por año desde entonces, y una retahíla más grande de nombres que los niños de 8 años pronunciarán sin dificultad alguna.

El año pasado fue particularmente asombroso para los dinosauriólogos: se encontraron evidencias de bailes de cortejo en dinosaurios, se pudieron determinar algunos de los posibles sonidos que los dinosaurios pudieron haber hecho, se encontró una Tyrannosaurus rex embrazada, dinosaurios bebés, un cerebro fosilizado de dinosaurio y, la joya de la corona, una cola de dinosaurio atrapada en ámbar, con plumas y depósitos de hierro de lo que antes había sido sangre. Es a partir de 2009 que podemos hablar de una Época de Oro en la paleobiología de los dinosaurios.

Esqueleto de Plateosaurus engelhardti, dinosaurio descubierto en Alemania por von Huene. El montaje, que se puede ver en la Universidad  Eberhard-Karls de Tübingen, Alemania, fue realizado en 1837 por von Huene. Este es tal vez el dinosaurio más estudiado y del que, sin embargo, se siguen realizando estudios extensivos. Omar R. Regalado.
¿Por qué estudiar dinosaurios?

Además de que los dinosaurios son animales asombrosos, es por mucho el grupo más exitoso de vertebrados terrestres que haya existido. Este término de exitoso se aplica a aquellos grupos que han vivido con relativamente pocos cambios a través de su historia, pero que se han adaptado a todos los nichos posibles y que han tenido una gran diversidad de especies. En ese sentido, los vertebrados más exitosos son los peces óseos, u osteíctios, pero en tierra son los dinosaurios (incluyendo a las aves). Para entender el porqué de esta aseveración, debemos centrarnos un poco en el concepto de tiempo, que es algo que a los humanos nos cuesta mucho trabajo entender.

Fósil de Microraptor gui, descubierto en Liaoning, China, en 2003. Las flechas blancas indican plumas preservadas, mientras que las negras indican siluetas o impresiones. La estructura fósil de las plumas contiene evidencias de las células que dan color a las plumas, permitiendo por primera vez reconstruir el color de un dinosaurio. Hone et al.

Los dinosaurios surgieron hace 231 millones de años y casi todos, salvo las aves, se extinguieron hace 66 millones de años. Este periodo de tiempo es el que se encierra en la palabra «dinosaurio». Un equivalente apropiado es cuando al hablar del Antiguo Egipto englobamos el periodo de tiempo que transcurrió desde los primeros periodos dinásticos, en el 3100 a. C., hasta que Egipto se convirtió en territorio macedonio en el 332 a.C. El «Antiguo Egipto» abarca 2768 años de historia. Con esta perspectiva, imagine cuánto ha cambiado la humanidad desde el año 0 y hasta el día de hoy en el 2017 ¡esa cantidad de historia es 751 años más pequeña que la que consideramos para el Antiguo Egipto! Con esta analogía en mente ¿cuánta historia está contenida en la palabra «dinosaurio»? Contando a las aves, 231 millones de años[1].

Muchos aspectos de la biología de los dinosaurios nos resultan de especial interés: ¿cómo era su metabolismo?, ¿qué tan rápido crecían?, ¿por qué se hicieron tan grandes?, ¿qué tan inteligentes eran?, ¿de qué color eran? Hasta hace poco, todas estas preguntas parecían estar dentro del terreno de la especulación con base en lo que sabemos de los animales modernos, pero comienzan a ser respondidas poco a poco. Esto por una combinación de varios factores: hay más investigadores trabajando con dinosaurios, se aplican más áreas del conocimiento en su estudio y se desarrollan nuevas técnicas para obtener más información de los fósiles.

Neurociencias y dinosaurios

Una de estas áreas que comienza a centrarse en los dinosaurios es la neurobiología. Vale la pena recordar que los fósiles son rocas: muy rara vez es el material original el que se preserva a través del tiempo. Los fósiles se forman cuando, con las condiciones adecuadas, los minerales que rodean al cadáver de un ser vivo logran remplazar la estructura original del cadáver y conservar la forma. A excepción de los huesos, los demás tejidos y órganos serán degradados durante el proceso de descomposición; en condiciones excepcionales, elementos de la piel o la piel misma logran preservarse.

Afortunadamente, el sistema óseo interactúa activamente con casi todos los demás sistemas: al tener la función de protección, rodea los diversos canales vasculares y al sistema nervioso, de modo que un cráneo bien preservado puede ser rellenado con los sedimentos del entorno y producir un molde interno del cerebro una vez que éste se ha degradado; al tener función locomotora y de soporte interactúan con el músculo, de modo que gracias a las cicatrices que dejan los tendones sobre los huesos es posible reconstruir la organización del sistema locomotor y explorar las capacidades de movimiento de los animales.

En raras ocasiones, sin embargo, se preservan fósiles que contienen más información. El año pasado se presentó en la ciudad de Salt Lake, Utah, durante el congreso anual de la Sociedad de Paleontología de Vertebrados, el primer tejido cerebral fosilizado, encontrado en una playa de Sussex, Inglaterra, en el 2004. Los moldes internos descritos anteriormente suelen dar información sobre la estructura externa del cerebro, y gracias a la anatomía comparada, es posible identificar los pares craneales que inervan a los órganos de los sentidos. Lo encontrado en Sussex es un molde interno, pero en cuya superficie se aprecian texturas fibrosas que se han identificado como las meninges, que son las membranas que recubren el cerebro. Tiene además indicios de las redes vasculares recorriendo la superficie y el nivel de detalle de este fósil es tal que se aprecian pliegues sobre la superficie de las meninges que se relacionarían con los pliegues de la corteza cerebral. Si bien el hallazgo apenas ha comenzado a ser investigado, alienta los estudios en paleoneurobiología en vertebrados.

Molde interno del cerebro de un Tyrannosaurus rex, exhibido en Museo Australiano, Sydney. La estructura del lado izquierdo es el bulbo olfatorio, el más grande que se ha encontrado en dinosaurios y por sus proporciones, semejante a las estructuras del buitre. De este molde se ha podido inferir también la agudeza del sentido del oído para sonidos de frecuecia baja, donde la cólcea era particularmente larga.

Lo anterior se refiere a los estudios directos de los fósiles. El otro enfoque proviene de la anatomía comparada, que utiliza los grupos de organismos vivos para hacer deducciones o inferencias sobre los grupos extintos. Una herramienta lógica que se utiliza para esto se conoce como el método del paréntesis filogenético. Este método fue desarrollado relativamente hace poco y ha comenzado a aplicarse en dinosaurios en los últimos años: si se sabe la historia evolutiva de un grupo extinto y se tienen identificados los linajes vivos que rodean en el tiempo al linaje extinto, es posible realizar inferencias sobre el grupo extinto. Por ejemplo, sabemos que los dinosaurios se encuentran rodeados por dos linajes vivos: los cocodrilos y las aves. Al realizar estudios comparativos entre estos dos grupos con los dinosaurios, podemos hacernos una idea de qué cosas se pueden esperar que hayan permanecido constantes en los dinosaurios. Este método nos da plena certidumbre cuando una característica se encuentra tanto en las aves como en los cocodrilos, como la posición de algunos músculos, por ejemplo. Pero cuando la característica se encuentra solamente en uno de los linajes vivos, es necesario encontrar evidencias directas de esto en los dinosaurios. En el caso del cerebro de Sussex, la anatomía de ese molde es más similar a la de los cocodrilos que a la de las aves, lo que nos permitiría pensar que ese dinosaurio herbívoro que vivió hace 133 millones de años pudo haber sido al menos tan inteligente como un cocodrilo.

El método del paréntesis filogenético se puede aplicar a diversas escalas. Muchas evidencias fósiles han permitido entender que las branquias de los peces dieron origen a diversas estructuras en la garganta de los tetrápodos, vertebrados con cuatro extremidades, como el aparato hioideo y los huesecillos del oído interno. Una de las consecuencias de esta herencia es el arreglo del nervio laríngeo recurrente, que es una rama del nervio vago (par craneal V) que se conecta con los músculos internos de la laringe.

En los tetrápodos este nervio tiene un recorrido peculiar. Mientras que el nervio vago corre hacia abajo, el nervio laríngeo recurrente se ramifica hacia arriba, hacia la laringe. El recorrido también es asimétrico, mientras que del lado izquierdo es más largo porque pasa por debajo de la aorta, casi en contacto con el corazón, del lado derecho es más corto pues pasa por debajo de la arteria subclavia, en el hombro. Debido a esta configuración es que el nervio recibe su nombre, pues recurrente alude a que pasa dos veces por el mismo sitio. Este patrón se conserva en todos los vertebrados, y en la jirafa, por ejemplo, los dos recorridos dan al nervio una longitud de 4.6 metros.

Gracias al método del paréntesis filogenético podemos hacer esta extrapolación a todos los dinosaurios: el nervio laríngeo recurrente debió tener ese mismo arreglo en los dinosaurios, incluso en los cuellos de los saurópodos. Este tema fue recientemente expuesto en el Congreso Anual de la Sociedad de Paleontología de Vertebrados y Anatomía Comparada que tuvo lugar en Liverpool, Inglaterra, también el año pasado. En las ballenas azules modernas, este nervio laríngeo recurrente puede superar los 30 metros de largo, por lo que es evidente que no existen barreras fisiológicas para la existencia de estas neuronas. La conducción eléctrica de los impulsos nerviosos parece haber tenido una solución evolutiva relativamente sencilla: los axones están recubiertos en mielina, una sustancia producida por las células de Schwann; la mielina incrementa el volumen del axón y acelera la conducción eléctrica. Esto permite suponer que la contracción de la garganta, gobernada por este nervio, debió requerir de una combinación de diferentes grosores de los axones mielinizados para coordinar los músculos de manera sincrónica (puesto que las dos ramas son asimétricas y el tamaño de los músculos era considerablemente grande).

Sin embargo, existen neuronas que fueron más largas que las del nervio laríngeo recurrente. Las neuronas sensoriales suelen ser las más largas en todos los vertebrados, pues las neuronas aferentes primarias que perciben la vibración y el tacto conectan la piel directamente con el tallo cerebral. En todos los vertebrados vivos estas neuronas son pseudounipolares, es decir, que el cuerpo central de la neurona está separado del axón y se conecta a este por un pequeño tallo; además, en todos los vertebrados el axón recorre el cuerpo en dos direcciones opuestas, periféricamente hacia receptores terminales en la piel, y anteriormente hacia el tallo cerebral a través de una de las columnas dorsales de la espina dorsal. Este «cableado» se encuentra tanto en los vertebrados más primitivos, las lampreas y mixinos, como en los más recientes, las aves, por lo que resulta muy difícil aceptar que no lo hiciera en los dinosaurios. En las ballenas azules (Balaenoptera musculus) la longitud de esta neurona se puede estimar de la siguiente manera: la mayor longitud de una ballena azul es de 33.59 m, de los cuales, 20% corresponde a la longitud del cráneo, lo que deja una neurona de unos 27 m de largo, pero como el recorrido de la neurona no es en línea recta ni pasa directamente por en medio del animal, sino que tiene un recorrido lateral que en algunas partes no es del todo recto, la aproximación se hace a los 30 m.

Neurona sensorial en un Diplodocus. Wedel, 2002.

El dinosaurio más grande que se ha registrado sin lugar a dudas es el espécimen de Supersaurus de Wyoming, que tiene una longitud de 34 m, con un cráneo de 1 m de largo. Usando una aproximación similar a la de la ballena azul, el nervio recorre desde el tallo cerebral hasta la punta de la cola una distancia de 35 m. Si bien la conducción nerviosa parece ser fácilmente adaptable al tamaño de los animales, existe una parte de la fisiología que ha permanecido oscura: el flujo axonal. Este flujo se refiere al movimiento de sustancias a través del citoplasma de la neurona, como los neurotransmisores, las proteínas estructurales y los nutrientes que son transportados dentro de vesículas gracias a proteínas motoras que se desplazan sobre rieles hechos de proteínas. Las mediciones recientes en roedores y humanos estiman que diversas sustancias viajan a distintas velocidades: por ejemplo, los neurotransmisores y las enzimas se desplazan a una velocidad de 200-400 mm/día, mientras que proteínas más específicas de transporte lento se desplazan a unos 0.1-1.0 mm/día. Suponiendo una velocidad lenta de 1.0 mm/día, que el cuerpo de la neurona se encuentra a la mitad del axón y que los recorridos solamente deben hacerse por la mitad de la distancia en cada dirección, la neurona sensorial de una ballena azul requeriría de 41 años para transportar estas proteínas hasta la punta, la mitad de la vida promedio de una ballena azul.

Una hipótesis que se propone usualmente es que existe aceleración axonal, es decir, que dentro de la neurona las proteínas son capaces de tener mayores velocidades conforme la neurona sea más larga. Dejando de lado que no existe evidencia experimental de esta aceleración en el flujo axonal, teóricamente se antoja difícil. Primero, supondría que la aceleración incrementa con la edad, puesto que los dinosaurios y ballenas bebés no requerirían tal aceleración. Segundo, la aceleración debería ser modulada velozmente, pues hay evidencias de que los dinosaurios bebés crecían rápidamente, para luego alcanzar una meseta y una velocidad estable. Tercero, las proteínas utilizan moléculas de ATP para poderse desplazar, lo que supondría una demanda metabólica mucho mayor. Se ha hipotetizado que el gran tamaño de los saurópodos se debió a una estrategia para aprovechar al máximo la materia vegetal escasa en los ambientes áridos donde proliferaron, por lo que la aceleración del flujo axonal supondría una presión metabólica extra.

Cuando los paleobiólogos comenzaron a hacerse estas preguntas, se encontraron con que no existían estudios realizados en animales más grandes que los humanos, como las vacas. Varias ideas han comenzado a ser propuestas como alternativas, una de ellas es que probablemente las neuronas largas requieren de un apoyo extra de las células gliales, que son células con funciones auxiliares en el sistema nervioso, tales como dar sostén, mantenimiento y regulación homeostática a las neuronas. El papel hipotético de las células gliales de ayudar al transporte de proteínas en las neuronas de gran longitud debe existir en todos los vertebrados, puesto que todos los grupos de vertebrados tienen tendencia al gigantismo, ya que en todos los vertebrados que han existido ha habido representantes primitivos de tamaños descomunales. Tales mecanismos deben de existir también en los humanos, y se ha sugerido que las células gliales tienen un papel importante en enfermedades neurodegenerativas, como el Alzheimer.

¿Por qué estudiar dinosaurios? Primero, la paleobiología de dinosaurios estudiará cosas antiquísimas, pero para nada es anticuada. Segundo,… ¡porque los dinosaurios son asombrosos!

Literatura empleada

Benton, M. (2008) Fossil quality and naming dinosaurs. Biology Letters, 4(6): 729-732.

Brasier, M., Norman, D., Liu, A., Cotton, L. J., Hiscocks, J., Garwood, R. J., Antcliffe, J., Wacey, D. (2016) Remarkable preservation of brain tissues in an Early Cretaceous iguanodontian dinosaur. Tomado de: Brasier, A. T., McIlroy, D. & McLoughlin, N. (eds) Earth System Evolution and Early Life: A Celebration of the Work of Martin Brasier. Geological Society, London, Special Publications, 448.

Sadigh-Eteghad, S., Majdi A., Mahmoudi, J., Golzari, S. E., Talebi, M. (2016) Astrocytic and microglial nicotinic acetylcholine receptors: an overlooked issue in Alzheimer’s disease. Journal of Neural Transmission. 123: 1359.

Vegas, J. (27 de diciembre de 2016) Giant Dinosaur Discoveries of 2016 In Seeker.com [http://www.seeker.com/giant-dinosaur-discoveries-of-2016-2166916874.html, consultado el 2 de enero de 2017]

Wedel, M. (2012) A monument of inefficiency: the presumed course of the recurrent laryngeal nerve in sauropod dinosaurs. Acta Palaeontologica Polonica. 57(2): 251-256.

[1] Junto a los dinosaurios, este especial interés también se ha puesto en otros grupos que a veces suelen considerarse dinosaurios sin serlo: los pterosaurios, reptiles voladores que vivieron por 162 millones de años, los ictiosaurios, reptiles marinos parecidos a los delfines, que vivieron unos 158 millones de años, o los plesiosaurios, reptiles marinos de cuellos largos que habitaron los océanos por 137 millones de años.

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Estudió la carrera de biología en la Facultad de Ciencias de la UNAM y actualmente realiza su doctorado en Ciencias de la Tierra en University College London. Su investigación se enfoca en el estudio de la evolución del gigantismo y el cuadrupedalismo en dinosaurios sauropodomorfos basales, para lo que realiza una revisión exhaustiva de la anatomía e historia de la investigación del grupo realizada desde el siglo XIX. Actualmente es escritor y editor en la revista electrónica de divulgación Mito.

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