La biología moderna considera que las células óseas son esenciales para el desarrollo y la salud de los huesos. Sin embargo, cuando el hueso se desarrolló hace unos 400 millones de años, estos faltaban. ¿Por qué se desarrollaron las células óseas?

Impresión artística del pez placodermo que vivió hace 380 millones de años. Crédito de la foto: Brian Engh

Ya sean peces, aves de corral o mamíferos, todos los vertebrados tienen un esqueleto interno. En casi todos los vertebrados (con la excepción de ciertos peces óseos) el hueso consiste en una combinación compleja de minerales, proteínas y células óseas vivas (osteocitos) que están encerradas en la matriz ósea.

Las células óseas están conectadas por pequeños canales para que puedan intercambiar sustancias y señales electroquímicas para que el hueso pueda crecer y regenerarse. Sin embargo, esta arquitectura compleja hecha de material vivo e inorgánico debe haber surgido en algún momento en el curso de la evolución. Un equipo del Museum für Naturkunde Berlin bajo la dirección del Dr. Florian Witzmann examina cómo y cuándo sucedió esto. Ahora ha descubierto un posible hito en este desarrollo.

Examinaron muestras fosilizadas de armaduras óseas de dos especies tempranas de peces que vivieron hace unos 400 millones de años. Una muestra fue de Tremataspis mammillata, un pez sin mandíbulas que vivió hace unos 423 millones de años en el período Silúrico tardío y pertenece al extinto grupo Osteostraci. El segundo espécimen, mucho más reciente, fue un trozo de hueso del pez Bothriolepis trautscholdi, que vivió en el Devónico tardío hace unos 380 millones de años y pertenece al extinto Placodermi, el primer grupo de peces mandíbula.

Usando una red neuronal entrenada con electrodos de batería, los científicos lograron calcular imágenes en 3D a partir de muestras de huesos fósiles con resoluciones en el rango nanométrico.

“Ya se sabía que estos primeros vertebrados tenían células óseas, pero se sabía poco sobre cómo estaban conectadas las células, así como sobre la estructura detallada de la brecha o cavidad en la que las células óseas residían en el animal vivo. Para poder hacer declaraciones más precisas sobre el metabolismo óseo, teníamos que tener imágenes mucho más detalladas de estas estructuras que antes ”, dijo Witzmann.

Para hacer esto, el Dr. Ingo Manke propuso una técnica de imagen avanzada comúnmente utilizada en la industria de los semiconductores llamada tomografía de microscopía electrónica de barrido con haz de iones enfocado (FIB-SEM). Aquí, un haz de iones de galio enfocado elimina continuamente la superficie de la muestra, mientras que un haz de electrones escanea simultáneamente la muestra y proporciona datos para generar imágenes 3D con una resolución cien veces más fina que la tomografía computarizada.

El físico Markus Osenberg había utilizado previamente un método de evaluación sofisticado que se desarrolló en el laboratorio de análisis 3D de HZB para calcular la imagen a partir de los datos de medición. Se trata de una red neuronal especialmente entrenada, un método tomado del aprendizaje automático porque las imágenes de este tipo de muestra no se pueden calcular con métodos estándar.

«Debido a los innumerables recorridos a través del hueso, la superficie de la muestra está tan llena de agujeros como el queso suizo», explica Osenberg, que está haciendo su doctorado en el equipo de Manke. Sin embargo, después de un poco de práctica, la red neuronal bien entrenada reconocerá dónde está el plano de la ablación y dónde están los orificios, y reconstruirá una imagen precisa de la superficie ablacionada. “De hecho, las estructuras de las muestras de hueso son relativamente similares a las estructuras de los materiales de los electrodos de las baterías. El hecho de que la red neuronal que aprendió sobre los materiales de las baterías ahora también pueda mapear muestras de huesos fósiles nos sorprendió tan bien ”, dijo Osenberg.

Incluso en la muestra más antigua del pez blindado sin mandíbulas, las imágenes en 3D muestran una red compleja con cavidades (espacios) para las células óseas y pequeños canales a través del hueso que conectan estas cavidades entre sí. «Los canales son mil veces más estrechos que un cabello humano y, sin embargo, sorprendentemente, se han conservado casi por completo en estos 400 millones de años», dijo Manke.

Un análisis elaborado de las imágenes en 3D de alta resolución muestra en detalle cómo se construyó la red de cavidades (huecos) y los canales entre ellos. «Esto prueba que nuestros primeros antepasados ​​sin mandíbula ya tenían huesos que se caracterizaban por una estructura interna similar a la nuestra y probablemente también por muchas habilidades fisiológicas similares», explicó Witzmann.

«El hallazgo paleobiológico más importante es que podemos detectar rastros metabólicos reales incluso en estas primeras muestras de hueso», dijo Yara Haridy, quien está haciendo su doctorado en el Museum für Naturkunde Berlin.

A través de la osteólisis local, es decir, la disolución de la matriz ósea que rodea las células óseas, el organismo probablemente pudo satisfacer sus necesidades de fósforo en tiempos de escasez. Esto le dio una ventaja sobre sus contemporáneos más primitivos que tenían huesos libres de células, es decir, cuyos huesos no contenían osteocitos.

“Esta ventaja aparentemente condujo a la formación generalizada de huesos con células óseas en vertebrados como los conocemos en humanos. Este es un paso importante para comprender cómo surgió nuestro propio metabolismo óseo ”, explica Haridy. “Incluso en el hueso fósil primitivo, las células óseas podían disolverse y restaurar los minerales óseos. Esto significa que los huesos actúan como baterías, almacenando minerales y liberándolos de nuevo más tarde. Sin duda, esta capacidad ofrecía una ventaja para los peces sin mandíbula con células óseas sobre los vertebrados sin ellas. Este beneficio puede haber sido tan profundo que cambió la evolución de los vertebrados, ya que los vertebrados posteriores con mandíbulas retuvieron las células óseas. «

Referencia: avances científicos (2021). DOI: 10.1126 / sciadv.abb9113

Comunicado de prensa de Helmholtz Berlin

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