La diversidad de las escamas del hocico y las mandíbulas en diferentes especies de cocodrilos proviene de la evolución de parámetros mecánicos.
© Michel Milinkovitch — University of Geneva, Switzerland
¿Cómo explicar la diversidad morfológica de las especies? Si la genética es la respuesta que viene espontáneamente a la mente, no es sin embargo la única explicación. Combinando observaciones del desarrollo embrionario, técnicas de microscopía avanzada y modelizaciones informáticas, un equipo multidisciplinario de la Universidad de Ginebra (UNIGE) demuestra que el desarrollo de las escamas de la cabeza de los cocodrilos resulta de un proceso relacionado con la mecánica de los tejidos en crecimiento, más que con la genética molecular.
La diversidad de estas escamas, observadas en diferentes especies de cocodrilos, proviene por tanto de la evolución de parámetros mecánicos. Estos resultados ofrecen una perspectiva inédita sobre las fuerzas físicas implicadas en el desarrollo y la evolución de la diversidad de formas de los seres vivos. Podrían aplicarse a otros sistemas biológicos complejos. Estos trabajos se publican en la revista Nature.
El origen de la diversidad y la complejidad morfológica de los seres vivos sigue siendo uno de los mayores misterios de la ciencia. Para elucidarlo, los científicos estudian diversas especies biológicas. El laboratorio de Michel Milinkovitch, profesor del Departamento de Genética y Evolución de la Facultad de Ciencias de la UNIGE, estudia el desarrollo y la evolución de los apéndices tegumentarios de los vertebrados, es decir, las plumas, el pelo y las escamas, para comprender los mecanismos fundamentales responsables de esta diversidad. Generalmente se considera que el desarrollo embrionario de estos apéndices está dictado por procesos genéticos que implican interacciones entre numerosas moléculas derivadas de la expresión de los genes.
Como una "grieta" que se propaga
Sin embargo, análisis del desarrollo de embriones de cocodrilos realizados previamente permitieron al laboratorio ginebrino demostrar que, a diferencia de las del cuerpo, las escamas que cubren el hocico y las mandíbulas provienen de un proceso que recuerda la propagación de grietas en un material sometido a estrés mecánico. No obstante, la naturaleza exacta de este proceso físico seguía siendo desconocida.
El equipo de la UNIGE resolvió este misterio gracias a nuevos trabajos altamente multidisciplinarios. Primero observó la aparición de las escamas durante el desarrollo del embrión del cocodrilo del Nilo, que dura aproximadamente 90 días. Mientras que al día 48º, la piel que cubre las mandíbulas y el hocico aún es lisa, los pliegues cutáneos aparecen a partir del día 51º y luego se propagan e interconectan para formar escamas poligonales de dos tipos: grandes y alargadas en la parte superior del hocico, más pequeñas e irregulares en los lados de las mandíbulas.
El grupo de Michel Milinkovitch quiso saber si las diferencias en la velocidad de crecimiento entre la epidermis, la dermis y los huesos del cráneo subyacentes podían explicar la aparición de los pliegues y, por tanto, de las escamas. Para lograrlo, desarrolló una técnica de inyección en el huevo de cocodrilo de una hormona que activa el crecimiento y la rigidez de la epidermis: el factor de crecimiento EGF (por Epidermal Growth Factor). Descubrió entonces que la activación del crecimiento y el aumento de la rigidez de la capa superficial de la piel provocan una modificación espectacular en la organización de los pliegues cutáneos.
"Observamos que la piel primero se pliega de manera anormal y forma una red laberíntica similar a los pliegues del cerebro, pero finalmente forma escamas mucho más pequeñas como en los caimanes", explican Gabriel Santos-Durán y Rory Cooper, investigadores posdoctorales en el laboratorio de Michel Milinkovitch y coautores del estudio. Estas observaciones muestran que la variación en la velocidad de crecimiento y rigidez de las capas cutáneas es un mecanismo evolutivo simple, capaz de generar una gran diversidad de formas de escamas entre las diferentes especies de cocodrilos.
Un modelo 3D del desarrollo de la mandíbula
Los científicos utilizaron luego técnicas avanzadas de microscopía, denominada "de fluorescencia por hoja de luz", para cuantificar la velocidad de crecimiento y la variación de espesor de los diferentes tejidos (epidermis, dermis, tejido óseo) en toda la cabeza del embrión, así como la organización de las fibras de colágeno en la dermis. El equipo ginebrino utilizó estos datos para construir un modelo informático tridimensional (3D) que permite variar la velocidad de crecimiento y la rigidez de los tejidos.
"Al explorar estos diferentes parámetros, podemos generar las diferentes formas de escamas correspondientes a los cocodrilos del Nilo tratados y no tratados con el EGF, pero también al caimán de anteojos o al caimán americano. Estas simulaciones informáticas demuestran que la mecánica de los tejidos permite explicar fácilmente la diversidad de formas de ciertas estructuras anatómicas en diferentes especies, sin involucrar factores genéticos moleculares", concluye Ebrahim Jahanbakhsh, ingeniero informático en el laboratorio de Michel Milinkovitch y coautor del estudio.