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La transición de una postura de extremidades extendidas a una erguida en los mamiferos fue sorprendentemente compleja y no lineal, y ocurrió mucho más tarde de lo que se creía anteriormente.
Así lo revela un nuevo estudio publicado en Science Advances por investigadores de Harvard que utilizaron métodos de vanguardia que combinan datos fósiles con modelos biomecánicos avanzados.
Los mamíferos, incluidos los humanos, se destacan por su postura erguida característica, un rasgo clave que impulsó su espectacular éxito evolutivo. Sin embargo, los primeros antepasados conocidos de los mamíferos modernos se parecían más a los reptiles, con las extremidades extendidas hacia los lados en una postura despatarrada.
El autor principal, el Dr. Peter Bishop, becario postdoctoral, y la autora principal, la profesora Stephanie Pierce, ambos en el Departamento de Biología Organísmica y Evolutiva de Harvard, comenzaron examinando la biomecánica de cinco especies modernas que representan el espectro completo de posturas de las extremidades, incluido un lagarto tegu (despatarrado), un caimán (semi-erguido) y un galgo (erguido).
“Al estudiar primero estas especies modernas, mejoramos enormemente nuestra comprensión de cómo la anatomía de un animal se relaciona con la forma en que se para y se mueve”, dijo Bishop en un comunicado. “Podríamos entonces ponerlo en un contexto evolutivo de cómo la postura y la marcha cambiaron realmente desde los primeros sinápsidos hasta los mamíferos modernos”.
Los investigadores ampliaron su análisis a ocho especies fósiles ejemplares de cuatro continentes que abarcan 300 millones de años de evolución. Las especies iban desde el protomamífero Megazostrodon de 35 gramos hasta el Ophiacodon de 88 kilogramos, e incluían animales emblemáticos como el Dimetrodon de lomo avellanado y el depredador Lycaenops de dientes de sable. Utilizando principios de física e ingeniería, Bishop y Pierce construyeron modelos biomecánicos digitales de cómo los músculos y los huesos se unían entre sí. Estos modelos les permitieron generar simulaciones que determinaban cuánta fuerza podían aplicar las extremidades traseras sobre el suelo.
“La cantidad de fuerza que una extremidad puede aplicar sobre el suelo es un determinante crítico del rendimiento locomotor en los animales“, dijo Bishop. ”Si no se puede producir suficiente fuerza en una dirección determinada cuando se necesita, no se podrá correr tan rápido, ni girar tan rápido o, peor aún, se podría caer".
Las simulaciones por ordenador produjeron un “espacio de fuerza factible” tridimensional que captura el rendimiento funcional general de una extremidad. “El cálculo de espacios de fuerza factibles tiene en cuenta de manera implícita todas las interacciones que pueden producirse entre músculos, articulaciones y huesos a lo largo de una extremidad“, afirmó Pierce. ”Esto nos proporciona una visión más clara del panorama general, una visión más holística de la función y la locomoción de las extremidades y de cómo evolucionaron a lo largo de cientos de millones de años“.
Si bien el concepto de un espacio de fuerza factible (desarrollado por ingenieros biomédicos) existe desde los años 90, este estudio es el primero en aplicarlo al registro fósil para comprender cómo se movían en el pasado los animales extintos. Los autores empaquetaron las simulaciones en nuevas herramientas computacionales “aptas para los fósiles” que pueden ayudar a otros paleontólogos a explorar sus propias preguntas. Estas herramientas también podrían ayudar a los ingenieros a diseñar mejores robots de inspiración biológica que puedan navegar por terrenos complejos o inestables.
El estudio reveló varias “señales” importantes de locomoción, incluido que la capacidad general de generación de fuerza en las especies modernas era máxima en las posturas que cada especie usaba en su comportamiento diario. Es importante destacar que esto significaba que Bishop y Pierce podían estar seguros de que los resultados obtenidos para las especies extintas reflejaban genuinamente cómo se paraban y se movían cuando estaban vivas.
Después de analizar las especies extintas, los investigadores descubrieron que el rendimiento locomotor alcanzaba su punto máximo y descendía a lo largo de millones de años, en lugar de progresar de manera simple y lineal desde la posición despatarrada hasta la posición erguida.
Algunas especies extintas también parecían ser más flexibles, capaces de cambiar de una postura más despatarrada a una más erguida a otra, como lo hacen los caimanes y cocodrilos modernos. Mientras que otras mostraron una fuerte inversión hacia posturas más despatarrada antes de que evolucionaran los mamíferos.
Junto con otros resultados del estudio, esto indicó que los rasgos asociados con la locomoción eran más flexibles y más flexibles, y que los robots podían moverse hacia posiciones más despatarradas y más erguida, una postura que es más probable lograr con las extremidades extendidas, mientras que los fósiles de placenta y marsupiales modernos generalmente se encuentran acostados de lado.