La microtomografía sincrotrón devela el corazón de fósiles

Esta tecnología se utilizó en el estudio de la anatomía del Rhacolepis buccalis, un pez que nadó hace más de 100 millones de años en las aguas que cubrían Chapada do Araripe, en el estado brasileño de Ceará

Por Peter Moon  |  Agência FAPESP – El uso innovador de la microtomografía sincrotrón en la investigación científica revela aspectos inescrutables de una muestra y, por consiguiente, le abre las puertas a un campo de investigación enteramente nuevo.

Puede encontrarse un ejemplo del uso de esta tecnología en el estudio de un fósil de Rhacolepis buccalis, un pez que nadó hace más de 100 millones de años en las aguas que cubrían la meseta conocida como Chapada do Araripe, en el estado brasileño de Ceará.

En este trabajo participó un grupo de investigadores encabezado por José Xavier-Neto, del Laboratorio Nacional de Biociencias (LNBio), con sede en Campinas (São Paulo), y por el francés Vincent Fernandez, del European Synchrotron Radiation Facility (ESRF). El especialista en la anatomía de peces fue el ictiólogo Murilo Carvalho, también del LNBio, en el marco de un estudio que contó con el apoyo de la FAPESP, intitulado "Evolución molecular de regiones regulatorias de genes HOX asociados con la morfología de las aletas de peces, con especial énfasis en Chondrichthyes".

Algunos de sus resultados salieron publicados eLife, en un artículo intitulado “Heart fossilization is possible and informs the evolution of cardiac outflow tract in vertebrates”.

Los caminos que desembocaron en el envío de 62 fósiles de peces brasileños de Chapada do Araripe para someterlos al procedimiento de microtomografía en Francia comenzaron con el interés de Xavier-Neto en la biología del desarrollo del corazón con cámaras.

El corazón con cámaras es característico de los animales vertebrados. Sólo en el caso de los mamíferos y de las aves, este órgano está formado por cuatro cámaras –dos aurículas y los dos ventrículos–, a través de las cuales se bombea la sangre. Los anfibios y los reptiles poseen un corazón sólo tres cámaras, y en los peces tiene sólo dos.

Los invertebrados poseen estructuras cardíacas mucho más sencillas. Carecen de cámaras, y están formadas en cambio por bombas peristálticas: la sangre es bombeada mediante movimientos peristálticos análogos a los que mueven el alimento en el intestino.

“No existe ningún vertebrado vivo que tenga un corazón de transición entre las bombas peristálticas y el corazón con cámaras. Pero es posible que haya existido un animal con ese perfil de transición y que se extinguió. Por eso decidimos investigar el registro fósil, para ver si encontrábamos corazones fosilizados. No había nada y no se sabía si era posible que un corazón se fosilizase”, dijo Xavier-Neto.

Los vertebrados están constituidos por partes duras (el esqueleto) y por partes blandas: órganos internos, músculos, cartílagos, grasa, piel, pelo, plumas y escamas. La inmensa mayoría de los fósiles de animales preserva únicamente las partes duras. Es necesario que se hayan producido circunstancias absolutamente excepcionales para que exista la fosilización de las partes blandas. Los lugares adecuados para la ocurrencia de tales circunstancias son muy raros. Y Chapada do Araripe, meseta situada entre los estados brasileños de Ceará y Pernambuco, es uno de ellos.

Hace entre 119 millones y 113 millones de años, durante el período Cretácico, Chapada do Araripe era el fondo de una laguna de escasa profundidad. En aquellas antiguas aguas tropicales había peces en abundancia. En la llanura costera lindante vivían dinosaurios, cocodrilos, tortugas y una infinidad de insectos. Y en el aire reinaban los pterosaurios, reptiles voladores extintos que llevaron a que esta zona se volviese mundialmente conocida.

Aunque los pterosaurios son las estrellas de Chapada do Araripe, esa formación geológica fue descubierta a mediados del siglo XIX merced a la abundancia y a la excelencia de sus fósiles de peces, que se encuentran entre los más completos y perfectos que se conocen. Xavier-Neto fue en busca de esos fósiles en viajes anuales al nordeste de Brasil.

Con autorización del Departamento Nacional de Producción Mineral (DNPM), el investigador empezó a llevarse decenas de peces petrificados a Campinas. Seleccionaba los fósiles más completos y menos deformados. La especie elegida para su investigación fue un pececito de 10 centímetros: el Rhacolepis buccalis.

En el LNBio, Xavier-Neto empezó a disolver algunos fósiles con ácido, capa por capa, en la esperanza de revelar las estructuras internas de la especie. “En el tercer fósil encontré una estructura que me llamó la atención. Tenía la forma de un cono, una característica del corazón de los peces”, comentó.

El paso siguiente consistió en emplear las técnicas de diagnóstico por imágenes de la tomografía computarizada, pero sin éxito. Una nueva alternativa consistió en someter a los peces de piedra al haz de luz del Laboratorio Nacional de Luz Sincrotrón (LNLS), en Campinas. El sincrotrón es una fuente de luz brillante que los científicos utilizan para reunir información sobre las propiedades estructurales y químicas de determinados materiales a nivel molecular.

Los peces, sometidos a la microtomografía sincrotrón, revelaron sus estructuras internas. Con todo, las imágenes salían pálidas, sin definición. No era posible distinguir conclusivamente los contornos de un corazón fósil, ni mucho menos adivinar cuántas cámaras habría en él. El haz de rayos X producido en el sincrotrón brasileño, en operación desde 1997, penetra los materiales con una profundidad de tan sólo algunos micrones.

La alternativa consistió entonces en recorrer a un sincrotrón más potente: el del ESRF, en Francia. Y así fue como se enviaron los pececitos fosilizados temporalmente a Grenoble, donde se utilizó un poderoso haz de luz sincrotrón. Como resultado de ello se obtuvieron imágenes con una resolución de seis micrones, una definición mil veces mayor que la de los tomógrafos médicos.

Era lo que faltaba. El sincrotrón francés empezó a develar una montaña de detalles de los peces con una calidad de imágenes “magnífica”, según la calificación del investigador.

“Pudimos ver en detalles todas las estructuras internas. Incluso logramos saber de qué especie era el camarón que había comido el pez”, dijo Xavier-Neto. Fue posible detectar que era un camarón perteneciente a una especie ya descrita de Chapada do Araripe.

“Cuando llegaron las imágenes de Francia, vimos la anatomía de un pez en un fósil de 113 millones de años. Obtuvimos las pruebas de que aquella estructura cónica, que sospechábamos que era un corazón, era efectivamente un corazón de pez”, dijo Carvalho.

“Pero no se trataba de cualquier corazón de pez. Éste no tenía una sola válvula en la salida del corazón, al igual que la mayoría de los peces actuales. En lo que constituyó una sorpresa absoluta, aquella estructura de forma cónica situada dentro del Rhacolepis del tiempo de los dinosaurios poseía cinco válvulas. Y no existe ningún registro de cualquier otro animal viviente o extinto que tenga un corazón así”, dijo Carvalho.

La transición evolutiva

La hipótesis de Xavier-Neto indica que, muy tempranamente en la evolución de los peces, habría ocurrido una transición evolutiva de un corazón original con decenas de válvulas hacia otro con sólo cinco, como el del Rhacolepis. Desde ese entonces, la cantidad de válvulas se redujo hasta llegar a la válvula única de la mayoría de los peces actuales. “La disminución de la cantidad de válvulas fue gradual”, dijo Carvalho.

Para saber si efectivamente había corazones con decenas de válvulas, los investigadores ahora deberán observar otros tipos de fósiles, de grupos y edades distintas.

Y no es precisamente una tarea sencilla la de identificar tales fósiles, toda vez que los mismos deben reunir características únicas, tal como es el caso de la preservación tridimensional de los tejidos blandos. Otra dificultad reside en el acceso a dichos fósiles. La mayor parte del material con esas condiciones se encuentra fuera de Brasil.

“Este estudio es importante, pues ahora sabemos que podemos estudiar el desarrollo del corazón por medio de los fósiles. Y toda vez que se sabe que la microtomografía sincrotrón tiene el poder de realizar, literalmente, la ‘autopsia’ virtual de un pez fósil, se abren las posibilidad para el estudio de las estructuras internas de todos los fósiles que preserven el registro de sus partes blandas”, dijo Xavier-Neto.

“Sólo en Chapada do Araripe existen miles de fósiles en esas condiciones, y ni hablar del material de algunos yacimientos fosilíferos que conservan restos de dinosaurios y aves (en China), de mamíferos (en Alemania) e incluso de peces (en Australia) en condiciones asombrosas”, añadió.

Por ahora, Xavier-Neto y Carvalho deberán continuar enviando sus fósiles para su análisis en Francia. Será así hasta 2019, cuando está previsto el comienzo de las operaciones en el Laboratorio Nacional de Luz Sincrotrón (LNLS) del nuevo Anillo Acelerador Sirius, el futuro sincrotrón brasileño, que cuenta con el apoyo de la FAPESP. “Cuando éste empiece a operar, será el más potente del mundo”, dijo Carvalho.

Puede leerse el artículo Heart fossilization is possible and informs the evolution of cardiac outflow tract in vertebrates (doi: 10.7554/eLife.14698), de José Xavier-Neto y otros, publicado en la revista eLife, en el siguiente enlace: elifesciences.org/content/5/e14698v1.