Un Pez de 319 millones de años conserva el primer cerebro fosilizado de un animal vertebrado
El cráneo fosilizado de un Coccocephalus wildi, un pez con aletas de raya que nadó en un estuario hace 319 millones de años. El pez está mirando hacia la derecha, con las mandíbulas visibles en la parte inferior derecha del fósil. La cuenca del ojo es la característica circular y llena de baches sobre las mandíbulas. Este pez habría tenido de 15 a 20 centímetros de largo, aproximadamente del tamaño de unas mojaras azules. Crédito de la foto: Jeremy Marble, University of Michigan News.
El cráneo escaneado por tomografía de un pez fosilizado hace 319 millones de años, fue extraído de una mina de carbón en Inglaterra hace más de un siglo, ha revelado ser el ejemplo más antiguo de un cerebro perteneciente a un pez vertebrado y bien conservado.
El cerebro y sus nervios craneales miden unos dos centímetros de largo y pertenecen a un pez extinto del tamaño de una mojarra azul. El descubrimiento abre una ventana a la anatomía neural y la evolución temprana del principal grupo de peces vivos hoy en día, los peces con aletas de raya, según los autores de un estudio dirigido por la Universidad de Michigan que se publicará el 1 de febrero en Nature.
El hallazgo accidental también aporta información sobre la preservación de partes blandas en fósiles de animales vertebrados. La mayoría de los fósiles de animales en las colecciones del museo se formaron a partir de partes duras del cuerpo como huesos, dientes y conchas.
El cerebro analizado pertenece al extinto Coccocephalus wildi, un pez con aletas de raya que nadaba en un estuario y probablemente comía pequeños crustáceos, insectos acuáticos y cefalópodos, un grupo que hoy incluye calamares, pulpos y sepias. Los peces con aletas de raya tienen columnas vertebrales y aletas sostenidas por varillas óseas llamadas rayas.
Cuando el pez murió, los tejidos blandos de su cerebro y nervios craneales fueron sustituidos durante el proceso de fosilización por un denso mineral que conservó, con exquisito detalle, su estructura tridimensional.
Matt Friedman, paleontólogo de la Universidad de Michigan, examina las imágenes de una tomografía computarizada de un pez fosilizado hace 319 millones de años que está en condiciones excepcionales. Extraído de una mina de carbón en Inglaterra hace más de un siglo, el fósil es el ejemplo más antiguo de un cerebro perteneciente a un pez vertebrado. Fotografía: Jeremy Marble, University of Michigan News.
“Una conclusión importante es que este tipo de partes blandas se pueden preservar y pueden preservarse en fósiles que hemos tenido durante mucho tiempo, este es un fósil que se conoce desde hace más de 100 años”, dijo el paleontólogo de la U-M Matt Friedman, autor del nuevo estudio y director del Museo de Paleontología.
El autor principal es el estudiante de doctorado de la U-M, Rodrigo Figueroa, quien hizo el trabajo como parte de su tesis, bajo Friedman, en el Departamento de Ciencias de la Tierra y del Medioambientales.
“Este fósil es superficialmente poco impresionante y pequeño. No solo nos muestra el ejemplo más antiguo de un cerebro vertebrado fosilizado, sino que también muestra que gran parte de lo que pensábamos sobre la evolución cerebral de las especies vivas necesitará ser retocado”, dijo Figueroa.
“Con la amplia disponibilidad de técnicas modernas de imagen, no me sorprendería si descubrimos que los cerebros fósiles y otras partes blandas son mucho más comunes de lo que pensábamos. A partir de ahora, nuestro grupo de investigación y otros analizarán las cabezas de peces fósiles con una perspectiva nueva y diferente”.
El cráneo fósil de Inglaterra es el único espécimen conocido de su especie, por lo que solo se podrían usar técnicas no destructivas durante el estudio dirigido por la U-M.
Tomografía computarizada craneal de un Coccocephalus wildi, que muestra el cerebro fosilizado y las estructuras asociadas. El cerebro y los nervios craneales aparecen en blanco brillante en el centro de las imágenes. El pez mira hacia la izquierda. Las cuencas oculares son las grandes áreas ovaladas negras rodeadas de hueso y las mandíbulas están debajo de las cuencas oculares. Crédito de la imagen: Figueroa et al. en Nature, febrero de 2023.
El trabajo sobre Coccocephalus es parte de un esfuerzo más amplio de Friedman, Figueroa y sus colegas que utiliza la tomografía computarizada (TC) para mirar dentro de los cráneos de los primeros peces con aletas de raya. En lo amplio, el objetivo es obtener detalles anatómicos internos que proporcionen información sobre las relaciones evolutivas.
En el caso de Coccocephalus wildi, Friedman no estaba buscando un cerebro cuando encendió su escáner micro-CT y examinó el fósil craneal.
“Lo escaneé, cargué los datos en el software que usamos para visualizar estos escaneos y noté que había un objeto inusual y distinto dentro del cráneo”, explica.
La mancha no identificada era más brillante en la imagen de TC y, por lo tanto, probablemente más densa que los huesos del cráneo o la roca circundante.
“Es común ver crecimientos de minerales amorfos en fósiles, pero este objeto tenía una estructura claramente definida”, dijo Friedman.
Interpretación artística de un extraordinario pez de 319 millones de años que conserva el primer cerebro fosilizado de un animal vertebrado. Las imágenes por TC del cerebro están ayudando a desentrañar la secuencia de la evolución neuronal en uno de los linajes de vertebrados más diversos de la actualidad. El pez, Coccocephalus wildi, medía entre 15 y 20 centímetros y probablemente se alimentaba de pequeños crustáceos y insectos acuáticos. Crédito de la imagen: Márcio L. Castro.
El objeto misterioso presentaba varias características propias de cerebros de los vertebrados: era bilateralmente simétrico, contenía espacios huecos similares en apariencia a los ventrículos y tenía múltiples filamentos que se extendían hacia aberturas en el neurocráneo, similares en apariencia a los nervios craneales, que viajan a través de tales canales en especies vivas.
“Tenía todas estas características y me dije a mí mismo: ‘¿Esto que estoy viendo es realmente un cerebro?'”. Dijo Friedman. “Así que me acerqué a esa región del cráneo para hacer un segundo escaneo de mayor resolución y estaba muy claro que eso era exactamente lo que tenía que ser. Y fue solo porque este era un ejemplo tan evidente que decidimos llevarlo más lejos”.
Aunque rara vez se ha encontrado tejido cerebral conservado en fósiles vertebrados, los científicos han tenido más éxito con los invertebrados. Por ejemplo, en 2021 se descubrió el cerebro intacto de un cangrejo herradura de 310 millones de años y los escaneos de insectos encerrados en ámbar han revelado cerebros y otros órganos. Incluso hay evidencia de cerebros y otras partes del sistema nervioso registradas en especímenes aplanados con más de 500 millones de años.
En 2009 se reportó un cerebro bien preservado de un pariente al tiburón de 300 millones de años. Pero los tiburones, rayas y quimeras son peces cartilaginosos, que hoy en día tienen relativamente pocas especies en comparación con el linaje de peces con aletas de raya que contiene Coccocephalus. Los primeros peces con aletas de raya como Coccocephalus pueden ayudar a los científicos sobre las fases evolutivas iniciales del grupo de peces más diverso de la actualidad, que incluye todo, desde truchas hasta atún, caballitos de mar y platija.
Hay aproximadamente 30.000 especies de peces con aletas de raya y representan aproximadamente la mitad de todas las especies de animales con espinazo. La otra mitad se divide entre vertebrados terrestres (aves, mamíferos, reptiles y anfibios) y grupos de peces menos diversos como peces sin mandíbula y peces cartilaginosos.
El Museo de Manchester, en Inglaterra, le ha prestado a Friedman el cráneo fósil de Coccocephalus. Fue recuperado del techo de la mina de carbón Mountain Fourfoot en Lancashire y fue descrito científicamente por primera vez en 1925. El fósil se encontró en una capa de esteatita adyacente a una veta de carbón de la mina.
Aunque solo se recuperó su cráneo, los científicos creen que C. wildi medía entre 15 y 20 centímetros. Calculando por la forma de la mandíbula y sus dientes, probablemente era un carnívoro, según Figueroa.
Cuando el pez murió, los científicos sospechan que fue enterrado rápidamente en sedimentos con poco oxígeno presente. Estos ambientes pueden retrasar la descomposición de las partes blandas del cuerpo.
Además, un microambiente químico dentro del neurocráneo puedo haber ayudado a preservar los tejidos cerebrales y reemplazarlos con un mineral denso, posiblemente pirita, dijo Figueroa.
La evidencia que apoya esta idea proviene de los nervios craneales, que envían señales eléctricas entre el cerebro y los órganos sensoriales. En el fósil de Coccocephalus, los nervios craneales están intactos dentro del neurocráneo, pero desaparecen a medida que salen del cráneo.
“Parece haber, dentro del cráneo vacío y estrechamente cerrado, un pequeño microambiente perfecto para reemplazar las partes blandas con algún tipo de fase mineral, capturando la forma de los tejidos que de otro modo simplemente se descompondrían”, dijo Friedman.
El análisis detallado del fósil, junto con las comparaciones con los cerebros de especímenes de peces modernos de la colección del Museo de Zoología de la U-M, reveló que el cerebro de Coccocephalus tiene un cuerpo central del tamaño de una pasa con tres regiones principales que corresponden aproximadamente al cerebro anterior, el cerebro mesencéfalo y el cerebro posterior de los peces vivos.
Los nervios craneales se proyectan desde ambos lados del cuerpo central. Visto como una sola unidad, el cuerpo central y los nervios craneales se asemejan a un pequeño crustáceo, como una langosta o un cangrejo, con brazos, piernas y garras salientes.
Según los autores, la estructura del cerebro de Coccocephalus indica una evolución del cerebro de los peces más complicado de lo que sugieren las especies vivas por sí solas.
“Estas características le dan al fósil un valor real para comprender los patrones de evolución del cerebro, en lugar de ser simplemente una curiosidad de preservación inesperada”, dijo Figueroa.
Por ejemplo, todos los peces vivos con aletas de raya tienen un cerebro evertido, lo que significa que los cerebros de los peces embrionarios se desarrollan doblando tejidos desde el interior del embrión hacia afuera, como un calcetín al revés.
Todos los demás vertebrados tienen cerebros invaginados, lo que significa que el tejido neural en los cerebros en desarrollo se pliega hacia adentro.
“A diferencia de todos los peces vivos con aletas raya, el cerebro de Coccocephalus se pliega hacia adentro”, dijo Friedman. “Por lo tanto, este fósil capta una época anterior a la evolución de este rasgo característico de los cerebros de los peces con aletas de raya. Esto nos proporciona algunas restricciones sobre cuándo evolucionó este rasgo, algo que no conocíamos bien antes de los nuevos datos sobre Coccocephalus”.
Las comparaciones con peces vivos mostraron que el cerebro de Coccocephalus es más similar a los cerebros de esturiones y peces espátula, que a menudo se llaman peces “primitivos” porque divergieron de todos los demás peces vivos con aletas rayas hace más de 300 millones de años.
Friedman y Figueroa continúan escaneando por TC los cráneos de fósiles de peces con aletas de raya, incluidos varios especímenes que Figueroa trajo a Ann Arbor en préstamo de instituciones en su país de origen, Brasil. Figueroa dijo que su tesis doctoral se retrasó por la pandemia de COVID-19, pero se espera terminar en el verano de 2024.
El estudio de Nature incluye datos producidos en la instalación de Tomografía Computarizada en Ciencias de la Tierra y del Medioambiente de la U-M, que cuenta con el apoyo del Departamento de Ciencias de la Tierra y del Medioambiente y la Facultad de Literatura, Ciencias y Artes.
Los otros autores del artículo son Sam Giles del Museo de Historia Natural de Londres y la Universidad de Birmingham; Danielle Goodvin y Matthew Kolmann del Museo de Paleontología de la U-M; y Michael Coates y Abigail Caron de la Universidad de Chicago.
Friedman y Figueroa dijeron que el descubrimiento resalta la importancia de preservar los especímenes en los museos de paleontología y zoología.
“Aquí hemos encontrado una preservación notable de un fósil examinado varias veces antes por varias personas durante el siglo pasado”, dijo Friedman. “Pero debido a que tenemos estas nuevas herramientas para mirar dentro de los fósiles, nos revela otra capa de información.
“Por lo que aferrarse a los especímenes físicos es tan importante. Porque quién sabe, en 100 años, lo que la gente podría hacer con los fósiles de nuestras colecciones ahora”.
Estudio: Exceptional fossil preservation and evolution of the ray-finned fish brain
(DOI 10.1038/s41586-022-05666-1
Escrito por Jim Erickson, Michigan News, adaptado al español por Juan Ochoa, Michigan News
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