Homeosis de dedos de dinosaurios: Cuando la evolución predice las posibilidades del desarrollo

En el desarrollo del ala de las aves, es patente que los dedos se desarrollan a partir de primordios cartilaginosos que se convierten en los dedos 2,3 y 4 (indice, medio, y anular) en otros amniotos. Incluso se puede observar transitoriamente una pequeña condensación cartilaginosa anterior que sería un vestigio del dedo 1 (pulgar) 

Sin embargo, el registro fósil documenta con detalle la transición de dinosaurios terópodos a aves, y en este caso nos cuenta una historia completamente distinta, ya que en esta transición los dedos 4 y 5 (anular y meñique) se hicieron más pequeños y desaparecieron, quedando sólo las morfologías de los dedos 1,2 y 3. 

Para explicar esta peculiar situación, Wagner y Gauthier (1999) hipotetizaron que había ocurrido un desplazamiento homeótico en serie en la evolución del linaje de las aves, tal que los dedos 1,2, y 3 pasaron a desarrollarse de los primordios 2, 3, y 4. Esto implicaba asumir que al correrse la identidad de los digitos, el primordio que normalmente se desarrolla en el dedo 1 quedó "sin identidad" y que en esta posición "vacante" se desarrolla una condensación "truncada". Este evento podría coincididir con la pérdida del dedo 4, ocurrida hacia el origen de los dinosaurios tetanuros, "C" en la figura de abajo. A es Alligator, B es un dinosaurio temprano Coelophysis.

Tomado de Vargas y Wagner 2009

Hubo quienes rechazaron esta hipótesis ya que implicaba un cambio que no tenía ninguna "ventaja adaptativa"... 

Pese a desarrollarse a partir del primordio del dedo 2, el dedo anterior del ala tiene la morfología bifalangeal que es propia al dedo 1 de amniotos. Se ha demostrado además que en este dedo no hay transcriptos de los genes HoxD-11 y HoxD-12, tal como se observa sólo en el dedo 1 de la mano del ratón. También en crocodilia el dedo 1 carece de transcriptos de HoxD-11. Esto sugiere que el dedo anterior del ala  es un dedo 1.  Esta correspondencia de la transcripción de estos genes con el desarrollo de un dedo 1 bifalangeal se mantiene bajo una variedad de alteraciones moleculares-genéticas en ratón y pollo (amniotos máximamente distantes).

Ahora, un artículo en Evolution & Development ha demostrado que, por medio de la aplicación de cyclopamina en el ala del pollo, es posible producir de manera experimental un desplazamiento homeótico bastante similar al que se había inferido previamente para la evolución: dedos que normalmente se desarrollan de los primordios  2 y 3 ahora se desarrollan de los primordios 3 y 4. Esto es interesante porque antes sólo se habían obtenido de manera experimental transformaciones de dedos únicos, pero no así desplazamientos en serie de más de un dedo.  También es muy interesante que el primordio del dedo 2, al quedar vacante, se desarrolla como una condensacion vestigial, tal como se había inferido para la evolución de las aves. 

Fenotipo normal

Tratado con Cyclopamina, indicando condensación vestigial

 

Close-up de la condensación vestigial 

Referencia:

Vargas, AO y Wagner, GP. 2009. Frame-shifts of digit identity in bird evolution and Cyclopamine-treated wings. Evolution & Development 11(2): 163-9

Paedomorphosis vs Adaptacionismo

Muchos habrán escuchado sobre uno de los rasgos más llamativos que presenta la paedomorphosis en la evolución de los seres humanos; si observamos un feto de 7 meses del chimpancé, vemos que presenta una distribución del pelaje como la de un ser humano, con el pelo concentrado sobre la cabeza. La verdad es que había escuchado este dato e incluso había visto un dibujo de la cabeza pero la verdad es que no existe reemplazo para una foto. Finalmente he encontrado una en la web, que originalmente fue publicada en el libro "The life of primates" de Adolph Schultz, (1969). Esto me ha permitido salir de algunas dudas. Puntualmente, hay pelo en la barbilla y los labios, como en el adulto humano; sin embargo, a diferencia del adulto humano, no hay pelo sobre los genitales. Aún me queda la pregunta de si hay pelo o no bajo los brazos. Otra novedad es que se observan cejas muy claramente demarcadas, que luego desaparecerán completamente (ver imagen a la izquierda). Notable!
Es curioso que, pese a que este dato se conoce desde hace ya bastante tiempo, aún se discuten diferentes hipótesis adaptacionistas para explicar la concentración del pelo sobre la cabeza del ser humano; la más popular es que esto evolucionó por selección para correr bajo el sol por largas distancias, lo cual, supuestamnete, le permitiría tener un cuerpo "refrescado" a la vez que se protegía al maratonista de la Sabana de la intensidad de los rayos del sol. Otras explicaciones citaban una supuesta menor vulnerabilidad a los parásitos, con selección sexual para explicar la permanencia del pelo sólo en la cabeza. Ninguna de estas hipóestis parece enterarse del hecho de que esta distribución se originó en la etapa fetal, donde claramente ninguno de estos factores fue relevante. Lo más gracioso es que, al confrontar a los adaptacionistas con este hecho (en discusiones en los blogs), tristemente no logran concederle ninguna relevancia; es una mera "coincidencia". No hay mejor ejemplo de cómo la ideología produce una cínica miopia intelectual incluso con los datos más evidentes. Hay quienes no se enterarían de la realidad aún si ésta les vomitase en los zapatos.

It's the SAME cell environment, stupid

A recent commentary in Science titled "It's the sequence, stupid" describes the conclusions of an experiment published within the journal's latest issue. Framed as a supposed slap in the face to epigenetics, the experiment describes what happens with some indicators of "gene expression" of human chromosome 21 in mouse hepatocytes; that is, human c21 has been incorporated into the genome of an experimental line of mice. They find that things such as the binding site of several transcription factors, and the general levels of transcription on the chromosome, are for the most (but not entirely) the same as in human hepatocytes. Their conclusion? The sequence of the human C21, rather than the epigenetic cell environment, is mostly responsible for "regulation" of its own expression. Hence, "It's the sequence, stupid".
But, is it? It is well-known that all cells within the body contain the same sequence, but express very differently in different cell types, because of the different cell environments. It is interesting that the people at Science managed to wash this fact out of their brains, since it directly refutes that expression is determined in the sequence. Further, their conclusion is simply not logical because they are comparing cells with the exact same cell phenotype. The image shows micrographies from two liver sections; one is from mouse, the other is from human. Can anyone tell me which is which? The fact is, at the cell-histological level, most homologous tissues of mouse and human are undistinguishable.
Don't expect virtually identical cells to produce great differences in the expression of the same sequence just because you are comparing them in different species. Expect them to produce virtually identical gene expression. As simple as that.

Refs:
Wilson, M.D., Barbosa-Morais, N.L., Schmidt, D., Conboy, C.M., Vanes, L., Tybulewicz, V.L.J. Fisher, E.M.C., Tavaré, S., and Odom. D.T. 2008 Species-Specific Transcription in Mice Carrying Human Chromosome 21. Science 322: 434-438

Coller HA, Kruglyak L. 2008 Genetics.It's the sequence, stupid! Science. 322:380-1.

UPDATE

Check out this site on hepatocyte histology
Left is pig; right is raccoon
Phenotypic plasticity: This is mouse, fasted and glycogen-enriched
And of course, human (from another site):

Advertencias de Darwin sobre selección natural

The Origin of Species by Means of Natural Selection Or, The Preservation of Favoured Races in the Struggle for Life By Charles Darwin: "If green woodpeckers alone had existed and we did not know that there were many black and pied kinds I dare say that we should have thought that the green colour was a beautiful adaptation to conceal this tree frequenting bird from its enemies and consequently that it was a character of importance and had been acquired through natural selection. As it is the colour is probably in chief part due to sexual selection. A trailing palm in the Malay Archipelago climbs the loftiest trees by the aid of exquisitely constructed hooks clustered around the ends of the branches and this contrivance no doubt is of the highest service to the plant but as we see nearly similar hooks on many trees which are not climbers and which as there is reason to believe from the distribution of the thorn bearing species in Africa and South America serve as a defence against browsing quadrupeds so the spikes on the palm may at first have been developed for this object and subsequently have been improved and taken advantage of by the plant as it underwent further modification and became a climber. The naked skinhead of a vulture is generally considered as a direct adaptation for wallowing in putridity and so it may be or it may possibly be due to the direct action of putrid matter. But we should be very cautious in drawing any such inference when we see that the skin on the head of the clean feeding male Turkey is likewise naked. The sutures in the skulls of young mammals have been advanced as a beautiful adaptation for aiding parturition and no doubt they facilitate or may be indispensable for this act but as sutures occur in the skulls of young birds and reptiles which have only to escape from a broken egg we may infer that this structure has arisen from the laws of growth and has been taken advantage of in the parturition of the higher animals""

Fisiologia (Cardíaca) Desenvolvimental II

O artigo citado por Gustavo em um post anterior mostrava um elegante experimento de Waddingon. Waddinton sacou o coração de embriões de galinha em um estágio em que estes eram capazes de sobreviver e se desenvolver sem a o coração. Uma das consequências morfogenéticas da ausência do coração foi a perda do dobramento cefálico característico de aminiotas. O artigo de Waddington foi citado, surpreendentemente, apenas dez vezes. Uma das citações - "Correlation between the embryonic head flexures and cardiac development (1993)"- de Manner et al., fez o experimento ao revés. Impediu o dobramento da cabeça colocando um pêlo dentro do tubo neural (Figuras 1 e 2). O resultado: mal formação cardíaca.

The aim of the present study is to examine whether the formation of the cranial and cervical flexures is involved in the process of cardiac looping, and whether looping anomalies are causally involved in the development of cardiac malformations. For this purpose, the formation of the cranial and cervical flexures was experimentally suppressed in chick embryos by introducing a straight human hair into the neural tube. In the experimental embryos, the absence of the cervical flexure, alone or in combination with a reduced cranial flexure, was always associated with anomalies in the looping of the tubular heart.





Os autores, intrigados, discutem:

These results are in accord with the hypothesis that certain positional and morphological changes of the embryonic heart loop are caused by the formation of the head flexures (His 1881 ; Patten 1922). However, we must concede that there are experimental findings published by Waddington (1937) and Flynn et al. (1991) which seemingly support a totally different hypothesis, namely that the curvature of the cervical region is caused by the positional changes of the heart loop. Our results do not give direct information as to which of the two correlated processes - embryonic flexures and cardiac looping - is the cause and which is the effect.

A dúvida dos autores surge desde um ponto de vista mecanicista dos seres vivos. No entanto, o coração contribui para a dobramento da cabeça e o dobramento da cabeça contribui para a formação do coração. Organismos possuem uma organização circular que os diferencia de máquinas. Como diria um velho filósofo alemão: "Organismos são seres em que as partes são meio e fim". Ou:

Fisiologia (Cardíaca) Desenvolvimental

Um dos maiores problemas da biologia pré-formacionista e adultocêntrica é o desprezo óbvio pela história. Foca-se nos genes do ovo e então se pula direto para se mirar dois adultos competindo por sexo e comida. Bom, esse hiato que nos esconde a história do organismo, um ponto cego na biologia neo-Darwinista, é justamente um dos pontos de interesse de Teorias realmente epigenéticas, como a Deriva Natural.

Curiosamente, ao ser pré-formacionista e adultocêntrica, esta biologia é também finalista. Por esta razão, mesmo no momento em que o desenvolvimento retorna a ser uma disciplina relevante para a Biologia, vemos também surgir o Bad e o Ugly (termos colocados pelo Vargas em outro post), enquanto a história continua ausente do foco no mainstream. E nesta developmental fashion week, continua-se a mirar um embrião como um adulto incompleto, como um simples trânsito para o estágio final – finalismo velado!

Lembro-me que quando o Mpodozis esteve aqui em Florianópolis ele comentou que deveríamos entender um fígado embrionário no contexto da dinâmica do embrião, e não pensando no que ele deverá estar fazendo enquanto um fígado no animal adulto. Por este motivo, me agradou muito encontrar esse artigo que fala de uma “Fisiologia cardíaca desenvolvimental” – termo criado pelo autor, que explicita sua preocupação em compreender o que faz o coração no embrião, no contexto do desenvolvimento, não como um órgão se preparando para bombear sangue no futuro! Isso é muito relevante, pois quase todas as descrições do desenvolvimento cardíaco têm esse viés de explicar a formação de um órgão para bombear sangue. É explicação baseada nas expectativas do observador, que remete ao futuro, e que desreipeita uma lógica de construção histórica.

Agora falando de fato sobre o assunto, vejam vocês, que curioso: nos períodos mais iniciais do desenvolvimento embrionário, o embrião realiza suas trocas gasosas através de uma simples difusão; até que a partir de um certo tamanho isso não é mais possível e então se observa que há ali agora uma circulação sanguínea e um coração batendo! Então isso basta para se dizer que o coração surgiu para manter a oxigenação. Mas vejam neste gráfico. Ao contrário do que se esperava desde uma perspectiva funcionalista (painel superior da figura), o coração começa a bater ANTES do embrião atingir esse tamanho que impossibilita a difusão (figura do painel inferior).

Quer dizer, nos períodos iniciais está lá o animalzinho fazendo difusão e batendo seu coração... Tira-se fora o coração aí e o que se passa? O embrião continua vivendo e oxigenando seus tecidos. O coração surge num contexto independente desta função de nutrição de oxigênio. Não surge para realizar esta função, que atribuímos ao coração no adulto. O que faz o coração aí? Para entender isso, precisamos entender seu contexto de relações e sua história, não sua finalidade (sua função), por isso a explicação funcionalista não nos serve.

Então encontrei este elegante manuscrito de Waddington (1937): “THE DEPENDENCE OF HEAD CURVATURE ON THE DEVELOPMENT OF THE HEART IN THE CHICK EMBRYO”, em que ele remove o coração do embrião para observar as conseqüências disso no resto desenvolvimento. Os principais achados dele eu reproduzo aqui:

"1. The heart was removed from chick embryos of seven to twelve somites, and the embryos cultivated in vitro. The operation abolished the normal twisting of the anterior part of the embryo on to its left side and the general bending of the brain region into an arc. These two processes therefore seem to be dependent on the normal development of the heart.

2. The embryos showed a bending of the forebrain relative to the midbrain, which is therefore independent of the development of the heart.

3. The embryonic blood system, including the aortic arches, developed normally in many cases, but the blood vessels became enormously dilated.

4. The lateral evaginations of the foregut and the visceral arch mesenchyme underwent the first stages of differentiation in atypical positions, seemingly independently of each other or of any other structures

."


Enfim, compartilho com vocês este raro momento em que se mira a construção de um órgão sem se preocupar com a sua finalidade, sem vê-lo como um trânsito para sua futura função.

Abraços,
Gustavo


Referencias

Burggren, W., Crossley, D. A. Comparative cardiovascular development: improving the conceptual framework. Comparative Biochemistry and Physiology - Part A: Molecular & Integrative Physiology. Volume 132, Issue 4, August 2002, Pages 661-674.

Waddington C_1937.The dependence of head curvature on the development of the heart in the chick embryo. J Exp Biol
14:229]231