Distant mammal ancestors such as Dimetrodon (right) had three spine regions; a mouse (left) has five.
K. JONES ET AL., SCIENCE, 361, 6408 (2018)
A evolução da coluna alimentou a ascensão de mamíferos - e problemas nas costas humanas
Corra, suba, respire profundamente. Você pode não conectar essas habilidades ao seu backbone. De fato, os mamíferos devem muitas de suas capacidades à complexa estrutura de sua coluna, que possui cinco regiões distintas, cada uma livre para adotar funções especializadas. Na edição desta semana da Science, a paleontóloga de vertebrados da Universidade de Harvard, Stephanie Pierce, e o pós-doutorado Katrina Jones relatam uma investigação de fósseis da madrugada de mamíferos que mostra como a evolução construiu nossa espinha versátil.
"Esta é uma análise importante", diz Richard Blob, biomecânico da Universidade de Clemson, na Carolina do Sul. "Ele está lidando com um problema fundamental: as origens da construção de animais." E isso mostra como os mamíferos acabaram com uma espinha dorsal que "pode evoluir em pedaços e responder a diferentes pressões seletivas em diferentes locais ao longo da coluna", diz Emily Buchholtz, paleontóloga de vertebrados no Wellesley College, em Massachusetts.
Os biólogos há muito tempo reconhecem regiões distintas na coluna dos mamíferos com base em suas vértebras. Por exemplo, pequenas vértebras cervicais compõem o pescoço, vértebras torácicas suportam as costelas e sustentam o tórax, e as vértebras lombares, sem nervuras, trazem a parte de trás. Em contraste, répteis e anfíbios têm backbones muito uniformes. "Todas as suas vértebras estão essencialmente fazendo a mesma coisa", diz Pierce. Ela e outros assumiram que uma espinha regionalizada era exclusiva dos mamíferos.
Mas, em 2015, uma análise estatística sofisticada de uma espinha de cobra e uma olhada nos programas genéticos que controlam seu desenvolvimento indicaram que esse backbone também possui regiões definidas de maneira muito sutil. "O trabalho mostrou que as regiões poderiam ser distintas mesmo que não fossem tão diferentes quanto nos mamíferos", diz Christian Kammerer, paleontólogo do Museu de Ciências Naturais da Carolina do Norte, em Raleigh. A descoberta sugere que uma coluna vertebral regionalizada evoluiu cedo na história dos animais terrestres, mesmo antes da divergência de mamíferos e répteis.
Para investigar suas origens, Pierce, Jones e seus colegas vasculharam os museus em busca de fósseis com backbones completos. Em última análise, analisaram espinhos de 16 sinapsídeos, criaturas que viveram de 200 a 300 milhões de anos atrás e incluem predecessores distantes e imediatos de mamíferos. Eles usaram a tomografia computadorizada para obter imagens de alta resolução e trabalharam com o paleontólogo David Polly, da Universidade de Indiana, em Bloomington, para medir com precisão as formas das vértebras e avaliar a regionalização dentro de cada animal.
A análise revelou uma adição gradual de regiões. Antepassados mais distantes de mamíferos, como Dimetrodon, um grande sinapsídeo reptilelike com uma vela gigante nas costas, tinham três regiões, designadas cervical, anterior dorsal e posterior dorsal. Os terapsídeos, criaturas que apenas precederam os mamíferos, tinham uma quarta região, o peitoral. Uma quinta região, a lombar, apareceu depois que surgiram os primeiros mamíferos que põem ovos e é encontrada hoje em mamíferos placentários e marsupiais.
O trabalho também apontou para fatores que impulsionam o surgimento dessas regiões distintas. A região peitoral, por exemplo, apareceu nos terapsídeos à medida que eles evoluíam para membros anteriores mais longos, posicionados sob o corpo, em vez de se estenderem para os lados. (Pense nas pernas de um cachorro em comparação com as de um lagarto.) As mudanças nos membros exigiriam mudanças na cintura escapular e nas vértebras que a sustentavam, resultando em uma região distinta da coluna logo atrás do pescoço. O mesmo conjunto de mudanças também liberou alguns músculos do ombro para evoluir para um diafragma muscular, o que melhorou a respiração e permitiu que os mamíferos tivessem uma taxa metabólica mais alta, diz Buchholtz.
Com o tempo, o desacoplamento posterior levou à espinha modular vista nos mamíferos hoje, na qual as vértebras individuais podem mudar sem comprometer a função de toda a coluna. Como resultado, diferentes regiões podem "assumir novas formas e funções, para que possam se adaptar a diferentes ambientes", diz Pierce. Talvez a parte mais variável da coluna tenha sido a última a emergir: a região lombar, que interage com a pelve e com os membros posteriores.
A família dos felinos ilustra os benefícios da liberdade evolutiva da região. Todos os gatos parecem, bem, felinos, mas os leões tendem a manter os pés no chão e caçar presas grandes, enquanto os leopardos nublados vivem em árvores, saltam em suas pedreiras e as chitas perseguem os antílopes em alta velocidade. Os paleontólogos Marcela Randau e Anjali Goswami, do Museu de História Natural de Londres, fizeram análises 3D de 109 esqueletos de gatos representando espécies com várias estratégias de caça e vida. Eles compararam as vértebras dentro de cada espécie e entre as espécies, assim como os membros, ombros, pelve e crânios.
Em todos esses gatos, a maior parte da coluna parece semelhante. Suas regiões lombares se diversificaram, no entanto, sugerindo que essa região evoluiu independentemente do resto da coluna e do esqueleto, disse Randau no mês passado no segundo Congresso Conjunto sobre Biologia Evolutiva, em Montpellier, na França. O tamanho e a forma das vértebras lombares variam dependendo do que o gato faz melhor.
"É a região lombar que realmente permite que os mamíferos façam todo tipo de coisas diferentes", diz Pierce. No lado negativo, as partes mais recentes das costas - a região lombar em particular - também são a fonte da maioria das dores nas costas, diz Pierce, de modo que "talvez também devamos nossos ancestrais por terem complicações nas costas".
doi:10.1126/science.aav4787
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