El sistema sensorial en las aletas de los peces evoluciona en paralelo a la forma y la mecánica de las aletas, y está específicamente ajustado para trabajar con el comportamiento de natación de los peces, según una nueva investigación de la Universidad de Chicago. Los investigadores encontraron estos paralelos en una amplia gama de pecesespecies, lo que sugiere que también puede ocurrir en otros animales.
El estudio, publicado el 10 de abril de 2017 en el Actas de la Academia Nacional de Ciencias , medidas combinadas de la forma de la aleta de cientos de especímenes de la familia Labridae con propiedades mecánicas de la aleta y respuestas neuronales registradas de ocho especies diferentes de Labrid, comúnmente conocidas como wrasses. Estas medidas fueron mapeadas en un árbol evolutivo de 340 wrasses para determinar cómoLas propiedades mecánicas y el sistema nervioso de las aletas evolucionaron con el tiempo.
"A medida que las aletas pectorales desarrollan diferentes formas, comportamientos y propiedades mecánicas, hemos demostrado que el sistema sensorial también está evolucionando con ellas", dijo Brett Aiello, un estudiante de doctorado en el Departamento de Biología y Anatomía Organismal, y el líderautor del estudio "Esto permite que el sistema sensorial se sintonice con los diferentes estímulos relevantes para los comportamientos locomotores y la mecánica de las aletas de diferentes especies".
Cuando los animales usan apéndices para moverse, confían en la retroalimentación sensorial de esas extremidades para controlar el movimiento. Los nervios en las aletas pectorales de los peces detectan la posición de los rayos de las aletas y cuánto se doblan a medida que se mueven a través del agua, lo que ayuda a los pecesvelocidad de detección y la posición relativa de sus aletas.
La forma de la aleta también afecta la forma en que se moverán los peces. Los científicos usan un número llamado relación de aspecto AR para medir esta forma. AR alta significa que la aleta es larga y estrecha, o más parecida a un ala; AR baja significa quela aleta es ancha o redonda, y más parecida a una paleta.Las aletas con aletas AR altas, en forma de ala, las agitan para maximizar la eficiencia y el empuje a medida que se impulsan hacia adelante, mientras que las aletas más anchas, bajas en AR, similares a las paletas usan movimientos de remomaniobrar cerca de los fondos de arrecifes.
Aiello y sus colegas recolectaron mediciones de la relación de aspecto de las aletas de cientos de especies Labrid en el Field Museum, y combinaron esos datos con una filogenia genética de 340 Labrids desarrollado por Mark Westneat, PhD, profesor de Biología y Anatomía Organismal y coautor deEl estudio usó el ADN de peces vivos y construyó un árbol genealógico de relaciones entre estas especies, rastreando cómo evolucionaron a través del tiempo. Luego, los investigadores mapearon la forma de las aletas de cada especie en la filogenia, permitiéndoles rastrear la evolución de las aletas desde sus ancestros.estado a especies vivas. La reconstrucción del estado ancestral reveló patrones de evolución convergente, con aletas AR altas que se originan independientemente al menos 22 veces.
Con esta historia de evolución de las aletas en su lugar, los investigadores también probaron las propiedades mecánicas y la sensibilidad del sistema sensorial en las aletas pectorales de cuatro pares de especies Labrid estrechamente relacionadas, una con aletas AR bajas y otra con aletas AR altas evolucionadas independientemente.el equipo probó la respuesta sensorial midiendo la respuesta neural de los nervios de las aletas pectorales cuando doblaban la aleta, y luego repitió el proceso, doblando las aletas una cantidad diferente cada vez.
Lo que encontraron dio más pistas sobre la utilidad de cada tipo de aleta. Las aletas AR bajas, parecidas a paletas, tendían a ser más flexibles, y las aletas AR altas eran más rígidas o rígidas. Pero el sistema sensorial del ala ...por ejemplo, las aletas AR altas también eran más sensibles, lo que significa que las aletas respondían mejor a una menor magnitud de flexión. Aiello dijo que cree que un sistema nervioso más sensible evolucionó en las aletas AR altas porque necesitaba ser más sensible a movimientos más pequeños.los peces usan estas aletas rígidas y menos flexibles para nadar.
El trabajo es producto de la colaboración entre disciplinas, un sello distintivo del programa de Biología y Anatomía Organismal en UChicago. El estudio PNAS resultante podría haber sido tres documentos separados: la investigación de archivo de especímenes del Field Museum, la filogenia genética yEl estudio neurobiológico de las especies vivas.
"La colaboración entre científicos con diferentes perspectivas y experiencia puede llevar la investigación en direcciones completamente nuevas", dijo Melina Hale, profesora William Rainey Harper de Biología y Anatomía Organismal y autora principal del estudio ". También es muy divertido porqueaprendemos sobre los campos de los demás. Para los experimentadores, como nosotros, trabajar con colegas y colecciones de historia natural en el Field Museum ha sido particularmente importante ya que aportan ideas clave sobre la evolución y la biodiversidad ".
Además de darles a los biólogos una mejor comprensión de cómo los peces han optimizado su mecánica de natación, los resultados del estudio también podrían ser útiles para los ingenieros que desarrollan vehículos autónomos submarinos. Los sistemas de propulsión de estos dispositivos deben ser eficientes y receptivos, y existental vez no haya mejores diseños para copiar que los perfeccionados a través de la evolución durante millones de años.
"Muchos de los problemas que enfrentan los ingenieros son similares al tipo de cosas para las que los animales ya han desarrollado soluciones a lo largo del tiempo", dijo Aiello. "Si comenzamos a mirar más hacia la tecnología bioinspirada e incorporamos algunos de loscosas que vemos en la naturaleza en nuestros dispositivos diseñados, creo que ayudará a avanzar y resolver algunos de estos problemas más rápidamente ".
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Materiales proporcionados por Centro médico de la Universidad de Chicago . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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