Já viu como nada um golfinho? Decerto já se questionou porque estes ondulam o corpo para cima e para baixo, em vez de um lado para o outro como fazem os peixes
Embora tenham o corpo semelhante ao dos peixes, os cetáceos — grupo que inclui baleias, golfinhos e botos —, são mamíferos que descendem de antepassados terrestres — tal como os gatos, cães, ratos, elefantes, vacas e humanos!
No entanto, ao contrário dos seus parentes terrestres, os cetáceos passaram por mudanças profundas na sua estrutura corporal e esquelética para sobreviver em ambientes aquáticos; incluindo a redução dos membros traseiros e a evolução de nadadeiras e nadadeiras caudais, resultando num corpo aerodinâmico. Apesar dessas adaptações, os cetáceos mantêm características essenciais das suas origens terrestres, como pulmões e a capacidade de amamentar os seus filhos com leite. E, quanto a esses movimentos ondulantes, eles também mantiveram os movimentos verticais semelhantes aos que permitem os mamíferos terrestres correrem rápido. Mas o mistério permanece; e a pergunta surge: como é que a transição da terra para a água, aproximadamente há 53 milhões de anos, impactou a construção e a função da sua coluna vertebral, um elemento central do esqueleto?
Agora, num novo estudo publicado na Nature Communications, uma equipa internacional de investigadores esclareceu como as suas colunas vertebrais foram reorganizadas à medida que os seus antepassados se iam adaptando à vida na água. Descobriram que, ao contrário das suposições anteriores, a coluna vertebral dos cetáceos tem várias regiões, apesar de ser mais homogênea ao longo do seu comprimento, mas é esse facto que a faz ser drasticamente diferente dos mamíferos terrestres.
“Quando os seus antepassados voltaram para a água, as baleias e os golfinhos perderam as patas traseiras e desenvolveram um corpo semelhante ao de um peixe”, explicou a autora principal, Amandine Gillet, bolsista Marie Curie no Departamento de Biologia Organísmica e Evolutiva de Harvard e no Departamento de Ciências da Terra e Ambientais da Universidade de Manchester, Reino Unido. “Mas essa mudança morfológica também significa que a coluna vertebral agora é a parte principal do esqueleto que impulsiona a locomoção num ambiente aquático.”
A coluna vertebral dos mamíferos terrestres que se movem em terra fornece suporte para ajudar as pernas a carregar o peso do corpo. Quando os cetáceos fizeram a transição da terra para a água, as forças da gravidade mudaram do ar para a água flutuante, libertando a pressão de suportar o peso do corpo. A nova estrutura corporal e os movimentos necessários para se deslocar na água fizeram com que a coluna vertebral desses animais se ajustasse para se adaptar ao seu novo ambiente.
Estudos anteriores analisaram a coluna vertebral sob uma perspetiva morfológica, observando as mudanças na morfologia das vértebras. Num artigo de 2018, publicado na revista Science, as co-autoras Stephanie Pierce e Katrina Jones exploraram a complexa história evolutiva da coluna vertebral dos mamíferos, utilizando um novo método estatístico desenvolvido pela primeira vez para estudar a coluna vertebral das cobras. Reviram o modelo para adequá-lo ao seu estudo, permitindo-lhes demonstrar que a coluna vertebral dos mamíferos terrestres é caracterizada por numerosas regiões distintas em comparação com anfíbios e répteis.
“É um desafio entender como as regiões de um mamífero terrestre podem ser encontradas em baleias e golfinhos, e uma das razões é que sua coluna vertebral tem uma aparência muito diferente em termos de morfologia, mesmo que tenham evoluído a partir deles”, disse Pierce, Professor de Biologia Orgânica e Evolutiva em Harvard e autor sénior do estudo. “Eles perderam o sacro, uma sequência fundida de vértebras que sustenta as patas traseiras e um marco crítico necessário para distinguir a cauda do resto do corpo.”
As vértebras dos cetáceos são ainda mais complexas, pois tornaram-se mais homogéneas nas suas características anatómicas. Assim, a transição de uma vértebra para outra é gradual em comparação com as transições extremas encontradas em mamíferos terrestres, tornando mais difícil a identificação das regiões.
“Não só têm vértebras muito semelhantes, mas certas espécies, em particular as toninhas e os golfinhos, têm muitas mais vértebras do que os mamíferos terrestres, com algumas espécies possuindo perto de 100 vértebras”, disse Jones, Fellow Presidencial no Departamento de Ciências da Terra e Ambientais da Universidade de Manchester, Reino Unido. “Isso torna realmente desafiador traduzir as regiões encontradas em mamíferos terrestres para as colunas vertebrais em baleias e golfinhos.”
Métodos estatísticos tradicionais usados para identificar padrões de regionalização exigem o mesmo número exato de elementos entre os espécimes. O método estatístico que Pierce e Jones implementaram (chamado de Regiões) permitiu que superassem esse problema ao analisar a espinha dorsal de cada espécime individualmente. Embora o método tenha funcionado bem para a coluna vertebral restrita dos mamíferos terrestres, mostrou-se desafiador do ponto de vista tecnológico devido ao alto número de vértebras nos cetáceos. Gillet colaborou com a equipa de Serviços de Ciência de Dados do Instituto de Ciências Sociais Quantitativas de Harvard para reescrever o código, permitindo que o programa obtivesse resultados em questão de minutos.
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Teste num laptop.
Os investigadores partilharam o novo programa, chamado MorphoRegions, colocando-o disponível para a comunidade científica como um pacote de software computacional em R. “Este é definitivamente um dos maiores avanços do nosso estudo,” disse Pierce. “Amandine passou meses a afinar o programa para que este pudesse analisar um sistema de unidades de alta repetição sem travar o computador.” Gillet aplicou o método MorphoRegions aos dados que havia recolhido anteriormente durante seu trabalho de doutoramento. Visitou seis museus na Europa, África do Sul e EUA, e colecionou dados morfológicos de 139 espécimes de 62 espécies de cetáceos, dois terços das quase 90 espécies vivas. No total, Gillet mediu 7500 vértebras e depois submeteu todos os dados ao processo analítico.
“A nossa grande base de dados permitiu-nos demonstrar que não é apenas a organização da coluna vertebral dos cetáceos que difere dos mamíferos terrestres, mas também que os padrões variam entre os cetáceos, já que identificamos entre seis e nove regiões dependendo da espécie”, disse Gillet. “A partir daí, trabalhamos para encontrar semelhanças entre as regiões e identificamos um padrão comum a todos os cetáceos, que é resumido pela nossa Hipótese das Regiões Aninhadas.”
A hipótese proposta pela equipa introduz uma organização hierárquica da coluna vertebral, na qual um segmento pré-caudal e um segmento caudal são inicialmente identificados. Os dois segmentos são então divididos em vários módulos comuns a todos os cetáceos: cervical, torácico anterior, toraco-lombar, lombar posterior, caudal, pedúnculo e nadadeira. Em seguida, dependendo da espécie, cada módulo é subdividido de uma a quatro regiões, com um mínimo de seis e um máximo de nove regiões pós-cervicais ao longo da coluna vertebral.
“Surpreendentemente, isso mostrou-nos que, em comparação com os mamíferos terrestres, o segmento pré-caudal possui menos regiões, enquanto a área caudal tem mais,” disse Pierce. “Os mamíferos terrestres usam as suas caudas para uma variedade de funções diferentes, mas geralmente não é para gerar forças propulsivas, como os cetáceos fazem.”
“Com base em estudos anteriores, sabemos que as baleias, golfinhos e marsuínos não nadam exatamente da mesma forma,” disse Gillet, “uma espécie pode precisar nadar devagar, mas com mais manobrabilidade para capturar presas, ou porque vive em um ambiente raso com muitos obstáculos.” Outras espécies que vivem no oceano aberto podem precisar de ser capazes de ir mais rápido em linha reta sem exigir muita flexibilidade corporal.
Então, a equipa explorou como as regiões na espinha dorsal se correlacionam com o habitat e a velocidade de natação. Descobriram que as espécies que vivem em alto-mar, mais longe da costa, têm mais vértebras, mais regiões e maior velocidade a nadar em explosão. Espécies que vivem em rios e baías, mais próximas da costa, têm menos vértebras e menos regiões, mas suas regiões são mais distintas entre si, o que pode proporcionar-lhes maior manobrabilidade.
“É um belo estudo,” disse Pierce. “Passamos de esqueletos empoeirados num museu para mostrar como a espinha dorsal de um dos grupos de mamíferos mais carismáticos foi reconfigurada devido ao seu ambiente aquático. E podemos relacionar isso diretamente ao habitat e ao desempenho de natação em animais vivos.”
Com uma melhor compreensão da organização da coluna vertebral dos cetáceos, os pesquisadores planeiam, a seguir, entender como essas regiões morfológicas se correlacionam com a função, utilizando dados experimentais sobre a flexibilidade da coluna vertebral recolhidos em laboratório. Esses dados sobre táxons modernos devem permitir inferir as habilidades de natação das baleias fósseis e ajudar a entender como a coluna vertebral passou de uma estrutura que suportava peso em terra para um órgão gerador de propulsão na água.
