Evolución de las aves

Cómo los dinosaurios se encogieron y se convirtieron en pájaros

Las aves modernas parecieron surgir en un instante del tiempo evolutivo. Pero una nueva investigación ilumina la larga serie de cambios evolutivos que hicieron posible la transformación.

A medida que los dinosaurios se transformaron en pájaros, se redujeron drásticamente y adoptaron una forma de cráneo más parecida a la de un bebé. De izquierda a derecha: Velociraptor, un dinosaurio de la clase que dio origen a las aves; Archaeopteryx,

Las aves modernas descienden de un grupo de dinosaurios de dos patas conocidos como terópodos, cuyos miembros incluyen al imponente Tyrannosaurus rex y a los velociraptores más pequeños. Los terópodos más estrechamente relacionados con las aves generalmente pesaban entre 100 y 500 libras, gigantes en comparación con la mayoría de las aves modernas, y tenían hocicos grandes, dientes grandes y poco entre las orejas. Un velociraptor, por ejemplo, tenía un cráneo como el de un coyote y un cerebro aproximadamente del tamaño de una paloma.

Durante décadas, el único vínculo fósil de los paleontólogos entre las aves y los dinosaurios fue el archaeopteryx, una criatura híbrida con alas emplumadas pero con los dientes y la cola larga y huesuda de un dinosaurio. Estos animales parecían haber adquirido sus características de pájaro (plumas, alas y vuelo) en solo 10 millones de años, un mero destello en el tiempo evolutivo. “El Archaeopteryx pareció emerger completamente desarrollado con las características de las aves modernas”, dijo Michael Benton , paleontólogo de la Universidad de Bristol en Inglaterra.

Para explicar esta milagrosa metamorfosis, los científicos evocaron una teoría a la que a menudo se hace referencia como «monstruos esperanzados». Según esta idea, los grandes saltos evolutivos requieren cambios genéticos a gran escala que sean cualitativamente diferentes de las modificaciones rutinarias dentro de una especie. Según la historia, solo esas alteraciones sustanciales en una escala de tiempo corta podrían explicar la transformación repentina de un terópodo de 300 libras al pájaro prehistórico del tamaño de un gorrión, Iberomesornis .

El antiguo archaeopteryx (izquierda) tiene hocico y dientes, como dinosaurios. 

Pero se ha vuelto cada vez más claro que la historia de cómo los dinosaurios engendraron pájaros es mucho más sutil. Los descubrimientos han demostrado que las características específicas de las aves, como las plumas, comenzaron a surgir mucho antes de la evolución de las aves, lo que indica que las aves simplemente adaptaron una serie de características preexistentes a un nuevo uso. Y una investigación reciente sugiere que algunos cambios simples, entre ellos la adopción de una forma de cráneo más parecida a la de un bebé en la edad adulta, probablemente desempeñaron un papel esencial en el impulso final hacia la capucha de pájaro. Las aves no solo son mucho más pequeñas que sus ancestros dinosaurios, sino que se parecen mucho a los embriones de dinosaurios. Adaptaciones como estas pueden haber allanado el camino para las características distintivas de las aves modernas, a saber, su capacidad para volar y sus picos notablemente ágiles. El trabajo demuestra cómo enormes cambios evolutivos pueden resultar de una serie de pequeños pasos evolutivos.

Un salto fantasma

En la década de 1990, una afluencia de nuevos fósiles de dinosaurios de China reveló una ligera sorpresa. Aunque muchos de estos fósiles carecían de alas, tenían una panoplia de plumaje, desde cerdas difusas hasta púas completamente articuladas. El descubrimiento de estas nuevas especies intermediarias, que llenaron el registro fósil irregular, provocó un cambio en la forma en que los paleontólogos concibieron la transición de dinosaurio a ave. Las plumas, una vez consideradas exclusivas de las aves, deben haber evolucionado en los dinosaurios mucho antes de que se desarrollaran las aves.

Los nuevos análisis sofisticados de estos fósiles, que rastrean los cambios estructurales y mapean cómo los especímenes se relacionan entre sí, respaldan la idea de que las características de las aves evolucionaron durante largos períodos de tiempo. En una investigación publicada en Current Biology el otoño pasado, Stephen Brusatte, un paleontólogo de la Universidad de Edimburgo en Escocia, y sus colaboradores examinaron fósiles de celurosaurios, el subgrupo de terópodos que producen archaeopteryx y aves modernas. Hicieron un seguimiento de los cambios en una serie de propiedades esqueléticas a lo largo del tiempo y encontraron que no había un gran salto que distinguiera a las aves de otros celurosaurios.

Arkhat Abzhanov, biólogo de la Universidad de Harvard, con un esqueleto parcial de un Deinonychus,

“Un ave no solo evolucionó de un T. rex de la noche a la mañana, sino que las características clásicas de las aves evolucionaron una a una; primero locomoción bípeda, luego plumas, luego una espoleta, luego plumas más complejas que parecen plumas de pluma, luego alas ”, dijo Brusatte. «El resultado final es una transición relativamente fluida entre los dinosaurios y las aves, tanto que no se puede simplemente trazar una línea divisoria entre estos dos grupos».

Sin embargo, una vez que esas características aviarias estuvieron en su lugar, las aves despegaron. El estudio de Brusatte sobre celurosaurios encontró que una vez que emergieron el archaeopteryx y otras aves antiguas, comenzaron a evolucionar mucho más rápidamente que otros dinosaurios. La esperanzadora teoría del monstruo lo tenía casi exactamente al revés: un estallido de la evolución no produjo aves. Más bien, las aves produjeron una explosión de evolución. “Parece que las aves se habían encontrado con un nuevo plan corporal muy exitoso y un nuevo tipo de ecología, volando a un tamaño pequeño, y esto condujo a una explosión evolutiva”, dijo Brusatte.

La importancia de ser pequeño

Aunque la mayoría de la gente podría nombrar plumas o alas como una característica clave que distingue a las aves de los dinosaurios, la pequeña estatura del grupo también es extremadamente importante. Una nueva investigación sugiere que los ancestros de las aves se redujeron rápidamente, lo que indica que el tamaño diminuto era un rasgo importante y ventajoso, muy posiblemente un componente esencial en la evolución de las aves.

Al igual que otras características de las aves, la disminución del tamaño corporal probablemente comenzó mucho antes de que las aves evolucionaran. Un estudio publicado en Science el año pasado encontró que el proceso de miniaturización comenzó mucho antes de lo esperado por los científicos. Algunos celurosaurios comenzaron a encogerse hace 200 millones de años, 50 millones de años antes de que surgiera el archaeopteryx. En ese momento, la mayoría de los otros linajes de dinosaurios estaban creciendo. «La miniaturización es inusual, especialmente entre los dinosaurios», dijo Benton.

Mientras que la mayoría de los otros linajes de dinosaurios estaban creciendo, la línea que dio origen a las aves comenzó a encogerse hace casi 200 millones de años.

Esa contracción se aceleró una vez que a los antepasados ​​de las aves les crecieron las alas y comenzaron a experimentar con el vuelo sin motor. El año pasado, el equipo de Benton demostró que este linaje de dinosaurios, conocido como paraves, se estaba reduciendo 160 veces más rápido que el crecimiento de otros linajes de dinosaurios. «Otros dinosaurios se estaban volviendo más grandes y feos, mientras que esta línea se hacía cada vez más pequeña», dijo Benton. «Creemos que marcó un evento de intensa selección en ese momento».

La rápida miniaturización sugiere que las aves más pequeñas deben haber tenido una gran ventaja sobre las más grandes. “Quizás esta disminución abrió nuevos hábitats, nuevas formas de vida o incluso tuvo algo que ver con el cambio de fisiología y crecimiento”, dijo Brusatte. Benton especula que la ventaja de ser del tamaño de una pinta podría haber surgido cuando los ancestros de las aves se mudaron a los árboles, una fuente útil de alimento y refugio.

Pero cualesquiera que sean las razones, la baja estatura probablemente fue un precursor útil de la huida. Aunque los animales más grandes pueden planear, el verdadero vuelo impulsado por batir alas requiere una cierta proporción entre el tamaño de las alas y el peso. Las aves necesitaban volverse más pequeñas antes de poder volar por más de un pequeño planeo.

Cara de bebe

En 2008, Arkhat Abzhanov , un biólogo de la Universidad de Harvard, estaba metido hasta el codo en huevos de cocodrilo. Dado que los caimanes descienden de un antepasado común con los dinosaurios, pueden proporcionar una comparación evolutiva útil con las aves. (A pesar de su apariencia, las aves están más relacionadas con los caimanes que las lagartijas.) Abzhanov estaba estudiando las vértebras de los caimanes, pero lo que más le sorprendió fue la forma de la cabeza de un pájaro; Los embriones de caimán se parecían bastante a los pollos. Los cráneos fosilizados de dinosaurios bebés muestran el mismo patrón: se parecen a los pájaros adultos. Con esas dos observaciones en mente, Abzhanov tuvo una idea. Quizás las aves evolucionaron de los dinosaurios al detener su patrón de desarrollo en una etapa temprana de la vida.

Para probar esa teoría, Abzhanov, junto con Mark Norel l, paleontólogo del Museo Americano de Historia Natural en Nueva York, Bhart-Anjan Bhullar , entonces estudiante de doctorado en el laboratorio de Abzhanov, y otros colegas, recolectaron datos sobre fósiles de todo el mundo. globo terráqueo, incluidas aves antiguas, como archaeopteryx, y huevos fosilizados de dinosaurios en desarrollo que murieron en el nido. Hicieron un seguimiento de cómo cambiaba la forma del cráneo a medida que los dinosaurios se transformaban en pájaros.

Con el tiempo, descubrieron, la cara colapsó y los ojos, el cerebro y el pico crecieron. «Las primeras aves eran casi idénticas al embrión tardío de los velociraptores», dijo Abzhanov. «Las aves modernas se volvieron aún más parecidas a bebés y cambian aún menos de su forma embrionaria». En resumen, las aves se asemejan a pequeños dinosaurios infantiles que pueden reproducirse.

Este proceso, conocido como pedomorfosis, es una ruta evolutiva eficiente. “En lugar de crear algo nuevo, se necesita algo que ya tienes y lo amplía”, dijo Nipam Patel , biólogo del desarrollo de la Universidad de California en Berkeley.

El pico de pájaro puede tomar formas muy diferentes, como este pico largo y delicado de ibis (arriba) y el pico de pollo más rechoncho.

“Estamos viendo cada vez más que la evolución funciona de manera mucho más elegante de lo que apreciamos anteriormente”, dijo Bhullar, quien comenzará su propio laboratorio en la Universidad de Yale en el otoño. «Los innumerables cambios que se producen en el cráneo de las aves pueden deberse a la pedomorfosis, a un conjunto de cambios moleculares en el embrión temprano».

¿Por qué la pedomorfosis sería importante para la evolución de las aves? Podría haber ayudado a impulsar la miniaturización o viceversa. Los cambios en el tamaño a menudo están relacionados con cambios en el desarrollo, por lo que la selección de un tamaño pequeño puede haber detenido el desarrollo de la forma adulta. «Una buena forma de acortar una secuencia de desarrollo es dejar de crecer a un tamaño más pequeño», dijo Benton. Un cráneo parecido a un bebé en los adultos también podría ayudar a explicar el aumento del tamaño del cerebro de las aves, ya que los animales bebés generalmente tienen cabezas más grandes en relación con sus cuerpos que los adultos. «Una excelente manera de mejorar el tamaño del cerebro es mantener el tamaño del niño hasta la edad adulta», dijo.

(De hecho, la pedomorfosis podría ser la base de una serie de transiciones importantes en la evolución, tal vez incluso el desarrollo de mamíferos y humanos. Nuestros grandes cráneos en relación con los de los chimpancés podrían ser un caso de pedomorfosis).

Es más, la pedomorfosis ayudó a convertir el cráneo en una pizarra en blanco en la que la selección podría crear nuevas estructuras. Al borrar el hocico, puede haber allanado el camino para otra de las características más importantes de las aves: el pico.

Nacimiento del pico

El problema de estudiar algo que ocurrió en lo profundo del tiempo evolutivo es que es imposible saber exactamente qué sucedió. Los científicos nunca pueden descifrar con precisión cómo evolucionaron las aves a partir de los dinosaurios o qué conjunto de características fue esencial para esa transformación. Pero con la intersección de tres campos: evolución, genética y biología del desarrollo, ahora pueden comenzar a explorar cómo podrían haber surgido características específicas.

Uno de los intereses particulares de Abzhanov es el pico, una estructura notable que las aves usan para encontrar comida, limpiarse, hacer nidos y cuidar a sus crías. Él teoriza que el éxito generalizado de las aves se debe no solo a su habilidad para volar, sino a su asombrosa diversidad de picos. “Las aves modernas desarrollaron un par de dedos en la cara”, dijo.

Armados con su conocimiento de la evolución de las aves, Abzhanov, Bhullar y sus colaboradores han podido profundizar en los mecanismos genéticos que ayudaron a formar el pico. En una nueva investigación, publicada el mes pasado en Evolution , los investigadores muestran que solo unos pequeños ajustes genéticos pueden transformar la cara de un pájaro en una que se parezca a un dinosaurio.

En las aves modernas, dos huesos conocidos como huesos premaxilares se fusionan para convertirse en el pico. Esa estructura es bastante distinta de la de los dinosaurios, caimanes, pájaros antiguos y la mayoría de los demás vertebrados, en los que estos dos huesos permanecen separados, dando forma al hocico. Para averiguar cómo podría haber surgido ese cambio, los investigadores mapearon la actividad de dos genes que se expresan en estos huesos en un espectro de animales: caimanes, pollos, ratones, lagartos, tortugas y emús, una especie viva que recuerda a las aves antiguas. .

Bhullar recolecta huevos de un nido de caimanes.

Descubrieron que los reptiles y los mamíferos tenían dos zonas de actividad, una a cada lado de la cavidad nasal en desarrollo. Las aves, en la mano, tenían un parche único mucho más grande que se extendía por la parte frontal de la cara. Los investigadores razonaron que el patrón de cocodrilo podría servir como un sustituto del de los dinosaurios, dado que tienen hocicos y huesos premaxilares similares. Luego, los investigadores deshicieron un patrón específico de aves de expresión genética en embriones de pollo utilizando productos químicos para bloquear los genes en el medio de la cara. (Por razones éticas, no permitieron que los pollos eclosionaran).

El resultado: los embriones tratados desarrollaron una cara más parecida a la de un dinosaurio. «Básicamente, hicieron crecer un embrión de ave para convertirlo en algo que se parecía más a la morfología de los dinosaurios extintos», dijo Timothy Rowe , paleontólogo de la Universidad de Texas, Austin, que había colaborado anteriormente con Abzhanov.

Los hallazgos destacan cómo los simples ajustes moleculares pueden desencadenar cambios estructurales importantes. Las aves «usan las herramientas existentes de una manera nueva para crear una cara completamente nueva», dijo Abzhanov. «No desarrollaron un nuevo gen o vía, simplemente cambiaron el control de un gen existente».

Al igual que los estudios de Brusatte y otros, el trabajo de Abzhanov desafía la esperanzadora teoría del monstruo, y lo hace a escala genética. La creación del pico no requirió ningún salto evolutivo especial o cambios genéticos a gran escala. Por el contrario, Abzhanov mostró que las mismas fuerzas que dan forma a la microevolución (alteraciones menores dentro de las especies) también impulsan la macroevolución, la evolución de características completamente nuevas y nuevos grupos de especies.

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