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MORFOLOGÍA ANIMAL Tomo I Magister Sergio Pablo Urquiza Biólogo Fernando Carezzano 2018 - 2 - I.S.B.N. N° 978-987-1930-38-8 Cita sugerida: Urquiza, S. P. y Carezzano, F. J. 2018. Morfología Animal. Tomo I. Editorial Sima, Córdoba. 160 pp. Sergio Pablo Urquiza Fernando José Carezzano sergioplablo@gmail.com fercarezza@yahoo.com Profesor Asistente Profesor Asistente Cátedra de Morfología Animal Cátedra de Morfología Animal Facultad de Ciencias Exactas, Físicas y Naturales Facultad de Ciencias Exactas, Físicas y Naturales de la Universidad Nacional de Córdoba de la Universidad Nacional de Córdoba Imagen de tapa: microfotografía de cerebelo de ave en donde se observan las células de Purkinje. - 3 - ÍNDICE Capítulo 1: MARCO EVOLUTIVO Y FILOGENÉTICO. BREVE DESCRIPCIÓN 7 DE LOS FILOS COMPLEJOS Y SU EVOLUCIÓN Introducción y marco filogenético y evolutivo. Los filos y los planes corporales. La evolución de los primeros animales. El origen de la pluricelularidad y de los tejidos. Capítulo 2: LOS ANIMALES, UN CONJUNTO DE CÉLULAS 23 El cuerpo como un agregado de células. Los tejidos básicos Origen y evolución de los tipos celulares y tejidos. El problema de la homología El tejido epitelial El tejido conectivo El tejido muscular El tejido nervioso Capítulo 3: ORGANIZACIÓN DEL CUERPO ANIMAL 31 Los sistemas de órganos: generalidades Sistema tegumentario Sistema osteo-artro-muscular Sistema nervioso Sistema endocrino Sistema linfático e inmunitario Aparato cardiovascular Aparato respiratorio Aparato digestivo Capítulo 4: PLANES CORPORALES DE PROTOSTOMADOS COMPLEJOS 41 Planes corporales de anélidos, moluscos y artrópodos Anélidos Moluscos Artrópodos Capítulo 5: TEJIDO EPITELIAL 57 Tejido epitelial Tipos y funciones de los epitelios Características de los epitelios Los epitelios embrionarios Polaridad de las células epiteliales Especializaciones apicales y basales Microvellosidades Estereocilios - 4 - Cilios Pliegues laterales y basales Uniones celulares Uniones ocluyentes Uniones adherentes Uniones en nexo La matriz extracelular y la membrana basal Origen y evolución de los epitelios Tipos celulares de epitelios animales Epitelio tegumentario de Anélidos Epitelio intestinal de Vertebrado Epitelio plano estratificado queratinizado de Mamíferos Capítulo 6: TEJIDO MUSCULAR 79 Miocitos Citología e histología muscular de vertebrados Los filamentos y las miofibrillas El sarcómero Músculo liso de vertebrados Citología e histología muscular de invertebrados Tejido muscular de artrópodos Tejido muscular de moluscos Tejido muscular de anélidos Capítulo 7: TEJIDO CONECTIVO 93 Introducción Fibroblasto Miofibroblasto La matriz extracelular Tejidos conectivos generalizados de vertebrados Tejido conectivo laxo Tejido conectivo denso Tejidos conectivos especializados Cartílago Cartílago hialino de mamíferos Cartílago de cefalópodos Hueso El osteblasto y el osteocito Osificación Tejido conectivo de artrópodos Tejido conectivo en moluscos Tejido conectivo en anélidos Capítulo 8: TEJIDO NERVIOSO 123 Introducción Capacidades básicas de las neuronas. Sus antecedentes evolutivos Generalidades del sistema nervioso - 5 - La neurona Volumen y forma neuronal Tipos neuronales de los vertebrados Las dendritas La sinapsis Tejido nervioso de vertebrados. Sustancia blanca y gris La neuroglia de los vertebrados El tejido nervioso del cerebelo Histología del cerebelo de las aves El sistema nervioso de los invertebrados Estructura de los ganglios y el cordón nervioso ventral de invertebrados El cordón nervioso de los artrópodos El cerebro de los invertebrados Los cuerpos pedunculados de los artrópodos La neuroglia y la mielina en los invertebrados BIBLIOGRAFÍA 157 - 6 - PREFACIO El presente libro está en principio destinado a estudiantes de biología, aunque se espera que sea de provecho para alumnos de otras carreras o naturalistas en general y fue escrito para subsanar, en parte, la carencia de textos sobre la histología general de animales diferentes a los seres humanos y/o mamíferos, los que son más fáciles de hallar. Posiblemente sean varios los motivos de dicha situación, como por ejemplo, el que la medicina y biología humana, por razones de supervivencia, económicas y éticas, recibe más atención, así como también que por mucho tiempo no fue posible establecer si las células, los tejidos o incluso los órganos de filos diferentes eran o no homólogos a su contraparte en humanos. Junto a esto, como existen más de 30 filos animales, cada uno de los cuales tiene su propio estatus e importancia que justifica el ser estudiado en profundidad, se tendría una cantidad de información inmanejable que complicaría su tratamiento en cualquier asignatura como una histología comparada. De hecho, pueden encontrarse descripciones para los diferentes sistemas anatómicos, tanto a nivel macroscópico como microscópico, para numerosos grupos animales, aunque en algunos casos son muy antiguas, en idiomas diferentes al español y publicadas como artículos originales o a lo sumo revisiones específicas del grupo animal en cuestión, lo que hace que esta información no sea fácilmente asequible para el alumno de grado. Por esta razón es que se decidió circunscribir este libro a unos pocos grupos de animales, esencialmente a los organismos más complejos, que en general son también los más biodiversos, aunque siempre que sea necesario se hará mención a los taxones basales, para ilustrar el camino seguido por la evolución de los órganos. Además, dado que el libro tratará a cada sistema morfológico por separado, se hará mención a la par que se describirán sucintamente, los órganos en cuestión de otros filos, con el fin de brindar una mirada general sobre los órganos animales. Por otro lado, es posible estudiar los programas de desarrollo de los órganos de filos muy distantes con lo que pueden compararse sistemas de órganos que hasta hace unas pocas décadas no parecían tener mucho en común. Por ejemplo, se discute actualmente si el sistema nervioso y las células como las neuronas o la neuroglia, son homólogas entre taxones tan lejanos y diferentes como artrópodos, anélidos y vertebrados. De esta manera, estas nuevas herramientas permiten discutir desde otro lugar la descripción de las estructuras animales. Sin embargo este es un libro de morfología, así que se describirán la anatomía macroscópica y la histología de los sistemas anatómicos de unos 10 taxones, a saber, oligoquetos y poliquetos, entre los anélidos, gasterópodos y cefalópodos, entre los moluscos, arácnidos, crustáceos, miriápodos e insectos, entre los artrópodos, y peces y mamíferos, entre los vertebrados. Con todo, cuando puedan compararse los sistemas morfológicos, utilizando información proveniente desde estudios de la biología del desarrollo y áreas conexas, se lo hará, porque permitirá ampliar la base de comparación. También se abordará, en forma sucinta, la descripción embriológica de los mencionados grupos taxonómicos. Se espera así que, al final de su lectura, resulte una visión comparada y evolutiva del cuerpo de los animales. Finalmente,debe mencionarse que se pensó en separar el libro en varios volúmenes para facilitar la adquisición del material por parte del alumnado - 7 - Capítulo 1 MARCO EVOLUTIVO Y FILOGENÉTICO. BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS FILOS COMPLEJOS Y SU EVOLUCIÓN - 8 - Introducción y marco filogenético y evolutivo Los animales pertenecen a un grupo monofilético e incluyen a organismos pluricelulares móviles en algún momento de su ciclo de vida. Un organismo es considerado multicelular porque posee células somáticas (corporales), que sufren diferenciación entre ellas (diferenciación intrasomática) y son las que dan origen y sustento a las células reproductivas (gametas), consideradas inmortales toda vez que dan origen a la continuación de la especie (Mueller y col. 2015). Estos organismos también poseen una matriz extracelular, uniones celulares adherentes y septadas, y exhiben el estado de blástula, presentando como forma de clivaje ancestral la segmentación espiral, ya que el de tipo radial sería derivado (Schmidt Rhaesa 2007). Por último, presentan en común la presencia de anisogamia, la morfología del espermatozoide y del colágeno, así como los genes Hox (Curtis y col. 2015). Comprender la filogenia de este grupo y en particular de los taxones de mayor jerarquía, permite entender la evolución de sus tipos celulares, tejidos y órganos. También ilustra sobre los tiempos, modos y dirección de aquella así como de la complejidad de las estructuras corporales. Por esto y porque se han registrado notables avances y cambios sustanciales en la sistemática animal es que será brevemente abordada, ya que en la actualidad, y desde la década del 90 del siglo XX, se está en la era de la “nueva filogenia animal”, en la que se han registrado profundas modificaciones. Esto es debido a que se han reordenado ciertas relaciones, o a que se revitalizaron o aceptaron viejas hipótesis rechazadas en otras épocas. Lo dicho se produjo gracias a la aplicación de análisis cladísticos utilizando herramientas moleculares y también, más cerca en el tiempo, a la realización de nuevos estudios morfológicos, o ambas cosas a la vez. Además de los mencionados reordenamientos taxonómicos dichas aplicaciones permitieron responder a diversos interrogantes sobre la evolución de los primeros grupos de animales, a pesar de lo cual aún quedan numerosas dudas que quizás nunca puedan evacuarse debido a que la evolución morfológica inicial se produjo rápidamente, y además, no ha dejado vestigios físicos de su ocurrencia. Otro problema es que no se han explorado varios taxones relevantes, o en algunos casos se estudiaron pocas especies o fracciones reducidas de su genoma. Sin embargo, esto está cambiando gracias al desarrollo de técnicas de estudio molecular más económicas que permiten abarcar un mayor número de taxones y genes, o incluso genomas enteros (Dunn y col. 2014). Si bien el estudio de los animales y su anatomía es muy antiguo, aunque parezca increíble, recién a mediados del siglo XIX se aceptó que todos los seres vivos están conformados por células y, también, se descubrió la fecundación. A partir de allí, y con el impulso que en general había brindado años atrás Bacon al método científico, se desarrollaron numerosas técnicas analíticas y experimentales para estudiar la anatomía microscópica (histología) y la embriología. La anatomía - 9 - macroscópica, por otro lado, había comenzado su desarrollo mucho tiempo antes que las nombradas, gracias a que no precisa de técnicas tan complejas para abordar el estudio de los órganos. Estos son definidos como arreglos macroscópicos de varios tejidos con una función particular, y suelen agruparse en conjuntos aún mayores, los sistemas. Con todo, debe tenerse en mente que en ocasiones un órgano cambia su función, o presenta varias, o se convierte, a lo largo de la evolución, en otro (Schmidt Rhaesa 2007). Más allá de estas complicaciones teóricas, la anatomía humana ya desde el medioevo (siglo XIV) estaba mucho más avanzada comparativamente que las otras disciplinas morfológicas. Es en esa época que nacieron conceptos como los de arquetipo, actualmente desplazado por el más moderno de plan corporal o Bauplan. Esto es, el conjunto de órganos y sistemas y su disposición topográfica particular en cada filo, siendo que a cada uno de los últimos le corresponde un plan corporal único y exclusivo. Para describirlos se recurre a varios parámetros y conceptos como la simetría corporal, la cantidad de hojas germinativas, el destino del blastoporo y la presencia y tipo de celoma (si bien últimamente este punto es muy discutido). Como estas características se distribuyen en forma algo confusa a lo largo del árbol evolutivo animal, se explicará brevemente algo de la sistemática general de los taxones más relevantes. Un punto a destacar en esta temática es que no existe una clara relación evolutiva entre los diferentes planes corporales, problema sobre el que existe una intensa discusión y que se enmarca en la llamada macroevolución, donde se intenta explicar el origen y evolución de los órganos, sus sistemas y los mencionados planes anatómicos, así como el de los filos de animales o de otros grupos sistemáticos de jerarquía superior. Justamente la sistemática es la que permite reunir a todos los organismos, y obviamente a los animales, en especies. Esta es la unidad fundamental de la evolución, y al menos en el grupo que nos ocupa son poblaciones que pueden cruzarse entre sí y dar descendencia fértil. Pero esta descripción puede complicarse, porque existen numerosas excepciones, como por ejemplo, casos donde hay especies claramente definidas y diferenciadas que sin embargo dan descendencia si se cruzan entre sí. Como sea, debe señalarse que aún no se elaboró una definición completamente aceptada de especie, siendo este uno de los problemas más discutidos en biología junto con el de la homología. Por todo esto, no se ha hallado una manera inequívoca y general para afirmar que un grupo de organismos es una especie diferente de otra. Lo anterior más el hecho de que no existe una institución científica que reúna al conocimiento de todos los animales reconocidos como especies, es la razón por la que no puede decirse claramente su número, pero se estima que supera el millón, aunque podría ser sensiblemente superior (Barnes 2013). - 10 - Al observar arboles filogenéticos puede quedar la falsa impresión de que la taxonomía nos brinda una imagen del grado de divergencia morfológica. Sin embargo, esto no es así, debido a que en el estudio de diferentes grupos taxonómicos se usan distintos tipos de caracteres y a que las tasas de evolución pueden no ser equivalentes, por lo que la separación morfológica y genética entre aquellos no es reflejada por la pertenencia a diferentes niveles sistemáticos. Así, por ejemplo, el grado de diferenciación entre los órdenes de mamíferos no es similar a la hallada entre los órdenes de insectos. Además, el ordenamiento en las categorías linneanas no siempre refleja la filogenia. Ocurre incluso que ciertos organismos se asemejen más a otros más alejados evolutivamente que a sus propios parientes. Esto puede deberse a que las tasas evolutivas en ambos grupos son muy diferentes y a que las presiones ambientales condujeron a una diferenciación más pronunciada en un grupo que en otro. Un ejemplo son los cocodrilos, que están más emparentados a las aves que a los lagartos, a pesar de que se asemejan, al menos superficialmente, más a los últimos (Reese y col. 2014). En relación a la estructura anatómica, hay que mencionar que los arreglos corporales de cada filo o clase no siempre son “la mejor solución” sino que obedecen también a una serie de restricciones arquitectónicas por las que no puede originarse y evolucionar cualquier estructura, incluso aunque ocurra una intensacompetencia. Además de que deben existir las variantes a seleccionar. Esto es, la idea de que la “naturaleza es perfecta” es errónea. Muchos organismos podrían exhibir un mejor diseño, si fuesen ideados para optimizar su cuerpo. Piénsese en los dolores de espalda humanos, por ejemplo. Finalmente, debe recalcarse que la aparición y evolución del cuerpo animal se dio a lo largo de cientos de millones de años, con numerosas alteraciones de mayor o menor cuantía, de las que se citarán unas pocas, llamadas, en ocasiones, transiciones evolutivas. Se tiene, al surgimiento de la pluricelularidad y la diferenciación de los tejidos animales básicos. Luego, la formación de los ejes corporales y con esto el surgimiento de la bilateralidad y de la cefalización. A la par, la formación del sistema nervioso y del sistema digestivo. Como se verá, casi todos los animales considerados basales poseen algunas variantes de estos sistemas, aunque no presentan otros órganos, excepto, claro, los reproductivos. Grupos sistemáticos de jerarquía superior Los animales y los hongos forman el grupo Opistokonta, dentro del cual los primeros y los coanoflagelados, su grupo hermano, conforman el taxón Holozoa junto a algunos otros organismos (Fig. 1.1). Sin embargo los animales en sí mismos abarcarían a cinco linajes monofiléticos, o sea todos descenderían, en última instancia, del animal primordial. Dichos taxones son los poríferos (esponjas), los - 11 - placozoos (microscópicos animales marinos), ctenóforos (fragata portuguesa), cnidarios (medusas e hidras), y los bilaterales (desde planarias hasta vertebrados). Los bilaterales, a su vez, comprenden dos grandes grupos, Protostomia y Deuterostomia (Fig. 1.2), conjuntos que parecen tener un gran acuerdo y sustento experimental, a los que se suma el enigmático xenoturbella, animal que ha sido considerado en casi todos los clados posibles, sin hallar aún una ubicación convincente (Dunn y col. 2014). Fig. 1.1: Los Opistokonta (Tomado y modificado de Dunn y col. 2014). Origen de las imágenes: Nucleariida, Yoshida y col. 2009 Fungi,www.kidsdiscover.com; Filasterea, www.flickr.com; Ichthyosporea, www.wikipedia.org; Animalia, Fernando Carezzano; Choanoflagellatea,www.plingfactory.com. Entre los deuterostomados se ubican los vertebrados, apenas un subfilo, junto a otros animales “invertebrados”, categoría sistemáticamente errónea. Esto es así porque los protostomados incluyen unos 30 filos, mientras los deuterostomados unos 3 o 4, entre ellos los cordados, que incluye a los vertebrados. Por tanto, la mayoría de los animales, sea que contemos la diversidad de especies, familias o filos, el número de individuos o la biomasa total, son “invertebrados”. Sin embargo se insiste en dividirlos en vertebrados e invertebrados. La razón de tal agrupamiento es simple. Los seres humanos pertenecen al único grupo no contenido allí, al de los vertebrados, que es además sobre el que existen conocimientos más profundos y extensos. Como sea, los animales son reunidos generalmente en dos superfilos, deuterostomados y protostomados. En este último clásicamente se tenía en cuenta la presencia y tipo de celoma como carácter diagnóstico y fundamental para definir ciertos grupos. Así se tenía a los acelomados, pseudocelomados y celomados. Entre los primeros se contaba a platelmintos, mientras entre los segundos se ubicaban a - 12 - los nemátodos para finalmente considerar entre los celomados a los anélidos, moluscos y artrópodos. Sin embargo la filogenia molecular desarrollada a partir de la década de 1990 echó por tierra con muchas de estas relaciones, produciéndose un profundo reordenamiento, aunque perduran profundos baches en este conocimiento (Satoh y col. 2014). Fig. 1.2: Los animales (Tomado y modificado de Dunn y col. 2014). Origen de las imágenes: www.phylopic.org En ambos superfilos existen algunos taxones como los acelomorfos, ciertas esponjas, los placozoos, las xenoturbellas o las ascidias, que son sumamente interesantes porque ilustran diversos puntos donde podrían haberse originado algunas estructuras de gran relevancia, o el surgimiento de determinados arreglos génicos implicados en el aumento de la complejidad animal. Sin embargo, como se - 13 - verá en el transcurso de los capítulos, no es tan simple trazar una evolución de los “grados morfológicos” entre los animales, puesto que han habido numerosas simplificaciones y paralelismos evolutivos a lo largo de su historia. Por su parte, los protostomados (Fig. 1.3) están conformado por tres líneas, quetoñatos, ecdysozoos y espiralados (este último puede ser tomado como sinónimo de lofotrocozoa, o contener a este taxón, depende la visión escogida), los que son conjuntos monofiléticos pero de los que no se conoce ni cual es el orden ni la forma de ramificación. Los quetoñatos son un grupo de vermes marinos poco diversos, mientras los segundos son, con mucho, los más numerosos y biodiversos ya que incluyen a panartrópodos, nematoidea y escalidóforos. Tampoco entre estos han podido clarificarse las relaciones de origen, más allá de que no hay dudas sobre sus relaciones. Los primeros abarcan a los artrópodos en sentido estricto más los onicóforos, con los tardígrados como taxón hermano a ambos. Los nematoidea están formados por los nemátodes y nematomorfos. Finalmente los escalidóforos incluyen a varios grupos de vermes “menores” con características muy particulares, como los priapúlidos, los quinorrinchos y los loricíferos. El taxón espiralados reúne a moluscos, anélidos y a varios otros filos más o menos diversos y es el conjunto de animales que presenta mayores problemas para delimitar sus relaciones basales. Por un lado abarca a los moluscos, anélidos y nemertinos, los que forman el taxón Trocozoo, porque exhiben una larva de tipo trocófora. Relacionados a este grupo también están los mizostómidos, equiúridos y sipuncúlidos, los que posiblemente podrían incluirse entre los anélidos. Finalmente existe otro conjunto emparentado a estos animales ya que poseen una segmentación espiral, si bien no exhiben lofóforo, y que suelen ser agrupados en el taxón platyzoos, e incluye a los rotíferos, gnatostomulida, platelmintos, gastrotricos y cicliofora (Dunn y col. 2014) En cuanto a los deuterostomados se consideró, históricamente, su origen en un animal sésil y filtrador, aunque actualmente se lo cree más similar a un organismo más o menos vermiforme, activo y móvil. Este superfilo, los deuterostomados (Fig. 1.4) incluyen a los hemicordados, equinodermos y cordados, conteniendo este último a los vertebrados. En este superfilo antiguamente se incluían a algunos grupos a los que se eliminó gracias a los últimos estudios de filogenómica, como a los braquiópodos, si bien, por otro lado, se discute la posibilidad de incluir a algunos otros filos “menores” como xenoturbéllidos y acelomorfos. Por otro lado, aunque se acepta la pertenencia a los deuterostomados de los hemicordados, equinodermos y cordados, no están claras las relaciones entre ellos, aunque, probablemente, los hemicordados formarían un grupo junto a los equinodermos, los “ambulacraria” algo ya predicho en el siglo XIX siendo, así, el grupo hermano de los cordados, taxón en el que se produjo un importante cambio en las relaciones de sus grupos. Básicamente consiste de urocordados (ascidias), cefalocordados (anfioxos) y - 14 - vertebrados (peces y mamíferos, por ejemplo), aceptándose que los urocordados serían los más basales, y desde los cuales se originaron los anfioxos y vertebrados. Esta visión se basaba en la presencia de los miómeros, esto es, la presencia de musculatura corporal segmentada en los dos últimos taxones, además de la extremasimplicidad de las ascidias, que presentan importantes reducciones morfológicas y genómicas. Sin embargo ya parece suficientemente probado otro escenario. En este, los cefalocordados son anteriores a ascidias y cordados, apoyándose estos análisis en datos moleculares, morfológicos y ontogenéticos, como por ejemplo en la migración de las células de la cresta neural (futuras neuronas generadas durante la etapa embrionaria), y la formación de placodas epidérmicas, ambas marcas registradas de los vertebrados (Peterson y Eernisse 2016). Fig. 1.3: Los protostomados (Tomado y modificado de Dunn y col. 2014). Origen de las imágenes: www.phylopic.org - 15 - Como se mencionó en primer término, entre los animales existen cinco linajes claramente monofiléticos (Fig. 1.2). El problema es conocer el orden y tiempo de ramificación entre ellos. Esto ocurre debido a diversos inconvenientes relacionados a cuestiones metodológicas que no serán abordadas aquí y pueden ser consultadas en trabajos sobre cladística o evolución (dos discusiones breves pero muy interesantes y relacionadas a la evolución morfológica pueden ser el capítulo introductorio de Schmidt Rhaesa 2007 o Fitch 2000). Como sea, y a pesar que los poríferos fueron considerados el grupo hermano de los animales bilaterales, existe cierto consenso en colocar ahora a los ctenóforos en este lugar, lo que ha sido uno de los resultados más sorprendentes de estos nuevos estudios. También la aparición del epitelio en sentido estricto del término (con desmosomas en cinturón) y de genes Hox y Parahox son de suma importancia para iluminar las primeras etapas de la evolución animal y dilucidar si son las esponjas o ctenóforos el grupo hermano del resto de los animales (Dunn y col. 2014). Fig. 1.4: Los deuterostomados (Tomado y modificado de Dunn y col. 2014). Origen de las imágenes: www.phylopic.org Para delimitar los grupos taxonómicos y trazar sus relaciones filogenéticos, clásicamente se utilizaron, esencialmente, características morfológicas. Por esto, determinar la homología entre los órganos es un tema serio, al punto que se habla de que es el mayor problema de la biología (Hall 1994), debido a que la homoplasía es un fenómeno muy común. Entre las estructuras donde existe mayor interés en conocer su origen se cuentan el epitelio, el músculo y el sistema nervioso, así como el intestino y el celoma, porque se formaron en las primeras etapas de la evolución animal y por tanto podrían responder como fueron las primeras etapas de la evolución morfológica. Sin embargo, no están claras las relaciones de homología entre los órganos de los diversos taxones basales (Dunn y col. 2014). El inconveniente se suscita porque frecuentemente dos caracteres son muy similares en sendas especies, aunque no son heredados desde el mismo ancestro. Esto ocurre porque el ambiente selecciona variantes más o menos equivalentes ante presiones selectivas similares (esto se da especialmente con las características - 16 - morfológicas, pero no exclusivamente). La forma fusiforme, hidrodinámica y/o pisciforme de nutrias, focas, plesiosaurios, peces y ballenas ilustran muy bien este problema, el que en el caso de peces y ballenas llega a un nivel extremo (Fig. 1.5). Las alas de aves, murciélagos e insectos es otro caso típico, donde además, queda claro que no puede evolucionar cualquier forma, lo que restringe las posibles vías de evolución. Este tipo de características, que son similares en forma y función, aunque no originados en un ancestro común se los llama analogías u homoplasías, mientras a aquellos derivados desde un antecesor común, incluso pudiendo ser muy diferentes en los descendientes, se los llama homologías. Obviamente, interesa a la filogenia determinar exactamente cuales son analogías y cuales homologías, aunque el cómo hacer esto no es tarea fácil, y es una frecuente fuente de confusión en la construcción de los árboles filogenéticos y del análisis evolutivo de la forma corporal y de la evolución de los órganos. Fig. 1.5: Animales fusiformes. A, ballena jorobada; B, plesiosuario; C, foca; D, atún. Origen de las imágenes: ballena jorobada,www.nauticalnewstoday.com; plesiosaurio, www.infoensenadadiario.blogspot.com.ar; foca, www.infobiologia.net; atún, www.donde-viven.com. Un interesante ejemplo de homología es el caso de las alas que se presentan en los vertebrados como aves y murciélagos y en invertebrados como los insectos. En los dos primeros, dichos apéndices poseen un esqueleto similar porque ambos pertenecen al subfilo vertebrados, mientras en los insectos no. Sin embargo, el antecesor común de aves y mamíferos, un animal tetrápodo que vivió hace 320 millones de años ni volaba, ni tenía alas, sino sólo miembros para andar originados - 17 - en los primeros tetrápodos, que luego en cada unos de ambos taxones, dieron origen a las alas, en forma independiente. Por esto, los esqueletos de ambos miembros anteriores en murciélagos y aves son homólogos, aunque sus alas son análogas. Con los insectos, el caso es de solución más simple. El último ancestro común entre insectos y vertebrados, vivió mucho antes aún, y ni siquiera está exactamente documentado cual fue, pero, como sea, en la base de los linajes que condujeron a ambos grupos, en ningún caso hay alas, además de que los principios anatómicos de construcción difieren completamente. El ambiente y la evolución animal inicial Para comprender el origen y evolución de los animales es crucial entender el contexto ambiental del planeta en tales épocas, por lo que se dará una breve introducción de la formación del globo terrestre. La Tierra se formó hace unos 4500 millones de años por acreción de meteoritos y polvo interestelar, y en los primeros tiempos era sumamente caliente y radiactiva debido a que las intensas presiones de su interior desataban poderosas reacciones nucleares. Pero luego de varios cientos de millones de años el planeta alcanzó una temperatura relativamente baja por lo que comenzó a producirse la evolución prebiótica y luego la biótica, culminando en el origen de las primeras células más simples, las procariotas, de las que luego se originaron las eucariotas, lo que habría ocurrido hace unos 3500 millones de años. En estos momentos el planeta, aunque menos activo, pasaba por períodos de tiempo muy convulsionados, como las glaciaciones globales, que son un buen ejemplo de tales fenómenos, de gran magnitud y alcance temporal y espacial. De todas maneras, se está hablando de una escala de tiempo muy grande (cientos y miles de millones de años) por lo que es difícil caracterizar con exactitud dichos eventos (Cowen 2013). Algunos de los cambios climáticos, geológicos y ecológicos de aquella época fueron; extremo vulcanismo que liberó a la atmósfera grandes cantidades de dióxido de carbono, lo que produjo lluvia ácida y aumento de la temperatura (efecto invernadero); intensa erosión de los glaciares montanos de los trópicos que, así, transportaron grandes cantidades de fosfatos a los mares, el que junto al hierro, que también aumentó sus niveles permitieron mayores tasas de desarrollo de los autótrofos, y finalmente, la intensa mezcla de las aguas tropicales, lo que posibilitó la ocurrencia de grandes floraciones de algas y cianobacterias, al permitir la fertilización de las aguas libres. La conjunción de estos factores habrían producido un notable aumento en la tasa fotosintética de los mares tropicales, elevando por tanto la cantidad de oxígeno presente, a lo que se denominó como gran evento oxidativo, lo que finalmente permitió el aumento del tamaño y actividad de los primeros protistas y/o animales. - 18 - Dichoacontecimiento fue crucial, ya que la mayoría del tiempo la vida sobre el planeta fue simple, unicelular y formada por procariotas, que eventualmente solo formaban colonias y no tejidos, lo que puede saberse gracias a antiguos fósiles de aquella época. Además, de acuerdo a diversas pruebas geológicas no había suficiente oxígeno libre en la atmósfera y los mares, lo que impedía la emergencia de los organismos grandes, complejos y metabólicamente más activos como los animales o vegetales. Esto se debe a que precisan efectuar la respiración celular, que consume abundante oxígeno para sostener su elevado metabolismo. Es obligatorio concluir, por tanto, que los primeros organismos unicelulares utilizaban algún tipo de fermentación celular más que de respiración aeróbica para extraer energía de los alimentos. Como el oxígeno es una sustancia sumamente reactiva, que tiende a unirse a casi todos los elementos de la tabla periódica, liberando energía en reacciones oxidativas, es también muy útil en la célula, porque le brinda la posibilidad de liberar una mayor cantidad de energía que la fermentación. De esta manera, al haber mayor disponibilidad de oxígeno, se posibilitó la emergencia organismos más grandes, complejos y activos, los animales. En la historia de la vida, existen varios fenómenos y eventos que, de manera similar, fueron como una bisagra entre dos momentos muy diferentes. Algunos ya fueron mencionados en la página 10, a los que se sumarán unos poco más como, luego de la aparición de la vida en sí misma, la formación de las células eucariotas a partir de un ancestro procariota, la diversificación de aquellas y la aparición de los protistas, el origen de la multicelularidad, la explosión cámbrica y el surgimiento de las plantas y animales en los mares primitivos y la invasión de la tierra firme. Asociados a estos fenómenos biológicos se tienen otros de tipo geológico o climáticos, como la Glaciación Global, en la que la tierra habría tenido tanto hielo que se la vería como una gran bola de nieve, con temperaturas de hasta -50°C (esta es en verdad la versión más extrema de la hipótesis, según la cual pueden haber existido diversas glaciaciones sucesivas y casi totales en un período de varios millones de años desde unos 750 hasta hace unos 620 millones de años atrás). Estos eventos son muy discutidos y es probable que nunca se llegue a un acuerdo total y a un nivel de certeza absoluto (en verdad en ciencia nunca se considera a la verdad como absoluta), debido a que las evidencias son indirectas, incompletas y sujetas a diferentes interpretaciones, basadas en metodologías analíticas muy complejas. Pero fenómenos más o menos similares a los propuestos tienen que haber ocurrido necesariamente. Es la única explicación racional posible. El origen de la pluricelularidad y de los tejidos Así las cosas, luego de aparecida la primera célula eucariótica, en algún momento en torno a los 1000 millones de años atrás surgió el primer metazoo, al que se bautizó como Urmetazoo, que por definición, era pluricelular, porque se - 19 - considera necesariamente a un animal como un organismo multicelular. Probablemente haya tenido una similitud superficial a alguno de los animales más simples actualmente existentes, lo que no significa que estos sean descendientes directos. Entre tales animales basales se cuentan a las esponjas y a un diminuto ser, ya mencionado, el placozoo, que vive en el lecho marino. Este último tiene unas pocas clases de células diferentes (por comparación un ser humano posee unas 200 clases de células). Ahora bien, ¿qué organismo puede ser más simple que este animal, o una esponja, y estar emparentado al ancestro de todos los metazoos? Todo indica que una hipótesis formulada en el siglo XIX podría responder a tal interrogante. En dicha explicación se postuló que ciertos organismos unicelulares, llamados coanoflagelados, serían similares a los ancestros de los animales, previa adquisición de la pluricelularidad. Las razones para proponer esto fueron que algunas de las células de las esponjas, llamadas coanocitos, son morfológicamente muy similares a los coanoflagelados (Fig. 1.6). Además, ciertos coanoflagelados forman colonias más o menos inestables con un variable número de células, lo que fortaleció la idea de tal parentesco, ya que esto permite ver a la agregación de células, paso previo a la verdadera pluricelularidad, como una propiedad bastante común que podría haber ocurrido con mucha probabilidad. Sin embargo esta hipótesis permaneció en un estado de indefinición por bastante tiempo. En estos últimos años, empero, vinieron en su apoyo diversos datos desde estudios moleculares. Esto gracias a que se compararon los genomas de varios organismos evolutivamente muy distantes, y definitivamente pudo establecerse que los coanoflagelados son el grupo hermano de los animales, porque por ejemplo poseen numerosos genes en común, incluso ciertas moléculas exclusivas de las neuronas de los eumetazoos, siendo que ni los coanoflagelados, ni los placozoos ni las esponjas poseen estas células, lo que indica que en aquellos ya estaba la maquinaria molecular que luego sería utilizada por las células nerviosas Los coanoflagelados también tienen genes que en los metazoos producen proteínas que intervienen en las uniones celulares, elemento esencial para alcanzar la multicelularidad. Está claro el camino entonces. Lo que sin embargo no está muy claro es el camino evolutivo exacto, lo que es algo que difícilmente pueda conocerse porque son eventos irrepetibles y sujetos a la influencia del azar, que podrían haber resultado en otro producto final. Es como estudiar cualquier evento histórico, se sabe el resultado, pero no el camino recorrido por cada uno de los personajes. Como se dijo, no se conoce el momento exacto en que los animales surgieron, ni con total certeza todas las relaciones de parentesco entre los fósiles más antiguos encontrados. Sin embargo, los biólogos han reconstruido teóricamente el primer animal, y como se dijo, hasta le han puesto nombre, ¡sin haberlo encontrado aún! ¿Cómo es posible esto? - 20 - Fig. 1.6: A, micrografía electrónica de barrido del coanoflagelado de Salpingoeca roseta; B, esquema de un coanoflagelado; C, esquema de un coanocito; D, micrografía electrónica de barrido de la pared de un porífero. Origen de las imágenes: A, www.bio.dayel.com; B, www.tolweb.org; C, www.pinterest.fr; D, www.discovermagazine.com Gracias a la reconstrucción de caracteres basada en la biología comparada y a los estudios filogenéticos. Esto consiste en saber qué características poseen los animales actuales y los más basales y antiguos. Al compararlas, podemos saber que tienen en común, y se supone que estas, entonces, tienen que haber aparecido en el último ancestro en común. Algo similar a si comparamos todos los primos de una familia. Podemos inferir como habría sido el abuelo X, descartando los caracteres no comunes, que serían originados en los otros abuelos. Claro que es un método con fallas e incierto, por lo cual se investiga continuamente, pero ha dado excelentes resultados. Como sea, a través de este tipo de comparaciones, efectuadas con características bioquímicas, histológicas, morfológicas y genómicas, se han postulado las características de varios organismos situados en los nodos o dicotomías principales de la evolución. O sea en los puntos donde aparecieron los animales que originaron a las principales divisiones. De esta manera fue caracterizado, teóricamente, y bautizado, el ya mencionado Urmetazoo, que significa algo así como “el primer animal”, así como el ancestro del cual derivan todos los animales bilaterales, el Urbilateria, o “primer animal bilateral”. De estos análisis puede inferirse que en este primer animal tendría que habersurgido algún tipo de unión celular más o menos permanente que permitiera alcanzar la pluricelularidad, lo mismo que la conformación de una matriz extracelular, aunque más no sea algo primitiva. Desde este punto, que ya sería el Urmetazoo (Urquiza y Carezzano 2013a), se habrían generado una serie de linajes animales que finalmente dieron origen al Urbilateria. Entre el Urmetazoo y este último, y quizás en algunos pasos evolutivos posteriores, probablemente se originaron varios de los tejidos actuales. Se dice probablemente porque existe la posibilidad de que los mismos tejidos en diversos animales hayan aparecido en forma independiente. - 21 - Esto es lo que aconteció con el músculo, que parece haberse generado en forma independiente en las medusas y en el resto de los animales. Sin embargo no se han evaluado las relaciones evolutivas de los tejidos entre todos los metazoos, por lo que es una cuestión abierta a posibles sorpresas. Por ejemplo, se sabe ahora que vertebrados, lombrices y moscas comparten ciertos genes que determinan el desarrollo del cerebro. O sea, a pesar que estos animales están separados por cientos de millones de años de evolución, al menos parte de sus cuerpos son construidos con los mismos principios y genes. Es por tanto muy probable que ya desde el inicio de la evolución animal, habrían estado presentes los mismos genes y quizás efectuando las mismas funciones, fenómeno que se conoce como homología profunda (ver a Jenner 2014, interesante artículo acerca de la conformación del cuerpo de los animales donde se menciona este concepto en el contexto del que se habla aquí). La evolución de los primeros animales Como sea, una vez pasadas las glaciaciones, (las que no deben confundirse con las glaciaciones del cuaternario) se registró una intensa tasa de generación de nuevos linajes animales, algo relativamente común en la historia de la tierra. Así, los eventos donde se producen gran número de especies u otros taxones de organismos son conocidos como radiaciones biológicas y suelen verse luego de grandes catástrofes geológicas, donde quedan “vacíos” los nichos ecológicos. Estos conceptos y afirmaciones se basan en la interpretación de diversos datos geológicos y de modelos informáticos, por lo que a veces pueden parecer muy especulativos. Sin embargo, también se han encontrado diversos fósiles como foraminíferos y otros que, aunque de muy reciente descubrimiento, y de naturaleza incierta, parecen ser esponjas de unos 760 millones de años. Sin embargo, si bien existen diversos restos que podrían adscribirse a animales, fósiles indiscutibles de estos, y con una antigüedad de unos 560 millones de años, han sido hallados en Rusia, China, y Australia. Los yacimientos de este último país se encuentran en la zona de Ediácara, por lo que a esta época se conoce como el período de Ediácara, el que va desde 575 hasta 543 millones de años atrás, cuando comenzó el Cámbrico, de aquí su enorme relevancia. Con todo, debe tenerse en cuenta que son animales pequeños y de cuerpo blando, como medusas y lombrices, por lo que encontrar sus fósiles es realmente muy infrecuente debido a que es más probable que sean destruidos que conservados. Esto explica la dificultad en reconstruir la evolución biológica de épocas tan lejanas, a pesar de lo cual, algunos fósiles, como los encontrados en ciertas minas de fosfato en Doushantuo, China, tienen incluso una estructura tan delicada que se han preservado las formas celulares cristalizadas en tres dimensiones (Cowen 2013). - 22 - Los filos y los planes corporales Uno de los primeros pensadores en estudiar a los animales, fue el filósofo griego Aristóteles, llamado por esto, el padre de la zoología, quien estudió, entre otras cosas, su cuerpo en el libro “Sobre las partes de los animales”. Más cerca en el tiempo, este tipo de estudios se efectuaron en el contexto de la naciente medicina humana, con lo que se desarrolló, progresivamente, la anatomía. Esta ciencia es el estudio de las estructuras de los organismos y proviene del griego anatome: disecar. Puede ser descriptiva o topográfica. La primera estudia al cuerpo animal dividido en sistemas morfológicos como por ejemplo el sistema digestivo, mientras, la segunda lo hace por regiones corporales, como por ejemplo el tronco. En tanto la morfología del griego morphos, forma y logos estudio, (Venes y Taber 2005) suele tener una acepción más amplia abarcando a la histología o a la embriología. En el caso de la Biología Animal el tratamiento se complica un poco debido a que deben abordarse, idealmente, todos los grupos animales, porque, ¿por qué dejar uno sin estudiar? No hay una respuesta racional, excepto que el volumen de información es inabarcable. Pero pueden trazarse los rasgos generales de la evolución morfológica, aunque sea de los animales más complejos, que como se adelantara en el prólogo, son los que serán abordados aquí, esto es, algunas clases de anélidos, moluscos, artrópodos y cordados. En relación a esto, es muy llamativo que existe una neta discontinuidad entre los planes corporales de los animales, o sea, no existen animales con arreglos anatómicos más o menos intermedios entre los diferentes filos, lo que es atribuido a dos posibilidades. Una es que dichos taxones se formaron de manera relativamente rápida y brusca, no dejando intermediarios evolutivos, o que estos no se encuentran simplemente debido a problemas de muestreo en el registro fósil. Nótese que estas ideas no son necesariamente excluyentes. Cualquiera que sea la causa, se denomina Explosión Cámbrica a esta real o aparente aparición brusca de los planes corporales en el registro fósil y existe una gran y apasionante discusión teórica acerca de las causas ambientales, mecanismos genéticos y de desarrollo que habrían generado la aparición de dichos planes (Willmore 2012). - 23 - Capítulo 2 LOS ANIMALES, UN CONJUNTO DE CÉLULAS - 24 - El cuerpo como un agregado de células El cuerpo de un animal algo avanzado (una lombriz de tierra por ejemplo) puede ser representado como un tubo doble. El más interno es el tracto digestivo. Rodeándolo se halla el celoma o cavidad corporal con las vísceras, y alrededor de estas se encuentra la pared corporal constituida por los músculos, los huesos (si fuera un vertebrado) y el tegumento. En la pared del cuerpo o en las propias vísceras se disponen distintos conjuntos celulares, los tejidos, que, agrupados en órganos, efectúan las funciones biológicas del animal como por ejemplo, distribuir hacia su destino, nutrientes, desechos, información y respuestas motoras y secretoras o efectuarlas en sí mismas. Estos tejidos y órganos de la pared o la cavidad corporal son los que conforman los sistemas morfológicos. Existen once de estos en el ser humano y en los vertebrados (Fig. 2.1), los que llevan a cabo diferentes tareas metabólicas para mantener la homeostasis y así brindar un ambiente adecuado a las células y tejidos. Fig. 2.1: Los sistemas de órganos de un vertebrado y sus interrelaciones. Flechas amarillas, intercambio con el exterior; flechas azules, intercambio interno; flechas negras, sentido del fluido circulatorio. SC, sistema circulatorio; SD, sistema digestivo; SE sistema endocrino; Sex, sistema excretor; SN, sistema nervioso; SR, sistema respiratorio; SRp, sistema reproductor La homeostasis es la constancia del medio interno, que es el ambiente formado por líquidos, solutos, matriz extracelular y moléculas señal que rodea a las células. Por esto deben mantenerse entre ciertos valores más o menos dinámicos las diversas características físico-químicas y biológicas como el contenido de dióxido - 25 - de carbono o la acidez. Este equilibrio es alcanzado graciasa receptores específicos que pueden detectar cambios en dichos parámetros. Entonces, intervienen los sistemas de órganos pertinentes para regular y mantener los valores apropiados en los tejidos. Una posible definición de tejido es la brindada por Saladin (2012), que dice que son conjuntos de células del mismo origen embrionario, con una estructura similar y funciones semejantes, asociadas más o menos fuertemente según el caso, por medio de uniones celulares u otras estructuras (fibras intercelulares, por ejemplo). En el ser humano y en todos los demás animales se encuentran cuatro tipos básicos de tejidos adultos: epitelial, conectivo, muscular y nervioso, que dan cuenta de la constitución del bauplan animal (Jonusaite y col. 2015). El tejido epitelial podría ser caracterizado como una capa continua de células con contactos intercelulares extensos y fuertemente unidas por diversos tipos de uniones celulares. Normalmente separan y limitan superficies externas (epidermis de la piel) o revisten cavidades y conductos (celoma y tracto o tubo digestivo). Se supone que este tejido fue el primero en originarse en el Urmetazoo (Urquiza y Carezzano 2013a). El conectivo funciona como relleno y sostén, y además por él surcan los vasos sanguíneos y nervios, los que sin tal tejido no podrían acceder a otras áreas corporales. Presenta pocas células (las típicas son los fibroblastos), aunque posee abundante substancia intercelular, con una variable cantidad de fibras (como el colágeno). El tejido muscular, por otro lado, tiene poca substancia intercelular y abundantes células, los miocitos. El tejido nervioso, en tanto, está conformado por las neuronas, células especializadas en conducir información mediante dos vías, una eléctrica, por cambios de voltaje en su membrana celular, y otra química, producida en la sinapsis situada entre las neuronas. Forma grandes órganos especializados como el encéfalo y la médula espinal (no confundir con la médula ósea) (Tórtora y Derrickson 2007). Ahora es posible entender mejor como se relaciona el medio interno y la célula, situación que se ejemplificará pensando en un fibroblasto. Estas células son típicas del tejido conectivo y se hallan rodeada por matriz extracelular a la cual constantemente llegan líquidos y solutos. Estos fluidos tienen dos orígenes, uno, en la absorción de sustancias efectuada en el intestino, y otro, en la salida de los nutrientes orgánicos, sales y agua extravasados de la sangre de los capilares, cuya finalidad es nutrir al mencionado fibroblasto. Debe resaltarse que toda la sangre, en los vertebrados, está siempre encerrada en los vasos y sólo se dejan escapar los mencionados compuestos y algunos otros con funciones específicas, en momentos particulares. Sin embargo, este líquido se podría acumular en los tejidos causando edema, debido a que muy poca cantidad puede reingresar a la circulación sanguínea, debido a que esta presenta mayor presión. Para esto, sin embargo, existen los vasos linfáticos, que aceptan estos líquidos, los llevan por conductos - 26 - cada vez mayores hasta llegar a un gran vaso linfático que desemboca en la circulación venosa, con lo cual los fluidos intersticiales terminan regresando a la circulación general. Además, piénsese que por esta vía pueden expulsarse gases y desechos que serán separados del cuerpo. Así la sangre podrá transportar estos desperdicios hasta los sistemas morfológicos encargados de su excreción, principalmente el excretor. Pero, ¿cómo detecta el cuerpo si la sangre debe circular más o menos rápidamente, modificar su flujo y volumen, o quizás efectuar una contracción muscular del tubo digestivo cercano al fibroblasto? Por medio de estructuras especiales (receptores sensoriales, que son neuronas específicas) que, finalmente actúan sobre el ritmo cardíaco, la tasa respiratoria, o los movimientos peristálticos, mediante la acción del sistema nervioso o endócrino. Así, mediante constantes ajustes efectuados gracias a la detección de cambios en el medio interno, se regulan las condiciones de este modificando el estado de actividad de los diferentes sistemas. Los tejidos básicos Podría empezarse este apartado con una pregunta, cuya respuesta fue adelantada en parte ¿qué son los tejidos? Ross y Ross y (2016) los define así, los tejidos son agregados de células organizadas para efectuar una o más funciones específicas…y que frecuentemente exhiben un reconocible y particular patrón de organización. A dicho interrogante también podrían agregarse qué es una célula y qué diferencias existen entre ellas para conformar los diferentes tejidos. Pero el problema es que si bien se dispone de una definición aceptable de célula o tejido, no es fácil definir si dos o más tipos celulares en diferentes organismos son o no correspondientes entre sí. Esto ocurre porque a pesar que los diferentes tipos celulares se identifican según su estructura, función y ubicación, en ocasiones células que son idénticas en tales caracteres presentan diferentes historias o distintos mecanismos de desarrollo (Slater 2013). O sea, no son “la misma cosa”. La dificultad de establecer la identidad entre células y tejidos puede ser incluida en la de definir que es la homología, así como en reconocerla y diferenciarla de la homoplasia. Otro problema, no menor, es que la descripción histológica de animales de filos no vertebrados es poco frecuente, lo que dificulta trazar las relaciones evolutivas entre los tejidos de diferentes animales. Por ejemplo, ¿es homólogo el epitelio del tegumento de moluscos, anélidos y cordados? No es fácil responder a esta pregunta, si bien se está avanzando notablemente en, al menos, identificar tales relaciones en algunos tejidos (Arendt y col. 2016). Por ejemplo, Vickarious y Hall (2006) identificaron 416 tipos celulares en los humanos adultos. Claro que esto es apenas el comienzo para poder comparar estas células con las de animales más o menos distantes. - 27 - Al ser los tejidos agregados celulares de diferente tipo cabe preguntarse ¿qué es un tipo celular?, por ejemplo, ¿cómo se relacionan una neurona de una medusa con la de un ser humano? El problema es que no parece haber una teoría acerca de lo que es un tipo celular, más allá de que los tipos celulares probablemente tengan una existencia real. Esta discusión acerca de los fenómenos biológicos como objetos reales o constructos humanos también se da, por ejemplo, en la discusión del estatus ontológico de la especie (Slater 2013). Cualquiera sea la naturaleza ontológica de la célula y los tejidos, o su grado de homología entre los diversos animales, lo cierto es que la complejidad de estos se basa en su capacidad de formar órganos, los que se construyen gracias al epitelio y el mesénquima (derivado del primero), los que a su vez podrán diferenciarse en varios más a lo largo de la ontogenia y filogenia. Por esto, comprender sus diferencias y su mutua interdependencia y de como un tipo celular o tejido se transforma en otro permitirá entender los mecanismos y vías del desarrollo corporal. Los epitelios son formados por células polarizadas, con matriz extracelular en su base y en su zona apical, organizadas en forma paralela unas con otras y unidas fuertemente por complejos de unión celular dispuestas en franjas continuas, como los desmosomas en cinturón. El mesénquima, en tanto, está conformado por células que pueden adoptar diferentes tipos de polaridad, con contacto con la matriz extracelular en cualquier punto de su superficie y con uniones celulares de tipo focal (Tyler 2003). Origen y evolución de los tipos celulares y tejidos. El problema de la homología A pesar de que se efectuaron notables avances en el estudio de la evolución de los animales, los tipos celulares, los tejidos y los órganos que se originaron en los primeros estadios de esta aúnno son conocidos claramente. Así, dos preguntas guían este tipo de análisis. ¿Cuáles son las células homólogas entre dos especies o taxones?, y ¿cómo han evolucionado dos células de tejidos más o menos similares en una especie dada, a partir de un tipo celular ancestral? Actualmente, mediante diversas técnicas moleculares es posible determinar y comparar, entre diversos tipos celulares, la similitud en los genes expresados así como el conjunto de genes reguladores o factores de transcripción que actúan para lograr un fenotipo específico. Así puede saberse cuan cercanos son distintos linajes celulares, estableciendo a veces homologías insospechadas, como por ejemplo las motoneuronas somáticas, por un lado, y las neuronas sensoriales periféricas, por el otro, entre insectos y cordados. Sin embargo, frecuentemente surgen problemas al efectuar estas comparaciones porque, por ejemplo, algunos genes se han perdido o han mutado mucho más rápidamente que sus pares (Arendt 2008). Arendt (2008) discute varios principios y elementos centrales por los que habrían evolucionado los tipos celulares ancestrales, los que se discutirán - 28 - someramente a continuación. La “multifuncionalidad primigenia” se refiere a que las primeras células, como las epitelio musculares de los cnidarios, habrían presentado varias funciones (cobertura, sensorial y contráctil, por caso). Estas tareas se separarían por “segregación de funciones” al especializarse la célula multifunción en varios linajes celulares descendientes (siguiendo con el ejemplo anterior, dado por Arendt, serían epitelio, neuronas y músculo). Para esto sería necesario que cierto conjunto de genes que codifican para factores de transcripción específicos, que determinan la estructura y función celular, se inactivaran. A este evento le seguiría la “divergencia de funciones” por la cual linajes que se han originado de un tipo celular común, comienzan a expresar funciones diferentes, quizás por adopción de genes nuevos (por duplicación génica, por ejemplo). Por último, pueden surgir nuevas funciones en los tipos celulares originados por los mecanismos mencionados, quizás por cooptación génica. El último fenómeno mencionado es una innovación o novedad evolutiva, uno de los principales problemas a explicar por la biología evolutiva. Un llamado de atención respecto a esto. No deben pensarse en las novedades siempre como características u órganos complejos. Por ejemplo la lengua, los labios y las mejillas, órganos relativamente simples, son novedades evolutivas para los vertebrados y los mamíferos, respectivamente (Roth y col. 2014). Como surge de la lectura anterior, este problema se inscribe en la discusión más general de homología-analogía, sólo que tradicionalmente esta se limitaba a los órganos y sus sistemas, como es fácil de ver en cualquier tratado de anatomía comparada. Por esto mismo es interesante citar aquí el concepto de niveles de homología. Esto es, existen diferentes grados de homología, como es expresado en el concepto ya mencionado de homología profunda (deep homology). Por lo expuesto, al tratar los tipos de tejidos en diferentes filos no se asume ni se niega la homología posible de los mismos, sólo se utiliza la clasificación clásica, basada en la estructura, ubicación y función de los tejidos. Si corresponde, se hará expresa referencia al nivel de homología entre los mismos. El tejido epitelial. Normalmente reviste cavidades, tubos o superficies externas o internas. Se halla así en la piel, los vasos sanguíneos, los tractos respiratorio y digestivo, entre otros. También forma las glándulas, que son agregados celulares generalmente incorporados en medio del tejido conectivo, y especializados en la secreción de sustancias. El tejido conectivo. Es el más diverso de todos. Se presenta en numerosas variedades y consiste de células que se hallan muy separadas entre sí debido a que existe abundante substancia intercelular, que las rodea en toda su superficie. No exhiben uniones celulares entre ellas. Ejemplos de este tejido son la sangre, el tejido conectivo laxo, óseo o cartilaginoso. Obsérvese, sin embargo, que un hueso en - 29 - particular es un órgano, formado principalmente por tejido óseo, pero también por otros como el nervioso y conectivo denso. El tejido muscular. Posee la única y particular función de acortar sus células gracias al deslizamiento de proteínas intracelulares. No es tan variado, existiendo principalmente el tejido muscular estriado y el liso. Forma los músculos esqueléticos, el corazón y la capa de músculo liso de los tractos viscerales. Vale aclarar como en el caso anterior que un músculo en particular es un órgano, que se halla conformado por tejido muscular, nervios, tejido conectivo y vasos. El tejido nervioso. Está conformado por neuronas y neuroglia, células acompañantes. Las primeras son generalmente alargadas, que pueden cambiar la permeabilidad de su membrana ante la llegada de estímulos. Esto genera una corriente eléctrica que permite, eventualmente, que la célula libere sustancias llamadas neurotransmisores, que a su vez actúan sobre otras neuronas o células musculares por ejemplo. Así estas reciben la orden de contraerse, por ejemplo. - 30 - - 31 - Capítulo 3 ORGANIZACIÓN DEL CUERPO ANIMAL - 32 - Los sistemas de órganos: generalidades Los sistemas morfológicos se encargan de responder a determinadas demandas del animal. Dichos sistemas, según el objetivo del autor, pueden combinarse de diferente manera cuando se los clasifica, como por ejemplo, al sistema osteo-artro-muscular, que incluye a huesos, articulaciones y músculos, llamados por esto sistemas del sostén y el movimiento, los que pueden estudiarse juntos o separados. A continuación se hará una breve descripción de los mismos, pero por cuestiones didácticas siempre referidos, por ahora, a un mamífero, si bien podrá mencionarse alguna situación de interés en otros organismos como para introducir una visión comparada. En los capítulos específicos se abordarán los aspectos particulares de cada taxón. Sistema tegumentario. Lo forma la piel, la que incluye a la epidermis y a la dermis. Es el órgano más extenso del cuerpo, al que limita y protege de la deshidratación y la entrada de abrasivos o patógenos. La epidermis es un epitelio estratificado plano de origen ectodérmico, de espesor variable, y origina también a uñas y pelos. La dermis, de origen mesodérmico, se halla por debajo y está formada por tejido conectivo de diferente tipo y de espesor también muy variable. Debajo de esta se encuentra la hipodermis, frecuentemente rica en tejido adiposo (tejido conectivo que acumula grasa), la cual no es parte del sistema tegumentario si bien se halla funcional y anatómicamente en relación con este. Los vasos sanguíneos llegan sólo hasta la base de la epidermis, a la que alimentan por difusión. En cambio, ciertas ramificaciones sensitivas del sistema nervioso si pueden llegar hasta aquella para detectar diversos estímulos. Finalmente debe mencionarse que la piel posee numerosas y variadas glándulas como las sebáceas o sudoríparas, así como los melanocitos, células productoras del pigmento que dan origen al color de la piel. En la mayoría de los filos de tipo invertebrado, la epidermis consiste de una capa simple de células, dado que habitan en ambientes húmedos y protegidos. Son típicas células epiteliales polarizadas, las que segregan diversos materiales hacia el exterior o interior del animal, contribuyendo a la formación de la materia extracelular, las que pueden especializarse presentándose como cutículas, externamente, o como membrana basal internamente. La matriz extracelular se encuentra en la base de la evolución de los animales, y puede encontrarse un tratamiento con una visión amplia en Ozbek y col. (2010)y Hynes (2012). Aunque es discutido, es probable que ya las esponjas presenten una verdadera epidermis, toda vez que parecen exhibir ciertas diferencias entre el ambiente exterior y la mesoglea (Schmidt Rhaesa 2007). En los tetrápodos el tegumento es estratificado y, en general, exhibe diferentes arreglos estructurales y variantes químicas de queratinas y lípidos, que posibilitan una gran fortaleza estructural y evitar la desecación a la vez que permiten la percepción (Lillywhite 2006). - 33 - Sistema osteo-artro-muscular. Son los huesos, articulaciones y músculos. Los huesos son órganos formados por un tipo de tejido conectivo especial, rico en fibras extracelulares y con depósitos de calcio, lo que le confiere la dureza. Sirven para proteger a las vísceras (caso de las costillas o de las vértebras), de sostén del cuerpo y como palanca de los músculos. Entre los huesos se encuentran las articulaciones, que pueden ser más o menos móviles y están constituidas por tejido fibroso y/o cartílago. Formando parte de estas y entre los huesos se hallan los ligamentos, bandas de tejido conectivo rico en fibras muy resistentes. Finalmente, insertos en los huesos mediante los tendones, que son similares a los ligamentos, se encuentran los músculos esqueléticos, de contracción voluntaria. La acción de los músculos se realiza mediante la contracción de uno, por ejemplo el flexor, mientras se distiende el opuesto, en este caso el extensor. El “trabajo” es realizado por el que se contrae, ya que el que se distiende simplemente se relaja. Así, la posición del brazo flexionado, implica al bíceps contraído y al extensor distendido, mientras que cuando el brazo se extiende, ocurre lo contrario. Así, siempre habrá músculos en contracción. El músculo consiste de células que se contraen gracias, principalmente, a la acción deslizante de dos proteínas, la actina y la miosina. Ambas proteínas son muy antiguas y ubicuas, habiendo equivalentes a la primera incluso en bacterias, y a la miosina en plantas y hongos. Por esto se considera que ambas moléculas ya se hallaban en los primeros metazoarios. En las esponjas (quizás los animales más basales) por ejemplo, existen células contráctiles que permiten que sus ósculos puedan cerrarse. Se cree que probablemente el músculo liso, el que no está tan altamente organizado, es la condición primaria, desde la cual emergieron varios patrones de estriación en los músculos estriados. Y dentro de los músculos estriados, la organización en una capa circular externa y una capa longitudinal interna, como en las lombrices, sería la más general y basal, desde la cual emergió la más especializada encontrada en los animales con esqueleto. El músculo, derivado mesodérmico, sería incluso más antiguo que el tejido conectivo, y habría posibilitado la complejización del cuerpo animal al permitir mayores movimientos, así como una mejor coordinación de estos. Está, por tanto, implicado en la aparición de la triploblastia, e indirectamente, en la complejización del sistema nervioso, al permitir una mayor actividad del animal (Rieger y Ladurner 2003). Como sea, es posible que el músculo no sea homólogo entre los cnidarios y los animales bilaterales (Steinmetz y col 2012). Sistema nervioso. En términos generales, el sistema nervioso puede clasificarse como difuso, hallado en los cnidarios, o centralizado, encontrado en los animales bilaterales, considerándose al primero como el más basal. Está conformado por células nerviosas o neuronas, que conducen la información, y células de sostén, la glía, las que son mucho más numerosas que las primeras. En - 34 - el hombre y en todos los vertebrados, este sistema puede dividirse en el sistema nervioso central, ubicado dentro del cráneo y de la columna vertebral, y en el sistema nervioso periférico, ubicado por fuera del anterior. El sistema nervioso central consta, a su vez, de la sustancia gris y la sustancia blanca, cuya conformación depende de las neuronas y neuroglia presentes. Las neuronas constan de un cuerpo principal, estrellado, y dos prolongaciones, una mayor, axón, y varias menores, dendritas. La mayoría de los cuerpos neuronales se encuentran en la llamada sustancia gris del sistema nervioso central, mientras las prolongaciones, principalmente los axones, se encuentran saliendo de esos centros grises y forman la sustancia blanca, a la que otorgan este aspecto debido a la presencia de mielina, una sustancia grasa formada por la neuroglia. Una vez que estas prolongaciones dejan el sistema nervioso central a través de los agujeros del cráneo o la columna, se denominan nervios. Varias neuronas conforman a un nervio, el que puede ser muy delgado o bastante grueso. A su vez los nervios están rodeados de tejido conectivo protector. El sistema nervioso actúa modificando la actividad de las glándulas o de los músculos, lo que hace según la información que acarrean los nervios sensitivos provenientes de los sentidos y sensorio, produciendo respuestas rápidas y acotadas en el tiempo. Otra división del sistema nervioso es el sistema nervioso autónomo, el que regula de manera inconsciente e involuntaria la actividad de las vísceras. Si bien el encéfalo consta de varias partes, el cerebro (telencéfalo) es el más conspicuo y reconocido. Finalmente, el segundo componente histico del sistema nervioso, la glia, fue conceptualmente reconocido como un “cemento interneuronal” originalmente por anatomista Rudolf Virchow. Estas células, cuyo origen puede ser ectodérmico o mesodérmico, sirven como orientación al crecimiento y desarrollo neuronal, para su nutrición, defensa, y mantenimiento del medio interno, e incluso, establecen ciertas sinapsis con las neuronas, a las que, en algunos grupos zoológicos, pueden originar. Pueden encontrarse incluso en hidrozoos y acelomorfos, animales basales, no estando claras las relaciones evolutivas entre ellas (Gotz 2013), lo que también ocurre con las neuronas y el sistema nervioso en general (Urquiza y Carezzano 2013b; Loesel y col. 2013). Sistema endocrino. Muy relacionado con el sistema nervioso, este sistema está conformado por glándulas que producen hormonas. Las glándulas, son conjuntos celulares especializados en la producción de sustancias útiles (secreción) que en este caso son llamadas hormonas, sustancias químicas del tipo de las proteínas y/o lípidos que viajan por sangre y modifican el estado de actividad de otras células. A diferencia del sistema nervioso, produce respuestas lentas y prolongadas (crecimiento por ej.). La tiroides y la hipófisis son ejemplos muy conocidos. Entre los vertebrados, el hipotálamo, la hipófisis y la glándula adrenal son algunos de los componentes más antiguos encontrado en estos animales, - 35 - adaptándolos a los estados de estrés o cambios ambientales (Denver 2009). Puede irse más lejos en el árbol filogenético, para mencionar la teoría unificadora, según la cual todos los organismos pueden sintetizar todas las hormonas, debido a que estas habrían estado ya presentes en los primeros organismos unicelulares, ancestros de los organismos actuales. Como sea, de todos los filos, sólo los artrópodos, los moluscos y los vertebrados presentan órganos particulares identificables como glándulas endocrinas, si bien dichas sustancias están ampliamente distribuidas, aunque no asentadas en órganos diferenciados (Bolander 2004). Con todo, ya en los cnidarios existen sustancias difusibles de acción local, aunque las verdadera glándulas están presentes recién en animales que exhiben sistema circulatorio, estando el sistema neuroendocrino, presente en los mismos filos nombrados, más los anélidos (Norris y Carr 2013). Entre los invertebrados no parecen existir ni hormonas sexuales esteroideas ni adrenales, habiendo aparecido la primera, aparentemente, recién en los cefalocordados. Finalmente,es muy posible que las hormonas se hayan originado antes que sus respectivos receptores, lo que permitió a estos exhibir una gran variabilidad estructural y funcional (Gomperts y col. 2009). Sistema linfático e inmunitario. Entre los protostomados, básicamente, existe una inmunidad innata y celular mientras que entre los deuterostomados se encuentra una adquirida y mediada por anticuerpos (aunque no exclusivamente). En los vertebrados, en tanto, sus constituyentes histicos son la linfa, los vasos linfáticos así como varios órganos y tejidos inmunitarios. Estos pueden ser primarios o secundarios. Los primarios son el timo y la médula ósea, donde se originan y diferencian las células madre de los glóbulos blancos. Los secundarios son el bazo, los nódulos linfáticos y los ganglios (los que no deben confundirse con los ganglios nerviosos) donde dichas células desempeñan sus funciones defensivas. Estos órganos se hallan rodeados por una cápsula de tejido conectivo que envía ramificaciones hacia el interior del órgano formando trabéculas. Están conformados por tejido conectivo reticular, rico en este tipo de fibras y que constituye el parénquima del órgano, donde se apoyan y distribuyen los glóbulos blancos (Antón Marín 2009), siendo la presencia de inmunidad innata un tema algo discutido. Entre los invertebrados puede encontrarse una variable capacidad de respuestas así como una notable especificidad y memoria de la misma, lo que hasta hace un tiempo se creía un atributo exclusivo y particular del sistema inmunitario de los vertebrados, y permitiría, incluso, la generación de vacunas para camarones de interés económico. En algunos se halla bien desarrollada la inmunidad innata, como en anélidos, los que presentan factores humorales con propiedades proteolíticas, citolíticas y antibacterianas, así como diversos tipos de hemocitos (Engelmann y col. 2011) Para ampliar, puede consultarse la obra de Söderhäll (2011), el que trata sobre el sistema inmune de diversos invertebrados. - 36 - Aparato cardiovascular. Compuesto por el corazón, la sangre y los vasos que la transportan. Lleva nutrientes orgánicos como aminoácidos, inorgánicos como agua, sales y oxígeno y desechos como dióxido de carbono. El corazón es un órgano muscular que al contraerse impulsa a la sangre por las arterias con gran presión. Estas arterias se van ramificando hasta dividirse en pequeños vasos sanguíneos, los capilares, permeables y del grosor de una célula. Desde aquí se produce el intercambio de sustancias entre la sangre y la matriz extracelular y con las células, lo que permite controlar el ambiente celular y el líquido intercelular al modificar el nivel de permeabilidad de los capilares y la presión sanguínea. Los capilares, a su vez se unen entre ellos formando vasos más grandes, las venas, que por sucesivas uniones entre varias de ellas, terminan formando una gran vena, la vena cava que desemboca en el corazón llevando la sangre sin oxígeno. Esta luego pasa a los pulmones donde se oxigena, desde donde vuelve al corazón para volver a cumplir el recorrido por el cuerpo. Aunque no siempre son visibles, los capilares se encuentran en cada sección del cuerpo. Clásicamente se reconocen dos tipos generales de sistemas circulatorios, abiertos y cerrados. Los primeros son encontrados en numerosos invertebrados, con cavidades corporales donde los líquidos circulatorios fluyen más o menos libremente, y los segundos en los vertebrados, donde la sangre está confinada dentro de vasos sanguíneos y es impulsada por vasos contráctiles. Justamente la ocurrencia de vasos contráctiles o corazones en varios organismos, así como la expresión génica común en el desarrollo del SC llevó a la proposición de que el Urbilateria habría poseído ya un sistema cardiovascular, lo que, sin embargo no es aceptado por todos los autores (Schmidt Rhaesa 2007). Por otra parte, no es tan clara la diferencia entre sistemas abiertos y cerrados. Aunque en los humanos es fácil reconocer el sistema circulatorio, su definición en otros animales no es tan simple debido a que pueden existir corrientes circulatorias en la matriz fibrosa del ambiente extracelular, aun no existiendo un sistema bien delimitado. Además algunos poliquetos que presentan circulación bien definida, no presentan endotelio, sino sólo membrana basal bien desarrollada que limita dichos espacios circulatorios (Reiber y McGaw 2009). En los artrópodos también se encuentra un verdadero sistema circulatorio, formado por una parte vascular y otra lacunar. La primera comprende a un vaso dorsal contráctil y una aorta anterior y otra posterior. Estos animales presentan un hemocele, que es en verdad la cavidad del cuerpo, y un líquido circulante, la hemolinfa, que contiene hemocitos y plasma. La hemolinfa se mueve así desde las arterias hacia los espacios o lagunas, donde sigue un curso que depende de la presencia de diferentes tabiques de tejido conectivo y la conformación anatómica general que definen vías circulatorias bastante bien definidas. El líquido circulatorio vuelve al corazón directamente, ya que no existen venas, aunque puede haber varios órganos pulsátiles accesorios que ayudan a la circulación. Este sistema cubre cuatro - 37 - funciones básicas, hidráulicas, defensivas, homeostáticas y de transporte (Wirkner y col 2013). Finalmente debe mencionarse la posibilidad de que las células circulantes en vertebrados y varios filos invertebrados sean homólogas, derivadas de una célula ancestral, el hemocitoblasto (Hartenstein 2006). Aparato respiratorio. Sus componentes son los pulmones y diversos tubos que conducen los gases entre aquellos y el exterior. Así el aire ingresa por la nariz, baja por la nasofaringe hasta la laringe, y desde aquí pasa a los bronquios, que se dividen hasta llegar a desembocar en pequeñas bolsas, los alvéolos pulmonares. Estos están formados por paredes muy delgadas, constituidas por epitelio plano simple, que permite el intercambio de gases entre el aire que contienen y la sangre que circula en los capilares subyacentes. Al igual que en el tracto digestivo se encuentran numerosos tejidos en su constitución, entre otros, epitelio, cartílago, tejido conectivo, y músculo liso. La función de respiración, en estos animales, se efectúa mediante cuatro estructuras básicas, cada una de las cuales posee numerosas variantes, no necesariamente homólogas, que son el tegumento, las branquias, los pulmones y las tráqueas. A pesar de la gran diversidad estructural, ecológica y funcional existente, dichos órganos pueden clasificarse en evaginaciones de la pared del cuerpo (branquias, adaptadas a la vida acuática) y en invaginaciones de la misma (pulmones, adaptados a la vida aeroterrestre), siendo que la deshidratación es un problema crucial en este sistema. Por ej., los pulmones humanos poseen una superficie de 140 m2 (equivalente a una cancha de tenis), lo que de presentarse en forma de branquias (evaginaciones) representaría una pérdida de agua de casi 500 litros por día, lo que produciría la muerte en unos tres minutos, más velozmente que la asfixia. Las especies con sistemas más eficientes exhiben grandes superficies de intercambio, redes capilares muy extensas y barreras hísticas entre el aire y la sangre muy delgadas. En el caso que exista asociación entre el sistema circulatorio y respiratorio, se dan tres diseños básicos, de contracorriente, de corrientes perpendiculares, y de inmersión. En el primero (branquias) la sangre circula en un sentido opuesto al del oxígeno. En el segundo, ambas corrientes son perpendiculares unas con otras (parabronquios de aves). Por último, en la inmersión, como en los pulmones de mamíferos, la sangre se pone en contacto con una cavidad llena de aire circulante. Las tráqueas de los insectos, que llevan el oxígeno directamente a los tejidos,
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