La biología moderna considera que las células óseas (osteocitos) son esenciales para el exposición y la vitalidad de los huesos

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Un equipo conjunto de paleontólogos ahora ha analizado las estructuras óseas en fósiles de vida marina de 400 millones de años por primera vez con una resolución sin precedentes y en 3D. Para poder visualizar estas estructuras, los expertos en tomografía examinaron las muestras bajo el haz de iones enfocado de un microscopio electrónico de barrido para calcular imágenes 3D a partir de los datos, obteniendo resoluciones en el rango nanométrico utilizando la tecnología desarrollada inicialmente para estudiar la corrosión de las baterías. .

Ya sean peces, aves o mamíferos, todos los vertebrados tienen un esqueleto interno de huesos. En casi todos los vertebrados (con la excepción de algunos peces óseos), el hueso está formado por un complejo compuesto de minerales, proteínas y células óseas vivas (osteocitos) atrapadas en la matriz ósea. Las células óseas están interconectadas por pequeños canales para que puedan intercambiar sustancias y señales electroquímicas, lo que permite que los huesos crezcan y se regeneren. Sin embargo, esta compleja arquitectura de material vivo e inorgánico debe haber surgido en algún momento del curso de la evolución. Un equipo del Museum für Naturkunde Berlin dirigido por el Dr. Florian Witzmann está investigando cómo y cuándo sucedió esto. Ahora han descubierto un posible hito en este desarrollo.

Examinaron muestras fosilizadas de armaduras óseas de dos especies primitivas de peces que vivieron hace unos 400 millones de años. Un espécimen provino de Tremataspis mammillata, un pez sin mandíbulas que vivió a finales del período Silúrico hace unos 423 millones de años y pertenece al grupo extinto llamado Osteostraci. El segundo espécimen, mucho más joven, era un trozo de hueso del pez Bothriolepis trautscholdi que vivió en el período Devónico tardío hace unos 380 millones de años y pertenece al extinto Placodermi, el primer grupo de peces con mandíbulas. “Ya se sabía que estos primeros vertebrados tenían células óseas, pero sabíamos poco acerca de cómo las células estaban unidas entre sí, así como algo sobre la estructura detallada de la laguna, o cavidad, en la que se encontraban las células óseas del animal vivo. Para hacer afirmaciones más precisas sobre el metabolismo óseo, necesitábamos tener imágenes mucho más detalladas de estas estructuras que las disponibles anteriormente ”, dice Witzmann.

Con este fin, el experto en HZB, el Dr. Ingo Manke, sugirió un método disponible en el laboratorio de microscopía electrónica del campus de HZB en Wannsee: tomografía de microscopía electrónica de barrido con haz de iones enfocado (FIB-SEM) en ZEISS Crossbeam 340. En este dispositivo, un galio enfocado El haz de iones elimina continuamente el material de la superficie de la muestra, excavando gradualmente más profundamente en la muestra. Al mismo tiempo, un haz de electrones escanea la parte recién detectada de la muestra y proporciona datos para crear imágenes en 3D con una resolución cien veces más fina que la tomografía computarizada.

El equipo de Manke había utilizado previamente este método para estudiar materiales de electrodos para baterías, que tienen una red de vías finas para el transporte de iones. El físico de HZB Markus Osenberg había utilizado previamente un procedimiento de evaluación sofisticado desarrollado en el Laboratorio de Análisis 3D de HZB para calcular la imagen a partir de los datos de medición. Es una red neuronal especialmente entrenada, un método tomado del aprendizaje automático, ya que las imágenes de este tipo de muestras no se pueden calcular con métodos estándar. “Debido a los innumerables caminos a través del hueso, la superficie de la muestra está llena de agujeros como queso suizo”, explica Osenberg, quien está haciendo su doctorado en el equipo de Manke. Sin embargo, después de un poco de práctica, la red neuronal bien entrenada reconoce dónde fluye el plano de ablación y dónde están los orificios y reconstruye una imagen precisa de la superficie ablacionada. “De hecho, las estructuras en las muestras de hueso son relativamente similares a las estructuras en los materiales de los electrodos de la batería. Pero el hecho de que la red neuronal, que ha aprendido sobre los materiales de la batería, ahora también puede visualizar las muestras de huesos fósiles nos sorprendió. bueno “, dice Osenberg.

Incluso en el espécimen más antiguo del pez blindado sin mandíbulas, las imágenes en 3D muestran una compleja red de cavidades (huecos) para las células óseas y pequeños canales a través del hueso que conectan estas cavidades. “Los canales son mil veces más estrechos que un cabello humano y, sin embargo, sorprendentemente, se han conservado casi por completo en estos 400 millones de años”, dice Manke.

El análisis elaborado de las imágenes en 3D de alta resolución muestra en detalle cómo se construyó la red de cavidades (huecos) y los canales entre ellos. “Esto muestra que nuestros primeros antepasados ​​aún sin mandíbulas ya poseían huesos con una estructura interna similar a la nuestra y probablemente también muchas capacidades fisiológicas similares”, explica Witzmann. “El descubrimiento paleobiológico más importante es que también podemos detectar rastros reales de metabolismo en estas muestras óseas tempranas”, dice Yara Haridy, quien está haciendo su doctorado en el Museum für Naturkunde de Berlín. A través de la osteólisis local, es decir, la disolución de la matriz ósea que rodea las células óseas, el cuerpo probablemente pudo cubrir sus propias necesidades de fósforo en tiempos de escasez. Esto le dio una ventaja sobre sus contemporáneos más primitivos, que tenían células desprovistas de células, es decir, cuyos huesos no contenían osteocitos. “Esta ventaja aparentemente condujo a la creación generalizada de hueso con células óseas en vertebrados, como también lo conocemos en humanos. Este es un paso importante hacia la comprensión de cómo surgió nuestro metabolismo óseo”, explica Haridy. En resumen, señala: “¡Incluso en los huesos fósiles tempranos, las células óseas podían disolverse y restaurar los minerales óseos, esto significa que los huesos mismos actúan como baterías al almacenar minerales y liberarlos más tarde! Esta capacidad proporcionó una ventaja indudable a los peces sin mandíbulas. con células óseas versus vertebrados sin ellas. Esta ventaja fue quizás tan profunda que alteró la evolución de los vertebrados, ya que los vertebrados maxilares posteriores retuvieron las células óseas.

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