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Un estudio del crecimiento del cráneo y la aparición de los dientes revela que el tiempo lo es todo

11 de abril de 2018

En todo el mundo de los mamíferos, los dientes tienen todas las formas y tamaños. Su tamaño y forma especiales son el proceso de millones de años de fina sintonía evolutiva para producir dientes que pueden descomponer eficazmente los alimentos en la dieta de un animal. Como resultado, los mamíferos que están estrechamente relacionados y tienen una lista similar tienden a tener dientes algo similares. Sin embargo, una nueva investigación de la Universidad Estatal de Arizona sugiere que estas similitudes pueden ser sólo “superficiales”.

Los dientes en la parte posterior de la boca, los molares, tienen una serie de protuberancias, crestas y surcos en la superficie de masticación. Este intrincado paisaje dental es producto de la disposición espacial de los estolones, protuberancias superficiales cónicas que trituran los alimentos antes de tragarlos. El número de cúspides presentes y cómo se colocan, su tamaño y forma juntos determinan la forma general del molar o formación.
Una regla de desarrollo simple y directa, la ‘cascada de adornos’, es lo suficientemente poderosa como para explicar la enorme variación en la formación de la corona molar durante los últimos 15 millones de años de la evolución de los simios y los humanos. Foto cortesía de Pixabay.com

En el transcurso de la evolución de los homínidos (humanos modernos y sus ancestros fósiles), los molares han cambiado marcadamente en su composición, con algunos grupos desarrollando cúspides más grandes y otros desarrollando molares con una batería de cúspides más pequeñas adicionales.

Trazar estos cambios ha proporcionado poderosos conocimientos sobre nuestra comprensión de la historia humana moderna. Incluso nos ha permitido identificar nuevas especies fósiles de homínidos, a veces a partir de restos de dientes fragmentarios, y reconstruir las especies más estrechamente relacionadas con ellas. Sin embargo, se desconoce cómo algunos grupos de humanos modernos y algunos tipos de fósiles de homínidos desarrollaron molares complejos con muchas cúspides de diferentes tamaños, mientras que otros desarrollaron formaciones molares más simples.

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En un estudio publicado esta semana en Science Advances, un equipo internacional de investigadores dirigido por ASU instituto de activos humanos Y Escuela de Evolución Humana y Cambio Social Descubrió que una regla de desarrollo simple y directa, la ‘secuencia de ornamentación’, es lo suficientemente poderosa como para explicar la enorme variación en la formación de la corona molar durante los últimos 15 millones de años de evolución humana y de los simios.

“En lugar de invocar escenarios grandes y complejos para explicar cambios importantes en la evolución molar durante el curso de los orígenes de los homínidos, encontramos que alteraciones menores y alteraciones en esta base de desarrollo única podrían explicar la mayoría de estos cambios”, dijo Alejandra Ortiz, profesora postdoctoral. Investigador del Instituto de Orígenes Humanos (OHI) y autor principal del estudio.

Modelo de los balcones molares

Tomografía computarizada del cráneo de un chimpancé (izquierda) con imagen ampliada de un molar real extraído (centro). La capa exterior, llamada esmalte, se vuelve transparente para revelar un paisaje tridimensional del núcleo de dentina primaria. La ubicación de las células de señalización embrionarias que determinarán la posición futura del borde se indica mediante esferas amarillas (centro). La distribución de estos centros de señal en los paisajes dentinarios se mide como una serie de espacios superpuestos (flechas rojas a la derecha, arriba), que cuantifican el número de cúspides que eventualmente se desarrollarán a través de la corona molar, así como la cantidad de topografía seleccionada de cada extremo (líneas discontinuas a la derecha, abajo). Crédito de la imagen: Alejandra Ortiz y Gary Schwartz

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En la última década, la comprensión de los investigadores sobre la evolución de la protuberancia molar se ha multiplicado por cien. Ahora saben que la formación de estas cúspides se rige por un proceso molecular que comienza en una etapa embrionaria temprana. Basado en trabajo experimental en ratones, el modelo de secuencia de patrones predice que la composición molar está determinada principalmente por la distribución espacio-temporal de una población de células de señalización.

Los grupos de células de señalización (y sus protuberancias resultantes) que surgieron antes influyen fuertemente en la expresión de las cúspides que se desarrollan más tarde. Este efecto en cascada puede favorecer el aumento del tamaño y el número de terrazas adicionales o restringir su desarrollo para producir terrazas cada vez más pequeñas. No se sabía si este tipo de simple fenómeno de trinquete del desarrollo podría explicar la amplia gama de formaciones molares que se encuentran en los antepasados ​​de los simios y los humanos.

Utilizando técnicas de micro-tomografía computarizada de última generación y técnicas de imágenes digitales aplicadas a cientos de fósiles y molares modernos, Ortiz y sus colegas crearon mapas virtuales del paisaje dental en desarrollo para mapear la ubicación exacta de las células de señalización embrionarias de las que se originan los espolones molares. . Desarrollar. Para gran asombro del equipo de investigación, las predicciones del modelo eran ciertas, no solo para los humanos modernos, sino para más de 17 especies de simios y homínidos repartidos a lo largo de millones de años de evolución y la mayor diversidad de primates.

“El modelo no solo sirve para explicar las diferencias en el diseño de los molares base, sino que también es lo suficientemente poderoso como para predecir con precisión el rango de variables en tamaño, forma y presencia del límite adicional, desde el más exacto hasta el más extremo, para la mayoría de los monos ”, dijo Ortiz:

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Estos hallazgos encajan con un creciente cuerpo de trabajo en biología del desarrollo evolutivo que argumenta que las reglas de desarrollo simples y directas son responsables de generar la enorme complejidad de las características dentales que se encuentran dentro de los dientes de los mamíferos.

dijo Gary Schwartz, coautor del estudio y paleobiólogo de la OHI y profesor asociado en la Escuela de Evolución Humana y Cambio Social.

Este nuevo estudio es consistente con la opinión de que las modificaciones simples y sutiles en las formas en que los genes codifican rasgos complejos pueden conducir a la amplia gama de diferentes formaciones dentales que vemos en nuestros homínidos y primos simios. Es parte de un cambio en nuestra comprensión de cómo la selección natural puede generar fácil y rápidamente una nueva anatomía que se adapte a un trabajo en particular.

“Que toda esta información precisa y detallada se encuentre en lo más profundo de los dientes”, continuó Schwartz, “incluso en los dientes de nuestros parientes fósiles extintos hace mucho tiempo, es simplemente notable”.

“Nuestra investigación, que muestra que una sola regla de desarrollo puede explicar la variación infinita que observamos entre los mamíferos, también significa que debemos tener cuidado al inferir relaciones de especies extintas basadas en la forma común. . “Se ha hecho evidente que las similitudes en la forma de los dientes no necesariamente apuntan a un ancestro común reciente”, agregó Bailey, quien fue, en 2002, el primer graduado de doctorado afiliado a la OHI.