Come balene e delfini si sono adattati alla vita sull’acqua – Harvard Gazette

Se hai mai visto i delfini nuotare, probabilmente ti sarai chiesto perché agitano le mani invece di muoversi lateralmente come fanno i pesci. Sebbene il loro corpo assomigli a un pesce, i cetacei, tra cui balene, delfini e focene, sono mammiferi discendenti da antenati che vivevano sulla terra.

I cetacei subirono profondi cambiamenti nelle loro strutture scheletriche per prosperare negli ambienti acquatici, inclusa la riduzione degli arti posteriori e lo sviluppo di pinne e code, risultando in un corpo snello. Gli scienziati non capiscono ancora come il passaggio dalla terra all’acqua, circa 53 milioni di anni fa, abbia influenzato le spine dorsali dei cetacei, una componente essenziale del loro scheletro.

Nuovo studio in Comunicazioni sulla natura Fa luce su come le spine di questi mammiferi marini furono riorganizzate quando i loro antenati si adattarono alla vita nell’acqua. Il team internazionale guidato dall’Università di Harvard ha scoperto che, contrariamente alle ipotesi precedenti, la colonna vertebrale dei cetacei è altamente territoriale, nonostante abbia una forma omogenea lungo la sua lunghezza. Tuttavia, il metodo di spinalizzazione è regionale e differisce in modo significativo da quello dei mammiferi terrestri.

Il team ha anche esplorato il modo in cui le regioni della colonna vertebrale si relazionano all’habitat e alla velocità del nuoto. Hanno scoperto che le specie che vivono più lontano dalla costa hanno più vertebre, più territorio e una maggiore velocità di nuoto. Le specie che vivono nei fiumi e nelle baie, più vicine alla riva, hanno meno vertebre e regioni, ma le loro regioni differiscono maggiormente l’una dall’altra, il che conferisce loro una maggiore capacità di manovra.

“Quando i loro antenati tornarono in acqua, balene e delfini persero le zampe posteriori e svilupparono un corpo simile a quello di un pesce”, ha detto Amandine Gillette, autrice principale e Marie Curie Fellow presso l’Istituto Marie Curie. Dipartimento di Biologia Organistica ed Evoluzionistica presso l’Università di Harvard e presso il Dipartimento di Scienze della Terra e dell’Ambiente dell’Università di Manchester. “Ma questo cambiamento morfologico significa anche che la colonna vertebrale è ora la parte principale dello scheletro che guida il movimento in un ambiente acquatico”.

La colonna vertebrale dei mammiferi terrestri che si muovono sulla terra deve fornire supporto per aiutare le gambe a sostenere il peso del corpo. Quando i cetacei si spostavano dalla terra all’acqua, le forze gravitazionali si spostavano dall’aria all’acqua galleggiante, rilasciando pressione per sostenere il peso del corpo. La nuova struttura corporea e i movimenti necessari per muoversi nell’acqua hanno fatto sì che le spine di questi animali dovessero cambiare in qualche modo per adattarsi ai loro nuovi ambienti.

Precedenti studi hanno esaminato la colonna vertebrale da un punto di vista morfologico vertebrale. Nel 2018 scienze In questo articolo, le coautrici Stephanie Pearce e Katrina Jones esplorano la complessa storia evolutiva della colonna vertebrale dei mammiferi utilizzando un nuovo metodo statistico sviluppato per la prima volta per studiare la colonna vertebrale dei serpenti. Pearce e Jones hanno rivisto il modello per adattarlo al loro studio, consentendo loro di dimostrare che la colonna vertebrale dei mammiferi terrestri ha numerose regioni distinte rispetto a quella degli anfibi e dei rettili.

“È una sfida capire come le regioni spinali dei mammiferi terrestri possano essere trovate nelle balene e nei delfini, e uno dei motivi è che le loro spine sembrano completamente diverse nella forma, anche se si sono evolute da loro”, ha detto il professor Pearce. nel Dipartimento di Biologia Organistica ed Evoluzionistica di Harvard e autore principale dello studio. “Hanno perso l’osso sacro, una serie di vertebre fuse che sostengono le zampe posteriori e un punto di riferimento cruciale necessario per distinguere la coda dal resto del corpo”.

Le vertebre dei cetacei sono più complesse perché sono diventate più omogenee nelle loro caratteristiche anatomiche. Pertanto, la transizione da una vertebra all’altra è graduale rispetto alle ripide transizioni riscontrate nei mammiferi terrestri, il che rende più difficile l’identificazione delle regioni.

“Non solo hanno vertebre molto simili, ma alcune specie, in particolare focene e delfini, hanno molte più vertebre dei mammiferi terrestri, con alcune specie che ne hanno quasi 100”, ha detto Jones. “Ciò rende davvero difficile tradurre le regioni trovate nei mammiferi terrestri nella colonna vertebrale di balene e delfini.”

I metodi statistici tradizionali utilizzati per identificare i modelli di strutturazione regionale richiedono esattamente lo stesso numero di elementi nei campioni. Il metodo statistico applicato da Pearce e Jones (chiamato regioni) ha permesso loro di superare questo problema analizzando individualmente la struttura portante di ciascun campione. Mentre il metodo ha funzionato bene per le spine ristrette dei mammiferi terrestri, si è rivelato impegnativo dal punto di vista computazionale per l’elevato numero di vertebre nei cetacei. Gillette ha collaborato con il team di Data Science Services presso l’Institute for Quantitative Social Science di Harvard per riscrivere il codice, consentendo al programma di ottenere risultati in pochi minuti. I ricercatori hanno reso il nuovo software, chiamato MorphoRegions, pubblicamente disponibile alla comunità scientifica come software Pacchetto software di calcolo R.

“Questo è certamente uno dei maggiori progressi nel nostro studio”, ha detto Pierce. “Amandine ha trascorso mesi a migliorare il software in modo da poter analizzare un sistema di unità altamente ridondanti senza mandare in crash il computer.”

Gillette ha applicato il metodo MorphoRegions ai dati che aveva precedentemente raccolto mentre conseguiva il dottorato. un lavoro. Ha visitato sei musei in Europa, Sud Africa e Stati Uniti per raccogliere informazioni su 139 esemplari di 62 specie di cetacei, due terzi delle circa 90 specie viventi. In tutto Gillette ha misurato 7.500 vertebre e le ha esaminate attraverso la linea di analisi.

“Il nostro ampio set di dati ci ha permesso di dimostrare che non solo l’organizzazione della colonna vertebrale dei cetacei differisce da quella dei mammiferi terrestri, ma anche i modelli all’interno dei cetacei differiscono poiché abbiamo identificato tra sei e nove regioni a seconda della specie”, ha affermato Gillette. Abbiamo quindi lavorato da lì per trovare punti in comune tra le regioni e identificato un modello comune tra tutti i cetacei, che è riassunto dall’ipotesi delle regioni sovrapposte.

L’ipotesi proposta dal team presenta un’organizzazione gerarchica della colonna vertebrale in cui vengono innanzitutto definite la parte caudale e la parte caudale. Entrambe le parti sono poi divise in diverse unità comuni a tutti i cetacei: cervicale, toracica anteriore, toracolombare, lombare posteriore, caudale, peduncolare e trematodi. Quindi, a seconda della specie, ciascuna unità è suddivisa in quattro zone, con un minimo di sei zone e un massimo di nove zone post-cervicali lungo la colonna vertebrale.

“Sorprendentemente, questo ci ha mostrato che, rispetto ai mammiferi terrestri, la regione caudale ha meno regioni, mentre la regione caudale contiene più regioni”, ha detto Pearce. “I mammiferi terrestri usano la coda per una varietà di funzioni diverse, ma di solito non per generare forze propulsive, come fanno i cetacei. Avere più aree nella coda può consentire il movimento in aree molto specifiche della coda.

Con una migliore comprensione dell’organizzazione della colonna vertebrale dei cetacei, i ricercatori intendono poi affrontare la comprensione di come queste regioni morfologiche si relazionano alla funzione utilizzando dati sperimentali sulla flessibilità della colonna vertebrale raccolti in laboratorio. Questi dati raccolti sui taxa moderni dovrebbero consentire ai ricercatori di dedurre le capacità natatorie delle balene fossili e aiutare a capire come la colonna vertebrale si sia trasformata da una struttura portante sulla terra a un organo che genera propulsione nell’acqua.