La mecánica, no la genética, determina los patrones de escamas de la cabeza de cocodrilo

doEncontrarse cara a cara con un poderoso cocodrilo podría asustar a la mayoría de las personas, pero Michel Milinkovitch los encuentra hermosos. Milinkovitch, biofísico de la Universidad de Ginebra, estudia el desarrollo y la evolución de la piel de los vertebrados en los cocodrilos, centrándose en la biomecánica del crecimiento y la evolución de las escamas. En 2012, él y su equipo descubrieron que el escamas en la cabeza de un cocodrilo se generan a través de procesos físicos, en lugar de estar regulados por impulsores genéticos, pero el mecanismo exacto de su desarrollo no estaba claro.¹

Ahora, en un nuevo estudioMilinkovitch y su equipo informaron que las escamas poligonales de la cabeza se forman debido al crecimiento y la compresión de la piel, lo que crea un patrón de pliegues autoorganizado.² Estos hallazgos, publicados en Naturaleza, revelan un mecanismo evolutivo simple para la variación en la forma y el tamaño de las escamas observadas en diversas especies de cocodrilos.

La mayoría de los apéndices de la piel de los vertebrados (pelo, plumas y escamas) se desarrollan según un patrón dictado por la interacción de moléculas funcionalmente opuestas. Esto crea puntos de alta concentración de proteínas, intercalados por áreas de baja concentración de proteínas, regulando así el crecimiento de precursores a partir de los cuales pueden crecer los apéndices de la piel. Las escamas del cuerpo de un cocodrilo se desarrollan mediante este mecanismo. Hace aproximadamente una décadaMilinkovitch observó que las escamas de las mandíbulas y la cara del reptil difieren de las de su cuerpo. Especuló que un proceso mecánico podría ser la base de su formación.

Probar esta teoría fue un viaje largo y arduo, ya que no es fácil conseguir acceso a cocodrilos para realizar experimentos. Al equipo le llevó más de 10 años reunir una cantidad suficiente de animales. En el nuevo estudio, los investigadores observaron por primera vez cómo se desarrollaban las escamas de la cabeza en un embrión. Tomaron imágenes de embriones de cocodrilo del Nilo utilizando microscopía de fluorescencia de lámina luminosa durante varios días. Lo que observaron fue que aparecían escamas largas y rectangulares en la mandíbula superior, mientras que surgían escamas poligonales más pequeñas en el costado y la parte inferior de las mandíbulas. El equipo también notó un aumento en la rigidez de la piel y en el número de pliegues a medida que el embrión crecía y se formaban más escamas.

Como en otros vertebrados, la piel está conectada a capas adicionales debajo, como tejido conectivo, músculos y huesos. Milinkovitch planteó la hipótesis de que si la piel creciera más rápido y, por lo tanto, se volviera más rígida que el tejido subyacente, se doblaría y doblaría hacia adentro. Para investigar esta teoría, él y sus colegas inyectaron factor de crecimiento epidérmico (EGF), una proteína que estimula el crecimiento de la piel, en embriones de cocodrilo y observaron lo que sucedió con las escamas de la cabeza. Estos embriones exhibieron una mayor cantidad de escamas más delgadas en la mandíbula superior, mientras que las escamas en los lados inferiores de las mandíbulas mostraban un patrón similar a un laberinto, lo que demuestra que el aumento de la rigidez de la piel provocaba un mayor pliegue hacia adentro. Los investigadores dejaron que algunos embriones tratados con EGF eclosionaran para ver si el aumento transitorio en el crecimiento de la piel tenía un efecto duradero. Las escamas de la cabeza de estos cocodrilos estaban en algún punto intermedio (parcialmente poligonales y laberínticas), una forma y tamaño que se asemejaban a las escamas de otra especie, el cocodrilo Caimán. El equipo también incubó algunos embriones a los que inyectaron EGF durante un período más largo y observó que estos cocodrilos solo tenían escamas laberínticas.

Para investigar si el crecimiento y la rigidez de la piel también desempeñaban un papel en el desarrollo de las escamas de la cabeza en otras especies de cocodrilos, Milinkovitch creó un modelo informático en el que podían introducir parámetros de crecimiento, propiedades físicas y ubicaciones de las capas de tejido en la cabeza del cocodrilo para probar si la producción de escalas se parecía a los patrones observados en diferentes especies silvestres. El modelo imitó fielmente el desarrollo del patrón de escamas de la cabeza de los cocodrilos del Nilo, así como las escamas laberínticas de los embriones y juveniles tratados con EGF. Los investigadores también observaron los patrones de escamas de la cabeza del cocodrilo de los pantanos, el caimán de anteojos y las especies de caimanes americanos ajustando las propiedades mecánicas de la piel en el modelo.

“Estas simulaciones por computadora demuestran que la mecánica de los tejidos puede explicar fácilmente la diversidad de formas de ciertas estructuras anatómicas en diferentes especies, sin tener que involucrar complejos factores genéticos moleculares”, dijo Ebrahim Jahanbakhshingeniero informático de la Universidad de Ginebra y coautor del estudio, en un presione soltar.