Metamorphosis and amphibian larvae

The word amphibian comes from ancient Greek words “amphi”, which means “both” and “bios”, which means “life”. Even if the word amphibious is an adjective used to describe animals that can live both on land and water, in the case of amphibians it also refers to both life stages through which these animals go through, as amphibians are born in an aquatic larval stage and become adults via a process of metamorphosis. In this new entry we’ll explain how metamorphosis works at a hormonal level, which anatomical changes occur during this period and the differences of this process among the different lissamphibian orders.

LISSAMPHIBIAN METAMORPHOSIS

Metamorphosis is present in the three lissamphibian orders. This process was already present in the first terrestrial tetrapods, which had to lay their eggs in water. Yet not all extant species present external metamorphosis, as some of them hatch as diminutive adults (as 20% of anuran species). In these species metamorphosis happens equally inside the egg before hatching, what’s called internal metamorphosis.

Red-eyed tree frog eggs (Agalychnis callydryas) just before hatching, by Geoff Gallice.

As a general rule, lissamphibians lay their eggs in water. In most species, aquatic larvae will hatch from gelatinous eggs, even if their morphology varies a lot between different species. Yet larvae of all lissamphibians present a set of common characteristics:

• External gills, thanks to which they can breathe underwater.
• Absence of eyelids and retinal pigments associated with sight outside of water.
• Presence of a lateral line (or equivalent), sensorial organ characteristic of fish which allow them to sense vibrations underwater.
• Thinner skin.
• Subaquatic anatomic adaptations.

Photo of a fire salamander (Salamandra salamandra) in which the external gills and the pisciform looks of the larva can be appreciated, by David López.

During metamorphosis, most structures useful during the larval stage are reabsorbed through apoptosis, a controlled cell death process. In many cases this process is highly conditioned by various environmental factors such as population density, food availability and the presence of certain chemical substances in water.

HORMONAL CHANGES

At the hormonal level, metamorphosis is characterized by the interaction between two kinds of hormones: thyroid hormones and prolactin. While the thyroid hormones as thyroxin (secreted by the thyroid gland) stimulate the metamorphosis process, prolactin (secreted by the pituitary gland or hypophysis) inhibits it. The concentration of these two hormones (regulated by the Hypothalamus→Hyphophysis→Thyroid) is what controls the different stages of metamorphosis.

Scheme by Mikael Häggström of the hypothalamus (green), hypophysis or pituitary (red), thyroid (blue) axis in human beings and the release of thyroid hormones.

PREMETAMORPHOSIS

This is the larval growth stage, and it lasts around the first 20 days of life (depending on the species). This stage is characterized by a low secretion of thyroidal hormones and by a high concentration of prolactin that inhibits the metamorphosis process. This is due to the fact that the hypothalamus→hypophysis system is still not mature.

PROMETAMORPHOSIS

It’s a period of reduced growth with slow morphological changes, due to the rise of thyroxin concentration in blood caused by the growth of the thyroid gland. Also, the hypothalamus→hypophysis axis starts developing, which will trigger even more the rise of the thyroxin concentration and will lower the prolactin, giving way to great morphological changes.

METAMORPHOSIS CLIMAX

It’s the point in which the hyothalamus→hypophysis→thyroid axis is at its maximum capacity and it is when great morphological changes happen in the larva, which will end up becoming a miniature adult. Finally, thyroxin levels will start to be restored by a negative feedback system of the thyroxin over the hypothalamus and the hypophysis.

Scheme from Brown & Cai 2007, about the general levels of thyroid hormones during the different metamorphosis’ stages.

MORPHOLOGICAL CHANGES

During the metamorphosis process, larvae will go through a set of anatomical changes that will allow them to acquire their adult form. Some changes common to most species are the acquisition of eyelids and new retinal pigments, the reabsorption of the gills and the loss of the lateral line. Other morphological changes vary among the different orders. For example in caecilians (order Apoda) larvae already look like miniature adults but with external gills. Also, most caecilians present internal metamorphosis and the hatchlings have no trace of gills.

Photo from Blog do Nurof-UFC of a caecilian egg, inside which we can see the larva with gills.

In urodeles (order Urodela), the external metamorphic changes aren’t that spectacular either. Larvae are pretty similar to adults, as their limbs develop quickly, although they present external filamentous gills, have no eyelids and present a largely-developed caudal fin. Even their carnivorous diet is similar to that of the adult’s. Yet the great diversity of salamanders and newts gives as a result a great variety of life cycles; from viviparous species that give live birth, to neotenic species that keep larval characteristics through their adult stage.

Photo by David Alvarez of the viviparous birth of a fire salamander (Salamandra salamandra), and photo by Faldrian of an axolotl (Ambystoma mexicanum) a neotenic species.

Frogs and toads (order Anura) are the group in which metamorphic changes are more dramatic. The anuran larva is so different that it’s called a tadpole, which differentiates from the adult both by its looks and its physiology and behaviour. Even if tadpoles are born with external gills, these are soon covered by skin folds that form a gill chamber. Also, tadpoles have a round, limbless body and a long, vertically-flattened tail, which allows them to swim swiftly in water.

Photo by J. J. Harrison of a southern brown tree frog tadpole (Litoria ewingii).

One of the main differences between adult and larval anurans is their diet. While adult frogs and toads are predators, tadpoles are herbivorous larvae, feeding by filtering suspended vegetal particles or by scraping off algae from rocks using a series of keratinous “teeth” present in some species. This is reflected in their spirally-shaped and extremely long digestive system in order to allow them to digest large quantities of vegetal matter. Tadpoles are tireless eating machines, with some filter-feeding species being able to filter eight times their body volume of water per minute.

Photo by Denise Stanley of a tadpole, in which we can see both the keratinous “teeth”, and the spiral-shaped intestine.

After metamorphosis, tadpoles will reabsorb their gills and tail, their digestive system will shorten, and will develop limbs and lungs, becoming small amphibians prepared for a life on land.

Recently metamorphosed spiny toad (Bufo spinosus) by David López.

As we have seen, the metamorphosis process varies greatly among the different species of each order. This process results in the fact that that most lissamphibians spend a part of their lives in water and the other on land, a representative fact of the transition of the first tetrapods from the aquatic to the terrestrial medium. Also, the great diversity of ecological niches occupied by both the adults and the larvae of the different species and the wide array of environmental factors that affect the metamorphosis process, make lissamphibians great bioindicators of an ecosystem’s health.

REFERENCES

The following sources have been consulted during the elaboration of this entry:

• Halliday & Adler (2007). La gran enciclopedia de los Anfibios y Reptiles. Editorial Libsa.
• Masó & Pijoan (2011). Anfibios y Reptiles de la Península Ibérica, Baleares y Canarias. Ediciones Omega.
• Brown & Cai (2007). Amphibian metamorphosis. Developmental Biology. Vol. 306. Pp: 20-33.
• Your Article Library. Process of Metamorphosis in Amphibians and it’s Hormonal Control.
• Metamorfosis de anfibios.
• Cover image by Brian Gratwicke.

Metamorfosis y larvas de anfibios

La palabra anfibio proviene del griego antiguo “amphi”, que significa “ambos” y “bios”, que significa “vida”. Aunque el término anfibio es un adjetivo que sirve para describir a animales que viven tanto en tierra como en el agua, en el caso de los anfibios además hace referencia a las dos etapas vitales por las que pasan, y es que los anfibios nacen en un estado larvario acuático y se convierten en individuos adultos mediante la metamorfosis. En esta entrada os explicaremos cómo funciona la metamorfosis a nivel hormonal, qué cambios anatómicos se dan y las diferencias de dicho proceso entre los diferentes órdenes de lisanfibios.

METAMORFOSIS LISANFIBIA

La metamorfosis está presente en los tres órdenes actuales de lisanfibios. Este proceso ya ocurría en los primeros tetrápodos terrestres, los cuáles debían poner sus huevos en el agua. Aun así, no todas las especies actuales presentan metamorfosis externa, ya que algunas nacen como adultos en miniatura (como el 20% de especies de anuros). En estas especies, la metamorfosis se da igualmente en el interior del huevo antes de nacer, lo que se conoce como metamorfosis interna.

Huevos de rana verde de ojos rojos (Agalychnis callydryas) justo antes de eclosionar, por Geoff Gallice.

Como norma general, los lisanfibios ponen sus huevos en el agua. En la gran mayoría de especies, de los huevos gelatinosos nacerán larvas acuáticas, aunque su morfología varía mucho entre las diferentes especies. Aun así, las larvas de todos los lisanfibios presentan una serie de características comunes:

• Branquias externas, mediante las cuales respiran bajo el agua.
• Ausencia de párpados y de pigmentos retinianos asociados a la visión fuera del agua.
• Presencia de la línea lateral (o equivalente), órgano sensorial característico de los peces que les permite percibir las vibraciones del agua.
• Piel menos gruesa.
• Adaptaciones anatómicas a la vida subacuática.

Foto de salamandra común (Salamandra salamandra) en la que se aprecian las branquias externas y el aspecto pisciforme de la larva, por David López.

Durante la metamorfosis, muchas estructuras que son útiles durante el estado larvario serán reabsorbidas mediante la apoptosis, un proceso de muerte celular controlada. En muchos casos este proceso está altamente condicionado por varios factores ambientales como la densidad de población, la disponibilidad de alimento y la presencia de ciertas sustancias químicas en el agua.

CAMBIOS HORMONALES

A nivel hormonal, la metamorfosis se caracteriza por la interacción de dos tipos de hormonas diferentes: las hormonas tiroideas y la prolactina. Mientras que las hormonas tiroideas, como la tiroxina (segregadas por la glándula tiroides), estimulan el proceso de metamorfosis, la prolactina (segregada por la glándula pituitaria o hipófisis) la inhibe. La concentración de estas dos hormonas (regulada por el eje Hipotálamo→Hipófisis→Tiroides) es lo que controla las diferentes fases de la metamorfosis.

Esquema de Mikael Häggström del eje hipotálamo (verde), hipófisis o pituitaria (rojo), tiroides (azul) en seres humanos y la liberación de hormonas tiroideas.

PREMETAMORFOSIS

Es la fase de crecimiento de la larva, y dura alrededor de los primeros 20 días de vida (dependiendo de la especie). Esta fase se caracteriza por una baja secreción de hormonas tiroideas y por una alta concentración de prolactina, que inhibe el proceso de metamorfosis. Esto se debe a que el sistema hipotálamo→hipofisario aún es inmaduro.

PROMETAMORFOSIS

Es un período de crecimiento reducido con cambios morfológicos lentos, debidos al aumento en la concentración de tiroxina en sangre a causa del crecimiento de la glándula tiroides. Además, comienza a desarrollarse el eje hipotálamo→hipofisario, el cual hará aumentar aún más la concentración de tiroxina y disminuirá la de prolactina, abriendo paso a grandes cambios morfológicos.

CLÍMAX METAMÓRFICO

Es el momento en el que el eje hipotálamo→hipófisis→tiroides se encuentra en su máximo rendimiento y se dan grandes cambios morfológicos en la larva, la cual se acabará convirtiendo en un adulto en miniatura. Finalmente, los niveles de tiroxina se empezarán a restablecer por un sistema de retroalimentación negativa de ésta sobre el hipotálamo y la hipófisis.

Esquema extraído de Brown & Cai 2007, sobre los niveles generales de hormonas tiroideas durante las diferentes etapas de la metamorfosis.

CAMBIOS MORFOLÓGICOS

A lo largo del proceso de metamorfosis, las larvas sufrirán una serie de cambios anatómicos que les permitirán adquirir la forma adulta. Algunos cambios comunes a la mayoría de especies son la adquisición de párpados y nuevos pigmentos retinales, la reabsorción de las branquias y la pérdida de la línea lateral. Otros cambios morfológicos varían entre los diferentes órdenes. Por ejemplo en las cecilias (orden Apoda) las larvas se parecen a adultos en miniatura pero con branquias externas. Además, la mayoría de cecilias presentan metamorfosis interna y al nacer ya no tienen ningún rastro de las branquias.

Foto de Blog do Nurof-UFC del huevo de una Cecilia, dentro del cual vemos a la larva branquiada.

En los urodelos (orden Urodela), los cambios metamórficos externos tampoco son muy espectaculares. Las larvas se parecen bastante a los adultos ya que sus extremidades se desarrollan temprano, aunque tienen branquias externas filamentosas, no tienen párpados y la aleta caudal está más desarrollada. Incluso su dieta es carnívora como la de los adultos. Aun así, la gran diversidad de salamandras y tritones hace que los ciclos vitales de las diferentes especies varíen mucho, desde especies vivíparas que paren a crías vivas, hasta especies neoténicas que mantienen características larvarias durante la vida adulta.

Foto de David Álvarez del parto vivíparo de una salamandra común (Salamandra salamandra), y foto de Faldrian de un ajolote (Ambystoma mexicanum), una especie neoténica.

Las ranas y los sapos (orden Anura) son el grupo en el que los cambios metamórficos son más dramáticos. La larva de los anuros es tan distinta que se llama renacuajo, el cual se diferencia del adulto tanto en el aspecto como en la fisiología y el comportamiento. Aunque los renacuajos nacen con branquias externas, éstas quedan cubiertas a los pocos días por unos pliegues de piel que forman una cámara branquial. Además los renacuajos tienen un cuerpo redondeado y sin patas y una cola larga y comprimida que les permite nadar velozmente en el agua.

Foto de J. J. Harrison de un renacuajo de rana arborícola parda meridional (Litoria ewingii).

Una de las principales diferencias entre los anuros adultos y los larvarios es la dieta. Mientras que las ranas y los sapos adultos son depredadores, los renacuajos son larvas herbívoras, alimentándose o bien filtrando partículas vegetales suspendidas en el agua, o bien raspando las algas pegadas a las rocas con un conjunto de “dientes” córneos que presentan algunas especies. Esto se refleja en su aparato digestivo en forma de espiral y extremadamente largo a fin de poder digerir las grandes cantidades de materia vegetal de la que se alimentan. Los renacuajos son máquinas de comer incansables, con algunas especies filtradoras siendo capaces de filtrar hasta ocho veces su volumen corporal de agua por minuto.

Foto de Denise Stanley de un renacuajo, donde vemos tanto los “dientes” córneos, como el intestino en forma de espiral.

Tras la metamorfosis, los renacuajos reabsorberán las branquias y la cola, reducirán la longitud de su aparato digestivo, desarrollarán las patas y los pulmones, convirtiéndose en metamórficos preparados para la vida en tierra.

Sapo espinoso justo después de la metamorfosis (Bufo spinosus) de David López.

Como hemos visto, el proceso de metamorfosis varía mucho entre las diferentes especies de cada orden. Este proceso hace que la mayoría de lisanfibios pasen parte de sus vidas en el agua y parte en tierra, hecho representativo de la transición de los primeros tetrápodos del medio acuático al medio terrestre. Además, la gran diversidad de nichos ecológicos que ocupan tanto los adultos como las larvas de las diferentes especies y el amplio abanico de factores ambientales que afectan al proceso de metamorfosis, hacen de los lisanfibios grandes bioindicadores del estado de salud de los ecosistemas.

REFERENCIAS

Se han consultado las siguientes fuentes durante la elaboración de esta entrada:

• Halliday & Adler (2007). La gran enciclopedia de los Anfibios y Reptiles. Editorial Libsa.
• Masó & Pijoan (2011). Anfibios y Reptiles de la Península Ibérica, Baleares y Canarias. Ediciones Omega.
• Brown & Cai (2007). Amphibian metamorphosis. Developmental Biology. 306. Pp: 20-33.
• Your Article Library. Process of Metamorphosis in Amphibians and it’s Hormonal Control.
• Metamorfosis de anfibios.
• Imagen de portada de Brian Gratwicke.

Metamorfosi i larves d’amfibis

La paraula amfibi prové del grec antic “amphi”, que vol dir “ambdós” i “bios”, que vol dir “vida”. Tot i que el terme amfibi és un adjectiu que serveix per descriure a animals que poden viure tant a terra com a l’aigua, en el cas dels amfibis a més, fa referencia a les dues etapes vitals per les que passen, i és que els amfibis neixen en un estat larvari aquàtic i esdevenen individus adults mitjançant la metamorfosi. En aquesta entrada us explicarem com funciona la metamorfosi a nivell hormonal, quins canvis anatòmics es donen i les diferències d’aquest procés entre els diferents ordres de lissamfibis.

METAMORFOSI LISSAMFÍBIA

La metamorfosi es troba present en els tres ordres de lissamfibis. Aquest procés ja es donava en els primers tetràpodes terrestres, els quals havien de pondre els ous a l’aigua. Tanmateix, no totes les espècies actuals presenten metamorfosi externa, ja que algunes neixen com adults en miniatura (com el 20% d’espècies d’anurs). En aquestes espècies la metamorfosi es dóna igualment a l’interior de l’ou abans de néixer, el que es coneix com metamorfosi interna.

Ous de granota verda d’ulls vermells (Agalychnis callydryas) just abans d’eclosionar, per Geoff Gallice.

Com a norma general, els lissamfibis ponen els seus ous a l’aigua. En la gran majoria d’espècies, dels ous gelatinosos naixeran larves aquàtiques, tot i que la seva morfología varia molt entre les diferents espècies. Tot i així, les larves de tots els lissamfibis presenten un seguit de característiques comunes:

• Brànquies externes, mitjançant les quals respiren sota l’aigua.
• Absència de parpelles i de pigments retinals associats a la visió fora de l’aigua.
• Presència de la línia lateral (o equivalent), òrgan sensorial característic dels peixos que els permet percebre les vibracions de l’aigua.
• Pell menys gruixuda.
• Adaptacions anatòmiques a la vida subaquàtica.

Foto de salamandra comuna (Salamandra salamandra) on s’aprecien les brànquies externes i l’aspecte pisciforme de la larva, per David López.

Durant la metamorfosi, moltes estructures que són útils durant l’estat larvari seran reabsorbides mitjançant l’apoptosi, un procés de mort cel·lular controlada. En molts casos aquest procés està altament condicionat per varis factors ambientals com la densitat de població, la disponibilitat d’aliment i la presència de certes substàncies químiques a l’aigua.

CANVIS HORMONALS

A nivell hormonal, la metamorfosi es caracteritza per la interacción de dos tipus d’hormones diferents: les hormones tiroïdals i la prolactina. Mentre que les hormones tiroïdals, com la tiroxina (segregades per la glàndula tiroide), estimulen el procés de metamorfosi, la prolactina (segregada per la glàndula pituïtària o hipòfisi) l’inhibeix. La concentració d’aquestes dues hormones (regulada per l’eix Hipotàlem→Hipòfisi→Tiroide) és el que controla les diferents fases de la metamorfosi.

Esquema de Mikael Häggström de l’eix hipotàlem (verd), hipòfisi o pituïtària (vermell), tiroide (blau) en éssers humans i l’alliberació d’hormones tiroïdals.

PREMETAMORFOSI

És la fase de creixement de la larva, i dura al voltant dels 20 primers dies de vida (depenent de l’espècie). Aquesta fase es caracteritza per una baixa secreció d’hormones tiroïdals i per una alta concentració de prolactina, que inhibeix el procés de metamorfosi. Això es dèu a que el sistema hipotàlem→hipofisari encara és immadur.

PROMETAMORFOSI

És un període de creixement reduït amb canvis morfològics lents, deguts a l’augment en la concentració de tiroxina en sang a causa del creixement de la glándula tiroides. A més, comença a desenvolupar-se l’eix hipotàlem→hipofisari, el qual farà augmentar encara més la concentració de tiroxina i disminuirà la de prolactina, obrint pas a grans canvis morfològics.

CLÍMAX METAMÒRFIC

És el moment en el que l’eix hipotàlem→hipòfisi→tiroides es troba al màxim rendiment i es dónen grans canvis morfològics en la larva, la qual s’acabarà convertint en un adult en miniatura. Finalment, els nivells de tiroxina es començaran a reestablir per un sistema de retroalimentació negativa d’aquesta sobre l’hipotàlem i l’hipòfisi.

Esquema extret de Brown & Cai 2007, sobre els nivells generals d’hormones tiroïdals durant les diferents etapes de la metamorfosi.

CANVIS MORFOLÒGICS

Al llarg del procés de metamorfosi, les larves patiran un seguit de canvis anatòmics que els permetran adquirir la forma adulta. Alguns canvis comuns a la majoria d’espècies són l’adquisició de parpelles i nous pigments retinals, la reabsorció de les brànquies i la pèrdua de la línia lateral. Altres canvis morfològics varien entre els diferents ordres. Per exemple en les cecílies (ordre Apoda) les larves s’assemblen a adults en miniatura però amb brànquies externes. A més, la majoria de cecílies presenten metamorfosi interna i al néixer ja no tenen cap rastre de les brànquies.

Foto de Blog do Nurof-UFC de l’ou d’una cecília, dins del qual veiem a la larva branquiada.

En els urodels (ordre Urodela), els canvis metamòrfics externs tampoc són gaire espectaculars. Les larves s’assemblen força als adults a que les seves extremitats es desenvolupen als pocs dies, tot i que tenen brànquies externes filamentoses, no tenen parpelles i la aleta caudal està més desenvolupada. Fins i tot la seva dieta és carnívora com la dels adults. Tanmateix,  la gran diversitat de salamandres i tritons fa que els cicles vitals de les diferents espècies varïin molt; des d’espècies vivípares que pareixen a cries vives, fins a espècies neotèniques que mantenen característiques larvàries durant la vida adulta.

Foto de David Álvarez del part vivípar d’una salamandra comuna (Salamandra salamandra), i foto de Faldrian d’un axolot (Ambystoma mexicanum) una espècie neotènica.

Les granotes i els gripaus (ordre Anura) són el grup en el que els canvis metamòrfics són més dramàtics. La larva dels anurs és tant diferent que s’anomena capgròs, el qual es diferencia de l’adult tant en l’aspecte com en la fisiologia i el comportament. Tot i que els capgrossos nexien amb brànquies externes, aquestes queden cobertes als pocs dies per uns plecs de pell que formen una cambra branquial. A més els capgrossos tenen un cos arrodonit i sense potes i una cua llarga i comprimida que els permet nedar veloçment a l’aigua.

Foto de J. J. Harrison d’un capgròs de granota arborícola bruna del sud (Litoria ewingii).

Una de les principals diferència entre els anurs adults i els larvaris és la dieta. Mentre que les granotes i els gripaus adults són depredadors, els capgrossos són larves herbívores, alimentant-se o bé filtrant partícules vegetals suspeses a l’aigua, o bé raspant les algues enganxades a les roques amb un seguit de “dents” còrnies que presenten algunes espècies. Això es reflecteix en el seu aparell digestiu en forma d’espiral i extremadament llarg per tal de poder digerir les grans quantitats de materia vegetal de la que s’alimenten. Els capgrossos són màquines de menjar incansables, amb algunes espècies filtradores essent capaces de filtrar fins a vuit vegades el seu volum corporal d’aigua per minut.

Foto de Denise Stanley d’un capgròs, on veiem tant les “dents” còrnies, com l’intestí en forma d’espiral.

Després de la metamorfosi, els capgrossos reabsorbiran les brànquies i la cua, reduiran la llargada de l’aparell digestiu, desenvoluparan les potes i els pulmons, convertint-se en metamòrfics preparats per la vida a terra.

Gripau espinós just després de la metamorfosi (Bufo spinosus) per David López.

Com hem vist, el procés de la metamorfosi varia molt entre les diferents espècies de cada ordre. Aquest procés fa que la majoria de lissamfibis passin part de les seves vides a l’aigua i part a la terra, fet representatiu de la transició dels primers tetràpodes del medi aquàtic al medi terrestre. A més, la gran diversitat de nínxols ecològics que ocupen tant els adults com les larves de les diferents espècies i l’ampli ventall de factors ambientals que afecten al procés de metamorfosi, converteixen als lissamfibis en grans bioindicadors de l’estat de salut dels ecosistemes.

REFERÈNCIES

S’han consultat les següents fonts durant l’elaboració d’aquesta entrada:

• Halliday & Adler (2007). La gran enciclopedia de los Anfibios y Reptiles. Editorial Libsa.
• Masó & Pijoan (2011). Anfibios y Reptiles de la Península Ibérica, Baleares y Canarias. Ediciones Omega.
• Brown & Cai (2007). Amphibian metamorphosis. Developmental Biology. Vol. 306. Pp: 20-33.
• Your Article Library. Process of Metamorphosis in Amphibians and it’s Hormonal Control.
• Metamorfosis de anfibios.
• Imatge de portada de Brian Gratwicke.

How to breathe without lungs, lissamphibian style

Even though most terrestrial vertebrates depend on lungs for breathing, lissamphibians also present cutaneous respiration, they breathe through their skin. Even if this may seem a handicap, because they must always keep their skin moist enough, in this entry we’ll see the many benefits that cutaneous respiration gives them and how in some groups, it has completely replaced pulmonary respiration.

BREATHING AIR OR WATER

Terrestrial vertebrates use lungs to perform gas exchange. While our aquatic ancestors breathed using gills, these are of no use on land, as gravity would collapse them and cause them to lose their form. As lungs are found inside the body, they can keep their form in a habitat with much higher gravity. Both gills and lungs have highly branched structures to increase their diffusion surface, and this way facilitate gas exchange (in a larger surface there’s more exchange).

Specimen of giant mudskipper (Periophthalmodon schlosseri), a fish from southeast Asia which is able to get out of water due, in part, to cutaneous respiration. Photo by Bernard Dupont.

We can find a third form of gas exchange in vertebrates. Even if it’s not as widespread as gills or lungs, cutaneous respiration is found in several groups of animals, such as lunged fish and some marine reptiles (turtles and sea snakes). Yet the lissamphibians are the group that has brought their specialization in cutaneous respiration to the ultimate level.

HOW DO LISSAMPHIBIANS BREATHE?

Present day lissamphibians are the group of tetrapods with the highest diversity of breathing strategies. Apart from cutaneous respiration present in all species, most lissamphibians are born in an aquatic larval stage with gills. After metamorphosis they develop lungs to breathe on land.

The larvae of urodeles and apods present external, filamentous and highly branched gills which allow them to breathe underwater. These must be constantly moved for gas exchange to occur. Some neotenic salamanders maintain their gills during adulthood. On the other hand, anuran tadpoles present internal gills covered by gill pouches.

Portrait of a salamander larva in which the branched filamentous gills can be appreciated. Photo by Brian Gratwicke.

Most terrestrial lissamphibians present a pair of simple lungs with few ramifications and large alveoli. These have a low gas diffusion rate compared with amniote’s lungs. Also, while amniotes ventilate their lungs using the expansion of the thoracic cavity and the diaphragm, lissamphibians must force the air to their lungs using a buccal-pump system.

Scheme of the system of pulmonary respiration of lissamphibians. In the buccal-pump system, the buccal cavity is filled with air and then, elevating the mouth floor, this air is forced to the lungs. Image by Mokele.

Apart from gill and pulmonary breathing, lissamphibians take oxygen to their blood by cutaneous respiration. The skin of lissamphibians is very thin and has a high concentration of capillaries (it’s got a great number of blood vessels). As a result, it has a great capacity of diffusion of gas molecules, allowing cutaneous respiration using a countercurrent system.

Modified scheme of a countercurrent exchange system. In this, deoxygenated blood (with CO2) circulates in the opposite direction that air does (full of O2) and between both fluids the gas interchange happens, in an attempt to equalize the concentration of both gases. Modified image by Joe.

Lissamphibian skin is different from that of amniotes in that it doesn’t present scales, feathers or fur. This makes lissamphibian skin much more permeable to both gases and water (which makes them great bioindicators of the health of their environment, as their skin takes up many different kinds of soluble substances). That’s why lissamphibians must keep their skin relatively moist for the gas exchange to take place.

Male northern crested newt (Triturus cristatus) in its nuptial phase. Its wide tail crests increase the surface of skin also increasing gas diffusion. Photo by Rainer Theuer.

Lissamphibians live constantly in a delicate equilibrium in which the skin must be kept moist enough to allow gas exchange, but not too permeable as to lose water, dehydrate and die. They acheive this living in wet environments, or creating layers of moist skin to create an aqueous ambient around them.

Photo of a Bombay caecilian (Ichthyophis bombayensis) a lissamphibian which lives in swamps and other humid habitats. Photo by Uajith.

Many lissamphibians present a large quantity of skin, which increase the respiratory surface. Some examples are the vascular papillae of the hairy frog (Trichobatrachus robustus), the skin folds of the frogs of the Telmatobius genus or the wide caudal fins of many newts.

Drawing of the hairy frog (Trichobatrachus robustus) where the papillae which gives it its name can be seen. Image extracted from Proceedings of the Zoological Society of London (1901).

Even though most frogs get most of their oxygen from their lungs during summer, during the colder months (when their metabolism is slower) many species hibernate at the bottom of frozen lakes, conducting their gas exchange solely through their skin.

Many subarctic lissamphibians hibernate underwater, using their skin to extract oxygen from water and expel carbon dioxide from blood. Photo by Ano Lobb.

Adult urodeles present a much higher diversity of breathing strategies, and among them there is one family that is the only group of terrestrial vertebrates that has no trace of lungs.

LIVING WITHOUT LUNGS

Inside the suborder of the salamandroideans we find the Plethodontidae family. These animals are popularly called lungless salamanders because, as their name implies, they have no lungs and depend exclusively on their skin to conduct gas exchange.

California slender salamander (Batrachoseps attenuatus) photographed by Kaldari. This is a perfect example of the long and thin bodies of plethodontids which facilitate gas diffusion.

These urodeles are distributed mainly through the Americas, with some species in the island of Sardinia and the Korean Peninsula. The most surprising fact about plethodontids is that, like most salamandroids, they are mainly terrestrial animals and do not present an aquatic larval stage. Even though some species present gills during their embryonic development, these are lost before hatching and lungs are never developed.

Photo of a red salamander (Pseudotriton ruber) a plethodontid endemic from the Atlantic coast of the USA. Photo by Leif Van Laar.

It is believed that this family evolved in fast-flowing mountain streams. The presence of lungs would have made them float too much, and this would have made moving much more difficult in such habitats. The cold waters of alpine rivers are rich in oxygen, making cutaneous respiration more than enough for these small animals.

Video by Verticalground100 in which we can see some plethodontid species.

A thin and vascularized skin (facilitates diffusion) and the evolution of long and slender bodies (facilitates the transport of O₂ through all the body) made lungs useless for plethodontids. Currently, lungless salamander are the most numerous of all urodele families, and they represent more than half the animal biomass in many North American ecosystems. Also, they are much more active than most lissamphibians, with highly developed nervous and sensory systems, being voracious predators of arthropods and other invertebrates.

Ozark zigzag salamander (Plethodon angusticlavius) a curious lungless salamander common in the state of Missouri. Image by Marshal Hedin.

As you can see lissamphibian cutaneous respiration allows them to make things few tetrapods are able to do. Passing a whole winter underwater and living on land without lungs are some of the incredible feats reserved to a small group of animals. Maybe lissamphibians still depend on the aquatic medium to survive, but as we have seen, they are far from being slow or primitive, as they present some of the most impressive physiological adaptations found on the animal kingdom.

REFERENCES

The next sources have been consulted during the elaboration of this entry:

• http://www.mhhe.com/biosci/genbio/raven6b/graphics/raven06b/other/raven06_53.pdf
• http://www.biol.unt.edu/~burggren/pdfs/1985/%2849%29Feder,Burggren1985BR.pdf
• http://tolweb.org/Plethodontidae/15441
• http://www.jstor.org/stable/2462624?seq=1#page_scan_tab_contents
• http://www.fs.fed.us/psw/topics/wildlife/herp/pleth.shtml
• Cover image by Michael Righi.

Cómo respirar sin pulmones, al estilo lisanfibio

Aunque la mayoría de vertebrados terrestres dependemos de los pulmones para realizar el intercambio de gases, los lisanfibios además presentan respiración cutánea, respiran a través de la piel. Aunque esto puede parecer una desventaja, ya que deben mantener la piel relativamente húmeda, en esta entrada veremos las ventajas que les confiere la respiración cutánea y cómo en algunos grupos, ésta ha sustituido completamente la respiración pulmonar.

RESPIRAR AGUA O AIRE

Los vertebrados terrestres utilizan los pulmones para realizar el intercambio de gases. Aunque nuestros antepasados acuáticos respiraban mediante branquias, éstas no sirven en el medio terrestre, ya que la gravedad haría que se colapsaran y perdiesen su estructura. Los pulmones, al encontrarse en el interior del cuerpo, pueden mantener su estructura en un ambiente con mayor gravedad. Tanto branquias como pulmones presentan estructuras muy ramificadas para aumentar la superficie de difusión y así, favorecer el intercambio de gases (a mayor superficie, más intercambio).

Espécimen de saltador del barro gigante (Periophthalmodon schlosseri), un pez del sudeste asiático que puede salir del agua gracias en parte, a la respiración cutánea. Foto de Bernard Dupont.

Aun así, entre los vertebrados existe una tercera forma de intercambio de gases. Aunque no está tan extendida como las branquias o los pulmones, la respiración cutánea la encontramos en varios grupos de animales, como los peces pulmonados y algunos reptiles marinos (tortugas y serpientes marinas). Aun así, los lisanfibios son el grupo que ha llevado la especialización en la respiración cutánea al extremo.

¿CÓMO RESPIRAN LOS LISANFIBIOS?

Los lisanfibios actuales son el grupo de tetrápodos que presentan mayor diversidad de estrategias respiratorias. Aparte de la respiración cutánea presente en todas las especies, la mayoría de lisanfibios nacen en un estado larvario acuático con branquias, y después de la metamorfosis, desarrollan pulmones para respirar en tierra firme.

Las larvas de los urodelos y los ápodos presentan branquias externas filamentosas y muy ramificadas que les permiten respirar bajo el agua. Éstas han de estar en movimiento constante para que haya intercambio de gases. Algunas especies de salamandras neoténicas mantienen las branquias durante la edad adulta. En cambio, los renacuajos de los anuros presentan branquias internas cubiertas por sacos branquiales.

Retrato de una larva de salamandra en la que se aprecian les branquias ramificadas y filamentosas. Foto de Brian Gratwicke.

La mayoría de lisanfibios terrestres presentan un par de pulmones simples con pocas ramificaciones y grandes alveolos. Éstos tienen una baja tasa de difusión de gases comparados con los pulmones amniotas. Además, mientras que los amniotas ventilamos los pulmones mediante la expansión de la caja torácica y el diafragma, los lisanfibios han de forzar el aire a los pulmones mediante un sistema de bomba bucal.

Esquema del sistema de respiración pulmonar de los lisanfibios. En el sistema de bomba bucal, la cavidad bucal se llena de aire y después se eleva el suelo de la boca para forzar el aire hacia los pulmones. Imagen de Mokele.

Además de la respiración branquial o pulmonar, los lisanfibios oxigenan la sangre por respiración cutánea. La piel de los lisanfibios es muy delgada y está muy capilarizada (tienen una gran cantidad de vasos sanguíneos). Esto hace que ésta tenga una gran capacidad de difusión de moléculas gaseosas, permitiéndoles la respiración cutánea mediante un sistema contracorriente.

Esquema modificado de un sistema de intercambio contracorriente. En éste, la sangre desoxigenada (con CO2) circula en dirección contraria al aire (cargado de O2) y entre los dos fluidos se da un intercambio de gases en un intento de igualar la concentración de ambos gases. Imagen modificada de Joe.

La piel de los lisanfibios difiere de la de los amniotas en que no presenta escamas, plumas ni pelo. Esto hace que la piel de los anfibios sea muy permeable tanto a los gases como al agua (lo que les convierte en grandes bioindicadores de los ambientes en los que viven, yq que sus pieles absorben muchos tipos de sustancias solubles). Por eso los lisanfibios han de mantener la piel relativamente húmeda para que el intercambio se pueda llevar a cabo.

Macho de tritón crestado (Triturus cristatus) en la fase nupcial. Las anchas crestas de la cola incrementan la superficie de piel aumentando la difusión de gases. Foto de Rainer Theuer.

Los lisanfibios viven constantemente en un delicado equilibrio en el que la piel se ha de mantener suficientemente húmeda para permitir el intercambio de gases, pero no tan permeable como para que pierdan agua, se deshidraten y mueran. Esto lo consiguen viviendo en ambientes húmedos, o bien creando capas de piel húmeda externas para crear un ambiente acuoso a su alrededor.

Foto de una cecília de Bombay (Ichthyophis bombayensis) un lisanfibio que vive en lodazales y otros hábitats húmedos. Foto de Uajith.

Muchos lisanfibios presentan gran cantidad de piel, cosa que aumenta la superficie respiratoria. Algunos ejemplos son, las papilas vasculares de la rana peluda (Trichobatrachus robustus), los pliegues de piel de las ranas del géneros Telmatobius o las anchas aletas caudales de muchos tritones.

Dibujo de la rana peluda (Trichobatrachus robustus) en el que se ven las papilas que le dan nombre. Imagen extraída de Proceedings of the Zoological Society of London (1901).

Aunque la mayoría de ranas obtiene gran parte del oxígeno por los pulmones durante el verano, durante las épocas más frías (cuando su metabolismo se ralentiza) muchas especies hibernan en el fondo de lagos helados, realizando el intercambio de gases exclusivamente por vía cutánea.

Muchos lisanfibios de zonas subárticas hibernan bajo el agua, utilizando la piel para extraer oxígeno del agua y expulsar el dióxido de carbono de la sangre. Foto de Ano Lobb.

Los urodelos adultos presentan mucha más diversidad de estrategias respiratorias y además, dentro de éstos encontramos uno de los únicos grupos de vertebrados terrestres que no presentan ningún rastro de pulmones.

VIVIR SIN PULMONES

Dentro del suborden de los salamandroideos encontramos la familia Plethodontidae. Estos animales son conocidos popularmente como salamandras apulmonadas ya que, como su nombre indica, no tienen pulmones y dependen exclusivamente de la piel para realizar el intercambio de gases.

Salamandra esbelta de California (Batrachoseps attenuatus) fotografiada por Kaldari. Esta es un perfecto ejemplo de los cuerpos largos y delgados de los pletodóntidos, que les facilita la difusión de gases.

Estos urodelos se encuentran distribuidos principalmente por las Américas, con algunas especies en la isla de Cerdeña y la Península de Corea. Lo más sorprendente es que los pletodóntidos, como la mayoría de salamandroideos, son animales principalmente terrestres y no presentan fase larvaria acuática. Aunque algunas especies presenten branquias durante el estado embrionario, éstas se pierden antes de nacer y los pulmones no se llegan a desarrollar.

Foto de salamandra roja (Pseudotriton ruber) un pletodóntido endémico de la costa atlántica de los Estados Unidos. Foto de Leif Van Laar.

Se cree que esta familia evolucionó en ríos de alta montaña con fuertes corrientes. La presencia de pulmones los hubiera hecho flotar demasiado, cosa que les hubiese dificultado el movimiento en estos hábitats. Las aguas frías de los ríos alpinos son ricas en oxígeno, haciendo que la respiración cutánea fuese suficiente para estos pequeños animales.

Vídeo de Verticalground100 donde se nos muestran algunas especies de pletodóntidos.

Una piel fina y vascularizada (facilita la difusión) y la evolución de cuerpos largos y delgados (facilita el transporte de O₂ por todo el cuerpo) hicieron que los pulmones resultaran inútiles para los pletodóntidos.  Actualmente las salamandras apulmonadas son la familia de urodelos más numerosa, y representan más de la mitad de la biomasa animal en muchos ecosistemas norteamericanos. Además, son más activos que la mayoría de lisanfibios, con sistemas nerviosos y sensoriales muy desarrollados, siendo depredadores voraces de artrópodos y otros invertebrados.

Salamandra zig-zag de Ozark (Plethodon angusticlavius) una curiosa salamandra apulmonada típica del estado de Missouri. Imagen de Marshal Hedin.

Como veis, la respiración cutánea de los lisanfibios les permite hacer cosas que pocos tetrápodos pueden hacer. Pasar todo un invierno sumergidos y vivir en tierra firme sin pulmones son gestas increíbles reservadas a un pequeño grupo de animales. Puede que los lisanfibios aún dependan del medio acuático para sobrevivir, pero como hemos visto, poco tienen de lentos y primitivos, ya que presentan algunas de las adaptaciones fisiológicas más impresionantes del reino animal.

REFERENCIAS

Se han utilizado las siguientes fuentes para la elaboración de esta entrada:

• http://www.mhhe.com/biosci/genbio/raven6b/graphics/raven06b/other/raven06_53.pdf
• http://www.biol.unt.edu/~burggren/pdfs/1985/%2849%29Feder,Burggren1985BR.pdf
• http://tolweb.org/Plethodontidae/15441
• http://www.jstor.org/stable/2462624?seq=1#page_scan_tab_contents
• http://www.fs.fed.us/psw/topics/wildlife/herp/pleth.shtml
• Imagen de portada de Michael Righi.

Com respirar sense pulmons, a l’estil lissamfibi

Tot i que la majoria de vertebrats terrestres depenem dels pulmons per realitzar l’intercanvi de gasos, els lissamfibis presenten a més respiració cutània, respiren a través de la pell. Tot i que això pot semblar un desavantatge, ja que han de mantindre la pell relativament humida, en aquesta entrada veurem els avantatges que els confereix la respiració cutània i com en alguns grups, aquesta ha substituït completament la respiració pulmonar.

RESPIRAR AIGUA O AIRE

Els vertebrats terrestres utilitzem els pulmons per a realitzar l’intercanvi de gasos. Tot i que els nostres avantpassats aquàtics respiraven mitjançant brànquies, aquestes no serveixen en el medi terrestre, ja que la gravetat faria que es colapséssin i perdessin la seva estructura. Els pulmons, com que es troben a l’interior del cos, poden mantindre la seva estructura en un ambient amb força més gravetat. Tant les brànquies com els pulmons presenten estructures molt ramificades per augmentar la superfície de difusió i així, afavorir l’intercanvi de gasos (a major superfície, més intercanvi).

Espècimen de saltador del fang gegant (Periophthalmodon schlosseri), un peix del sud-est asiàtic que pot sortir de l’aigua gràcies en part, a la respiració cutània. Foto de Bernard Dupont.

Tanmateix, entre els vertebrats existeix una tercera forma d’intercanvi de gasos. Tot i que no està tant extesa com les brànquies o els pulmons, la respiració cutània la trobem en varis grups d’animals, com els peixos pulmonats i alguns rèptils marins (tortugues i serps marines). Tanmateix, els lissamfibis són el grup que ha dut l’especialització en la respiració cutània a l’extrem.

COM RESPIREN ELS LISSAMFIBIS?

Els lissamfibis actuals són el grup de tetràpodes que presenten major diversitat d’estratègies respiratòries. A part de la respiració cutània present en totes les espècies, la majoria de lissamfibis neixen en un estat larvari aquàtic amb brànquies i després de la metamorfosi, desenvolupen pulmons per a respirar a terra ferma.

Les larves dels urodels i els àpodes presenten brànquies externes filamentoses i molt ramificades que els permeten respirar sota l’aigua. Aquestes han d’estar en moviment constant per a que hi hagi intercanvi de gasos. Algunes espècies de salamandres neotèniques mantenen les brànquies durant l’edat adulta. En canvi, els capgrossos dels anurs presenten brànquies internes cobertes per sacs branquials.

Retrat d’una larva de salamandra en la que s’aprecien les brànquies ramificades i filamentoses. Foto de Brian Gratwicke.

La majoria de lissamfibis terrestres presenten un parell de pulmons simples amb poques ramificacions i grans alveols. Aquests tenen una baixa taxa de difusió de gasos comparats amb els pulmons dels amniotes. A més, mentres que els amniotes ventilem els pulmons mitjançant l’expansió de la caixa torácica i el diafragma, els lissamfibis han de forçar l’aire als pulmons mitjançant un sistema de bomba bucal.

Esquema del sistema de respiració pulmonar dels lissamfibis. En el sistema de bomba bucal, la cavitat bucal s’omple d’aire i després s’eleva el terra de la boca per forçar l’aire cap als pulmons. Imatge de Mokele.

A més de la respiració branquial o pulmonar, els lissamfibis oxigenen la sang per respiració cutània. La pell dels lissamfibis és molt prima i està molt capil·laritzada (tenen una gran quantiat de vasos sanguinis). Això fa que aquesta tingui una gran capacitat de difusió de molècules gasoses, permetent-los la respiració cutània mitjançant un sistema contracorrent.

Esquema modificat d’un sistema d’intercanvi contracorrent. En aquest, la sang desoxigenada (amb CO2) circula en direcció contrària a l’aire (carregat d’O2) i entre els dos fluids es dóna un intercanvi de gasos en un intent d’igualar la concentració dels dos gasos. Imatge modificada de Joe.

La pell dels lissamfibis difereix de la dels amniotes en que no presenta escates, plomes o pèl. Això fa que la pell dels lissamfibis sigui molt permeable tant pels gasos com per l’aigua (cosa que els converteix en grans bioindicadors dels ambients on viuen, ja que la seva pell absorbeix molts tipus de substàncies solubles). Per això els lissamfibis han de mantenir la pell relativament humida per a que l’intercanvi es pugui dur a terme.

Mascle de tritó crestat (Triturus cristatus) en la fase nupcial. Les amples crestes de la cua incrementen la superfície de pell augmentant la difusió de gasos. Foto de Rainer Theuer.

Els lissamfibis viuen constantment en un delicat equilibri en el que la pell s’ha de mantindre suficientment humida per a permetre l’intercanvi de gasos, però no tant permeable com per a que perdin aigua, es deshidratin i morin. Això ho aconsegueixen vivint en ambients humits, o bé creant capes de pell humida externes per a crear un ambient aquós al seu voltant.

Foto d’una cecília de Bombai (Ichthyophis bombayensis) un lissamfibi que viu en fangars i altres hàbitats humits. Foto de Uajith.

Molts lissamfibis presenten una gran quantitat de pell, cosa que augmenta la superfície respiratòria. Alguns exemples són, les papil·les vasculars de la granota peluda (Trichobatrachus robustus), els plecs de pell de les granotes del gènere Telmatobius o les amples aletes caudals de molts tritons.

Dibuix de la granota peluda (Trichobatrachus robustus) on es veuen les papil·les que li dónen el nom. Imatge extreta de Proceedings of the Zoological Society of London (1901).

Tot i que la majoria de granotes obtenen gran part de l’oxigen pels pulmons durant l’estiu, durant les èpoques més fredes (quan el seu metabolisme es ralenteix) moltes espècies hivernen al fons de llacs glaçats, realitzant l’intercanvi de gasos exclusivament per via cutània.

Molts lissamfibis de zones subàrtiques hivernen sota l’aigua, utilitzant la pell per extreure oxigen de l’aigua i expulsar diòxid de carboni de la sang. Foto de Ano Lobb.

Els urodels adults presenten molta més diversitat d’estratègies respiratòries i a més, hi trobem un dels únics grups de vertebrats terrestres que no presenten cap rastre de pulmons.

VIURE SENSE PULMONS

Dintre del subordre dels salamandroideus hi trobem la familia Plethodontidae. Aquests animals són coneguts popularment com a salamandres apulmonades ja que, com el seu nom indica, no tenen pulmons i depenen exclusivament de la pell per a realitzar l’intercanvi de gasos.

Salamandra esvelta de Califòrnia (Batrachoseps attenuatus) fotografiada per Kaldari. Aquesta és un perfecte exemple dels cossos allargats i prims dels pletodòntids, que els facilita la difusió de gasos.

Aquests urodels es troben distribuïts principalment per les Amèriques, amb algunes espècies a l’illa de Sardenya i a la Península de Corea. El més sorprenent és que els pletodòntids, com la majoria de salamandroideus, són animals principalment terrestres i no presenten fase larvària aquàtica. Tot i que algunes espècies presenten brànquies durant l’estat embrionàri, aquests les perden abans de néixer i els pulmons mai s’arriben a desenvolupar.

Foto de salamandra vermella (Pseudotriton ruber) un pletodòntid endèmic de la costa atlántica dels Estats Units. Foto de Leif Van Laar.

Es creu que aquesta familia va evolucionar en rius d’alta muntanya amb fortes corrents. La presència de pulmons els hauria fet flotar massa, cosa que els hagués dificultat el moviment en aquests hàbitats. Les aigües fredes dels rius alpins són riques en oxigen, fent que la respiració cutània fós suficient per aquests petits animals.

Vídeo de Verticalground100 on se’ns mostren algunes espècies de pletodòntids.

Una pell fina i vascularitzada (facilita la difusió) i l’evolució de cossos llargs i prims (facilita el transport d’O₂ per tot el cos) va fer que els pulmons resultéssin inútils pels pletodòntids. Actualment les salamandres apulmonades són la família d’urodels més nombrosa, i representen més de la meitat de la biomassa animal en molts ecosistemes nord-americans. A més, són més actius que la majoria de lissamfibis, amb sistemes nerviosos i sensorials molt desenvolupats, sent depredadors voraços d’artròpodes i altres invertebrats.

Salamandra zig-zag de Ozark (Plethodon angusticlavius) una curiosa salamandra apulmonada típica de l’estat de Missouri. Imatge de Marshal Hedin.

Com veieu la respiració cutània dels lissamfibis els permet fer coses que pocs tetràpodes poden fer. Passar tot un hivern submergits i viure a terra ferma sense pulmons són gestes increïbles reservades a un petit grup d’animals. Potser els lissamfibis encara depenen dels medi aquàtic per a sobreviure, però com hem vist, poca cosa tenen de lents i primitius, ja que presenten algunes de les adaptacions fisiològiques més impressionants del regne animal.

REFERÈNCIES

S’han utilitzat les següents fonts per a l’elaboració d’aquesta entrada:

• http://www.mhhe.com/biosci/genbio/raven6b/graphics/raven06b/other/raven06_53.pdf
• http://www.biol.unt.edu/~burggren/pdfs/1985/%2849%29Feder,Burggren1985BR.pdf
• http://tolweb.org/Plethodontidae/15441
• http://www.jstor.org/stable/2462624?seq=1#page_scan_tab_contents
• http://www.fs.fed.us/psw/topics/wildlife/herp/pleth.shtml
• Imatge de portada de Michael Righi.

Frogs, toads and newts: the last amphibians

With about 7000 living species, amphibians currently occupy almost all the habitats on Earth. While in the last entry we explained the origin of the first tetrapods and how those gave rise to the different groups of primitive amphibians, in this entry we will explain in more detail the characteristics of current amphibians, the so-called lissamphibians.

AMPHIBIANS AND LISSAMPHIBIANS

The term “Lissamphibia” (“smooth amphibian”) is used to name current amphibians and it’s useful to tell them apart from the rest of fossil amphibians, while the term Amphibia (“double life” referring to the aquatic larval stage of most species), is used to name all tetrapods except the amniotes (reptiles, birds and mammals).

Most authors consider lissamphibians a monophyletic group (a group which includes all the descendants of a common ancestor) which includes the different groups of modern amphibians. The main characteristics of this group are:

Dermal characteristics

• Smooth, scaleless, permeable skin that allows gas exchange (both pulmonary and cutaneous respiration) and the absorption of water (most amphibians usually do not need to drink water). This makes them susceptible to skin infections like the one from the Batrachocytrium dendrobatidis fungus.

Section through frog skin by Jon Houseman. A: Mucous gland, B: Chromophore, C: Granular poison gland, D: Connective tissue, E: Stratum corneum, F: Transition zone, G: Epidermis, and H: Dermis.

• Two types of skin glands: mucous (the majority, to maintain humidity) and granular (less numerous, secrete toxins of different intensity).

Skeletal characteristics

• Pedicellate and bicuspid teeth.

Photo of pedicellate teeth, in which the crown and base are made of dentine and are separated by a narrow layer of uncalcified dentine.

• A pair of occipital condyles.
• Short, stiff ribs not encircling the body.
• Four digits on the front limbs and five digits on the hind limbs.

Skeleton of giant salamander in which we can see some of the characteristics of lissamphibians. Photo by Graham Smith.

Auditory characteristics

• Papilla amphibiorum, a group of specialized cells in the inner ear which allow them to hear low frequency sounds.
• Stapes-operculum complex which are in contact with the auditory capsule, improve reception of aerial and seismic waves.

Other characteristics

• Fat bodies associated with gonads.
• Presence of green rods in the visual cells (these allow the perception of more colours).
• Presence of a muscle elevator of the eye (called levator bulbi).
• Forced-pump ventilation system (their short ribs do not allow pulmonary ventilation, so they pump the air through their mouth).

Explicative diagram about buccal ventilation in lissamphibians, by Mokele.

TAXONOMY AND EVOLUTIONARY THEORIES

Nowadays only three living amphibian orders persist: the order Salientia or Anura (which includes frogs and toads), the order Caudata or Urodela (salamanders and newts) and the order Gymnophiona or Apoda (caecilians). The second name of each order refers to the current species and their recent ancestors, while the first name refers to the whole order since the separation of each order.

There are two hypotheses regarding the relationships between the three orders. The most accepted both by anatomic and molecular analyses is that Salientia and Caudata are grouped together into the clade Batrachia, while the other one is that Caudata and Gymnophiona together form the clade Procera.

Two hypothetical evolutionary trees by Marcello Ruta & Michael I. Coates (2007), showing the Batrachia and Procera hypotheses on the relationships between Salientia (S), Caudata (C) and Gymnophiona (G).

Currently there are three groups of hypotheses of the origin of lissamphibians: the temnospondyl hypotheses, the lepospondyl hypotheses and the polyphyletic hypotheses.

Temnospondyls are the main candidates to be the ancestors of lissamphibians, as they share many characteristics, such as the presence of pedicellated, bicuspid teeth, and short, stiff ribs. Authors defending these theories say that lissamphibians suffered during their evolution a process known as paedomorphosis (retention during the development of juvenile characteristics), this way explaining why temnospondyls reached such large sizes while lissamphibians are much smaller and usually have lighter and less ossified cranial structures.

Drawings from Marcello Ruta & Michael I. Coates (2007) of skeletons belonging to Celteden ibericus (left, a lissamphibian) and Apateon pedestris (right, a temnospondyl) to show similitudes in skeletal structure.

Hypotheses regarding a lepospondyl origin for lissamphibians do not have such a strong support as the temnospondyl hypotheses. However, recently some statistical studies combining anatomic and molecular data have given some support to these hypotheses.

Nevertheless, there is a third group of hypotheses we must consider, the ones that say that lissamphibians are a polyphyletic group (with different origins for the different orders). According to one of these theories, frogs and salamanders (clade Batrachia) would have a temnospondyl origin, while caecilians (order Gymnophiona or Apoda) would have originated from lepospondyl ancestors, many of which had already suffered a limb reduction process.

 Modified outline of the three different hypotheses regarding the origins of the lissamphibians; 1. Lepospondyl origin, 2. Temnospondyl origin, 3. Polyphyletic origin.

Still, most authors support a monophyletic and temnospondyl origin for lissamphibians, but alternative hypotheses shouldn’t be discarded.

SALIENTIA OR ANURA

With up to 4750 species, frogs and toads form the most diverse lissamphibian order. The first known Salientia is Triadobatrachus, which, despite having a tail, already presented some typical characteristics of modern frogs, such as a short spine with few vertebras and the hind limbs longer than the front limbs.

Interpretation by Pavel Riha, of the ancient Salientia, Triadobatrachus massinoti.

The anatomy of modern anurans is unique among the animal kingdom. Their skeleton seems totally dedicated to allow these animals to jump (even though many species move simply by walking). Some of their characteristics are:

• A short and stiff trunk (less than 12 vertebras), an especially long pelvic girdle and the vertebras of their posterior end (that in other amphibians form the tail) are reduced and fused forming the urostyle.
• Long hind limbs, with the tibia and fibula fused together (to aid in impulse during jumping) and short and strong front limbs (to resist the impact on the landing).

Photo of a pig frog (Rana grylio), a typical american anuran.

Also, of all current amphibians frogs are the ones with the most developed hearing apparatus and vocal organ. Males, usually present specialized structures to amplify sound during the mating season.

Red eyed tree frog (Litoria chloris) showing the vocal sac, used to amplify the sound of its calls.

Size in anurans varies from 3 kg in weight and 35 centimetres in length of the goliath frog (Conraua goliath) to the 7, 7 millimeters long recently discovered Paedophryne amanuensis, currently the smallest known vertebrate.

Photo from Rittmeyer EN, Allison A, Gründler MC, Thompson DK, Austin CC (2012)  of Paedophryne amanuensis, the smallest known vertebrate in the world on a US dime.

With such a diversity, vital strategies of anurans vary greatly and it’s difficult to generalize on their reproductive biology, even though most show indirect development (born as tadpoles and passing through a metamorphosis process) and they mate and lay their eggs in an aquatic medium.

Tadpoles of common toad (Bufo bufo) from northern Germany by Christian Fischer.

URODELA OR CAUDATA

The urodeles or caudates are the order of lissamphibians which externally most resemble primitive amphibians. This group includes salamanders and newts, most of which have a long body, a well-developed tail and four relatively short legs. Most urodeles are terrestrial and are distributed mainly in the northern hemisphere, with a few species inhabiting the tropics.

Photo of an eastern tiger salamander (Ambystoma tigrinum) from the House of Sciences, Corunna - Spain. Taken by Carla Isabel Ribeiro.

Most species present internal fertilization and are oviparous. Most also present indirect development (larvae, metamorphosis, adult), and the larvae usually resemble miniaturized adults with external, ramified gills. Various groups of salamanders suffer neoteny phenomenon, in which individuals, even though sexually developing into adults, externally keep larval characteristics.

Young and very large larvae of near eastern fire salamander (Salamandra infraimmaculata), Ein Kamon, Israel. Photo by Ab-Schetui.

Currently, urodeles are classified into three suborders: the Sirenoidea, the Cryptobranchoidea and the Salamandroidea. Sirenoideans are urodeles with both specialized and primitive characteristics, such as the loss of hind limbs and the presence of external gills. Cryptobranchoideans are large primitive salamanders (up to 160 centimetres) which present external fertilization, while salamandroideans are the most numerous group of urodeles (with more than 500 species) and the most diverse, with most species being terrestrial and having internal fertilization using packs of sperm called spermatophores.

Photo of a northern dwarf siren (Pseudobranchus striatus) a sirenoidean from the United States.

GYMNOPHIONA OR APODA

The most ancient known member of the order Gymnophiona is Eocaecilia micropodia, an amphibian about 15 centimetres long with a considerably long body, a short tail and really small limbs.

Restoration by Nobu Tamura of Eocaecilia micropodia an ancient Gymnophiona from the early Jurassic.

Current caecilians (order Apoda) have completely lost any trace of limbs, girdles or tail, due to their adaptation to a subterranean lifestyle. That’s why they also suffered a process of cranial hardening and their eyes are extremely reduced. They also present a series of segmentary rings all along their bodies, which make them look somewhat like earthworms.

Yellow-striped caecilian (Ichthyophis kohtaoensis) from Thailand, by Kerry Matz.

There are currently about 200 species of caecilians divided into 10 families. Their size varies from about 7 centimetres in the species Idiocranium russelli from Cameroon, to up to 1,5 meters of Caecilia thompsoni from Colombia. They present a pantropical distribution, internal fertilization and a great variation in their development (there are viviparous and oviparous species and some which endure metamorphosis while some have direct development).

Photo of Gymnopis multiplicata an american caecilian. Photo by Teague O'Mara.

REFERENCES

The following sources have been consulted in the elaboration of this entry:

• Cover photo: Hagerty Ryan.
• Halliday & Adler (2007). La gran enciclopedia de los Anfibios y Reptiles. Editorial Libsa.
• http://www.livescience.com/5529-land-creatures-wild-appearances.html
• http://www.tandfonline.com.sci-hub.org/doi/abs/10.1017/S1477201906002008
• http://www.nature.com.sci-hub.org/nature/journal/v453/n7194/abs/nature06865.html
• https://quizlet.com/7138074/amphibian-natural-history-flash-cards/
• http://vertebrates.voices.wooster.edu/sample-page/
• http://www.usfca.edu/fac-staff/dever/tetra_evo12.pdf
• http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC3350690/

 

Granotes, gripaus i tritons: els últims amfibis

Amb unes 7000 espècies vivents, els amfibis en l’actualitat ocupen pràcticament tots els hàbitats de la Terra. Mentre que a l’entrada anterior vam explicar l’origen dels primers tetràpodes i com aquests van donar lloc a diferents grups d’amfibis primitius, en aquesta entrada explicarem més detalladament les característiques dels amfibis actuals, els anomenats lissamfibis.

AMFIBIS I LISSAMFIBIS

El terme “Lissamphibia” (“amfibis llisos”) s’utilitza per a denominar als amfibis actuals i serveix per a diferenciar-los de la resta d’amfibis fòssils, mentre que el terme Amphibia (“doble vida” en referència a l’estadi aquàtic larvari de moltes espècies), es fa servir per a referir-se a tots els tetràpodes menys als amniotes (rèptils, aus i mamífers). La majoria d’autors consideren que els lissamfibis són un grup monofilètic (que inclou a tots els descendents d’un avantpassat comú) que engloba als diferents grups d’amfibis actuals. Les principals característiques d’aquest grup són:

Caràcters dèrmics

• Pell sense escates, llisa i permeable que permet l’intercanvi de gasos (respiració pulmonar i cutània) i l’absorció d’aigua (la majoria d’amfibis actuals no solen necessitar beure aigua). Això els fa susceptibles a infeccions cutànies com la del fong Batrachocytrium dendrobatidis.

Secció de la pell d'una granota per Jon Houseman. A: Glàndula mucosa, B: Cromòfor, C: Glàndula granular verinosa, D: Teixit connectiu, E: Stratum corneum, F: Zona de transició, G: Epidermis, i H: Dermis.

• Dos tipus de glàndules cutànies: mucoses (molt nombroses, per a mantenir la humitat) i granulars (menys nombroses, secreten verins de diferents intensitats).

Caràcters ossis

• Dents pedicel·lats i bicúspides.

Foto de dents pedicel·lats, en els quals la corona i la base estan fetes de dentina però es troben separades per una capa de dentina descalcificada.

• Un parell de còndils occipitals.
• Costelles curtes i rectes que no encerclen el cos.
• Quatre dits a les potes del davant i cinc a les del darrere.

Esquelet de salamandra gegant en el qual s'observen algunes de les característiques dels lissamfibis. Foto de Graham Smith.

Caràcters auditius

• Papilla amphibiorum, un conjunt de cèl·lules especialitzades a l’oïda interna que els permet detectar sons greus.
• Complex format pels estreps i l’opercle, que units a la càpsula auditiva, milloren la recepció d’ones aèries i sísmiques.

Altres caràcters

• Cossos greixosos associats a les gònades.
• Presència de bastons verds a les cèl·lules receptores dels ulls (permeten la percepció de més colors).
• Presència d’un múscul elevador de l’ull (anomenat levator bulbi).
• Sistema de ventilació bucal (les costelles curtes no permeten una ventilació pulmonar i per tant, ho fan bombejant l’aire amb la boca).

Diagrama explicatiu sobre la respiració bucal en lissamfibis, per Mokele.

TAXONOMIA I TEORIES EVOLUTIVES

A dia d’avui, existeixen només tres ordres vivents de lissamfibis: l’ordre Salientia o Anura (que inclou a granotes i gripaus), l’ordre Caudata o Urodela (salamandres i tritons) i l’ordre Gymnophiona o Apoda (les cecílies). El segon nom de cada ordre fa referència a les espècies actuals i a tots els avantpassats dins del seu arbre evolutiu, mentre que el primer nom es refereix a l’ordre al complert, des de que es van separar els tres ordres.

Existeixen dues hipòtesis sobre les relacions entre els tres ordres. La més acceptada tant pels anàlisis anatòmics com pels moleculars és que Salientia i Caudata són grups germans dins del clade Batrachia, i l’altra és que els ordres Caudata i Gymnophiona formen junts el clade Procera.

Dos arbres evolutius hipotètics de Marcello Ruta & Michael I. Coates (2007), on es mostren les hipòtesis Batrachia i Procera sobre les relacions entre Salientia (S), Caudata (C) i Gymnophiona (G).

Actualment existeixen tres grups d’hipòtesis sobre l’origen dels lissamfibis: les hipòtesis dels temnospòndils, les dels lepospòndils i les del polifiletisme.

Els temnospòndils són els principals candidats a ser els avantpassats dels lissamfibis, ja que presenten bastants caràcters compartits, com ara la presència de dents pedicel·lats bicúspides, i de costelles curtes i rectes. Els autors que defensen aquesta teoria argumenten que els lissamfibis van patir al llarg de la seva evolució un procés de pedomorfosi (retenció durant el desenvolupament de característiques juvenils), explicant així perquè els temnospòndils arribaren a adquirir mides tant grans, mentre que els lissamfibis solen tindre mides més reduïdes i estructures cranials més lleugeres i menys ossificades.

Dibuixos de Marcello Ruta & Michael I. Coates (2007) de esquelets pertanyents a Celteden ibericus (esquerra, un lissamfibi) i Apateon pedestris (dreta, un temnospòndil) on es mostren les similituds en l'estructura esquelètica.

Les hipòtesis de l’origen lepospòndil dels lissamfibis no gaudeixen del mateix suport que les de l’origen temnospòndil. Tot i així, recentment alguns estudis estadístics que combinaven dades anatòmiques i moleculars han donat cert suport a aquestes hipòtesis.

Tanmateix, hi ha un tercer grup de hipòtesis que s’ha de tindre en compte, la possibilitat de que els lissamfibis siguin un grup polifilètic (amb diferents orígens per als tres ordres). Segons una d’aquestes teories, les granotes i salamandres (clade Batrachia) tindrien el seu origen en els temnospòndils, mentre que les cecílies (ordre Gymnophiona o Apoda) s’haurien originat dels lepospòndils, molts dels quals ja havien patit un procés de reducció de les extremitats.

Esquema modificat de les tres hipòtesis diferents sobre l'origen dels lissamfibis; 1. Origen lepospòndil, 2. Origen temnospòndil, 3. Origen polifilètic.

Tot i així, la majoria d’autors defensen un origen temnospòndil monofilètic pels lissamfibis, tot i que tampoc s’haurien de descartar hipòtesis alternatives.

SALIENTIA O ANURA

Amb més de 4750 espècies, les granotes i els gripaus formen l’ordre més divers de lissamfibis. El primer Salientia del que es té constància és Triadobatrachus, que tot i tenir cua, ja presenta alguns dels caràcters típics de les granotes, com ara una columna vertebral amb poques vertebres i potes del darrera més llargues que les del davant.

Interpretació de Pavel Riha, de l'antic Salientia, Triadobatrachus massinoti.

L’anatomia dels anurs moderns és única en el regne animal. El seu esquelet sembla dedicat totalment a que aquests animals puguin saltar (tot i que hi ha moltes espècies que es desplacen caminant). Algunes de les seves característiques són:

• Tronc curt (menys de 12 vèrtebres) i rígid, cintura pelviana especialment llarga i vèrtebres de la part posterior (que en altres amfibis formen la cua) reduïdes i fusionades formant l’urostil.
• Extremitats posteriors llargues, amb la tíbia i la fíbula fusionades (per a ajudar a impulsar-se) i extremitats anteriors curtes i fortes (per a resistir l’impacte de l’aterratge).

Foto de Rana grylio, un anur americà típic.

A més, d’entre tots els amfibis actuals, les granotes són les que tenen més desenvolupat l’aparell auditiu i els òrgan vocals. Els mascles, sovint presenten estructures especialitzades en amplificar el so durant l’època d’aparellament.

Reineta d'ulls vermells (Litoria chloris) mostrant el sac vocal, utilitzat per a amplificar el so dels cants d'aparellament.

La mida dels anurs varia des dels 3 kg de pes i els 35 centímetres de llargada de la granota goliat (Conraua goliath) fins als 7,7 mil·límetres de longitud de la recentment descoberta Paedophryne amauensis, el vertebrat més petit conegut en l’actualitat.

Foto de Rittmeyer EN, Allison A, Gründler MC, Thompson DK, Austin CC (2012)  de Paedophryne amanuensis, el vertebrat més petit del món a sobre d'un centau americà.

Amb tanta diversitat, les estratègies vitals dels anurs varien enormement i és difícil fer generalitzacions sobre la seva biologia reproductiva, tot i que la majoria presenten desenvolupament indirecte (neixen com a capgrossos i pateixen una metamorfosi) i es reprodueixen i fan la posta en un medi aquós.

Capgrossos de gripau comú (Bufo bufo) del nord d'Alemanya de Christian Fischer.

URODELA O CAUDATA

Els urodels o caudats són l’ordre de lissamfibis que més s’assemblen externament als amfibis primitius. Aquest grup inclou a salamandres i tritons, la majoria dels quals presenten un cos de forma allargada, una cua ben desenvolupada i quatre potes relativament curtes. La majoria d’urodels són terrestres i es troben distribuïts principalment per l’hemisferi nord, amb algunes espècies habitant als tròpics.

Foto d'una salamandra tigre de l'est (Ambystoma tigrinum) de la Casa de les Ciències, Corunya - Espanya. Foto presa per Carla Isabel Ribeiro.

La majoria d’espècies presenten fecundació interna i són ovípares. La majoria presenta desenvolupament indirecte (larva, metamorfosi, adult), les larves solen assemblar-se a adults en miniatura amb brànquies externes ramificades. En varis grups de salamandres es donen fenòmens de neotènia, en que els individus, tot i desenvolupar-se sexualment com a adults, externament segueixen tenint caràcters larvaris.

Dues larves de diferents edats de l'espècie Salamandra infraimmaculata, de Ein Kamon, Israel. Foto de Ab-Schetui.

Actualment, els urodels es classifiquen en tres subordres: els Sirenoidea, els Cryptobranchoidea i els Salamandroidea. Els sirenoideus són uns urodels amb característiques especialitzades i primitives, com ara la pèrdua de les extremitats posteriors i la presència de brànquies externes. Els criptobrancoideus són grans salamandres primitives (de fins a 160 cm) que presenten fertilització externa, mentre que els salamandroideus són el grup més nombrós d’urodels (amb més de 500 espècies) i el més divers, sent moltes especies terrestres i presentant fertilització interna mitjançant paquets d’esperma anomenats espermatòfors.

Foto d'un Pseudobranchus striatus un sirenoideu fels Estats Units.

GYMNOPHIONA O APODA

El membre conegut més antic de l’ordre Gymnophiona és l’anomenat Eocaecilia micropodia, un amfibi d’uns 15 cm de longitud amb un cos considerablement llarg, una cua curta i unes potes molt petites.

Reconstrucció de Nobu Tamura de Eocaecilia micropodia un antic Gymnophiona de principis del Juràssic.

Les cecílies actuals (ordre Apoda) han perdut completament qualsevol rastre de potes, de cintura o de cua degut a la seva adaptació a un estil de vida subterrani. Per això han patit també un procés d’enduriment del crani i els seus ulls estan molt reduïts. A més presenten un seguit d’anells segmentaris per tot el cos que fa que s’assemblin a un cuc de terra.

Foto de Ichthyophis kohtaoensis de Tailandia, per Kerry Matz.

Actualment existeixen unes 200 espècies de cecílies dividides en 10 famílies. La seva mida varia d’uns 7 cm en l’espècie Idiocranium russeli del Camerun, fins als 1,5 metres de la Caecilia thompsoni de Colòmbia. Presenten una distribució pantropical, fertilització interna i gran variació en el desenvolupament (hi ha espècies vivípares i ovípares, amb metamorfosi i amb desenvolupament directe).

Foto de Gymnopis multiplicata una cecília americana. Foto de Teague O'Mara.

REFERÈNCIES

S’han consultat les següents fonts per a elaborar els continguts d’aquesta entrada:

• Foto de portada: Hagerty Ryan.
• Halliday & Adler (2007). La gran enciclopedia de los Anfibios y Reptiles. Editorial Libsa.
• http://www.livescience.com/5529-land-creatures-wild-appearances.html
• http://www.tandfonline.com.sci-hub.org/doi/abs/10.1017/S1477201906002008
• http://www.nature.com.sci-hub.org/nature/journal/v453/n7194/abs/nature06865.html
• https://quizlet.com/7138074/amphibian-natural-history-flash-cards/
• http://vertebrates.voices.wooster.edu/sample-page/
• http://www.usfca.edu/fac-staff/dever/tetra_evo12.pdf
• http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC3350690

Ranas, sapos y tritones: los últimos anfibios

Con unas 7000 especies vivientes, los anfibios en la actualidad ocupan prácticamente todos los hábitats de la Tierra. Mientras que en la entrada anterior explicamos el origen de los primeros tetrápodos y cómo éstos dieron lugar a diferentes grupos de anfibios primitivos, en esta entrada explicaremos más detalladamente las características de los anfibios actuales, los llamados lisanfibios.

ANFIBIOS Y LISANFIBIOS

El término “Lissamphibia” (“anfibios lisos”) se utiliza para denominar a los anfibios actuales y sirve para diferenciarlos del resto de anfibios fósiles, mientras que el término Amphibia (“doble vida” refiriéndose al estadio acuático larvario de muchas especies), se utiliza para referirse a todos los tetrápodos menos a los amniotas (reptiles, aves y mamíferos). La mayoría de autores consideran que los lisanfibios son un grupo monofilético (que incluye a todos los descendientes de un antepasado común) que engloba a los diferentes grupos de anfibios actuales. Las principales características de este grupo son:

Caracteres dérmicos

• Piel sin escamas, lisa y permeable que permite el intercambio de gases (respiración pulmonar y cutánea) y la absorción de agua (la mayoría de anfibios actuales no suelen necesitar beber agua). Esto los hace susceptibles a infecciones cutáneas como la del hongo Batrachocytrium dendrobatidis.

Sección de la piel de una rana por Jon Houseman. A: Glándula mucosa, B: Cromóforo, C: Glándula granular venenosa, D: Tejido conectivo, E: Stratum corneum, F: Zona de transición, G: Epidermis, y H: Dermis.

• Dos tipos de glándulas cutáneas: mucosas (muy numerosas, para mantener la humedad) y granulares (menos numerosas, secretan venenos de diferentes intensidades).

Caracteres óseos

• Dientes pedicelados y bicúspides.

Foto de dientes pedicelados, en los cuales la corona y la base estan hechas de dentina y se encuentran separadas por una fina capa de dentina descalcificada.

• Un par de cóndilos occipitales.
• Costillas cortas y rectas que no rodean el cuerpo.
• Cuatro dedos en las patas delanteras y cinco dedos en las traseras.

Esqueleto de salamandra gigante en el que se pueden apreciar algunas de las características de los lisanfibios. Foto por Graham Smith.

Caracteres auditivos

• Papilla amphibiorum, un conjunto de células especializadas en el oído interno que les permite detectar sonidos graves.
• Complejo formado por el estribo y el opérculo, que unidos a la cápsula auditiva, mejoran la recepción de ondas aéreas y sísmicas.

Otros caracteres

• Cuerpos grasos asociados a las gónadas.
• Presencia de bastones verdes en las células receptoras de los ojos (permiten la percepción de más colores).
• Presencia de un músculo elevador del ojo (llamado levator bulbi).
• Sistema de ventilación bucal (las costillas cortas no permiten una ventilación pulmonar y, por lo tanto, lo hacen bombeando el aire con la boca).

Diagrama explicativo sobre la ventilación bucal en los lisanfibios, por Mokele.

TAXONOMÍA Y TEORÍAS EVOLUTIVAS

A día de hoy, existen sólo tres órdenes vivientes de lisanfibios: el orden Salientia o Anura (que incluye a ranas y sapos), el orden Caudata o Urodela (salamandras y tritones) y el orden Gymnophiona o Apoda (las cecilias). El segundo nombre de cada orden hace referencia a las especies actuales y a todos los antepasados dentro de su árbol evolutivo, mientras que el primer nombre se refiere al orden completo, desde que se separaron los tres órdenes.

Existen dos hipótesis sobre las relaciones entre los tres órdenes. La más aceptada tanto por los análisis anatómicos como por los moleculares, es que Salientia y Caudata son grupos hermanos dentro del clado Batrachia, y la otra es que los órdenes Caudata y Gymnophiona forman juntos el clado Procera.

Dos árboles evolutivos hipotéticos por Marcello Ruta & Michael I. Coates (2007), mostrando las hipótesis Batrachia y Procera sobre las relaciones entre Salientia (S), Caudata (C) y Gymnophiona (G).

Actualmente existen tres grupos de hipótesis sobre el origen de los lisanfibios: las hipótesis de los temnospóndilos, las de los lepospóndilos y las del polifiletismo.

Los temnospóndilos son los principales candidatos a ser los antepasados de los lisanfibios, ya que presentan bastantes caracteres compartidos como por ejemplo la presencia de dientes pedicelados bicúspides, y de costillas cortas y rectas. Los autores que defienden esta teoría argumentan que los lisanfibios sufrieron a lo largo de su evolución un proceso de pedomorfosis (retención durante el desarrollo de caracteres juveniles), explicando así porqué los temnospóndilos llegaron a alcanzar tamaños tan grandes, mientras que los lisanfibios suelen tener tamaños más reducidos y estructuras craneales más ligeras y menos osificadas.

Dibujos de Marcello Ruta & Michael I. Coates (2007) de esqueletos pertenecientes a Celteden ibericus (izquierda, un lisanfibio) y Apateon pedestris (derecha, un temnospóndilo) para mostrar las similitudes en la estructura esquelética.

Las hipótesis del origen lepospóndilo de los lisanfibios no reciben el mismo apoyo que las del origen temnospóndilo. Aún así, recientemente algunos estudios estadísticos que combinaban datos anatómicos y moleculares han dado cierto soporte a estas hipótesis.

Aun así, hay un tercer grupo de hipótesis que se debe tener en cuenta, la posibilidad de que los lisanfibios sean un grupo polifilético (con diferentes orígenes para los tres órdenes). Según una de estas teorías, las ranas y salamandras (clado Batrachia) tendrían su origen en los temnospóndilos, mientras que las cecilias (orden Gymnophiona o Apoda) se habrían originado de los lepospóndilos, muchos de los cuáles ya habían sufrido un proceso de reducción de extremidades.

Esquema modificado de las tres hipótesis diferentes sobre el origen de los lisanfibios; 1. Origen lepospóndilo, 2. Origen temnospóndilo, 3. Origen polifilético.

Aun así, la mayoría de autores defienden un origen temnospóndilo monofilético para los lisanfibos, aunque tampoco se deberían descartar hipótesis alternativas.

SALIENTIA O ANURA

Con más de 4750 especies, las ranas y los sapos forman el orden más diverso de lisanfibios. El primer Salientia del que se tiene constancia es Triadobatrachus, que aún teniendo cola, ya presenta algunos de los caracteres típicos de las ranas, como una columna vertebral con pocas vértebras y patas traseras más largas que las delanteras.

Interpretació por Pavel Riha, del antiguo Salientia, Triadobatrachus massinoti.

La anatomía de los anuros modernos es única dentro del reino animal. Su esqueleto parece dedicado totalmente a que estos animales puedan saltar (aunque hay muchas especies que se desplazan caminando). Algunas de sus características son:

• Tronco corto (menos de 12 vértebras) y rígido, cintura pélvica especialmente larga y vértebras de la parte posterior (que en otros anfibios forman la cola) reducidas y fusionadas formando el urostilo.
• Extremidades posteriores largas, con la tibia y la fíbula fusionadas (para ayudar a impulsarse) y extremidades anteriores cortas y fuertes (para resistir el impacto del aterrizaje).

Foto de una Rana grylio, un anuro americano típico.

Además, de entre todos los anfibios actuales, las ranas son las que tienen más desarrollado el aparato auditivo y los órganos vocales. Los machos a menudo presentan estructuras especializadas en amplificar el sonido durante la época de apareamiento.

Ejemplar de Litoria chloris mostrando el saco vocal, usado para amplificar el sonido de sus llamadas.

El tamaño de los anuros varía desde los 3 kg de peso y los 35 centímetros de longitud de la rana goliat (Conraua goliath) hasta los 7,7 milímetros de longitud de la recientemente descubierta Paedophryne amauensis, el vertebrado más pequeño conocido en la actualidad.

Foto de Rittmeyer EN, Allison A, Gründler MC, Thompson DK, Austin CC (2012)  de Paedophryne amanuensis, en vertebrado más pequeño del mundo, encima de un centavo de dólar.

Con tanta diversidad, las estrategias vitales de los anuros varían enormemente y es difícil hacer generalizaciones sobre su biología reproductiva, aunque la mayoría presentan desarrollo indirecto (nacen como renacuajos y sufren una metamorfosis) y se reproducen y hacen la puesta en un medio acuoso.

Renacuajos de sapo común (Bufo bufo) del norte de Alemania por Christian Fischer.

URODELA O CAUDATA

Los urodelos o caudados son el orden de lisanfibios que más se asemejan externamente a los anfibios primitivos. Este grupo incluye a salamandras y tritones, la mayoría de los cuáles presentan un cuerpo de forma alargada, una cola bien desarrollada y cuatro patas relativamente cortas. La mayoría de urodelos son terrestres y se encuentran distribuidos principalmente por el hemisferio norte, con algunas especies habitando los trópicos.

Foto de una salamandra tigre del este (Ambystoma tigrinum) de la Casa de las Ciencias, Coruña - España. Tomada por Carla Isabel Ribeiro.

Prácticamente todas las especies presentan fecundación interna y son ovíparas. La mayoría presenta desarrollo indirecto (larva, metamorfosis, adulto) y las larvas suelen parecerse a adultos en miniatura con branquias externas ramificadas. En varios grupos de salamandras se dan fenómenos de neotenia, en que los individuos, todo y desarrollarse sexualmente como adultos, externamente siguen teniendo caracteres larvarios.

Larvas de distintas edades de Salamandra infraimmaculata, Ein Kamon, Israel. Foto por Ab-Schetui.

Actualmente, los urodelos se clasifican en tres subórdenes: los Sirenoidea, los Cryptobranchoidea y los Salamandroidea. Los sirenoideos son unos urodelos con caracteres especializados y primitivos, como la pérdida de las extremidades posteriores y la presencia de branquias externas. Los criptobrancoideos son grandes salamandras primitivas (de hasta 160 cm) que presentan fertilización externa, mientras que los salamandroideos son el grupo más numeroso de urodelos (con más de 500 especies) y el más diverso, siendo muchas especies terrestres y presentando fertilización interna mediante paquetes de esperma llamados espermatóforos.

Foto de un Pseudobranchus striatus un sirenoideu del Estats Units.

GYMNOPHIONA O APODA

El miembro conocido más antiguo del orden Gymnophiona es el llamado Eocaecilia micropodia, un anfibio de unos 15 cm de longitud con un cuerpo considerablemente largo, una cola corta y unas patas muy pequeñas.

Reconstrucció per Nobu Tamura de Eocaecilia micropodia un antic Gymnophiona de principis del Juràssic.

Las cecilias actuales (orden Apoda) han perdido completamente cualquier rastro de patas, de cintura o de cola debido a su adaptación a un estilo de vida subterráneo. Por esto han sufrido también un proceso de endurecimiento del cráneo y sus ojos están muy reducidos. Además presentan anillos segmentarios por todo el cuerpo que hace que se parezcan a lombrices de tierra.

Foto de Ichthyophis kohtaoensis) de Tailandia, por Kerry Matz.

Actualmente existen unas 200 especies de cecilias divididas en 10 familias. Su tamaño varía de unos 7 cm en la especie Idiocranium russeli del Camerún, hasta los 1,5 metros de la Caecilia thompsoni de Colombia. Presentan una distribución pantropical, fertilización interna y gran variación en el desarrollo (hay especies vivíparas y ovíparas, con metamorfosis y con desarrollo directo).

Foto de Gymnopis multiplicata una cecilia americana. Foto por Teague O'Mara.

REFERENCIAS

Se han consultado las siguientes fuentes en la elaboración de los contenidos de esta entrada:

• Foto de portada: Hagerty Ryan.
• Halliday & Adler (2007). La gran enciclopedia de los Anfibios y Reptiles. Editorial Libsa.
• http://www.livescience.com/5529-land-creatures-wild-appearances.html
• http://www.tandfonline.com.sci-hub.org/doi/abs/10.1017/S1477201906002008
• http://www.nature.com.sci-hub.org/nature/journal/v453/n7194/abs/nature06865.html
• https://quizlet.com/7138074/amphibian-natural-history-flash-cards/
• http://vertebrates.voices.wooster.edu/sample-page/
• http://www.usfca.edu/fac-staff/dever/tetra_evo12.pdf
• http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC3350690/