Biologia i vida extraterrestre

Freqüentment apareixen noves notícies sobre planetes de recent descobriment que podrien albergar vida extraterrestre. L’avenç científic no para de llançar nova informació sobre Mart, altres móns amb aigua i éssers vius extremadament resistents, com els tardígrads. ¿Però podria existir la vida fora de la Terra? Què és la vida? Què es necessita perquè es mantingui? D’això se n’encarrega l’astrobiologia. Coneix-la!

ASTROBIOLOGIA I EXOBIOLOGIA

L’astrobiologia és un conjunt de diferents disciplines científiques que estudia l’existència de la vida a l’univers. Combina coneixements de biologia, física, química, astronomia, ecologia, geografia, geologia, ciència planetària i biologia molecular. Dins de l’astrobiologia, l’exobiologia estudia científicament les possibilitats de vida fora del nostre planeta. Cal no confondre-la amb la ufologia, una pseudociència. L’astrobiologia intenta respondre a preguntes tan apassionants com:
– ¿Què és la vida?
– Com va aparèixer la vida a la Terra?
– Com evoluciona, es desenvolupa la vida i quina és la seva adaptabilitat?
– Quin és el futur de la vida a la Terra i altres llocs?
– Existeix vida en altres móns?

No, ni això és un marcià ni es astrobiologia. Font

QUÈ ÉS LA VIDA?

Encara que sembli una pregunta banal, la vida no és fàcil de definir. Aparentment podem reconèixer si els éssers són vius o no si realitzen certes funcions i posseeixen certes característiques:

• Nutrició: obtenen energia de l’exterior per mantenir el seu medi intern constant (homeòstasi).
• Reproducció: poden crear còpies de si mateixos
• Relació: es relacionen amb el medi i altres éssers vius
• Organització: els éssers vius estan formats per una o més cèl·lules.
• Variació: la variabilitat entre individus permet a les espècies evolucionar.

Els problemes comencen quan trobem éssers que no compleixen totes les característiques. L’exemple més clàssic serien els virus: són incapaços de reproduir-se per si mateixos i no tenen estructura cel·lular. Un altre exemple serien els eritròcits (glòbuls vermells) de mamífers, cèl·lules sense material genètic ni mitocondris.

Microfotografia amb microscopi electrònic del virus de l’Èbola (Foto pública de la CDC)

QUÈ ES NECESSITA PER QUE EXISTEIXI VIDA?

Només coneixem un tipus de vida: el terrestre. És per això que els astrobiòlegs necessiten prendre-ho com a referència per saber què buscar en altres llocs. Podrien existir altres formes de vida diferents a les terrestres? Potser, però seria gairebé impossible reconèixer-les. Si no saps què busques, pot ser que ho trobis però no te n’adonis.

Es considera que perquè aparegui i es desenvolupi la vida es necessita:

• Un líquid on tinguin lloc reaccions químiques: a la Terra, és l’aigua.
  
• Un element amb facilitat per formar compostos estables: a la Terra, és el carboni.
  
• Una font d’energia: a la Terra, és el Sol.

Partint d’aquesta base, es busquen planetes o satèl·lits amb aquestes característiques, tot i que no es descarten altres possibilitats com metà líquid (és el cas de Tità, satèl·lit de Saturn), età, àcid sulfúric, amoníac o àcid acètic com a solvent, o formes de vida basades en altres elements com el silici, una constant en relats de ciència-ficció.

Representació artística dels llacs de metà de Tità. Crèdit: Steven Hobbs

QUÈ ES NECESSITA PERQUÈ ES MANTINGUI LA VIDA?

El cos celest en qüestió també ha de complir una sèrie de característiques perquè la vida es pugui mantenir:

• Abundància d’elements químics com el carboni, hidrogen, oxigen i nitrogen per formar compostos orgànics.
  
• Que el planeta/satèl·lit es trobi dins de la zona d’habitabilitat de la seva estrella. Resumidament, que orbiti a una distància que permeti unes temperatures ni molt altes ni molt baixes.

Zona d’habitabilitat (verd) segons la temperatura de l’estrella. Vermell: massa calenta, blau: massa fred. Font: NASA / Missió Kepler / D. Berry 

• Una font d’energia suficient per mantenir la temperatura i permetre la formació de molècules complexes.
• Una gravetat adequada per mantenir una atmosfera i no aixafar als éssers vius del planeta
• Que el planeta tingui un camp magnètic per desviar la radiació incompatible amb la vida provinent de la seva estrella.

El camp magnètic terrestre protegeix la vida del vent solar. Font: ESA

 En el nostre Sistema Solar, els candidats que possiblement compleixen aquestes característiques són Mart, Europa i Ganimedes  (satèl·lits de Júpiter), Encèlad i Tità (satèl·lits de Saturn) i Tritó (satèl·lit de Neptú).

PER QUÈ EL CARRBONI?

Els éssers vius estem formats per cèl·lules, i aquestaes al seu torn, si anem reduint la escala, de molècules i àtoms (com tota la matèria). Per què la vida està basada en el carboni?

En realitat, en la constitució dels organismes intervenen 26 elements, però el 95% de la matèria viva es compon de carboni (C), hidrogen (H), nitrogen (N), oxigen (O), fòsfor (P) i sofre (S). Podem imaginar-los com els “maons de la vida”: combinant aquestes peces bàsiques, podem obtenir organismes complexos. Aquests maons poden unir-se a altres mitjançant enllaços covalents. Metafòricament, els àtoms els podem imaginar com esferes amb mans els quals es poden agafar a altres mans lliures. Per exemple, la principal molècula de font d’energia per a tots els éssers vius és l’ATP (trifosfat d’adenosina), de fórmula C₁₀H₁₆N₅O₁₃P₃.

 

Representació esquemàtica dels àtoms de carboni, hidrogen,oxigen, nitrogen, fòsfor i les seves valències (enllaços possibles). Producció pròpia basada en la figura 6.3 de “La vida en el espacio” (veure referències)

 

L’element candidat a sustentar la vida hauria de ser un element abundant, capaç de formar gran quantita td’enllaços am si mateix i amb altres elements. Dels 5 elements més abundants a l’univers:

• Heli:  no forma compostos.
• Hidrogen i oxigen: tenen 1 i 2 mans, de manera que només poden formar compostos molt senzills.
  
• Nitrogen: pot unir-se a 3 àtoms, però no es coneixen cadenes de diversos àtoms de nitrogen.
• Carboni: té 4 mans, per la qual cosa pot unir-se fortament amb altres carbonis amb enllaços simples, dobles, o triples. Això li permet formar cadenes llarguíssimes i estructures tridimensionals i encara li poden “sobrar” mans amb les quals unir-se a nitrogen, oxige, sofre, fòsfor i hidrogen. Aquesta versatilitat permet construir molècules químicament actives i complexes, justament la complexitat que fa possible la vida.

Estructura química de l’ADN, on es pot observar la importància de la capacitat del carboni de formar llargues cadenes i anells. Font

Podria haver vida en un altre lloc basada en un àtom diferent?

ALTERNATIVES AL CARBONI

EXTRATERRESTRES DE SILICI

Com establir 4 enllaços és tan útil, el silici és el primer candidat pel qual aposten astrobiòlegs i escriptors de ciència ficció, encara que no sigui tan abundant com el carboni. El silici (Si) també pot formar 4 enllaços i és abundant en planetes rocosos com la Terra, però…

• L’enllaç Si-Si és bastant feble. En un medi aquós, la vida basada en silici no es mantindria durant molt de temps ja que molts compostos es dissolen en ella, encara que podria ser possible en un altre mitjà, com nitrogen líquid (Bains, W.).
• És molt reactiu. El silà per exemple (equivalent del metà, però enlloc de carboni amb un àtom de silici) crema espontàniament a temperatura ambient.
• És sòlid a la majoria de temperatures. Forma molt fàcilment estructures amb l’oxigen (sílice o diòxid de silici), però el resultat gairebé sempre és un mineral (quars): massa simple i només reacciona fos a 1000ºC.
• No forma cadenes ni xarxes amb si mateix, per la seva major grandària respecte el carboni. De vegades forma cadenes llargues amb oxigen (silicones), a les que potser es podrien unir a altres grups per formar molècules complexes. Justament l’extraterrestre de la pel·lícula Alien, el vuitè passatger posseeix teixits de silicona. Els éssers formats per silicones serien més resistents, la qual cosa porta a especular quin tipus de condicions extremes podrien suportar.

Horta, una forma de vida basada en el silici apareguda a la sèrie de ciència ficció Star Trek. Font

EXTRATERRESTRES DE NITROGEN I FÒSFOR

Vegem algunes característiques del nitrogen i fòsfor per separat:

• Nitrogen: només pot formar 3 enllaços amb altres molècules i és poc reactiu.
• Fòsfor:  els seus enllaços són febles i els enllaços múltiples poc comuns, encara que pot formar llargues cadenes. El problema és que és massa reactiu.

Combinant els dos, es podrien obtenir molècules estables, però els éssers basats en nitrogen i fòsfor tindrien altres problemes: els compostos de nitrogen, dels quals haurien d’alimentar-se, no es troben en suficient quantitat en els planetes i el cicle biològic no seria favorable energèticament parlant.

EXTRATERRESTRES DE BOR, SOFRE I ARSÈNIC

Les bioquímiques més improbables podrien basar-se en aquests elements:

• Bor: pot formar cadenes llargues i unir-se a altres elements com el nitrogen, hidrogen o carboni.
• Sofre: pot formar cadenes llargues, però per la seva grandària és altament reactiu i inestable.
• Arsènic: és massa gran pa ra formar compostos estables, tot i que les seves propietats químiques són semblants a les del fòsfor.

El 2010, la revista Science va publicar un estudi en el qual s’afirmava haver descobert un bacteri (GFAJ-1) capaç de viure només d’arsènic, letal per a qualsevol ésser viu. Trencava el paradigma de la biologia en no fer servir el fòsfor (recordeu l’ATP i l’estructura de l’ADN) i obria noves vides d’estudi per a l’astrobiologia. El 2012, dues investigacions independents refutaven la teoria de la investigadora Felisa Wolfe-Simon i el seu equip. El fòsfor segueix sent essencial perquè els organismes puguin viure i desenvolupar-se en la Terra.

El bacteri GFAJ-1. Font

De moment, aquestes bioquímiques hipotètiques no són més que especulacions, de manera que els astrobiòlegs continuen buscant vida basada en el carboni, encara que ja sabem que la ciència mai ens deixa de sorprendre. Encara que poguéssim identificar vida basada en altres elements, si algun dia trobem vida extraterrestre (o viceversa) la revolució serà tan gran que encara que sigui basada en el carboni, donarà molt que parlar.

REFERÈNCIES

• Mix, L.J. 2010. La vida en el espacio. Crítica
• Giménez A., Gómez, J., Rodríguez E., Martín, D. (Coordinadors). Astrobiología: sobre el origen de la vida en el universo. 2011, CSIC.
• Apunts del curs L’astrobiologia i la recerca de vida extraterrestre . Universitat d’Edimburg
• Superlife: el silicio orgánico
• Foto de portada (Face hugger basat en la pel·lícula Alien)Save </ span>  

SaveSave

SaveSave

SaveSave

SaveSave

SaveSave

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.

Regeneració d’extremitats, de l’axolot a l’ésser humà

La regeneració de parts del cos perdudes o danyades en els animals es coneix des de fa bastants segles. El 1740 el naturalista Abraham Trembley va observar a un petit cnidari que podia regenerar el seu cap si li tallaven, per això el va anomenar Hydra, fent referència al monstre de la mitologia grega que podia regenerar els seus múltiples caps si li tallaven. Posteriorment, es va descobrir que hi havíen moltes altres espècies animals amb capacitats regeneratives. En aquesta entrada parlarem sobre aquests animals.

Regeneració al regne animal

La regeneració de parts del cos està molt més extesa entre els diferents grups d’invertebrats que de vertebrats. Aquest procés pot ser bidireccional, en el que els dos troços de l’animal regeneren les parts que els falten per a generar dos animals (com a l’hidra, les planàries, els cucs i les estrelles de mar), o unidireccional, en la que l’animal perd una extremitat però només la regenera sense que es formin dos animals (artròpodes, moluscs i vertebrats). Entre els vertebrats, peixos i amfibis són els que presenten més capacitats regeneratives, tot i que molts llangardaixos i alguns mamífers poden regenerar la cua.

Imatge de Matthew McClements sobre la regeneració bidireccional en planàries, hidres i estrelles de mar. Extret de Wolbert's Principles of Development.

La regeneració es pot donar de dues maneres diferents:

• Regeneració sense proliferació cel·lular activa o “morphalaxis”. En aquest tipus, la part del cos que falta és recreada principalment mitjançant la remodelació de cèl·lules preexistens. Això és el que passa en la Hydra, en la que les parts perdudes es regeneren sense la creació de material nou. Per tant, si es secciona una hidra per la meitat, obtindrem dues versions més petites de la hidra original.

Vídeo d'un experiment on s'ha seccionat una Hydra en diferents trossos. Vídeo de Apnea.

• Regeneració amb proliferació cel·lular o “epimorfosis”. En aquest, la part perduda es regenera mitjançant proliferació cel·luar o sigui, que es crea “de nou”. Aquesta en la majoria de casos es produeix mitjançant la formació d’una estructura especialitzada anomenada blastema, massa de cèl·lules mare sense diferenciar que apareix en fenòmens de regeneració cel·lular.

Quasi tots els grups d’animals amb capacitats regeneratives presenten regeneració amb formació de blastema. Tot i així, l’orígen de les cèl·lules mare del blastema varia segons el grup. Mentre que les planàries presenten cèl·lules mare pluripotents (que poden diferenciar-se a qualsevol tipus cel·lular) repartides per tot el cos, els vertebrats presenten cèl·lules dels teixits on es forma el blastema.

Entre els vertebrats terrestres, les sargantanes i els urodels són els que mostren més habilitats regeneratives. A continuació veurem com ho aconsegueixen i les aplicacions que això té a la medicina actual.

Cues prescindibles

Quan ets un petit animal que està sent perseguit per un gat o un altre depredador, probablement et surti més rentable perdre la teva preciada cua a perdre la vida. Alguns vertebrats terrestres han evolucionat seguint aquesta filosofia, i ells mateixos poden desprendre’s de la seva cua voluntàriament mitjançant un procés anomenat autotomia caudal. Això els permet fugir dels seus depredadors, els quals s’entretenen amb la cua perduda que segueix movent-se.

 Vídeo on es veu com algunes sargantanes com aquest vanzosaure de cua vermella (Vanzosaura rubricauda) tenen cues de colors vius per atraure l'atenció dels depredadors. Vídeo de Jonnytropics.

L’autotomia o autoamputació, es defineix com un comportament en el que l’animal es desprèn d’una o vàries parts del cos. L’autotomia caudal la trobem en moltes espècies de rèptils i en dues espècies de ratolins espinosos del gènere Acomys. Entre els rèptils, trobem autotomia caudal en els lacèrtids, els dragons, els escíncids i les tuatares.

Foto d'un ratolí espinós del Caire (Acomys cahirinus), un mamífer que és capaç de desprendre's de la seva cua i regenerar-la. Foto de Olaf Leillinger.

En els rèptils, la fractura de la cua es dóna en zones concretes de les vèrtebres caudals que estàn debilitades de per sí. L’autotomia es pot donar de dues formes diferents: l’autotomia intravertebral, en la que les vèrtebres del centre de la cua tenen plans de fractura transversals preparats per trencar-se si es presionen suficient, i l’autotomia intervertebral, en la qual la cua es trenca entre les vèrtebres per constricció muscular.

Model tridimensional de els plans de fractura de la cua d'un llangardaix i la regeneració post-autotomia d'un tub cartilaginós. Imatge extreta de Joana D. C. G. de Amorim et al.

L’autotomia caudal permet fugir a l’animal, però li sortirà car. Molts rèptils utilitzen la cua com a reservori de greixos i perdre aquest magatzem d’energia sol ser perjudicial per l’animal. Per això es sap que molts llangardaixos, un cop ha desaparegut l’amenaça, buscan la seva cua perduda i se la mengen, per almenys recuperar l’energia que teníen acumulada en forma de greix. A més, regenerar una cua nova és un procés costós energèticament.

Foto d'una sargantana iberoprovençal (Podarcis liolepis) que ha perdut la cua. Foto de David López Bosch.

La regeneració de la cua dels rèptiles difereix de la d’amfibis i peixos en que no es forma el blastema, i que en lloc de regenerar-se realment les vèrtebres caudals, es forma un tub de cartílag. La nova cua no és tan mòbil i sol ser més curta que l’original, i sol regenerar-se completament al cap d’unes setmanes. La majoria de llangardaixos poden regenerar la cua vàries vegades, però alguns com el vidriol (Anguis fragilis) només poden fer-ho un cop. En ocasions, la cua original no es trenca del tot però s’activen els mecanismes de regeneració, cosa que pot fer que ens poguem trobar alguna sargantana o algún dragó amb més d’una cua.

Detall de la cua d'un dragó comú (Tarentola mauritanica) que ha regenerat la cua sense acabar de perdre la cua original. Foto de Rafael Rodríguez.

Urodels, els reis de la regeneració

De tots els tetràpodes, els amfibis són els que presenten les majors capacitats regeneratives. Durant la fase larvària de la majoria d’espècies, tant la cua com les extremitats (si les presenten) poden ser regenerades si les perden. La comunitat científica creu que això es deu a que en els amfibis el desenvolupament de les extremitats i altres òrgans es retrassen fins al moment de la metamorfosi. Tot i així, les granotes i els gripaus (anurs) només conserven els seus poders regeneratius durant la fase de capgròs, perdent-los al arribar a l’edat adulta.

Capgròs de granota de bosc (Rana sylvatica) que, com en tots els amfibis, posposa el desenvolupament de les extremitats fins al moment de la metamorfosi. Foto de Brian Gratwicke.

En canvi, moltes salamandres i tritons (urodels) conserven els seus poders regeneratius durant tota la vida. Encara que moltes espècies presenten autotomia caudal, a diferència de les sargantanes, els urodels regeneren completament, no només la cua, sinó pràcticament qualsevol teixit corporal perdut. De totes les espècies conegudes, l’axolot (Ambystoma mexicanum), un amfibi neotènic que arriba a l’edat adulta sense patir cap metamorfosi, ha servit com a organisme model per a l’estudi de la formació del blastema que precedeix a la regeneració.

 Vídeo on es parla del axolot, aquest curiós amfibi que està en greu perill d'extinció. Vídeo de Zoomin.TV Animals.

La regeneració que es dóna en les salamandres té fases genèticament similars a les que pateixen la resta de vertebrats al desenvolupar els diferents teixits i òrgans durant el desenvolupament embrionari. En l’axolot (i en la resta d’urodels) la regeneració després de l’amputació d’una extremitat passa per tres fases diferents:

• Curació de la ferida: Durant la primera hora després de l’amputació, cèl·lules epidèrmiques migren a la zona de la ferida. El tancament de la ferida es produeix més o menys a les dues hores i hi intervenen els mateixos mecanismes que en la resta de vertebrats. Tot i així, la regeneració completa de la pell es retrassa fins al final de la regeneració.
• Desdiferenciació: Aquesta segona fase comença a les 24 hores de l’amputació i és quan es forma el blastema. Aquest està format per cèl·lules dels teixits especialitzats de la zona d’amputació que perden les seves característiques (obtenen la capacitat de proliferar i diferenciar-se de nou), i de cèl·lules derivades del teixit connectiu que migren a la zona d’amputació. Quan aquestes cèl·lules de diferent origen s’acumulen i formen el blastema, s’inicia la proliferació cel·lular.
• Remodelació: Per a l’inici de la tercera fase, és imprescindible la formació d’un blastema amb cèl·lules de diversos orígens. Un cop format el blastema de cèl·lules desdiferenciades, la formació de la nova extremitat segueix el mateix patró que en les extremitats de qualsevol vertebrat durant el desenvolupament embrionari (fins i tot hi intervenen els mateixos gens).

Esquema de la formació del blastema en el peix zebra (Danio rerio) un altre organisme model. Imatge de Kyle A. Gurley i Alejandro Sánchez Alvarado.

Recentment s’han trobat fòssils de diversos grups de tetràpodes primitius que presenten rastres de regeneració. S’han trobat proves de regeneració d’extremitats en fòssils de temnospòndils (Apateon, Micromelerpeton i Sclerocephalus) i de lepospòndils (Microbrachis i Hyloplesion). Aquesta àmplia gamma de gèneres de tetràpodes basals que presenten regeneració i el fet de que molts peixos també la presentin, ha portat a molts científics a plantejar-se si els primers grups de tetràpodes primitius presentaven regeneració i aquesta es va perdre en els avantpassats dels amniotes (rèptils, aus i mamífers).

Foto d'un axolot, per LoKiLeCh.

Tot i així, es creu que la informació genètica de formació del blastema podria trobar-se en l’ADN dels amniotes tot i que estaria en estat latent. De les tres fases del procés de regeneració, l’única que és exclusiva dels urodels és la fase de desdiferenciació, ja que la fase de curació és igual a la cicatrització en la resta de vertebrats i la de remodelació és igual a la formació de extremitats durant l’embriogènesi. Actualment s’estan portant a terme multitud d’estudis sobre com reactivar els gens latents que promouen la formació del blastema en altres vertebrats, com per exemple els éssers humans.

Alguns òrgans humans com el ronyó i el fetge ja tenen certa capacitat de regeneració, però gràcies a l’investigació amb cèl·lules mare en animals com les salamandres i les sargantanes, actualment és possible regenerar dits, genitals i parts de la bufeta, el cor i els pulmons. Com hem vist, els diferents animals capaços de regenerar membres seccionats amaguen el secret que podria salvar a milers de persones. Recordem això la pròxima vegada que escoltem que centenars d’espècies d’amfibis i rèptiles es troben en perill per culpa de la mà de l’home.

Referències

Per a l’elaboració d’aquesta entrada s’han utilitzat les següents fonts:

• Foto de portada de Peter Halasz.
• Halliday & Adler (2007). La gran enciclopedia de los Anfibios y Reptiles. Editorial Libsa.
• http://www.eurostemcell.org/de/node/19896
• https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/12455626
• https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC3480082/
• http://ftp.eebweb.arizona.edu/courses/Ecol483_583/Bateman%20and%20Fleming%202009.pdf
• http://www.sciencemag.org/content/276/5309/81.short
• http://www.ambystoma.org/
• http://www.nature.com/nature/journal/v527/n7577/full/nature15397.html

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