martes, 19 de octubre de 2021

La metamorfosis de los anfibios

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  La metamorfosis no se produce en reptiles. La metamorfosis en los anfibios es la transformación de la larva “renacuajo” en una réplica en miniatura de un adulto, y generalmente de un estilo de vida acuático a uno terrestre o semi-terrestre. La metamorfosis marca el comienzo del fin de la vida larvaria. Una vez iniciada, la metamorfosis generalmente avanza rápidamente, lo que reduce la exposición de los anfibios en metamorfosis a la depredación u otras tensiones potenciales cuando no es totalmente acuático ni totalmente terrestre.

La metamorfosis en los vertebrados. La metamorfosis está muy extendida en el mundo animal. (A) Un árbol filogenético simplificado de cordados en relación con otros animales, destacando los grupos de cordados que se sabe que sufren metamorfosis y para los cuales se ha establecido un vínculo con las hormonas tiroideas (en un recuadro en amarillo). Tenga en cuenta que todos los otros filos de metazoos representados en el árbol contienen muchas especies en metamorfosis. (B) Algunas larvas y adultos de metamorfosis de vertebrados. Los números se refieren a los paneles de larvas, los números romanos a los paneles de adultos. 1 / i: El renacuajo y un adulto del modelo principal para el estudio de la metamorfosis de vertebrados, el anurano Xenopus laevis. 2 / ii: El renacuajo y el adulto de Ciona intestinalis, un urocordado. 3 / iii: Larvas y adultos de amphioxus; Las larvas son asimétricas y la boca, en el lado izquierdo del cuerpo, no es visible en la foto. 4 / iv: Larvas y adulto de la lamprea; La larva, también llamada ammocete, es un P. marimus, el adulto es un L. fluviatilis. 5 / v: ambistomátides salamandras (el pedomorfo A. mexicanum en 5, y A. californiense en v). 6 / vi: larvas simétricas y adulto asimétrico de un pez plano, la suela (Solea sp.); 7 / vii: Un juvenil de ocho días posterior a la fecundación y un adulto de pez cebra (D. rerio).

Figura 6La metamorfosis en los vertebrados. La metamorfosis está muy extendida en el mundo animal. (A) Un árbol filogenético simplificado de cordados en relación con otros animales, destacando los grupos de cordados que se sabe que sufren metamorfosis y para los cuales se ha establecido un vínculo con las hormonas tiroideas (en un recuadro en amarillo). Tenga en cuenta que todos los otros filos de metazoos representados en el árbol contienen muchas especies en metamorfosis. (B) Algunas larvas y adultos de metamorfosis de vertebrados. Los números se refieren a los paneles de larvas, los números romanos a los paneles de adultos. 1 / i: El renacuajo y un adulto del modelo principal para el estudio de la metamorfosis de vertebrados, el anurano Xenopus laevis. 2 / ii: El renacuajo y el adulto de Ciona intestinalis, un urocordado. 3 / iii: Larvas y adultos de amphioxus; Las larvas son asimétricas y la boca, en el lado izquierdo del cuerpo, no es visible en la foto. 4 / iv: Larvas y adulto de la lamprea; La larva, también llamada ammocete, es un P. marimus, el adulto es un L. fluviatilis. 5 / v: ambistomátides salamandras (el pedomorfo A. mexicanum en 5, y A. californiense en v). 6 / vi: larvas simétricas y adulto asimétrico de un pez plano, la suela (Solea sp.); 7 / vii: Un juvenil de ocho días posterior a la fecundación y un adulto de pez cebra (D. rerio).

La metamorfosis se inicia internamente y es mantenida por la hormona tiroxina (TH), y el proceso es obligatorio. La TH provoca que se produzcan cambios celulares, bioquímicos y morfológicos extensos durante la metamorfosis (Figura 7). Los eventos que ocurren durante la metamorfosis, como la alteración de la expresión génica, la morfogénesis, la reestructuración tisular y la muerte celular extensa, resultan de la respuesta diferencial de los tejidos a la TH. El programa de desarrollo determinado genéticamente está en marcha antes del lanzamiento de TH. El elemento clave que determina la respuesta a la hormona está determinado por el receptor de hormona tiroidea nuclear (TR).

Como en la mayoría de los vertebrados, dos receptores de hormona tiroidea, TRα y TRβ, reprimen la transcripción en ausencia de la TH, y cuya concentración de TR en los tejidos está directamente modulada por la TH. Sin embargo, los factores ambientales pueden iniciar la liberación temprana de tiroxina si una larva ha completado ciertos eventos morfogénicos. Por ejemplo, el hacinamiento, la reducción de alimentos u oxígeno, el secado de cuerpos de agua o el aumento de la depredación pueden provocar la liberación de TH como respuesta al estrés. Aunque la TH y sus derivados promueven la metamorfosis, no operan solos. La tiroides está presente temprano en la vida larvaria, pero su actividad secretora es aparentemente inhibida por las hormonas corticoides, como la corticosterona. Además, la prolactina es abundante en los estadios larvales tempranos y hace que los tejidos corporales sean insensibles a la TH. Cuando se eliminan estas inhibiciones, la tiroides secreta TH, lo que efectúa la transformación.

La metamorfosis señala la finalización de la embriogénesis. Algunos procesos de desarrollo, como la maduración de las gónadas, continúan a través de la etapa juvenil, pero las principales características estructurales y fisiológicas se encuentran al final de la metamorfosis. La metamorfosis es casi imperceptible en cecilias y salamandras, pero dramática en ranas. Las larvas de anuro requieren una importante reorganización estructural y fisiológica debido a las sorprendentes diferencias entre las etapas larvaria y juvenil-adulta. El cambio no se produce de una sola vez, sino de manera gradual, y cada paso conduce al siguiente nivel de transformación. A diferencia de las pupas de insectos, los renacuajos en metamorfosis permanecen activos, capaces de evitar depredadores y tensiones ambientales.

Incluso en vertebrados, la metamorfosis es frecuente: además de los anfibios, la mayoría de los peces teleósteos, que representan la mitad de todas las especies de vertebrados, sufren metamorfosis. Esta transición post-embrionaria también ocurre en vertebrados basales, como la lamprea. En las diversas clases de vertebrados, estas metamorfosis son morfológicamente muy diversas; sin embargo, hay algunos principios comunes en todas estas transformaciones (Laudet, 2011).

Control hormonal de la metamorfosis. Eventos clave durante el desarrollo de un renacuajo de la rana (Xenopus laevis). Sobre la línea están las transferencias de "renacuajo" de animales incubados durante 24 h con NaI “yodo radioactivo 125 para ver la actividad de la tiroides”, fijados con formaldehído y lavados a un fondo inferior. Los renacuajos se secaron sobre papel de filtro y se filmaron. X. laevis tiene dos glándulas tiroideas ubicadas a ambos lados de la línea media (flecha sólida). La primera incorporación de yodo en la glándula tiroides ocurre 10 días después de la fertilización en la etapa de desarrollo 46 de Nieuwkoop y Faber (NF). La línea continua representa concentraciones de TH y TRβ durante el desarrollo. TRβ es un gen de respuesta directa de TH (YouTube) (YouTube) (YouTube).

Figura 7Control hormonal de la metamorfosis. Eventos clave durante el desarrollo de un renacuajo de la rana (Xenopus laevis). Sobre la línea están las transferencias de "renacuajo" de animales incubados durante 24 h con NaI “yodo radioactivo 125 para ver la actividad de la tiroides”, fijados con formaldehído y lavados a un fondo inferior. Los renacuajos se secaron sobre papel de filtro y se filmaron. X. laevis tiene dos glándulas tiroideas ubicadas a ambos lados de la línea media (flecha sólida). La primera incorporación de yodo en la glándula tiroides ocurre 10 días después de la fertilización en la etapa de desarrollo 46 de Nieuwkoop y Faber (NF). La línea continua representa concentraciones de TH y TRβ durante el desarrollo. TRβ es un gen de respuesta directa de TH (YouTube) (YouTube) (YouTube).

 Primero, la metamorfosis es siempre una transformación ecológica: las larvas y el adulto no viven en los mismos ambientes, o al menos no comparten los mismos recursos. Por ejemplo, el renacuajo es acuático y la mayoría de las veces es herbívoro, mientras que la rana es un carnívoro terrestre. En el océano, la mayoría de las larvas de peces son planctónicas, pero como adultos son bentónicas o, si aún son pelágicas, pueden nadar de manera activa. Este es el caso de los peces coralinos, donde el reclutamiento de las larvas al arrecife, tan importante para la biología de la conservación marina, ocurre en paralelo a su metamorfosis (Laudet, 2011).

En segundo lugar, la metamorfosis es una transformación extensa del animal, a veces un cambio radical en la organización del plan corporal. Hay muchos ejemplos de animales que se consideraron históricamente como parte de diferentes especies y para los cuales se demostró una transformación de larva a juvenil. Existe un continuo desde las especies que muestran una reorganización radical del plan corporal, como los tunicados, hasta aquellas que experimentan cambios menores, como las salamandras. Esta transformación nunca es solo un cambio morfológico: siempre incluye remodelación fisiológica, bioquímica e histológica que afecta varios tejidos a diferentes niveles (Laudet, 2011).

En tercer lugar, la metamorfosis se desencadena en estrecha relación con el medio ambiente: en la mayoría de las especies, las señales ambientales desempeñan un papel importante en el impulso de las larvas para que se transformen en un adulto. Tanto en insectos como en anfibios, los sistemas hormonales desempeñan un papel muy importante en estos procesos, y en ambos casos los receptores de hormonas nucleares y la señalización neuroendocrina se utilizan para traducir las señales ambientales en un programa coordinado que remodela el organismo. Es importante destacar que la metamorfosis no debe confundirse con la pubertad, otro evento importante de la historia de vida controlado por las hormonas, cuando la competencia reproductiva se adquiere a través de la maduración de los órganos sexuales (Laudet, 2011).

Con ranas y sapos, las branquias externas del renacuajo recién salido se cubren con un saco branquial después de unos días, y los pulmones se forman rápidamente. Las patas delanteras se forman debajo del saco branquial, y las patas traseras son visibles unos días más tarde. Después de eso, generalmente hay una etapa más larga durante la cual el renacuajo vive de una dieta vegetariana. Los renacuajos usan un intestino relativamente largo en forma de espiral para digerir esa dieta.

Los cambios rápidos en el cuerpo se pueden observar a medida que el estilo de vida de la rana cambia por completo. La boca en forma de espiral con aristas de dientes calientes se reabsorbe junto con el intestino en espiral. El animal desarrolla una mandíbula grande, y sus branquias desaparecen junto con su saco branquial. Los ojos y las piernas crecen rápidamente, se forma una lengua y todo esto se acompaña de cambios asociados en las redes neuronales (desarrollo de la visión estereoscópica, pérdida del sistema de la línea lateral, etc.) Todo esto puede suceder en aproximadamente un día, por lo que es verdaderamente una metamorfosis. No es hasta unos días más tarde que la cola se reabsorbe, debido a las altas concentraciones de tiroxina requeridas para la reabsorción de la cola.

El desarrollo de las salamandras es muy diverso; algunas especies pasan por una reorganización dramática al pasar de larvas acuáticas a adultos terrestres, mientras que otras, como el Axolote Ambystoma mexicanum, exhiben paedomorfosis y nunca se convierten en adultos terrestres. Dentro del género Ambystoma, las especies han evolucionado para ser pedomorfas varias veces, y la pedomorfosis y el desarrollo completo pueden ocurrir en algunas especies (Laudet, 2011).

En los tritones no hay una verdadera metamorfosis porque las larvas ya se alimentan como depredadores y continúan haciéndolo como adultos. Las branquias de los tritones nunca están cubiertas por un saco branquial y se reabsorberán justo antes de que el animal salga del agua. Al igual que en los renacuajos, sus pulmones funcionan temprano, pero los novatos los usan con menos frecuencia que los renacuajos. Los tritones a menudo tienen una fase acuática en primavera y verano, y una fase terrestre en invierno. Para la adaptación a una fase acuosa, la prolactina es la hormona requerida, y para la adaptación a la fase terrestre, la tiroxina. Las branquias externas no regresan en las fases acuáticas subsiguientes porque se absorben completamente al dejar el agua por primera vez.

Las cecilias basales, como Ichthyophis, pasan por una metamorfosis en la que la larva acuática pasa a los adultos fosforiales, lo que implica una pérdida de la línea lateral (Dünker, Wake, & Olson, 2000). Las cecilias (Teresomata) más recientemente no experimentan un cambio de nicho ontogenético de este tipo y en general están adaptadas a excavar durante toda su vida. Por lo tanto, la mayoría de las cecilianas no sufren una metamorfosis similar a la de los anuros (San Mauro, Gower, Oommen, Wilkinson, & Zardoya, 2004)

Otro caso extremo de una variación del ciclo de vida en los anfibios es un tipo de pedomorfosis en la cual el adulto sexualmente maduro de una especie tiene la morfología de la etapa larvaria de su ancestro. Esto da lugar a especies que pueden reproducirse mientras siguen teniendo una morfología larvaria. Todos los ejemplos conocidos de esto son miembros de Urodeles: no se sabe que ninguna especie de anuro muestre tal adaptación. El signo más obvio de la paedomorfosis es la capacidad de reproducirse mientras se conservan las branquias externas (de ahí el término perennibranchiates), con aletas de cola típicas de las larvas (Laudet, 2011).

Dos tipos de paedomorfo se han descrito en anfibios: el tipo facultativo ejemplificado por el axolote, las larvas y los adultos de los cuales fueron considerados como especies diferentes hasta 1865 cuando Dumeril descubrió su relación ontogenética; y el tipo obligatorio ejemplificado por el género Proteus, que está adaptado a cuevas en los Alpes Adriáticos, o por el Necturus maculosus, bien conocido en América del Norte. En los paedomorfos facultativos, la metamorfosis puede observarse ocasionalmente en la naturaleza o ser inducida experimentalmente en el laboratorio, mientras que los pedomorfos obligatorios nunca sufren metamorfosis y a menudo se describen como refractarios a las hormonas tiroideas, tratamientos con los cuales no se desencadena la metamorfosis en dichas especies, probablemente por pérdida de los receptores para esta (Laudet, 2011).

Los pedomorfos obligados nunca sufren metamorfosis y permanecen en un hábitat acuático durante toda su vida. Esta estrategia de historia de vida se ha descrito en familias de Urodeles relacionadas de forma distante y en particular en Proteidea, entre las que se encuentran la especie de cueva Proteus anguinus y Necturus maculosus. Se ha propuesto la paedomorfosis de estas especies es un cambio neoténico: es decir, a través de la desaceleración del desarrollo somático en relación con el desarrollo gonadal. En contraste con los neotenes facultativos, la estrategia de los pedomorfos obligados no puede explicarse por las ventajas que confiere la plasticidad fenotípica: puede resultar de la selección que actúa sobre la metamorfosis en sí misma o, indirectamente, de la selección de características morfológicas o fisiológicas que son beneficiosas para la aptitud física, o bien pueden ser casos de deriva genética sobre especies con tendencia a perder ciertos receptores de membrana por mutaciones genéticas muy probables (Laudet, 2011).

Entre los aspectos más fascinantes de la biología de los anfibios modernos se encuentra la transición de una larva acuática a un adulto terrestre o semestrestre (metamorfosis), especialmente en las ranas, en las que el cambio es drástico. La mayoría de los primeros tetrápodos “trasicionales entre pez-anfibio” eran acuáticos o, en el mejor de los casos, anfibios en sentido general. Los cambios ontogenéticos que ocurrieron fueron menores en comparación con la metamorfosis de la rana, y deberían ser más semejantes a los que ocurren en salamandras y ceciliuas. La evidencia más obvia de al menos algún cambio ontogenético en la morfología es la presencia de larvas (acuáticas) y de adultos terrestres o semestrestres son conocidos en discosauriscidos (Seymouriamorpha) y una diversidad de temnospondilos (anfibaemidos, micromelerpetontidps, branchiosauridos, zatraqueidos, eriopidos, esclerocefalidos, arquegosauridos, y estereospondilos).

Cráneos de adulto y renacuajo de Micromelerpeton.  La forma larvaria del temnospondilo Micromelerpeton; tiene surcos de línea lateral, que carece la forma adulta, y carece de los huesos del cerebro que se producen en la forma adulta. La ornamentación en los huesos del cráneo también es diferente.

Figura 8Cráneos de adulto y renacuajo de Micromelerpeton.  La forma larvaria del temnospondilo Micromelerpeton; tiene surcos de línea lateral, que carece la forma adulta, y carece de los huesos del cerebro que se producen en la forma adulta. La ornamentación en los huesos del cráneo también es diferente.

Los Seimouriidos, anfibamidos, branquiosauridos, zatraqueidos y eriopidos tenían adultos terrestres con centros bien desarrollados en las vértebras y una cintura escapular. Todos estos excepto zatraqueidos tenían carpelos y tarsales. Los esclerocefálidos tenían centros vertebrales, una cintura escapular, carpelos, tarsales y una pelvis completa, pero no se sabe si los adultos eran terrestres. Algunas series inusualmente bien conservadas de fósiles de temnospondilos presentan una imagen razonablemente buena de los cambios morfológicos que ocurrieron cuando se transformaron de una larva acuática a un adulto. Los disorofoides del Permo-carbonífero se sometieron a una serie de cambios ontogenéticos que acortaron la transición de renacuajo a adulto, lo que originó una metamorfosis de fase corta. En los zatraqueidos, ocurrió una transformación de fase relativamente corta, en la cual una larva acuática típica se transformó en un adulto con un cuerpo corto y una cabeza muy grande, muy parecido al que se encuentra en las ranas con cuernos actuales (Ceratophrys). En algunos, los cambios ontogenéticos en la morfología fueron mucho menos pronunciados, y el cuerpo larvario siguió siendo acuático, produciendo adultos neoténicos (pedomorfosis).

Las formas larvales de los temnospondilos Micromelerpeton tienen distintos surcos de línea lateral en la parte frontal de la superficie dorsal del cráneo, lo que indica que tenían sistemas sensoriales paralelos, presentes solo en los tetrápodos acuáticos (Figura 8). Las formas adultas tenían un cráneo más osificado que carecía de los surcos de la línea lateral, pero con huesos que rodeaban la base del cerebro. Además, el cráneo de los adultos terrestres contiene una ornamentación de tipo polígono indicativa de un cráneo más fuertemente osificado. La forma larvaria también tenía un aparato hiobranquial bien desarrollado que formaba una cesta debajo y detrás del cráneo.

Modelo del renacuajo de Micromelerpeton. La forma larvaria de Micromelerpeton tenía branquias externas. y un aparato hiobranquial (esqueleto branquial) con dientes branquiales (dentición branquial) que indica que era acuático.

Figura 9Modelo del renacuajo de Micromelerpeton. La forma larvaria de Micromelerpeton tenía branquias externas. y un aparato hiobranquial (esqueleto branquial) con dientes branquiales (dentición branquial) que indica que era acuático.

Este tipo de aparato hiobranquial soporta branquias externas en los anfibios acuáticos modernos (Figura 9). El aparato hiobranquial forma el suelo de la lengua cuando se retiene en adultos. Los taxones acuáticos y las larvas de taxones con adultos semi-terrestres o terrestres eran alargados con colas largas, mientras que los adultos que se desplazaban por tierra tenían cuerpos robustos, colas cortas y un grado mucho mayor de osificación en el cuerpo, el cráneo y las extremidades (Figura 8 y Figura 9). Entre los temnospondilos, algunos experimentaron una lenta transformación de las larvas acuáticas a adultos terrestres (por ejemplo, Eryops), algunos fueron altamente plásticos en términos de desarrollo en respuesta a condiciones ecológicas inmediatas (por ejemplo, Sclerocephalus), y otros fueron de gran tamaño acuático y evolucionaron en grandes tamaños corporales que les permitieron ser los principales depredadores (por ejemplo, Trematolestes, Gerrothorax, y Mastodontosaurus).

Aunque parezca intuitivamente obvio que la transición de una existencia acuática a una parcialmente terrestre sería la fuerza impulsora detrás de la evolución de la transformación de larvas a adultos, este no parece ser el caso en los antiguos anfibios. Más bien, un cambio ontogenético en la alimentación, que resultó en modificaciones de la mandíbula y otros rasgos morfológicos, probablemente condujo a la evolución de una morfología que permitió el acceso a ambientes terrestres. El truncamiento de los eventos que se producen durante la transformación, de modo que la mayoría de los cambios se produjeron de forma relativamente simultánea, como se ve en los disorofoides ramiosaurósidos, representa el origen de la metamorfosis tal como la conocemos en lisanfibios “cecilias, tritones, salamandras, sapos y ranas”.

 

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