El sistema sensorial en las aletas de los peces evoluciona en paralelo a la forma de la aleta y a la mecánica

El estudio, publicado en 'Proceedings of the National Academy of Sciences', combinó medidas de la forma de las aletas de cientos de especímenes de la familia 'Labridae' (lábridos) con propiedades mecánicas de las aletas y respuestas neurales registradas de ocho especies de diferentes a 'Labridae'. Estas medidas fueron asignadas en un árbol evolutivo de 340 lábridos para determinar cómo evolucionaron con el tiempo las propiedades mecánicas y los sistemas nerviosos de las aletas.

"A medida que las aletas pectorales evolucionan en diferentes formas, comportamientos y propiedades mecánicas, hemos demostrado que el sistema sensorial también está evolucionando con ellos", afirma el autor principal del análisis, Brett Aiello, estudiante de doctorado en el Departamento de Biología y Anatomía de Organismos. "Esto permite que el sistema sensorial se sintonice a los diferentes estímulos relevantes para los comportamientos locomotores y la mecánica de aletas de diferentes especies", añade.

Cuando los animales utilizan apéndices para el movimiento, se basan en la retroalimentación sensorial de esas extremidades para controlar el movimiento. Los nervios de las aletas pectorales de los peces detectan la posición de venas dérmicas de la aleta y cuánto se doblan cuando se mueven a través del agua, lo que ayuda a los peces a detectar la velocidad y la posición relativa de sus aletas.

La forma de la aleta afecta también a cómo se moverá el pez. Los científicos usan un número llamado relación de aspecto (AR) para medir esta forma, de manera que un AR alto significa que la aleta es larga y estrecha, o más como un ala; y un AR bajo significa que la aleta es ancha o redonda y más parecida a una paleta. Los lábridos con AR alto, mueven las aletas como alas para maximizar la eficiencia y el empuje a medida que se propulsan hacia adelante, mientras que aquellos con un AR más bajo, utilizan sus aletas en forma de pala con movimientos de remo para maniobrar cerca de los fondos de los arrecifes.

Aiello y sus colegas recogieron mediciones de la relación de aspecto de las aletas de cientos de especies de 'Labridae' en el Field Museum, en Chicago, Estados Unidos, y combinaron esos datos con una filogenia genética de 340 'Labridae' desarrollada por Mark Westneat, profesor de Biología y Anatomía y coautor del estudio. Usando el ADN de peces vivos, Westneat construyó un árbol familiar de relaciones entre estas especies, trazando cómo evolucionaron a través del tiempo.

EL SISTEMA NERVIOSO MÁS SENSIBLE, EVOLUCIÓN DE ALETAS RÍGIDAS

Los investigadores entonces mapearon la forma de la aleta de cada especie en la filogenia, permitiéndoles seguir la evolución de la aleta de su estado ancestral hasta las especies vivas. La reconstrucción del estado ancestral reveló patrones de evolución convergente, con aletas con AR alto que se originaron de forma independiente al menos 22 veces.

Con esta historia de evolución de la aleta, los investigadores también probaron las propiedades mecánicas y la sensibilidad del sistema sensorial en las aletas pectorales de cuatro pares de especies de 'Labridae' estrechamente relacionadas, una con aletas con AR bajo y otra con aletas con AR alto desarrolladas independientemente. El equipo analizó la respuesta sensorial midiendo la respuesta neural de los nervios de la aleta pectoral al doblar la aleta y luego repitió el proceso, flexionando las aletas una cantidad diferente cada vez.

Lo que encontraron dio más pistas sobre la utilidad de cada tipo de aleta. Las aletas con AR bajo, de tipo paleta, tendían a ser más flexibles y las aletas con AR alto eran más rígidas o agarrotadas. Pero el sistema sensorial de aletas como alas con AR alto eran también más sensibles, lo que significaba que las aletas eran más sensibles a una menor magnitud de flexión. Aiello cree que un sistema nervioso más sensible evolucionó en las aletas con AR elevado porque necesitaron responder más a los movimientos más pequeños a medida que los peces usan estas aletas rígidas y menos flexibles para nadar.

"Los biólogos entienden mejor cómo los peces han optimizado su natación mecánica y estos resultados podrían ser útiles para los ingenieros que desarrollan vehículos submarinos autónomos. Los sistemas de propulsión de estos dispositivos deben ser eficientes y sensibles, y quizá no haya mejores diseños que copiar que aquellos perfeccionados a través de la evolución durante millones de años", subraya otro miembro del equipo, Melina Hale, profesora de Biología Organística y Anatomía de William Rainey Harper.

"Muchos de los problemas a los que se enfrentan los ingenieros son similares al tipo de cosas para las que los animales ya han desarrollado soluciones a lo largo del tiempo --apunta Aiello--. Si comenzamos a mirar más hacia la tecnología de inspiración biológica e incorporamos algunas de las cosas que vemos en la naturaleza en nuestros dispositivos de ingeniería, creo que ayudaría a avanzar y resolver algunos de estos problemas con mayor rapidez".