domingo, 31 de agosto de 2014

Lyuba y Khroma, dos pequeñas mamuts.

Introducción

Los mamuts lanudos (Mammuthus primigenius) fueron los últimos supervivientes representantes de un linaje predominantemente en Eurasia.
Su relación con otras poblaciones, se determina mediante movimientos de población y un flujo de genes descubierto mediante estudios de ADN (Barnes et al, 2007.; Debruyne et al., 2008).
Gran parte de la historia de M. primigenius está representado por abundantes muestras, pero generalmente aisladas. Sin embargo, también se han hallado raros especímenes, articulados, algunos con tejido blando conservado (Tolmachoff, 1929).

Por desgracia la mayoría de los especímenes fueron encontrados antes de que se desarrollaran nuevas tecnologías como la tomografía computarizada y se estudiaron mediante técnicas tradicionales, que como explico en mi primera entrada de este blog dañan mucho el fósil, haciendo imposible que se estudien en la actualidad con las nuevas técnicas, perdiendo información.

Este trabajo se basa en la evaluación de la edad mediante las características de la histología dental. Además se centra en especímenes relativamente completos, aplicando los resultados de la supuesta edad a todo el cuerpo. Al combinar este enfoque con el uso de la tomografía computarizada de rayos-x (TC), obtenemos nuevos conocimientos morfológicos y de desarrollo y, en ocasiones conocimientos tafonómicos.

Dos recientes descubrimientos de cuerpos congelados y casi completos de crías de mamut lanoso (Lyuba (Kosintsev et al., 2010) y Khroma (Lazarev et al., 2010)), proporcionan una oportunidad única para mejorar nuestra comprensión de las primeras etapas de desarrollo. Tras su estudio, los especímenes quedaron prácticamente intactos ya que estos estudios se realizaron por métodos no destructivos.

El objetivo de este estudio es contribuir al conocimiento de la osteología de los mamuts lanudos e ilustrar el potencial de los métodos de CT.

Fig. 1: Reconstrucción de una manada de Mammuthus primigenius. Fuente: Blog Dechronization: evolution phylogenetic trees comparative methods.


Material

Lyuba fue encontrada en la Península de Yamal en 2007 (Kosintsev et al., 2010). Parecía estar en perfecto estado salvo por la pérdida de la mayor parte del pelaje y todas la uñas.Mediante un análisis de ADN se confirmó que era un hembra (R. Debruyne, commun personal., 2010).        
Los datos obtenidos durante su estudio indicaban que el cuerpo de esta hembra mamut había sido cubierto postmortem por ácido láctico productor de bacterias, lo cual le dio mayor resistencia a sus tejidos.

El análisis histológico de dos premolares de Lyuba mostraron que ella murió sólo 30-35 días después de su nacimiento (Rountrey et al., 2012). Perfiles de isótopos estables y los incrementos de la dentina de los premolares, sugirieron un período de gestación de aproximadamente 20 meses, lo cual es comparable al de los elefantes actuales (Rountrey et al., 2012). Los estudios basados en espectometría de masas (AMS) mediante C14 sitúan su edad alrededor de 41800 años BP (Before Present - hasta hoy día) (Fisher et al., 2012).

Khroma fue encontrada en octubre de 2008, al norte de Yakutia (Lazarev et al., 2010), congelada en el permafrost. Su cabeza, tronco y hombros habían sido expuestos por el derretimiento estacional y cuervos, y posiblemente zorros árticos, habían dañado partes expuestas. Pierde la distal y partes medias de la trompa, la mayoría de los tejidos blandos de la cara dorsal de su cráneo y toda la joroba de grasa, el resto del cuerpo fue recuperado en buenas condiciones.                                                                                      
Los análisis de ADN (R. Debruyne, commun personal., 2011) y el análisis de TC determinan que es una hembra. El análisis de espectometría de masas da como resultado "infinito", por lo tanto solo se puede decir que su edad es mayor a 45000 años BP.


Métodos:

Para el estudio del cuerpo congelado de Lyuba se realizo una tomografía computarizada antes de cualquier disección. A continuación se le sometió a dos necropsias, para lo cual fue necesario descongelar el cuerpo. Durante estas dos necropsias se elimina el lado izquierdo de la dentadura para ser estudiado con detalle, se toman muestras del intestino grueso y delgado, además se examinan las cavidades pleurales y abdominales.

Puesto que el cuerpo de Lyuba había sido descongelado, posteriormente se tuvo que someter a tratamientos químicos para simular el estado de congelación inicial y poder someterlo a nuevos estudios.

En el caso de Khorma se realizaron dos conjuntos de tomografías computarizadas utilizando escáneres médicos. Además se realizaron microescáneres de los dientes de ambos ejemplares.

Todos los datos de las exploraciones médicas se guardan y analizan digitalmente. Entre los métodos de análisis se encuentra la radiodensidad, que consiste en observar la cantidad de radiación que pasa a través de un volumen estándar de un material. Se realizan todo tipo de mejoras y limpiezas de las imágenes, incluso se crean imágenes e impresiones 3D.

Resultados:

Como se describe en Fisher et al. (2012),  la TC realizada mientras Lyuba estaba congelada muestra una masa sólida de material radiodenso ocupando la parte media de un conducto nasal en su trompa. En el otro conducto nasal el material estaba desplazado, se interpretó que el desplazamiento había sido llevado a cabo por el tratamiento químico que Lyuba recibió.                                                                                            

Durante la necropsia también se encontraron sedimentos en su cavidad oral, evidentemente eso estaba más relacionado con el transporte y la exposición del cuerpo que con eventos relevantes del momento de la muerte, por lo que el material se desechó durante la primera necropsia. En la segunda necropsia se inspeccionó su cavidad pleural. Los pulmones habían colapsado y algunos de los conductos bronquiales más grandes se habían roto. Fuera de estas aberturas se encontraron pequeñas partículas de un material azul brillante identificado por difracción de rayos-x como vivianita. Este mineral recubría la cavidad, pleural y todos los tejidos dentro de ella. También fue encontrado en su cráneo.

Fisher et al. (2012) sostuvo que el único mecanismo capaz de explicar la distribución de este material desde el tronco de Lyuba hasta sus bronquios era la aspiración del sedimento. Con su tráquea y bronquios llenos, no era capaz de respirar hasta tal punto que murió de asfixia.

La vivianita de grano fino como el de las vías respiratorias de Lyuba, se forma comúnmente en ambientes lacustres pobres en oxígeno (Manning et al., 1991). Este dato nos proporciona una pista para la escena en la que murió.

En el caso de Khroma, su TC también muestra una columna de sedimentos obstruyendo su tráquea que se extiende hacia su cavidad oral y fosas nasales (Fig. 2).Por lo que se concluye la misma causa de la muerte, asfixia. Esta muerte coincide con el buen estado de salud  del que gozaban Lyuba y Khroma en el momento en el que murieron.

FOTO 2. Sedimento está presente en la región oral, región faríngea, y la tráquea de Khroma (su pulmones fueron barridos antes de la recuperación). Fuente: Fisher et al., 2014.

Lyuba y Khroma son momias con esqueletos articulados, elementos cartilaginosos, músculo, grasa, tejido conectivo, órganos y dermis. Debido a que estos animales murieron poco después de su nacimiento sus esqueletos seguían desarrollándose en el momento de la muerte, lo que nos proporciona una idea de la ontogenia de los mamut.

Para poder llegar a conclusiones se comparan los cuerpos de Lyuba y Khroma. La diferencia más clara entre los dos individuos es el mayor desarrollo en Khroma, esto se observa en la parte más posterior de la espina de la escápula (figura. 3). Interpretamos esto como una mineralización más avanzada en Khroma que en Lyuba, debido a la mayor edad de Khroma en el momento de la muerte (aproximadamente dos meses, en lugar de un mes aproximadamente para Lyuba).

En el cuerpo de Lyuba se observa una asimetría en la parte anterior, evidencia de las fuerzas de compresión a las que ha estado sometido gran parte del cuerpo de Lyuba, incluyendo su cráneo. En las patas, la mayoría de los huesos están pobremente mineralizados (Fig. 4). Por desgracia, el hueso no mineralizado tiene una radiodensidad similar a la de músculo, grasa y tejido conectivo, haciendo que los límites de algunas estructuras difíciles de distinguir. Las patas de Khroma, sin embargo, están bien definidas y fueron segmentados para su estudio.

Las costillas de Lyuba y de Khroma fueron segmentadas principalmente como base para futuros estudios. Las costillas son notoriamente difíciles de atribuir a la especie, pero puede que en el futuro sea más fácil identificar.

FIG 3: Escápula derecha de crías de mamut: 1, Lyuba, zona lateral a la izquierda, cara dorsal a la derecha; 2, Khroma zona lateral a la izquierda, cara dorsal a la derecha. La mineralización ósea está ausente en Lyuba pero bien desarrollado en Khroma.



FIG. 4: Pata trasera izquierda de Khroma: 1, aspecto lateral, muestra los sitios de nucleación y centro de osificación de las epífisis; 2, cara anterior; 3, cara anterior, cápsulas articulares sinoviales en azul claro; 4, cara anterior, cápsulas articulares no terminales de color azul claro y cápsulas articulares terminales en púrpura. Fuente: Fisher et al., 2014

El tamaño del cerebro de euterios neonatales varía con la duración de la gestación (Sacher, 1974). En Lyuba, el cráneo es poco concluyente, en parte debido a la acumulación de vivianita.                      
El espacio intracraneal en Khroma está mejor definido y fue segmentado como una unidad separada del cráneo. En los mamíferos, la superficie endocraneal se adapta generalmente a la forma del cerebro, por lo que este "endocast* virtual'' proporciona un retrato razonable del cerebro de un mamut neonato.
*Un "endocast" es un molde de la cavidad craneal, a partir del cual se obtiene información del tamaño y forma del cerebro.


El ejemplo más claro de la diferencia de morfología, no debido a eventos post-mortem, es que en vista dorsal, los premaxilares de Lyuba son más estrechos que los de Khroma. Además existen una extensión engrosada del reborde alveolar del premaxilar de Khroma que está ausente en Lyuba.

Los colmillos de leche y premolares fueron retirados de un lado de cada animal. La atención del estudio se basó en el uso de microTC como medio de documentar la morfología dental. Por lo tanto, antes de cualquier análisis destructivo, se realizaba una muestra 3D de cada pieza que quedaba registrada.                         
Los modelos digitales resultantes de microTC proporcionan un nivel de detalle mucho más allá de lo que podría lograrse de cualquier otra manera (fig. 5.1). También proporcionaron la base para la física de los materiales que debían ser utilizados a la hora de reconstruir los modelos 3D.

Algunas partes de las raíces eran tan delicadas que una copia física sería demasiado frágil para sobrevivir producción y manipulación. Partes de dientes que eran más delgadas de aproximadamente un milímetro estaban engrosadas digitalmente, y el archivo resultante (Fig. 5.2, 5.3) se utilizó para generar prototipos que capturan las características morfológicas más importantes de los dientes (Fig. 5.4, 5.5).


FIG. 5: Premolar izquierdo de Khorma : 1, modelo digital de la  cara lingual (radiodensidad en escala desde el rojo, más denso a esmalte azul, menos denso); 2, modelo digital de la superficie en vista lingual oclusal oblicua; 3, modelo digital de la superficie que mira hacia la cavidad pulpar; 4, prototipo rápido, orientado como en 2; 5, prototipo rápido, orientado como en 3. Fuente: Fisher et al., 2014

Conclusiones:

Los datos de las TC revelan mucho acerca de la morfología, las circunstancias de la muerte, y la historia de estos dos especímenes. Tanto Lyuba y Khroma murieron a causa de la aspiración sedimentos.      
Después de la muerte, Lyuba fue sometida a la alteración microbiológica que produjo vivianita dentro de sus tejidos (Fisher et. al, 2012). El cuerpo de Lyuba se vio afectado por las fuerzas de compresión y algunas de cizallamiento.

La segmentación basada en los datos TC proporciona datos sobre la muerte y sobre aspectos fundamentales de la osteología. Los Esqueletos Lyuba y de Khroma son similares tanto en la morfología como en el desarrollo. Algunas de las diferencias que se observan podrían representar una variación a nivel poblacional. Mientras que el clima y el hábitat podrían haber sido similares para estos dos animales, las poblaciones a las que pertenecían fueron separados por casi 5.000 km. Adicionalmente, estos mamuts claramente difieren en edad geológica, aunque la medida en la que lo hacen no está limitada.          
Por último, también se encuentran varias diferencias entre ellos, incluyendo sus premaxilares curiosamente dispares, que podría reflejar un cambio ontogenético.

Independientemente de los aspectos específicos, datos anatómicamente completos sobre individuos como Lyuba y Khroma, servirán para la comprensión del desarrollo esquelético y dental del mamut.

La segmentación del espacio endocraneal de Khroma representa un primer paso en la comparación del desarrollo del cerebro en mamuts y otros proboscídeos.                                                                       
Estas y otras sugerencias en relación con las historias de vida de mamuts y cómo cambiaron ofrecen nuestra mejor oportunidad para entender la causa de la extinción.


Bibliografía:

- DANIEL C. FISHER, ETHAN A. SHIRLEY, CHRISTOPHER D. WHALEN, ZACHARY T. CALAMARI, ADAM N. ROUNTREY, ALEXEI N. TIKHONOV, BERNARD BUIGUES, FRÉDÉRIC LACOMBAT, SEMYON GRIGORIEV,6AND PIOTR A. LAZAREV, R. 2014. X-Ray computed tomography of two mammoth calf mummies. Journal of Paleontology, 88(4): 664–675.

- BARNES, I., B. SHAPIRO, A. LISTER, T. KUZNETSOVA, A. SHER, D. GUTHRIE, AND M. G. THOMAS. 2007. Genetic structure and extinction of the woolly mammoth, Mammuthus primigenius. Current Biology, 17:1,072–1,075.

- DEBRUYNE, R., G. CHU, C. E. KING, K. BOS, M. KUCH, C. SCHWARZ, P. SZPAK, D.R. GRO¨ CKE, P. MATHEUS, G. ZAZULA, D. GUTHRIE, D. FROESE, B. BUIGUES, C. DE MARLIAVE, C. FLEMMING, D. POINAR, D. FISHER, J. SOUTHON, A. N. TIKHONOV, R. D. E. MACPHEE, AND H. N. POINAR. 2008. Out of America: ancient DNA evidence for a New World origin of late Quaternary woolly mammoths. Current Biology, 18:1–7.

- FISHER, D. C., A. N. TIKHONOV, P. A. KOSINTSEV, A. N. ROUNTREY, B. BUIGUES, AND J. V. D. PLICHT. 2012. Anatomy, death, and preservation of a woolly mammoth (Mammuthus primigenius) calf, Yamal Peninsula, northwest Siberia. Quaternary International, 255:94–105.

- KOSINTSEV, P. A., E. G. LAPTEVA, S. S. TROFIMOVA, O. G. ZANINA, A. N. TIKHONOV, AND J. V. D. PLICHT. 2010. The intestinal contents of a baby woolly mammoth (Mammuthus primigenius Blumenbach, 1799) from the Yuribey River (Yamal Peninsula). Doklady Akademii Nauk, 432:556–558.

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- MANNING, P. G., T. P. MURPHY, AND E. E. PREPAS. 1991. Intensive formation of vivianite in the bottom sediments of mesotrophic Narrow Lake, Alberta. Canadian Mineralogist, 29:77–85.

- ROUNTREY, A. N., D. C. FISHER, A. N. TIKHONOV, P. A. KOSINTSEV, P. A. LAZAREV, G. BOESKOROV, AND B. BUIGUES. 2012. Early tooth development, gestation, and season of birth in mammoths. Quaternary International, 255: 196–205.

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- SHOSHANI, J., W. J. KUPSKY, G. H. MARCHANT. 2006. Elephant brain Part I: gross morphology, functions, comparative anatomy, and evolution. Brain Research Bulletin, 70:124–157.

- TOLMACHOFF, I. P. 1929. The carcasses of the mammoth and rhinoceros found in the frozen ground of Siberia. Transactions of the American Philosophical Society, New Series, 23:i–x, 11–74b.


Observaciones personales:

Si os interesa saber la forma en la que se tratan e investigan los fósiles, en el articulo completo en el que se basa esta entrada se detallan los métodos de tratamiento, los lugares e incluso las máquinas especializadas que se utilizan para estos fines.

Por lo tanto si queréis informaros sobre las más avanzadas tecnologías de tomografías computarizadas, rayos-x y el resto de las técnicas os recomiendo la lectura del artículo completo. 

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