El gran mundo de la microscopía

De acuerdo al artículo anterior, en el que nos centramos en la reconstrucción cromática de los dinosaurios a partir de microestructuras halladas en las plumas y el pelo de ciertos dinosaurios, en este artículo nos disponemos a  seguir la investigación del científico Edwin Cadena, quien intenta obtener gran cantidad de información científica a partir del estudio de la estructura y composición microscópica de los fósiles del yacimiento de Messel.

Cadena E. (2016) Microscopical and elemental FESEM and Phenom ProX-SEM-EDS analysis of osteocyte- and blood vessel-like microstructures obtained from fossil vertebrates of the Eocene Messel Pit, Germany. PeerJ 4:e1618  https://doi.org/10.7717/peerj.1618

Fig.1. Edwin Cadena.

Los osteocitos son las células más abundantes en los tejidos óseos de los vertebrados (Bonewald, 2011), junto con los vasos sanguíneos  y fibrillas de colágeno mineralizadas. Todas estas microestructuras, no visibles a simple vista vamos a  abreviarlas como microestructuras OBvF (para economizar un poquito el lenguaje), y nos dedicaremos en las siguientes líneas a estudiar su preservación a nivel microscópico durante millones de años.

Estas micrestructuras OBvF han sido halladas fosilizadas en los vertebrados del Eoceno temprano-medio (aproximadamente hace 43 millones de años) del yacimiento de Messel, situado cerca de la ciudad de Darmstadt, Alemania. Este yacimiento ha sido declarado por la UNESCO como extraordinario, debido a la excepcional preservación y diversidad que presentan los fósiles que nos encontramos en él. Incluye vertebrados, invertebrados y plantas. A pesar de la excepcional preservación de los vertebrados del yacimiento de Messel, únicamente los restos esqueléticos macroscópicos han recibido la atención de estudios científicos. A diferencia de estos fósiles, las microestructuras preservadas en los mismos han sido muy poco estudiadas.

Fig.2. Yacimiento de Messel, Alemania.

Fue entonces cuando Edwin Cadena, investigador científico de la universidad ecuatoriana Yachay Tech, aprovechó la oportunidad de dedicarse al estudio de la preservación de estas  estructuras de escala micro y nanométrica durante millones de años. Para ello recogió muestras de diminutos fragmentos de huesos (< 1 cm³) del yacimiento de Messel de especies de tres linajes distintos de vertebrados: tres especies distintas de tortugas, un mamífero, un anfibio, un pez, un cocodrilo, un lagarto y un ave.

A continuación sometió a las nueve muestras recolectadas a  una serie de técnicas analíticas con el objetivo de identificar alguna estructura del tipo OBvF. Entre las técnicas que utilizó nos encontramos la del microscopio electrónico de barrido (LOT-QuantumDesign).

Los resultados mostraron que en cuatro de los vertebrados (dos especies de tortugas Allaeochelys crassesculpta (Harrassowitz, 1992) y Neochelys franzeni (Schleich, 1993), un  cocodrilo y un mamífero) existe preservación de células óseas, en especial de osteocitos,  pero también de restos de vasos sanguíneos y fibras de colágeno.

La presencia de microestructuras del tipo OBvF encontradas en tortugas,  cocodrilos y  mamíferos confirma la excepcional preservación de los vertebrados del yacimiento de Messel, tanto a escala macroscópica (restos esqueléticos y algunas impresiones de pelo) como a escala microscópica (tejidos óseos).

La falta de recuperación de microestructuras del tipo OBvF en las muestras restantes de vertebrados del yacimiento no implica que dichas muestras hayan de ser ignoradas o excluidas, ya que futuros estudios podrían identificar la presencia de microestructuras parecidas a las del tipo OBvF.

Por tanto, acabamos de corroborar que no únicamente quedan preservadas en el registro fósil las estructuras macroscópicas, como el esqueleto de un mamífero, sino que también el ambiente y las condiciones de diagénesis de la roca permiten la preservación de microestructuras como las recientemente halladas, o las anteriormente citadas en el artículo que este precede.

Fig.3. (F) Marcas y depresiones irregulares
 debidas a la actividad bacteriana. (B) Bordes fragmentados.

Una vez alcanzados este punto nos disponemos a describir estas estructuras de tipo OBvF. Estructuras como los osteocitos de las tortugas A. crassesculpta y N. franzeni varían de formas semiovaladas a enlongadas y a muy elongadas, y poseen un color que va de amarillento a anaranjado. En contraste con los osteocitos de las tortugas, los de los cocodrilos Diplocynodon darwini y del mamífero Eomanis krebsi son ligeramente más pequeños, y además, son translúcidos y no presentan  manchas.

En cuanto a las microestructuras de los vasos sanguíneos, se caracterizan por la presencia de una fina pared de textura microgranular. Las fibras de colágeno se encuentran formando alineaciones o formando coalescencias de varias fibras. Presentan manchas de coloración amarilla y anaranjada, conservando las características que se mostraban en los huesos de casi todos los vertebrados, incluyendo los seres humanos.

Fig.4. Microestructuras de osteocitos de
fósiles de tortugas del yacimiento de
Messel.

Las microestructuras de las fibras de colágeno son texturalmente distintas a  las de los vasos sanguíneos, las cuales presentan una fina pared textural microgranular; y a las de los osteocitos.

Los análisis del FESEM (Field Emission Scanning Electron Microscope) muestran que las microestructuras de los osteocitos de las dos especies de tortugas presentan una textura punteada tanto interna como externa.

En la superficie externa de los osteocitos observamos pequeñas marcas y depresiones dispuestas en patrones circulares y lineares. Su presencia se asocia a la actividad microbiana (Kaye, Gaugler et Sawlowicz, 2008). Además, es considerada la hipótesis de que la actividad bacteriana es posterior a la estabilización de éstos una vez quedaron preservados en los huesos. No obstante, es necesario un muestro de mayor dimensiones para corroborar esta pequeña hipótesis acerca de la vida microbiana que llevarían asociadas estas microestructuras osteocíticas.

Usando la técnica del FESEM, han sido examinados los bordes de estos fragmentos, y no se han observado evidencias de plegamiento, lo que nos indica que estas microestructuras de osteocitos constituyen  un material frágil, más que uno dúctil. Esta evidencia no nos permite obtener más información con las técnicas empleadas (FESEM), sin embargo, se considera la opción de realizar una visión en tres dimensiones de la estructura interna de los huesos de los vertebrados del yacimiento de Messel, utilizando técnicas tomográficas, lo que podría proveernos no solo información acerca de la morfología original ósea, sino también de las variaciones intraóseas, así como de la densidad volumétrica o la distribución de estas microestructuras osteocíticas.

Posteriormente, se ha podido identificar la composición de los osteocitos. Predominantemente encontramos oxígeno, carbón y hierro, y en menores concentraciones fósforo, calcio, nitrógeno y silicio. 

Fig.5. (A) Microestructuras de vasos saguíneos. (B-C) Fibras de colágeno,
asiladas o en coalescencia.

A diferencia de esta composición, las fibras de colágeno presentan muy baja concentración de hierro. En este caso predomina el oxígeno, calcio y fósforo. Por último, los vasos sanguíneos, al igual que los osteocitos, son muy ricos en hierro.

La alta concentración de hierro en las microstructuras de los osteocitos y vasos sanguíneos, pero no de las fibrillas de colágeno, podría indicar la presencia de un mecanismo químico de secuestración del hierro entre las microestructuras. Además, las diferencias composicionales entre estas microestructuras no se esperarían si los procesos diagenéticos hubiesen sido comunes (Schweitzer et al., 2007; Bertazzo et al., 2015). De acuerdo a un estudio de Scheitzer et al. (2014), el hierro contribuye a la preservación de tejidos blandos y moléculas a lo largo del tiempo a través de un doble mecanismo muy complejo que podría haber actuado sobre los vertebrados del yacimiento de Messel, siendo favorecido por las condiciones anoxigénicas del fondo de las aguas y por la abundancia de minerales ricos en hierro.

Fig.6. Composición elemental de las microestructuras de
osteocitos del yacimiento de Messel.

También cabe destacar que la composición elemental de los osteocitos y vasos sanguíneos no muestra altos niveles de nitrógeno, lo cual no lo anticipábamos, ya que la abundancia de nitrógeno por parte del ADN es muy típica. Además, las variaciones de color entre los osteocitos transparentes y de los que presentan manchas de colores desde el amarillo hasta el naranja podrían deberse a la presencia de otros elementos.

Nos hemos dispuesto ha describir y proveer de información microscópica de micorestructuras del tipo OBvF de los restos de vertebrados del yacimiento de Messel.

Estas observaciones, en última instancia, tiene el fin de servir de base a los futuros estudios en busca de estructuras nanométricas parecidas a las OBvF, así como restos de proteínas.

El descubrimiento de estas microestructuras podría servir para establecer relaciones evolutivas entre especies de vertebrados como los primates (Franzen et al., 2009) y los caballos (Franzen, 2006), ya que en el yacimiento de Messel se encuentran algunas de las formas más basales de especies. Incluso también podríamos identificar el modo y el ritmo de evolución molecular, lo que supondría un gran avance para la paleobiología. Pero este artículo no ha sido el lugar para establecer dichas relaciones, sino simplemente el sitio para establecer las bases en cuanto a las microestructuras capaces de preservarse en los huesos de los seres pretéritos que habitaron la Tierra. Además, al igual que se han preservado estas estructuras podrían preservarse muchas otras, que esperemos que los estudios tomográficos sean capaces de revelar.

Como conclusión, espero que este artículo haya servido como reflexión acerca de todo aquello que nos provee información y que difícilmente podemos ver. No hay que olvidarse del poder de la microscopía. En ocasiones nos fijamos únicamente en los objetos en su escala macroscópica, cuando la escala microscópica podría exhibirnos más información que la que aparentemente vemos a simple vista en los afloramientos. Ni la ciencia se ha percatado aún de que las grandes cualidades se encuentran en los pequeños detalles…

Referencias:

Bonewald LF. The amazing osteocyte. Journal of Bone Mineral Research. 2011

Schleich HH. Neochelys franzeni n. sp., the first Pleurodiran turtle from Messel.  Kaupia, Darmstädter Beiträge zur Naturgeschichte 3:15–21. 1993

Harrassowitz H. Die Schildkrötengattung Anosteira von Messel bei Darmstadt  und ihre stammesges chichtliche Bedeutung. Abhandlungen der Hessen Geologischen  Landesanst 6:137–238. 1922

Kaye TG, Gaugler G, Sawlowicz Z. Dinosaurian soft tissues interpreted as bacterial biofilms. PLoS ONE 3(7):e2808 2008

Schweitzer MH, Wittmeyer JL, Horner JR. Soft tissue and cellular preservation in vertebrate skeletal elements from the Cretaceous to the present. Proceedings of the Royal Society of London B: Biological Sciences 274:183–197 2007a 

Bertazzo S, Maidement SCR, Kallepitis C, Fearn S, Stevens M, Xie H. Fibers and cellular structures preserved in 75-million year old dinosaur specimens. Nature Communications 6:7352 2015

Schweitzer MH, Zheng W, Cleland T, Goodwin MB, Boatman E, Theil E, Marcus MA, Fakra SC. A role for iron and oxygen chemistry in preserving soft tissues, cells and molecules from deep time. Proceedings of the Royal Society B: Biological Sciences 281:20132741 2014

Franzen JL, Gingerich PD, Habersetzer J, Hurum JH, Von Koenigswald W, Smith BH. Complete primate skeleton from the middle Eocene of Messel in Germany: morphology and paleobiology. PLoS ONE 4(5):e5723  2009

Franzen JL. Eurohippus n.g., a new genus of horses from the Middle to Late Eocene of Europe. Senckenbergiana Lethaea 86:97–110  2006