¿Una nueva herramienta para la Paleontología?

ARTÍCULO: Maggie Cusack (2016) Biomineral electron backscatter difraction for Paleontology. (Paleontology, Vol.59, Part 2, 2016, pp.171-179).

Una de las preguntas más comunes a la hora de estudiar un fósil cualquiera es; ¿Cuál pudo ser el mineral original que ahora constituye dicho fósil?, es decir, en cierto modo, cuando estudiamos un fósil nos preguntamos cómo sería la concha que arrastraba un cierto Bivalvo o Gasterópodo, cómo sería la estructura mineral de dicha concha, etc.

Pues bien, hoy en día existen técnicas bastante comunes basadas en la difracción de electrones de retrodispersión (también llamadas EBSD) que consisten en lanzar un haz de electrones contra una lámina pulida de un cierto material rígido, y analizar el espectro de electrones difractados y así poder reconocer dicho material. Sin embargo esta técnica es empleada para el estudio de ciertos materiales metálicos, pero hace relativamente poco tiempo, también se ha expandido al área del estudio paleontológico con el fin de investigar los minerales de origen orgánico (principalmente calcita) y aportando información sobre la estructura mineral de los fósiles, y así comprender el control biológico de la producción mineral, el proceso de formación y el ambiente en el que se formó.

Esta técnica es tan completa, que incluso para aquellos fósiles que no presenten equivalente actuales, (se extinguieron y en la actualidad no hay ningún individuo vivo semejante a él) nos va a proporcionar información de los mecanismos funcionales, como por ejemplo sobre la visión de los Trilobites. Es por todos estos motivos, y por todos estos usos a los que el EBSD puede ser aplicado, por lo que se está convirtiendo en una valiosa herramienta de la Paleontología.

Fig.1. Aparato empleado en difracción de electrones retrodispersivos.

Lo primero que hay que destacar es, que los sistemas vivos producen estructuras minerales con múltiples funciones como la protección de los  tejidos más blandos, la formación de cámaras embrionarias, para la locomoción, entre otras muchas funciones. Y que por tanto, estas estructuras de mayor dureza se van a conservar más que los tejidos blandos y por lo tanto van a ser más comunes en el registro fósil, y es por esto por lo que esta técnica se va a centrar en su estudio.

Sin embargo, no es esta la única técnica que se emplea para estudiar biominerales, sino que existe una amplia gama que nos van a proporcionar informaciones diferentes:

• Difracción de rayos X ; para la identificación de biominerales.
• Estudio de isótopos estables de 18O; para calcular la temperatura del agua en el momento en el que habitaba el organismo.
• Tomografía de rayos X; para reconocer estructuras en tres dimensiones de los biominerales.

La formación de estos biominerales presenta un control biológico, como hemos dicho anteriormente, es decir, la mineralización inducida biológicamente requiere la nucleación por una capa orgánica cargada de polisacáridos, de manera semejante a como se produce la formación de los estromatolitos por precipitación de carbonato cálcico inducido por las cianobacterias.

De este modo, las diferencias que existen entre los biominerales y sus homólogos no orgánicos van a estar bien establecidas, pues gracias a la asociación a los minerales de compuestos orgánicos, y la alineación cristalográfica controlada, va a permitir que los biominerales sean más ligeros y resistentes a la propagación de grietas que sus homólogos inorgánicos.

Esta técnica de difracción de electrones de retrodispersión (EBSD) ha sido aplicada para el estudio de Braquiópodos, Moluscos, Corales, Equinodermos, mandíbulas de Artrópodos, ojos de Trilobites, etc

En el caso de los Braquiópodos; se pudo llegar a hacer una separación de la concha entre las fibras minerales internas (o secundarias) que se forman en equilibrio isotópico con las aguas y la temperatura del mar, y que se puede deducir por el registro de 18O de la calcita, y las fibras minerales externas (o primarias) que al estar mucho más expuestas a la luz, nos proporciona una temperatura errónea (más alta) del mar primitivo.

También, otro descubrimiento mediante esta técnica que se realizó estudiando los Braquiópodos, fue que el género de los Trimelleridos que tenían una mala conservación de la estructura mineral en comparación con otros Braquiópodos, por lo que se sugirió que el mineral original había sido aragonito, pero que éste a través del tiempo geológico tiende a  disolverse, y posteriormente reprecipitar en calcita, y es por este motivo por el que se había producido una mala conservación.

Fig.2. Imágenes de difracción de electrones de retrodispersión de las fibras cristalinas internas de Terebratulina retusa, que es un Braquiópodo Trimellerido. En una de las cuales se puede observar numerosos colores, que cada uno de ellos representa a un cristal, que todos están más o menos orientados según el eje C.

En el caso de los Moluscos; debido a su gran abundancia en el registro fósil, estas técnicas se han centrado mucho en su estudio, y uno de los logros que se ha conseguido es entender estructuralmente los rellenos de aberturas y grietas que pueden producirse en las conchas de estos animales y tener una perspectiva sobre estos mecanismos de reparación natural.


Por último, otro caso a destacar, es el estudio de la visión de los Trilobites, lo cual a resultado más complicado ya que estos animales del Paleozoico no presentan equivalente moderno. Pero sin embargo, tu seguro te preguntarás el porqué estudiar tejidos blandos, como son los ojos, si en teoría no habrían permanecido en el registro fósil. Pues bien, resulta que los ojos de los Trolobites estaban formados en parte por calcita, y que estos biocristales de calcita estaba dispuestos de forma concéntrica en torno a un eje formando una lente biconvexa, y de forma compuesta, como en el caso de insectos actuales como las moscas o las libélulas.

Fig.3. Disposición radial concéntrica de los biocristales de calcita en el ojo de un Trilobites, dando lugar a la lente biconvexa. Cada color representa un mineral.

Para concluir, hay que recalcar que mediante esta técnica, la Paleontología va a poder investigar más a fondo los fósiles y restos esqueléticos, y hacer más descubrimientos como los anteriores que nos permitan entender mejor la producción orgánica de minerales y su funcionabilidad.

REFERENCIAS:

CUSACK, M. and CHUNG, P. 2014. Crystallographic orientation of cuttlebone shield determined by electron backscatter diffraction. JOM, 66, 139–142.
DIMASI, E. and GOWER, L. B. (eds) 2014. Biomineralization sourcebook. CRC Press, 432 pp.
GOETZ, A., GRIESSHABER, E., SCHMAHL, W. W. and LUETER, C. 2007. Crystal orientation selection during growth of brachiopod shell calcite. Geochimica et Cosmochimica Acta, 71, A335.MACINTYRE, I. G., PRUFERT-BEBOUT, L. and REID, R. P. 2000. The role of endolithic cyanobacteria in the formation of lithified laminae in Bahamian stromatolites. Sedimentology, 47, 915–921.
MANN, S. 2001. Biomineralization: principles and concepts in bioinorganic materials chemistry. Oxford University Press, 205 pp.
PARKINSON, D., CURRY, G. B., CUSACK, M. and FALLICK, A. E. 2005. Shell structure, patterns and trends of oxygen and carbon stable isotopes in modern brachiopod shells. Chemical Geology, 219, 193–235.
SCHMAHL, W. W., GRIESSHABER, E., NEUSER, R., LENZE, A. and BRAND, U. 2004a. Morphology and texture of the fibrous calcite in terebratulide brachiopode shells. Geochimica et Cosmochimica Acta, 68, A202.
SCHWARZER, R. A., FIELD, D. P., ADAMS, B. L., KUMAR, M. and SCHWARTZ, A. J. 2009. Present state of electron backscatter diffraction in prospective developments. 1–20. In SCHWARTZ, A. J., KUMAR, M., ADAMS, B. L. and FIELD, D. P. (eds). Electron backscatter diffraction in materials science. Springer.
TORNEY, C., LEE, M. R. and OWEN, A. W. 2014. Microstructure and growth of the lenses of schizochroal trilobite eyes. Palaeontology, 57, 783–799.

Extinciones y Cambios Climaticos

Cuando hace 3 meses comencé con esta labor, mi objetivo estaba en enfocarme en como los foraminíferos sirven como una herramienta importante en la determinación de cambios climáticos, extinciones masivas, e incluso en los cambios en las condiciones REDOX en los océanos. Pero en el intervalo entre la segunda y tercera publicación que realice conseguí un artículo referente al reconocimiento de un evento de extinción masiva global que hasta ahora no se había aceptado como tal. Todo esto llevó que mi objetivo principal cambiase, redireccionandose al estudio de las fases de extinción y de recuperación de especies, y como este sirve para complementar estudios relacionados a eventos de extinción y de cambios climáticos.

Evolución convergente y paralela

Evolución convergente y paralela

Ya van cuatro entradas publicadas en este blog, todas sobre filos o clases diferentes. He hablado de moluscos en general, de bivalvos en particular, de cordados (tetrápodos) y lofoforados (braquiópodos). Unos escleritos, un braquidio en forma de doble espiral, la falta de dedos de algunos tetrápodos o las diferencias en la diversidad de algunos grupos en dos costas distintas parecen temas bastante irreconciliables entre si. Sin embargo, todas las entradas tienen algo en común: su temática gira en torno a los patrones de convergencia o paralelismo en la evolución, tanto de las morfologías como de la diversidad.

 Convergencia (Fuente: Hire Me)

Posible sexto evento de extinción masiva global durante el Pérmico Medio (Capitaniense)?

En mis dos entradas anteriores me he enfocado en el como los foraminíferos nos sirven para determinar condiciones ambientales relacionadas con eventos de extinción (Limite K/T), asi como cambios climáticos (Optimo Climático del Eoceno Medio (MECO)). En esta entrada dejaremos a un lado a nuestros diminutos amigos, para ver como otros taxones nos sirven para explicar eventos de extinción masiva, en este caso braquiopodos y bivalvos.

Introducción

Hace 262 millones de años, allá por el Pérmico específicamente durante el Capitaniense ocurrió un evento de extinción en latitudes ecuatoriales, siendo su extensión global desconocida. En el trabajo realizado por Bond, D., et al (2015) titulado "An abrupt extinction in the Middle Permian (Capitanian) of the Boreal Realm (Spitsbergen) and its link to anoxia and acidification” demuestran que hubo dos extinciones severas, que afectaron a los braquiópodos y bivalvos, de latitudes Boreales septentrionales (Spitsbergen), en el Pérmico Medio-Superior.

Este evento de extinción esta considerado como una de las grandes crisis ocurridas durante el Fanerozoico, siendo casi tan importante como las “Big 5” (Stanley y Yang, 1994; Bond et al., 2010a), aunque debido a que los estudios se han concentrado en latitudes Tropicales, especialmente en el sur de China, donde se reconoció por primera vez, no se considera como un evento de extinción masiva sino una disminución prolongada y gradual de la diversidad de especies existentes en el Pérmico (Yang et al., 2000; Clapham et al., 2009; Groves y Wang, 2013).

Por lo que Bond, D., et al; 2015 ponen en equilibrio la balanza, con una evaluación detallada de los fósiles marinos, de la Formación Kapp Starostin de la isla de Spitsbergen (anteriormente conocida como Spitzberg Occidental ) la cual es la mayor de las islas del archipiélago de Svalbard en Noruega.

Evolución paralela en los braquiópodos atíridos

Evolución paralela en los braquiópodos atíridos

Ya comentábamos en la pasada entrada el fenómeno de evolución convergente que se ha dado en los moluscos, y cómo esto puede dificultar la definición de las relaciones de parentesco entre las distintas especies, géneros y familias, al crear semejanzas entre organismos que son parientes bastante lejanos (Figura 1).

Figura 1: ¿Se podría considerar evolución convergente la clásica parodia a la evolución del ser humano? Sea como sea, yo prefiero la segunda versión...

¿Eso son dientes? ¡¡PUES ESPERA A VER MI BLINDAJE POSTERIOR!!

Entrada Final

Probablemente os estéis preguntando ¿cómo pueden estar relacionados un cefalópodo, un coleóptero y un Anápsido? La respuesta es sencilla, los tres han adaptado su organismo para fortalecerse y que resulte más difícil ser devorados.

De todos los seres que existen o han existido en la Tierra, probablemente los que peor se adaptan son aquellos que, por necesidad, han evolucionado hasta tener una cáscara, caparazón o concha resistente que proteja su débil cuerpo de los depredadores. Este escudo natural les otorga una posibilidad de supervivencia ante depredadores, ya que resulta más difícil dañarlos debido a que pueden esconderse o proteger sus órganos vitales tras esta barrera, que puede ser orgánica, como en el caso de las tortugas, los armadillos o los escarabajos, o inorgánica, como la mayoría de los gasterópodos, junto a los gasterópodos o los extintos ammonoideos.

En contrapartida, provoca dificultades en el movimiento, volviendo, a aquellos que han optado por este medio de defensa, unos seres lentos, con problemas en el crecimiento (necesitando desprenderse de su anterior caparazón para crecer y después crear otro nuevo, siendo vulnerables en el proceso) y restricción de movimientos. Otro problema de llevar una “armadura”, es que puede resultar difícil adaptarte a otros medios, por lo que si el ambiente en el que el animal vive cambia a uno desfavorable en un corto periodo de tiempo, es mucho más difícil que pueda adaptarse o moverse a otro más favorable, siendo prisionero de tu propia defensa. 

Llevar un caparazón a cuestas tiene su precio, pero lo vale en muchos casos. 

Desde el inicio de los tiempos, cuando la vida en el mar comenzó a tomar consciencia de lo que la rodeaba y de que podían ser comidos por otros seres, muchos organismos comenzaron a secretar sobre su cuerpo unas armaduras de placas que los recubrían total o parcialmente.

Duros por fuera, tiernos por dentro, simples en todos los aspectos

Comenzando por el Filo Brachiopoda, lo componen animales que perduran hasta hoy en día sin excesivo cambio desde el Cámbrico, momento en que aparecieron. Extremadamente sencillos, bentónicos y sésiles, pasan su vida filtrando nutrientes. Se protegen tras dos valvas de calcita como algunos gasterópodos marinos. (Fig. 1.)

Fig. 1. Hemithiris psittacea - Filo Braquiópoda

¿Me quieren desahuciar? Pues me llevo la casa

Los siguientes que dieron el paso para protegerse tras una concha, probablemente a la par que los Braquiópodos, fueron los Moluscos. 

De este Filo parten múltiples clases, todos tienen o han tenido en algún momento de su ascendencia un caparazón de calcita o aragonito: Bivalvos (fig. 2.) y Gasterópodos (fig. 3. y 4.) entre otros (fig. 5.), y cefalópodos.

Fig. 2. Lima scabra – Cl. Bivalva

Fig. 3. Helix aspersa o Caracol común

Fig. 4. Crysomallon squamiferum Caracol marino cuya concha está formada con Hierro (una auténtica armadura)

Fig. 5. Tonicella lineada - Cl. Polyplacophora

Los Cefalópodos actuales, a excepción de los Nautiloideos (Fig. 6.), han perdido, o han reducido su concha carbonática protectora de forma considerable, pero entre el Paleozoico y el Mesozoico, los cefalópodos con concha aragonitica tabicada predominaban. Poseían gran variedad de formas, desde los Actinoceratoidea, con una concha alargada, a los Ammonoidea, con las conchas en espiral (Fig. 7.), de los que puede leerse sobre una pieza calcítica denominada Aptychus en la entrada: Rol en la propulsión y funciones del Aptychi en los Ammonites

Fig. 6. Nautilus pompilius sp - Subclase Nautiloidea

Fig. 7. Cl. Ammonoidea

Artrópodos, “Los Caballeros de la Quitina”

Cambiando de tercio y volviendo otra vez atrás en la historia, hemos de remontarnos al origen del Filo Artrópoda: Organismos con un Exoesqueleto quitinoso y apéndices articulados. Se tratan, de los Clados: Hexápoda (Fig. 9. y 11.), Chelicerata, Crustacea, Myriapoda, Ostrácoda y los extintos Trilobites (Fig. 8). Marrelomorpha y otros (fig. 10)

Fig. 8. Trilobite Fósil

Fig. 9. Chalcosoma atlas - Or. Coleoptera

Fig. 10. Anomalocaris - Fam. Anomalocáridos (Extintos)

Podríamos denominar a este filo como el “pináculo” de los organismos blindados, seres totalmente recubiertos de una armadura protectora de quitina. Pero hasta dentro de ellos hay algunos que sobresalen como los más protegidos. Éstos son los del Orden Coleoptera. 

Estos seres la Clase Insecta, además de aumentar el tamaño del exoesqueleto en el tórax, han recubierto su primer par de alas con unas gruesas capas de quitina como la que forma el resto de su exoesqueleto, creando de esta manera un caparazón protector que protege su parte más vulnerable, el abdomen, de posibles depredadores. Un auténtico “tanque con patas”. 

Hallazgo de una especie nueva de Coleóptero Dermestidae en la entrada: Nuevo género y especie de Dermestidae (Coleoptera) del cráter Eckfeld Maar (Eoceno medio, Alemania)

Aunque otros géneros, pueden alcanzar tamaños notablemente mayores que los Dermestidae, su tamaño no es peligroso, así que no habría que preocuparse por una invasión de Coleópteros gigantes... En principio.

Fig. 11. Anthrenus angustefasciatus - Coleóptero Dermestidae

Vertebrados ¿otros que también se apuntan?

Por último, tendríamos a los vertebrados, algunos de los cuales han modificado su esqueleto para adaptarse y generar, además del endoesqueleto, un exoesqueleto dérmico en forma de caparazón o de placas. 

Podemos encontrar ejemplos en Anamniotas (extintos) Ostracodermos y Placodermos (Fig. 12.) y actuales Lepisosteiformes; y Amniotas con los Saurópsida, (Clado Crurotarsi, Cocodrilomorfos) y Anápsida (Orden Testudines de los que puede leerse sobre una nueva especie en la entrada: Nueva especie de Tortuga Brodiechelys del Cretácico Inferior en España) y los Synápsida como son las familias de Glyptodontidae (extintos) (fig. 13.) y Dasypodidae (actuales armadillos)

Fig. 12. Dunkleosteus sp. - Gr. Placodermos

Fig. 13. Glyptodon sp

¿Fin?

Con esto acabo mi trabajo de paleontología en este blog, deprisa y sin descanso, He de admitir que nunca se me ha dado demasiado bien esto de escribir entradas, así que solo espero que el esfuerzo haya valido la pena. 

Añadir que, una vez que uno indaga en algunos aspectos de la Paleontología, aunque es extensible a cualquier cosa, hacemos de ello, algo nuestro, nunca lo miraremos con los mismos ojos y pensaremos en ello de otra manera.

"Si el conocimiento es poder, la ciencia es el poder más grande del mundo, hay que conservarlo, potenciarlo, indagar en él y no permitir que muera nunca." - Alex Ruiz