sábado, 30 de agosto de 2014

La primera pata completa de un ave paseriforme del Oligoceno inferior de Polonia

Introducción

Los depósitos marinos del Oligoceno de la Formación Menilite de los Cárpatos exteriores se encuentran al sureste de Polonia, son conocidos principalmente por sus rica fauna de peces ( Kotlarczyk et al 2006. ). Los fósiles de otros taxones son muy escasos; hasta el momento se han descrito sólo cuatro especímenes de aves incluyendo un colibrí, Eurotrochilus noniewiczi Bochenski y Bochenski de 2008 , un paseriforme, Jamna szybiaki Bochenski, Tomek, Bujoczek, Wertz, 2011 , un Procelariforme (?)  Diomedeoides lipsiensis identificado por un único hueso aislado ( Elzanowski et al. 2012 ), y un pájaro de afinidades desconocidas ( Bochenski et al. 2010 ).
Aunque las aves paseriformes constituyen más de la mitad de todas las especies de aves existentes, su registro fósil durante el Paleógeno es sorprendentemente escaso ( Mayr 2005 , 2009 ). Los dos más fósiles más antiguos que puedan ser paseriformes están fechados a principios del Eoceno  australiano ( Boles 1995 , 1997 ), pero los mejores restos de paseriformes provienen indiscutiblemente del Oligoceno de Europa. Hasta ahora se han descrito dos especies  de paseriformes en base a muestras relativamente completas del Oligoceno temprano: Wieslochia weissi Mayr y Manegold de 2006 de Alemania ( Mayr y Manegold 2004 , 2006b ) yJamna szybiaki de Polonia ( Bochenski et al 2011. ). Otros restos del Oligoceno ya descritos incluyen un ala articulada ( Mayr and Manegold 2006a ) y varias docenas de huesos aislados de las alas ( Mourer-Chauviré et al 1989. ;Manegold 2008 ). Los huesos de las patas se conservan mucho peor e incluso los de Wieslochia weissi y Jamna szybiaki son incompletos. Aparte de este último, sólo otros dos fragmentos del tarso metatarso se conocen y provienen del Oligoceno de Francia ( Mourer-Chauviré et al 1989. , 2004 ; Mourer-Chauviré 2006 ).
En este trabajo se describe un espécimen casi completo de una pierna paseriforme articulada que se encuentra en el sureste de Polonia ( Fig. 1 ). Aunque no se conserva perfectamente, proporciona muchos detalles nuevos que, por primera vez arrojan luz sobre la osteología y la apariencia externa de un pie y una pata paseriforme del Paleógeno.
Abreviaturas Institucionales, Instituto de Sistemática y Evolución de los Animales, Cracovia, Polonia-ISEA.; ZPALWr, Departamento de Paleozoología, Universidad de Wroclaw, Wroclaw, Polonia.

Métodos

La terminología Osteológica sigue las pautas de Baumel and Witmer ( 1993 ). Las dimensiones se dan en milímetros y se refieren a la mayor longitud a lo largo del eje longitudinal del hueso. El fósil fue comparado con muestras recientes de la colección osteológica del ISEA. El horizonte fosilífero del pueblo de Przysietnica se ha fechado gracias a la base de datos de la comunidad de peces fósiles y se correlacionó con el nanoplancton calcáreo ( Berggren et al 1995. ; Kotlarczyk et al 2006. ). La masa corporal de los fósiles fue estimada por la relación entre la dimensión del fémur y el peso de las aves ( Campbell y Marcus 1992 ;Campbell y Bochenski 2010 ), utilizando la fórmula de regresión por mínimos cuadrados ordinaria:   log ( y ) = 2,418 · log( x ) 0.179 , donde  y = masa en gramos  y  x = circunferencia mínima de la diáfisis del fémur en mm. Las cifras de inclinación e intersección se codifican  específicamente como el subconjunto de datos "PS", de Campbell and Marcus (1992 : tabla 3).   La circunferencia menor de la diáfisis se calcula a partir de la anchura mínima de la misma, suponiendo que la sección transversal del eje es circular.

Paleontología sistemática

Aves Linnaeus, 1758
Passeriformes Linnaeus, 1758
familias, géneros y especies indeterminado

Materiales
En 1985 se encontró un fósil de compresión con las dos mitades de la losa que preservaba los restos de la pata derecha de un ave junto con una pelvis mal conservada y en la otra mitad los fragmentos de los huesos que dejaron dichas impresiones (Figura 2) (ZPALWr A / 4004) de Przysietnica (sitio PS-5), uno de las dieciocho muestras de depósitos marinos de la Formación Menilite de los Cárpatos Exteriores, situada en el pueblo de Przysietnica, a unos 8 km de Brzozów y 44 km al sureste de Rzeszów, Voivodato Podkarpackie, el sureste de Polonia (Figura 1). Coordenadas geográficas del sitio: 49 ° 43.976 'N, 022 ° 03,017' E. La muestra ZPALWr. A / 4004 se encontró en la capa numero 40, junto con 120 huellas de peces articulados, y con las especies de peces Carpathospinosus propheticus Tyler, Jerzmańska, Bannikov, y Świdnicki, 1993 , Antigonia sp, y una larva tipo chaetodontidae ( Świdnicki 1988 ; Tyler et al., 1993 ;  Micklich et al 2009 ), todos indicados en la Zona IPM4A (Kotlarczyk et al 2006. : fig 6). El horizonte fosilífero de Przysietnica (PS-5) se ha fechado como Oligoceno Rupeliense  alrededor de 29 Ma, sobre la matriz de la comunidad de peces que indica la Zona IPM4A, y se correlacionó con el nanoplancton calcáreo de la Zona NP24 sensu Berggren et al. ( 1995 ). 



Figura 1. Ubicación de la aldea de Przysietnica en el sureste de Polonia, donde el ZPALWr espécimen. Se encontró una / 4004.

 Observaciones taxonómicas
 Los paseriformes pequeños se distinguen de todos los demás taxones no paseriformes por la combinación de los siguientes caracteres:
1)              Todos los elementos de la pierna, incluyendo el tarso metatarso y tibio tarso son largos y delgados.
2)              El tibio tarso sostiene el crista cnemialis que lo proyecta lejos y hacia afuera y se une con la diáfisis casi en ángulo recto.
3)              El tarso metatarso sostiene un relativamente corto y próximo-distal  hypotarso que acaba bruscamente en  la diáfisis.
4)              Un distintivo crista plantaris lateralis
5)              Tiene el trochleae pequeño en el segundo, tercer y cuarto dedo de la pata y  están dispuestos de igual manera tanto longitudinalmente como distalmente. 
6)              El espécimen muestra un pie anisodáctilo
7)              La falange proximal del hallux es excepcionalmente alargado
8)              Las garras muestran poca curvatura y su tubercula flexioria esta débilmente desarrollada.
El carácter (5) es aplicable sólo a los paseriformes y se utiliza a menudo para discriminarlos del resto de taxones no paseriformes (por ejemplo, Cohen y Serjeantson 1996 ;  Gilbert et al 1996 ; Bochenski y Tomek 2009 ); los caracteres restantes se comparten con uno o más órdenes de no paseriformes pero su combinación es única para paseriformes.

Descripción y comparación

Tamaño y peso 
Longitud máxima en mm. Medidas: fémur, 17.1; tibio tarso, 36,3; tarso metatarso, 25.7; hallux: falange proximal, 7,6; hallux: garra, 4,7; segunda falange del dígito II, 4,5; garra de dígitos II, 3,2; segunda falange de dígitos III, 5,6; tercera falange de dígitos III, 5,5; garra de dígitos III, 3,9; segunda falange del dígito IV, 3,0; tercera falange del dígito IV, 3,1; cuarta falange del dígito IV, 3,4; garra de dígitos IV, 2.8. Anchura mínima de la diáfisis femoral: 1.5 mm. Las proporciones de los huesos de las piernas: fémur / tibio tarso, 0,5; fémur / tarso metatarso, 0,7; tibio tarso / tarso metatarso, 1.4.
La masa estimada del ave representada por ZPALWr. A / 4004 se calculó en 30,1 g.
Pelvis 
El pequeño fragmento de la pelvis está demasiado mal conservado para una comparación significativa .Sólo son visibles cuatro vertebras caudales.
Fémur
El fémur se aprecia con una vista craneal. El femoris caput está impreso únicamente en la losa principal. Los contornos de condyli medialis y condyli lateralis están muy mal conservados y no permiten comparaciones significativas. El hueso es similar en longitud  al de Wieslochia weissi ( Mayr and Manegold 2006b ) y mucho más corto que en Jamna szybiaki (Bochenski et al. 2011 ).
Tibio tarso
El tibio tarso se aprecia con la vista medial, pero la superficie medial del hueso no está. Al igual que en los paseriformes existentes, pero en contraste con la mayoría de las “aves terrestres superiores”, el tibio tarso es largo y delgado. Es más largo que el tibio tarso de Wieslochia weissi ( Mayr and Manegold 2004 ) y Jamna szybiaki ( Bochenski et al. 2011 ). El crista cnemialis cranialis, que se conserva mejor en el contra molde, se proyecta considerablemente hacia afuera y se une con la diáfisis distalmente con un ángulo casi recto, su forma y tamaño es típico de las aves paseriformes.
Tarso metatarso 
El tarso metatarso (se ve solamente en la losa principal) está orientado hacia el lado medial, pero lo que se conserva es principalmente la impronta de su lado lateral con restos de los huesos. Es largo y delgado, mucho que en Wieslochia weissi ( Mayr y Manegold 2006b ). Como en todos los paseriformes existentes, el hypotarso es relativamente corto próximo-distalmente y su extremo distal se une abruptamente con la diáfisis. No hay detalles de canales y / o surcos hypotarsales visibles. La diáfisis sustenta el plantaris crista lateralis, que está presente sólo en paseriformes y cucos (Manegold et al. 2004 ).
Tobillos
 Como en todos los paseriformes, el pie tiene una disposición anisodáctila con tres dígitos dirigidos hacia adelante y un dígito dirigido hacia atrás. Todos tienen el número habitual de falanges, y son delgados y relativamente cortos. El  osmetatarsal  I se separa del resto del hallux y como en todos los otros paseriformes exhibe una tróclea metatarsiana I cilíndrica. Además, como en todos los paseriformes existentes del Oligoceno temprano Wieslochia weissi ( Mayr y Manegold 2006b ), la falange proximal del hallux es muy alargada. Las falanges de los dígitos II más proximales, III, y IV no se aprecian bien ya que están incluidas en la matriz del sedimento fósil. Las demás falanges están bien conservadas. El tercer dígito parece ser el más largo, el segundo y el cuarto son aproximadamente de la misma longitud. Las garras muestran relativamente poca curvatura, su tubercula flexoria está débilmente desarrollada y tiene una ranura longitudinal. La segunda y tercera falanges de los dígitos III son aproximadamente de la misma longitud. En los dígitos IV, la cuarta falange es más larga que la segunda y la tercera falange es de longitud similar.


















Figura 2. Una pata de ave paseriforme no identificada del SE de Polonia, Przysietnica, del Oligoceno temprano, alrededor de 29 Ma (ZPALWr. A / 4004).
 A. Losa principal. B. Losa complementaria. C. Dibujo interpretativo de la losa y la complementaria (los fragmentos ampliados se indican con flechas). D. Tarso metatarso proximal ampliado en la losa principal. E. Tarso metatarso distal ampliado de la losa principal. F. Tibio tarso proximal ampliado de la losa complementaria.


Discusión

Debido a la preservación fragmentada del fósil y del desconocimiento del patrón de sus de sus canales hypotarsales (Manegold et al. 2004 ), su asignación a una familia dentro de los paseriformes no es posible.
La masa estimada de ZPALWr. A / 4004 (~ 30 g) se encuentra dentro del rango de masas corporales de varios pequeños paseriformes. Como prueba, se midió la anchura mínima del fémur de un número de especies de paseriformes de nuestra colección y por comparativa, se calculo la circunferencia mínima de la diáfisis utilizando la ecuación descrita en los Métodos para estimar la masa de las muestras por comparativa. Las dos especies comparadas que  tenían una anchura mínima de fémur y de diáfisis más similar a ZPALWr. Un / 4004 (1,5 mm) fueron Alauda arvensis (1,6 mm) y Lanius collurio (1,5 mm). Las masas estimadas de estas dos especies comparativas entran dentro del rango de masas registrados para estas especies ( Alauda arvensis : masa estimada ~31 g, rango de Cramp 1988 : 24,4 a 44,9 g; Lanius collurio : masa estimada ~26 g, rango de Cramp y Perrins 1993 : 21,7 a 36,3 g), lo que indica que el procedimiento es fiable y la estimación para los fósiles muestreados es probablemente correcta.
En proporciones generales, el fémur, tibio tarso y tarso metatarso son similares a las de paseriformes existentes, en particular los miembros de las familias Alaudidae, Motacillidae, Prunellidae, Sylviidae, Troglodytidae y Turdidae. La especie más similar, pero no idéntica, existente es Luscinia svecica de la familia Muscicapidae. El tamaño y las proporciones de los elementos de la pata, así como los dígitos del pie son relativamente cortos y se corresponden mas con especies actuales que viven en los arbustos, árboles o en el suelo ( Zeffer et al 2003. ; TT y ZMB observaciones personales). También la ligera curvatura de las garras sugiere que ZPALWr. Un / 4004 era un ave que Glen y Bennett (2007 ) incluirían el tipo de aves recolectoras arbóreas o de tierra.
ZPALWr. Un / 4004 también difiere considerablemente en las proporciones generales de las otras dos paseriformes conocidas del Oligoceno, Wieslochia weissi ( Mayr y Manegold 2004 , 2006b ) y Jamna szybiaki ( Bochenski et al. 2011 ), lo que podría significar que representa un taxón diferente. Los otros dos fragmentos del tarso metatarso proximal del Oligoceno superior de Francia (el Coderet espécimen FSL 330 802 y la muestra Crechy FSL 367.057) son difíciles de comparar debido a su mal estado de conservación. Aunque ZPALWr. Un / 4004 no está bien conservada, representa la primera muestra completa de un paseriforme del Oligoceno con todos los elementos de la pierna y la articulación. También aumenta el conocimiento y los registros que son muy escasos para  los paseriformes europeos más antiguos.

 Referencias

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Enlace del artículo comentado:

http://www.bioone.org/doi/full/10.4202/app.2012.0021









ECHINODERMATA

ENTRADA FINAL.

Los equinodermos
Los equinodermos, son unos curiosos animales, mayoritariamente epi- o endobentónicos, tanto vágiles como sésiles que habitan todo tipo de océanos y a cualquier profundidad.



La aparición de este grupo, no está muy clara aunque datan del Cámbrico, momento en la historia de la Tierra en el que aparecieron numerosas agrupaciones bilaterales, una gran explosión de vida que dio lugar a numerosas especies que aún continúan en la actualidad. ¿Las causas de esta explosión? Aparición de la predación, aumento de la temperatura global, la aparición de espacios ecológicos con la fragmentación de Pannotia o la reestructuración de los genes reguladores. No se sabe, pero es un hecho.
A pesar de su extenso registro fósil, el origen y evolución de estos seres vivos, sigue siendo un misterio. Sin embargo, la teoría más aceptada es la teoría larvaria de Garstang, que propone como ancestro a un organismo tentacular que daría lugar a los equinodermos, gracias a transformaciones a nivel del segundo metámero que originarían el aparato acuífero y el sistema tentacular típico de las estrellas de mar. La aparición de perforaciones faríngeas en las larvas de éstos, daría lugar a los pterobranquios, y a medida que estas perforaciones fueran aumentando en tamaño, se desarrollaría la filtración interna sin necesidad de tentáculos dando lugar a los enteropneustos o gusanos bellota, que son un subfilo de los hemicordados. 
Los hemicordados presentan un exiguo cordón nervioso dorsal llamado neurocorda, la cual junto con las hendiduras branquiales, podrían ser homólogos o no de las estructuras equivalentes de los cordados. De esta manera, surgirían los cordados, asociados con la existencia de la larva "renacuajo", y con el desarrollo de las gónadas (órganos reproductores) de la forma larvaria sin llegar a transformarse en un individuo adulto.
Volviendo a los equinodermos, sus relaciones filogenéticas muestran el paso de un modo de vida sésil y suspensívoro (boca orientada hacia arriba, sistema ambulacral con función alimenticia) a uno vágil macrófago o sedimentívoro (boca orientada hacia el sediemento, sistema ambulacral con función locomotora). 
El fósil Arkarua, ha sido considerado por muchos autores como el equinodermo más antiguo conocido, hallado en el yacimiento extraordinadio de conservación de Ediacara en 1987, con una edad de unos 555/560 ma. Uno de los motivos por el que se piensa que pudo ser un equinodermo es por la simetría pentarradial.


Imagen 1. Arkarua. Fósil de impresión del supuesto equinodermo más antiguo.

Durante el Cámbrico se produjo una rápida diversificación morfológica hasta el Devónico, donde solo quedaron los grupos con simetría pentarradial. A partir del Triásico ya quedan los cinco grupos actuales: ofiuroideos (cestas de mar, estrellas serpentiformes, estrellas frágies u ofiuras), asteroideos (estrellas de mar), equinoideos (erizos de mar), crinoideos (lirios de mar) y holoturoideos (pepinos de mar).
He de mencionar, que estos organismos son los primeros organismos deuteróstomos, es decir, siguieron un nuevo patrón de desarrollo embrionario (el blastoporo da lugar al ano y el celoma se forma a partir de invaginaciones del arquénteron [enterocelia]) del que parten las dos líneas evolutivas (equinodermos y cordados) a partir del mismo ancestro común, o larva dipleurula.
La clase más antigua es la de los lirios de mar, aunque los actuales pertenecen a la rama más moderna de la clase, el orden comatulida.



Los crinoideos o lirios de mar
Los crinoideos, son la clase de equinodermos menos conocida. Pero a pesar de ello, sus fósiles son muy abundantes e importantes. Dos de mis entradas anteriores se han basado en tratar temas tales como filogenias y características de estos seres que aparecieron en el Ordovícico, y han continuado hasta la actualidad del Cuaternario, teniendo sus principales radiaciones evolutivas durante el Paleozoico.
Habitan corrientes moderadas, fijados al substrato marino mediante una estructura alargada llamada pedúnculo, por lo que se les llama pedunculados. La parte superior se denomina cáliz, donde se encuentran las partes blandas del organismo, con cinco brazos muy ramificados y habitualmente recubiertos de pinnulas o púas, que le dan un aspecto de plumas. Tanto el pedúnculo como los brazos, están formados por piezas calcáreas discoidales o poligonales llamadas placas.
La masa visceral se ubica en la zona aboral compuesta por dos o tres placas, la boca y el ano se localizan en la cara adoral, mientras que el pedúnculo es aboral.
Presentan un sistema ambulacral cerrado, careciendo de madreporito, con función de alimentación por captura de microorganismos en los podios y transporte a la boca por medio de los surcos ciliados, siendo suspensívoros.
El tallo está compuesto por numerosas piezas unidas por ligamentos con un sistema nervioso oral superficial con carácter sensorial, oral profundo como sistema sensorial, y motor y aboral para la función motora. De cada sistema salen nervios hacia los brazos.
Presentan sexos separados y fecundación externa. El aparato reproductor está formado por un raquis genital rodeando al tubo digestivo del que salen cinco cordones que se ramifican hasta las pinnulas donde se diferencian las células que darán lugar a los gametos.
Tras la gastrulación se forma una larva doliolaria, con simetría bilateral y vida planctónica de tan solo unas horas hasta que se fija al substrato, iniciando un estadio cistoideo, en el que se desarrolla el cáliz y el pedúnculo, así como una torsión vertical de 90º. Finalmente se desarrolla la simetría pentarradiada con la formación de los brazos.


Imágen 2. Partes de un crinoideo. La morfología externa de los crinoideos recuerda a menudo a la de las plantas, por lo que coloquialmente son conocidos como lirios de mar.

Tras la muerte del organismo, sus esqueletos suelen disgregarse al desaparecer los tejidos blandos que antes unían las piezas, y por eso es muy habitual encontrar partes tales como brazos o pedúnculos.


Imagen 3. Pedúnculos.

Mis entradas relacionadas con los crinoideos han sido:
  • Filogenia de Tiaracrinus, complejidad entre crinoideos, en la que analizamos la filogenia de las especies de este género en base a la forma del cáliz, número de filas porosas, es decir, en base a sus caracteres. 
  • ¿Músculos en los lirios de mar?, en la que se trata la existencia de articulaciones musculares en los crinoideos, en especial en el género Ammonicrinus, cuyas especies fueron analizadas mediante catodoluminiscencia.
La tercera entrada que me queda por mencionar, que fue la primera redactada (sin contar la que realmente fue la primera, "EQUINODERMOS, HABITANTES DE MEDIOS HIPERSALINOS", cuyo artículo es Ophiuroids Discovered in the Middle Triassic Hypersaline Environment, que por un infortunio del destino eliminé) es:
Importancia de los equinodermos
Los equinodermos son uno de los grupos con mayor relevancia ecológica en arrecifes rocosos o coralinos, tanto en aguas someras como en abisales. Esto se debe a que son eslabones fundamentales de las redes tróficas al actuar como depredadores (tanto carnívoros como herbívoros), detritívoros y filtradores.
El tipo de alimentación de las especies influye en la estructura comunitaria de los arrecifes y en la composición de sus poblaciones. Se reconoce la importancia ecológica de los equinodermos como holoturias y ofiuros recicladores, quienes al alimentarse de sedimento transforman la materia orgánica y la hacen accesible a otros organismos, además, oxigenan el sedimento.
En particular las estrellas de mar (asteroideos) son consideradas como depredadoras importantes en mares tropicales y subtropicales, pues suelen ser nocivas para muchas especies de moluscos y crustáceos de importancia comercial. 
Por otro lado, los erizos de mar (equinoideos) controlan la biomasa de algas con sus actividades herbívoras y producen bioerosión, ayudando al balance de carbonatos en zonas arrecifales. Sin embargo, la bioerosión puede tener efectos negativos en las comunidades arrecifales cuando las poblaciones de erizos crecen de forma acelerada.


Sitios de interés

FIN



La revolución digital en paleontología

La paleontología tiene la reputación de ser una disciplina vieja, sin embargo, en los últimos años se ha revolucionado por la aparición de métodos de gran alcance para la visualización digital y el análisis de material fósil. Como consecuencia de la aplicación de estas técnicas, los estudios paleontológicos están a menudo a la vanguardia de la investigación anatómica. De hecho, algunas especies fósiles están ahora mejor caracterizadas en términos de su anatomía y de su desarrollo que sus homólogos con vida.
Además, la morfología funcional de los organismos fósiles, ahora se puede evaluar objetivamente a través de análisis funcionales cuantitativos que permiten obtener pruebas definitivas de lo que hasta ahora eran hipótesis inverificables en paleobiología.

Por lo tanto, la visualización y el análisis asistido por ordenador está transformando la manera en que los fósiles son estudiados y, en consecuencia, revelando cada vez mayores conocimientos sobre las teorías de extinciones de grupos y las teorías evolutivas que se basan en el estudio de estos.

En este artículo se examinan los avances que han hecho posible esta revolución y se discuten los tipos de investigación paleontológica que ahora pueden abordarse mediante métodos computacionales.


La extracción de datos fósiles de las rocas

Un problema importante que ha obstaculizado a los paleontólogos desde el comienzo de la ciencia ha sido cómo extraer los fósiles de su roca huésped. El enfoque convencional es eliminar físicamente la roca del fósil utilizando un método mecánico o químico (Leiggi and May, 1994).
Sin embargo, hay un número de dificultades asociadas con el aislamiento de los fósiles mediante estas técnicas. Se pueden dañar estructuras delicadas, y la extracción selectiva de características particulares no es sencilla. En otros casos, se ha eliminado el tejido blando excepcionalmente conservado para estudiar el hueso o concha, siendo los tejidos blandos los restos fósiles más significativos. Además, estas técnicas no permiten el estudio de la anatomía interna.

Una solución a estos problemas es la imagen tomográfica, la creación de un modelo 3D del fósil a partir de una serie de cortes en 2D. Esta metodología permite caracterizar la anatomía de los fósiles con un detalle sin precedentes.

Existen varias técnicas no destructivas para caracterizar las trazas fósiles en 3D (que se resumen en la Tabla 1), pero los rayos X es, con mucho, la más común. De hecho, el uso de rayos X para el estudio de los fósiles tiene una historia relativamente larga;  pocos meses después de su descubrimiento en 1895, los paleontólogos habían comenzado su explotación para examinar materiales difíciles de preparar. Sin embargo, no fue hasta finales del siglo XX cuando se realizó una tomografía computarizada (TC) en la paleontología (Wind, 1984; Conroy and Vannier, 1984). Este método funciona mediante la obtención de una serie de radiografías (proyecciones) de un espécimen en múltiples ángulos siendo penetrado el espécimen por un haz de rayos X. La proyecciones resultantes se utilizan para generar computacionalmente una serie de cortes paralelos perpendiculares al eje de rotación. El conjunto de datos finales pueden ser visualizados y analizados usando una variedad de paquetes de software (resumidos en Tabla 2).

Tabla 1.

Los estudios de tomografía de rayos X  se centraron muy pronto en caracterizar digitalmente fósiles macroscópicos que se habían extraído de la roca huésped. Aunque las imágenes eran de baja resolución, y por lo tanto no se podía visualizar los detalles anatómicos finos en muchos fósiles importantes, especialmente en muestras microscópicas. En los últimos años, sin embargo, la utilidad de la tomografía de rayos X para el estudio de los fósiles ha mejorado drásticamente. Estos métodos han hecho posible separar especímenes fósiles de su roca huésped de forma totalmente digital (Fig. 1) y también examinar la anatomía interna en gran detalle.

Fig. 1: Pasos individuales en el proceso de restauración y reconstrucción digital ejemplificado por un modelo del cráneo del Erlikosaurus andrewsi. (A) fósil original (mandíbula inferior omitida debido a la desarticulación). (B) representación digital del fósil. (C) Restaurado de la anatomía craneal. (D) Cráneo restaurado con  mandíbula y músculos abductores reconstruidos. (E) modelo final basado en los elementos de (C) y (D). La longitud del crñaneo es de 260 mm. Fuente: Cunningham, 2014.

El uso de las Micro-CT es muy amplio, ya que la tecnología es capaz de lograr resoluciones de unas pocas micras o menos y es aplicable a una gran gama de tamaños y composiciones.
Una de los más potentes de todos los métodos de tomografía es la tomografía sincrotrón-radiación, este método consiste en el uso de un acelerador de partículas para generar rayos X extremadamente brillantes. Sus principales ventajas son que es capaz de escanear rápidamente las muestras a altas resoluciones; y que solo emiten rayos X de una sola energía (es decir, monocromáticos), lo que permite una mejor calidad de imagen con mayor contraste. De esta manera, especímenes que normalmente no serían susceptibles a una radiografia (es decir, aquellos con bajo contraste) se pueden estudiar de forma no destructiva en 3D a alta resolución (Friis et al., 2007; Tafforeau and Smith, 2008).

Para algunos fósiles, las resoluciones que se pueden lograr mediante una tomografía de rayos X, incluso con un sincrotrón, es insuficiente para resolver completamente los detalles conservados. En tales casos, se puede aplicar un método alternativo: la tomografía de haz de iones enfocados (FIB), proporciona la mayor resolución de todas las técnicas tomográficas modernas. La tomografía FIB implica la molienda secuencial in situ. Hasta la fecha, se ha utilizado en raras ocasiones (en paleontología) para caracterizar superficies microscópicas de fósiles en 3D (Schiffbauer and Xiao, 2011).                                                                       El principal problema de este método es que requiere mucho tiempo, a pesar de esto es un método no destructivo y con gran potencial para el estudio de microfósiles y detalles de fósiles más grandes (microestructura e histología).

Otro método tomográfico también usado en paleontología es la tomografía de neutrones, es similar a la CT de rayos X, pero se basa en la absorción diferencial de neutrones de la imagen del interior de un espécimen (en lugar de rayos X). (Se amplían sus características en la siguiente entrada: "Fósiles a través de rayos-x y de la radiación de neutrones" )

El último método es la tomografía óptica la cual ilumina una muestra con el fin de obtener planos sucesivos de imágenes. Puede ser válido para estudiar muestras en una matriz translúcida (por ejemplo, fósiles en sílex o ámbar), pero no es eficaz para muestras opacas.

Ninguno de estos métodos de tomografía es destructivo, pero requieren el acceso a equipos e instalaciones especializadas. Estas restricciones, muy probablemente limitarán su captación en paleontología. Además, en muchos casos, el acceso al interior del fósil no es un requisito de estudio paleontológico, por ejemplo, si solo las características superficiales son de interés.                                                                                             En estos casos, se pueden emplear métodos no destructivos  para crear imágenes en 3D tales como técnicas de exploración de superficie que recogen los datos geométricos de una superficie 3D a distancia. Estos enfoques tienen la ventaja de que el equipo es a menudo barato, portátil y fácil de usar.

Por lo tanto cada estudio paleontológico concreto requiere un equipo y unos métodos de estudio determinados.


Reconstrucción digital

Casi todos los problemas tradicionales asociados con la recuperación datos de fósiles en las rocas se pueden superar con imágenes en 3D. En consecuencia, una amplia gama de la paleobiología con preguntas previamente intratables ahora se pueden abordar.

Las técnicas tomográficas pueden ser utilizadas para caracterizar la anatomía interna de los fósiles conservados tridimensionalmente con resoluciones de escala micrométrica (Abel et al. 2012; Donoghueet al. 2006; Schiffbauer and Xiao, 2011), lo que permite el estudio de estructuras que antes hubieran sido imposibles de visualizar y proporciona caracteres adicionales para las comparaciones con especies modernas y  los análisis filogenéticos.

En algunos casos, la caracterización de los fósiles en 3D permite inferenciar el comportamiento de los organismos (Domínguez Alonso et al., 2004; Zelenitsky, et al. 2009); También se pueden utilizar para estudiar el desarrollo de los organismos fósiles (Rücklin et al., 2012; Schmidt, et al., 2012); Además, los datos 3D son de gran valor para la comprensión de los procesos de fosilización, permiten desentrañar la estructura biológica original y separarla de los procesos geológicos que ha sufrido el organismo (Falkingham, 2012; Wacey et al., 2012); Por último, las imágenes en 3D de fósiles pueden servir de base para reconstruir digitalmente organismos fósiles con mayor precisión (Fig. 1).


Análisis funcional de los organismos fósiles

Uno de los objetivos clásicos de la paleontología ha sido comprender como los organismos extintos se movían, se alimentaban, en definitiva como vivían. Para llegar a estas conclusiones se utilizaban los  datos sobre su anatomía, lo cual en muchas ocasiones hacía difícil la tarea de establecer hipótesis sólidas.

Sin embargo, las imágenes tomográficas han servido una vez más para revolucionar este aspecto, mejorando la forma de investigar y de obtener resultados (Fig. 2).

Los distintos métodos de análisis en este campo son los siguientes:

 - Análisis de elementos finitos (FEA): ayuda a entender la alimentación y locomoción en taxones fósiles. Este enfoque puede reconstruir la tensión y la deformación en estructuras digitales, incluidos modelos de fósiles. De tal forma que se le asigna a un modelo digital con propiedades físicas similares a las de los elementos vivos y así la tensión implícita se pueden calcular computacionalmente (Rayfield, 2007);

- Dinámica de fluidos computacional (CFD): es una técnica utilizada para probar diversas hipótesis relativas al rendimiento de los organismos extintos en ambientes acuáticos;

- Análisis de dinámica de sistemas multicuerpo (MDA): permite establecer modelos sobre el movimiento y el comportamiento dinámico, interconectado con órganos como músculos y huesos (O’Higgins et al., 2011; Bates and Falkingham,  2012).

 
Figura 2. Resumen de los pasos principales involucrados en el análisis funcional a través de modelos computarizados. (A, C, E, G) Erlikosaurus andrewsi (longitud de la muestra 260 mm). (B, D, F, H) Protocinctus mansillaensis (longitud de la muestra 23 mm). (A, B) Las fotografías originales de los especímenes fósiles. (C, D) reconstrucciones digitales de los  fósiles basados en la tomografía computarizada de rayos X. (E, F) análisis de elementos finitos generados a partir de reconstrucciones digitales. (G) análisis de elementos finitos de la fuerza de mordida. (H) simulación de rendimiento hidrodinámico. Fuente: Cunningham, 2014.


Gracias a estas técnicas ha sido posible establecer estudios científicos en los que la manipulación de datos digitales es relativamente sencilla y  que aportan nuevos enfoques y datos a la paleontología.


Un futuro virtual

Este nuevo concepto de investigación supone nuevos retos a la hora de publicar resultados y conclusiones.
Hasta ahora no hay un consenso sobre que es lo que se debe hacer exactamente con los datos, lo que plantea varias cuestiones.

En primer lugar se plantea si todos los datos digitales obtenidos a partir del estudio deben compartirse. Muchas otras ciencias disponen de bases de datos digitales, pero en el caso de la paleontología no hay una opinión común. Una parte está a favor de poner todos los datos a disposición de la comunidad científica, y de esta forma que otros investigadores puedan verificar y usar dichos datos en posteriores estudios. Sin embargo son otros los que exponen que deben estar al menos un tiempo en manos de los investigadores que los han extraído para hacer análisis adicionales y sacarles su máximo provecho.

Otra de las  preguntas es si en el caso de que los datos deban ser compartidos cuando y en que formato debe hacerse. No hay un formato predeterminado para publicar datos tomográficos. Además aunque sea voluntad del investigador y tenga el formato adecuado no siempre es posible compartirlos con total libertad. En este apartado entran cuestiones jurídicas. Cuando se quiere hacer un estudio sobre un ejemplar de museo en muchas ocasiones se requiere a investigadores que los datos obtenidos en el trabajo pasen a formar parte de la propiedad intelectual de la institución, la que rara vez tiene infraestructura para almacenar y distribuir esos datos. Con esta política sería complicado poner de acuerdo a museos y editores sobre quien tiene el derecho de la distribución.

Otro problema sería el coste que supondría establecer una gran base de datos en la que se puedan almacenar todos los resultados. Su creación y mantenimiento tendría un precio muy elevado. (Ya existen algunos sitios web para datos tomográficos por ejemplo, www.paleo.esrf.eu, www.digimorph.com, www.datadryad.org). Además estos datos raramente son utilizados, pero por otra parte sería una manera fácil de evitar los fraudes científicos y una manera más ecológica de almacenamiento.

Sin embargo, las limitaciones actuales más importantes en la lectura el registro fósil radican principalmente, y de forma irónica, en los pobres conocimientos de la anatomía de la biota actual.


Bibliografía:

- Cunningham, J. TRENDS IN ECOLOGY & EVOLUTION. 2014. A virtual world of paleontology. Science. 29 (6), 347-357.


- Abel, R.L. et al. (2012) A palaeobiologist’s guide to ‘virtual’ micro-CT preparation. Palaeontol. Electron. 15, 6T 23.

- Bates, K.T. and Falkingham, P.L. (2012) Estimating maximum bite performance in Tyrannosaurus rex using multi-body dynamics. Biol. Lett. 8, 660–664.

- Conroy, G.C. and Vannier, M.W. (1984) Noninvasive three-dimensional computer imaging of matrix-filled fossil skulls by high-resolution computed-tomography. Science 226, 456–458.

- Domínguez Alonso, P. et al. (2004) The avian nature of the brain and inner ear of Archaeopteryx. Nature 430, 666–669.

- Donoghue, P.C.J. et al. (2006) Synchrotron X-ray tomographic microscopy of fossil embryos. Nature 442, 680–683.

- Falkingham, P.L. (2012) Acquisition of high resolution three- dimensional models using free, open-source, photogrammetric software. Palaeontol. Electron. 15, 1T.

- Friis, E.M. et al. (2007) Phase-contrast X-ray microtomography links Cretaceous seeds with Gnetales and Bennettitales. Nature 450, 549–552.

- Leiggi, P. and May, P. (1994) In Vertebrate Palaeontological Techniques (Vol. 1), Cambridge University Press.

- O’Higgins, P. et al. (2011) Combining geometric morphometrics and functional simulation: an emerging toolkit for virtual functional analyses. J. Anat. 218, 3–15 57.

- Rayfield, E.J. (2007) Finite element analysis and understanding the biomechanics and evolution of living and fossil organisms. Annu. Rev. Earth Plant. Sci. 35, 541–576.

- Rücklin, M. et al. (2012) Development of teeth and jaws in the earliest jawed vertebrates. Nature 491, 748–751.

- Schmidt, D.N. et al. (2012) Linking evolution and development: synchrotron radiation X-ray tomographic microscopy of planktic foraminifers. Palaeontology 56, 741–749.

- Schiffbauer, J.D. and Xiao, S. (2011) Paleobiological applications of focused ion beam electron microscopy (FIB-EM): an ultrastructural approach to the (micro)fossil record. In Quantifying the Evolution of Early Life: Numerical Approaches to the Evaluation of Fossils and Ancient Ecosystems (Laflamme, M. et al., eds), pp. 321–354, Springer.

 - Tafforeau, P. and Smith, T.A. (2008) Nondestructive imaging of hominoid dental microstructure using phase contrast X-ray synchrotron microtomography. J. Hum. Evol. 54, 272–278.

- Wacey, D. et al. (2012) Taphonomy of very ancient microfossils from the  _3400 Ma Strelley Pool Formation and  _1900 Ma Gunflint Formation: new insights using a focused ion beam. Precamb. Res. 220, 234–250.

- Wind, J. (1984) Computerized X-ray tomography of fossil hominid skulls. Am. J. Phys. Anthropol. 63, 265–282.

- Zelenitsky, D.K. et al. (2009) Olfactory acuity in theropods: palaeobiological and evolutionary implications. Proc. R. Soc. Lond. B: Biol. Sci. 276, 667–673.